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【簡(jiǎn)介】
(上海梅山鋼鐵股份有限公司冷軋廠，江蘇南京210039)
摘要:介紹了不溶性陽(yáng)極電鍍錫線中錫溶解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能和控制原理，重點(diǎn)分析了錫溶解系統(tǒng)工作原理，并提出了實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)故障及處理方法。實(shí)踐表明，為了控制好錫粒的溶解反應(yīng)，降低噸鋼錫耗量，今后需對(duì)網(wǎng)板或者罐體結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的優(yōu)化。
關(guān)鍵詞:電鍍錫;錫溶解系統(tǒng);不溶性陽(yáng)極
傳統(tǒng)的電鍍錫方法有不溶性陽(yáng)極、可溶性陽(yáng)極之分。可溶性陽(yáng)極電鍍錫方法的缺點(diǎn)是帶鋼在寬度方向的鍍層均勻性控制不好，陽(yáng)極的維護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度大，現(xiàn)在可溶性陽(yáng)極逐漸為不溶性陽(yáng)極所取代。不溶性陽(yáng)極電鍍錫方法是將鈦合金極板表面鍍上約15μm的鉑或氧化釔金屬，安裝在帶鋼的兩側(cè)，與整流器陽(yáng)極相連接。電鍍過(guò)程中，Sn2+在直流電流的作用下，得到電子變成金屬錫原子而沉積在陰極帶鋼表面上，電鍍液中的錫離子通過(guò)外部不斷輸入，即通過(guò)錫溶解槽來(lái)提供。上海梅山鋼鐵股份有限公司1420冷軋電鍍錫機(jī)組采用的是不溶性陽(yáng)極電鍍錫方法，因此它需要有獨(dú)立的錫溶解系統(tǒng)以補(bǔ)充由于鍍錫而消耗的錫離子。
1·錫溶解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能
錫溶解系統(tǒng)主要是由錫溶解槽、沉淀槽和循環(huán)泵及配管等組成，如圖1所示。錫溶解槽上方有加錫裝置，打開(kāi)錫粒投入閥，將一定量的錫粒(直徑為2～3 mm)投入錫溶解槽，然后由供液泵(PC-12)將電鍍循環(huán)槽內(nèi)的電鍍液打入一定量到溶解槽，再打開(kāi)氧氣供應(yīng)閥門，供應(yīng)一定量的氧氣，則金屬錫粒在槽內(nèi)網(wǎng)板上進(jìn)行反應(yīng)，生成Sn2+。溶解好的溶液經(jīng)溢流口到沉淀槽內(nèi)，在沉淀槽內(nèi)經(jīng)三級(jí)沉淀溢流到電鍍循環(huán)罐內(nèi)，補(bǔ)充錫離子，從而保證了電鍍液中Sn2+濃度的穩(wěn)定，維持一定的工藝條件。
錫溶解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:
(1)用小直徑的金屬錫粒增加反應(yīng)面積;
(2)罐體下部裝有多孔網(wǎng)板隔開(kāi)錫粒，形成固液流動(dòng)層以增加溶解氧的移動(dòng)速度;
(3)密閉型罐體，通過(guò)循環(huán)泵(PC-13)打循環(huán)和調(diào)節(jié)自動(dòng)閥(PVC-1312)的開(kāi)口度，溶解罐內(nèi)形成高壓流動(dòng)層。
2·錫溶解系統(tǒng)的控制
錫溶解系統(tǒng)是通過(guò)建立氧氣流量、吹氧時(shí)間與Sn2+濃度間的平衡比例關(guān)系，在穩(wěn)定的壓力、流量、溫度、液位等條件下，控制氧氣量而達(dá)到穩(wěn)定供Sn2+目的。
(1)氧氣流量控制
錫離子濃度分析儀檢測(cè)的Sn2+含量信號(hào)被送入PLC并存儲(chǔ)。同時(shí)，來(lái)自錫離子控制功能的信號(hào)被送入氧氣流量控制計(jì)FE-1311。控制器輸出連續(xù)信號(hào)，以操作氧氣流量控制閥FCV-1311。
(2)壓力控制
壓力計(jì)PT-1312:錫溶解罐內(nèi)的壓力通過(guò)此遠(yuǎn)程密封型壓力變送器檢測(cè)，并將信號(hào)送入PLC。控制器輸出連續(xù)信號(hào)，以操作循環(huán)管道上的自動(dòng)閥PVC-1312。
