目前國際上普遍采用中性電解技術去除不銹鋼表面的鐵鱗。氧化皮在電流的作用下強制溶解,處理速度快,效率高,表面“酸洗”質量好。
1. 硫酸鈉電解除鱗原理
一般采用20%的硫酸鈉(Na2O4)溶液,溫度85℃,pH5~7,控制六價鉻離子含量3~5g/L,陰極電流密度10~14A/dm2,陰極處理時間10~12秒。
a. 電極板表面發生的電化學反應如下:
硫酸鈉在水中電離: Na2SO4 == 2Na++SO2-4
在陰極上鈉離子接收電子,水解放出氫氣和氫氧化鈉。
2Na++2e+2H2O == H2↑+2NaOH
陽極上則SO2-4放出電子,表面生成硫酸,并放出氧氣,腐蝕性強,材質采用高硅鑄鐵。
SO2-4 - 2e +H2O == H2O4 +1/2O2↑
陽極表面層液的腐蝕性強,要采用高硅鑄鐵。在電解過程中同時有氫氣和氧氣放出,應防范產生電火花,以免產生爆鳴。
b. 陰極區鋼板表面的鐵鱗的除去
不銹鋼帶上的鐵鱗即氧化鐵(Fe2O3)作為相對陽極,被表面生成的硫酸發生化學溶解,同時被氫氣沖擊、撕裂和攪拌,加速溶解成三價鐵離子,加速作用很重要,使基體金屬避免發生過腐蝕現象,反應式如下:
Fe2O3+3H2SO4 == Fe2(SO4)3+3H2O
而Fe2(SO4)3中的三價鐵離子又會與陰極表面生成的氫氧離子生成氫氧化鐵沉淀,應及時排走,以免堵塞通道,影響電解效率,反應為:
Fe3++3OH- == Fe(OH)3↓
不銹鋼表面鐵鱗中含有氧化鉻成分(Cr2O3),溶解后生成三價鉻離子,部分形成氫氧化鉻[Cr(OH)3沉淀,隨氫氧化鐵沉淀而被排除,部分三價鉻被生成的氧原子氧化而形成六價鉻離子(CrO2-4)留在溶液中,六價鉻離子的含量控制在3~5g/L。
2. 硫酸鈉電解除鱗的影響因素
a. 硫酸鈉濃度
以20%濃度為佳,隨著硫酸鈉濃度的提高,溶液電阻減小,導電性增強,電解效率提高,但濃度超過25%,溶液溫度下降時易造成硫酸鈉結晶析出,堵塞管路和換熱器,損壞閥門、水泵。故停止生產時,首先要排出電解液,硫酸鈉濃度可用比重計控制在1.18~1.20g/cm3,大致在20%上下。
b. 溶液溫度
為了保持硫酸鈉有足夠的溶解度,電解液應保持在較高的溫度下運轉,一般控制在80~85℃,溫度過高,水分蒸發量大,而且熱能損耗過大,并不合算。
c. 溶液pH
溶液酸性過大,如pH<3,優先使金屬基體溶解,鐵鱗溶解減慢;堿性過大,如pH>10時,優先發生析氧反應,鐵鱗溶解速率也減慢。但在化學反應中,溶液中的鐵離子與氫氧根離子結合,生成氫氧化鐵不斷排出,溶液隨著反應的進行,不斷消耗氫氧根離子pH逐漸減低,為了保持pH在中性即pH在5~7,必須按pH變化及時補充氫氧化鈉,以保持pH在5~7之間。
d. 電流密度
隨著電流密度的增大,除鱗速度加快。圖2-6為冷軋304不銹鋼電流密度與鐵鱗去除效果的關系。電解時間為10秒,由圖2-6可見,隨著電流密度的增加,鐵鱗共降效果明顯提高電流密度提高到15A/dm2以后,除鱗效果沒有明顯的變化。電流密度過大,會加大電極板的消耗。實際生產中,根據鋼種的不同,電流密度選為10~15A/d㎡2,一般AISI300系列不銹鋼電解電流密度值比 AISI400系列要高一些。
e. 電解液循環
電解液中電極表面反應物(酸和堿)不斷補充到不銹鋼表面上,在其表面上生成的氫氧化鐵不斷地排到電解液中,產生的氣泡及時排走,可加快除鱗速度,電解液循環流量應保持槽內液體每小時至少更換8~10次,使溶液循環流量保持紊流的效果最好。合理地設計酸槽結構,使電解液利用泵力從槽體兩側直接噴射到鋼板和電極表面,將電解產物及時沖刷。
f. 板極間距
實際生產中,根據帶鋼板厚度調整電極間距,間距越小,電流效率越高,但鋼帶易碰到電極板,產生劃傷,上下電極間距以200~300mm為好。
①. 電壓降與鋼帶厚度的關系見圖2-7。鋼帶越厚,帶鋼電阻越?。浑姌O間距減小,極板間硫酸鈉溶液的電阻減小,在電解電流不變時,系統電阻減小,電壓降低。
②. 電極間距和鋼帶厚度對節能的影響見圖2-8。由于電壓降低,因電阻產生的放熱無用功也減少,從而提高整個系統的電解效率,即產生了節能效果。
3. 不銹鋼電解除鱗的工藝設備
圖2-9為硫酸鈉電解加熱循環系統工藝原理圖:鋼帶借助膠輥輸送入電解槽中,移動速度按電解處理時間10~12秒計電解槽中布置有陰極和陽極,由電解整流器送入電流至陽極板和陰極板上,陰極電流密度為10~14A/d㎡。固體硫酸鈉(Na2SO4)直接倒入循環罐內,加水攪拌溶解,稀釋成20%濃度,用循環泵經過濾器、換熱器,出口設有溫度傳感器,加熱到85℃溫度時,自動控制氣動閥,溶液由循環泵泵入電解槽循環使用,循環泵流量200m3/h,揚程30m,上下電極間距根據鋼帶板形控制在200~300mm之間。電解產生的鐵鱗或氫氧化鐵等污泥沉積在循環罐錐形底部,通過自動排污系統排出,進行分離處理,清液回收利用。電解槽和電極板每隔10天左右清理沖洗一次,以免堵塞。
4. 電解除鱗技術安全與經濟效益
生產高質量不銹鋼板,采用中性電解除鱗技術,不銹鋼制作的質量有大幅提高,極大地提高了市場競爭力,雖然設備復雜,投資運行成本高,但還是以電解除鱗安全,鋼帶表面質量好而合算,經濟效益高。