(3)差壓測(cè)量
壓差計(jì)PT-1313:錫溶解罐內(nèi)的差壓通過(guò)此遠(yuǎn)程密封型差壓變送器測(cè)量，并將信號(hào)送入PLC。
(4)網(wǎng)板差壓測(cè)量
壓差計(jì)PT-1314:錫溶解罐內(nèi)網(wǎng)板差壓通過(guò)此遠(yuǎn)程密封型差壓變送器測(cè)量，并將信號(hào)送入PLC。
(5)循環(huán)流量測(cè)量
流量計(jì)FT-1315:流量速度通過(guò)此電磁型流量計(jì)檢測(cè)，并將信號(hào)送入PLC。
(6)溫度測(cè)量
溫度計(jì)TE-1316:錫溶解罐內(nèi)的溫度通過(guò)此熱電阻檢測(cè)，并將信號(hào)送入PLC。溫度過(guò)高時(shí)，氧氣安全閥XV-1311將關(guān)閉。
(7)液位檢測(cè)
液位計(jì)LE-1317:錫溶解罐的液位通過(guò)此電容式液位計(jì)測(cè)量。報(bào)警信號(hào)被送入報(bào)警顯示盤(PLC)。
3·錫溶解系統(tǒng)工作原理
3.1錫溶解原理
錫粒在電鍍液中的溶解速度非常緩慢，需要通入氧氣，以加快反應(yīng)速度。其反應(yīng)式如下:
根據(jù)此方程式，溶解1 kg錫所需要的氧氣量為94 L，由于氧氣的有效利用率只有70%左右，因此實(shí)際氧氣消耗量約134 L/kg。氧氣的供應(yīng)量不能太小，也不能過(guò)多。供應(yīng)過(guò)量的氧氣，則有可能使Sn2+繼續(xù)氧化，生成Sn4+，即發(fā)生反應(yīng):
Sn+O2→SnO2(2)
3.2錫溶解罐內(nèi)的重量測(cè)定原理
錫溶解罐內(nèi)錫粒的重量測(cè)定采用的是動(dòng)態(tài)重量測(cè)定法則，即在溶液穩(wěn)定流動(dòng)條件下建立錫的填充量與槽內(nèi)壓差間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)槽內(nèi)壓差計(jì)顯示的數(shù)據(jù)推算出槽內(nèi)錫粒的重量，有A，B，C3種模式。
模式A錫溶解槽靜止時(shí)，如圖2所示。
模式B錫溶解槽運(yùn)行時(shí)，如圖3所示。如果錫粒是攪拌著的，錫粒的填充量是能作為壓差測(cè)定出來(lái)的。即便是錫溶解槽的內(nèi)壓產(chǎn)生變化，差壓也是不會(huì)變化的，如表1所示。模式C錫溶解槽運(yùn)行(不穩(wěn)定)時(shí)，如圖4所示。
高位填充時(shí)，錫粒如果超過(guò)低壓側(cè)的測(cè)定位置而被攪拌的話，實(shí)際的錫粒重量作為壓差不被測(cè)定出來(lái)，而在較低位置上被推移下去。
錫粒因攪拌而產(chǎn)生散亂的話，壓差測(cè)定值也會(huì)變得不穩(wěn)定。
將表1中溶解罐內(nèi)錫粒填充量(x)與槽內(nèi)壓差(y)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系用曲線表示，如圖5所示，可以列出它們之間的函數(shù)關(guān)系式為
y=11.505 15x+33.313 77(3)
將式(3)輸入PLC，通過(guò)壓差計(jì)PT-1313顯示的壓力值可以計(jì)算出罐體內(nèi)錫粒的重量。錫粒重量控制在5.5～6 t之間，低于5.5 t時(shí)就打開(kāi)錫粒投入閥。
3.3錫離子濃度控制原理
為了保持電鍍循環(huán)槽內(nèi)錫離子濃度穩(wěn)定，需要控制錫溶解反應(yīng)速度，由式(1)可知，控制氧氣流量就可以控制錫的溶解速度。氧氣流量的大小則由電鍍整流器的電流量和溶液中的錫離子濃度來(lái)決定。
(1)吹氧方法
氧氣的控制模式有3種:兩種自動(dòng)模式，一種手動(dòng)模式。第1種自動(dòng)模式是根據(jù)電鍍電流值和錫離子濃度值來(lái)共同控制;第2種自動(dòng)模式是電鍍電流控制發(fā)生故障時(shí)，采用錫離子濃度直接控制;第3種模式則是采用完全手動(dòng)的方式，根據(jù)檢化驗(yàn)的Sn2+濃度手動(dòng)控制氧氣量。
梅鋼電鍍錫機(jī)組采用的是第1種模式與第3種模式相結(jié)合的方法。
(2)吹氧效率
η=槽體內(nèi)錫粒減少量(kg)×94/{吹氧流量(L/min)×?xí)r間(min)}×100%式中，η為為吹氧效率(氧氣使用效率)，一般情況下按80%計(jì)算，網(wǎng)板堵塞后，吹氧效率會(huì)降低。
(3)氧氣流量控制
第1步先根據(jù)機(jī)組速度、帶鋼寬度、兩面鍍錫量之和計(jì)算吹氧流量:吹氧流量(m3/min)=電鍍電流(A)×K(常數(shù))/η(4)式中，電鍍電流為上下表面合計(jì)值，5 kA以下場(chǎng)合應(yīng)判定為零;K=118.7/2÷96 500×9.44×10－5×60×0.95=3.309×10－6(根據(jù)電化學(xué)知識(shí)推導(dǎo))。
第2步根據(jù)錫離子濃度檢化驗(yàn)結(jié)果，上調(diào)或下調(diào)吹氧流量:
上調(diào)或下調(diào)吹氧量(L/min)={Sn2+目標(biāo)濃度(g/L)－當(dāng)前檢化驗(yàn)Sn2+濃度(g/L)}×鍍液總體積(m3)×94/(η×T)式中，T為Sn2+濃度檢化驗(yàn)間隔時(shí)間，一般120min。
3.4錫粒沉淀原理及能力
錫粒采用的是三級(jí)溢流沉淀原理，沉淀槽槽內(nèi)分割成3個(gè)區(qū)間(如圖6所示)，將錫溶解罐供給的溶液逐級(jí)溢流沉淀，沉淀后的錫粒供給到過(guò)濾器，高位溢流的溶液供給到電鍍循環(huán)罐，補(bǔ)充錫離子。
假設(shè)沉淀槽的寬度為W，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，高度為H，溶液流量為Q，溶液沉淀速度為u，根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)可以列出方程式:
所以，沉淀槽能沉淀分離出直徑ds≥0.037 mm的錫粒。
4·常見(jiàn)故障及處理方法
4.1網(wǎng)板變形
錫溶解罐內(nèi)多孔小網(wǎng)板容易變形———中間鼓起來(lái)，造成變形的網(wǎng)板與下面網(wǎng)板之間孔隙較大，時(shí)間一長(zhǎng)，中間堆滿的錫泥堵住了網(wǎng)板孔，造成循環(huán)溶液及氧氣流動(dòng)不均勻，產(chǎn)生了幾個(gè)方面的問(wèn)題:
(1)供氧效率低，錫耗量高。從錫溶解罐底部往上面流動(dòng)的氧氣不均勻，造成部份錫粒過(guò)氧化，生成SnO2，錫泥量較多，錫耗量大。
(2)槽內(nèi)壓差不準(zhǔn)確，加錫量控制不好。循環(huán)溶液流動(dòng)不均勻，影響槽內(nèi)壓差計(jì)PT-1313顯示結(jié)果，通過(guò)公式計(jì)算的錫填充量就不準(zhǔn)。處理故障的辦法:定期清理、更換網(wǎng)板，一般清洗周期不能超過(guò)2個(gè)月，選擇高強(qiáng)度、耐腐蝕的材料作為網(wǎng)板材料，或者優(yōu)化網(wǎng)板的結(jié)構(gòu)。
4.2泄漏
槽體及管道密封腐蝕、損壞或者閥體被擊穿而漏液。目前，錫溶解液市場(chǎng)價(jià)位約10萬(wàn)元/m3，漏液造成的損失不可估量。
處理故障的方法是:選擇耐高溫、耐腐蝕、耐高壓的材料作為密封或閥體材料，并定期更換密封、閥體。另外，錫溶解罐襯膠層兩年以內(nèi)就會(huì)老化，要定期更換錫溶解罐。
5·總結(jié)
全不溶性陽(yáng)極錫溶解系統(tǒng)基本上是一種氧化性反應(yīng)，并不能防止生成Sn4+。從應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，至少有投入錫量的3%變成了錫泥而損耗，特別是網(wǎng)板堵住后，錫泥量更高。所以，為了控制好錫粒的溶解反應(yīng)，降低噸鋼錫耗量，今后要進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)板或者罐體結(jié)構(gòu)，這是待攻關(guān)的技術(shù)課題。
參考文獻(xiàn):
［1］齎藤隆穗，柳長(zhǎng)福．電鍍錫線全不溶性陽(yáng)極技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用［J］．武鋼技術(shù)，1992(6):50-56．［編輯:牛巍］
