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HG高效除锈剂在热镀锌企业的应用
  2011-11-21 13:31:53
 
王建国
武汉新新科技有限公司
 
    摘要:本文简述了热镀锌行业酸洗除锈工艺的现状、化学过程,介绍了HG高效除锈剂研究、开发的基本思路和原则方法,同时介绍了该新型高效除锈剂在国内热镀锌行业的使用情况和应用实例,以及在改善环境、降低消耗、减少排放、提高质量等方面的应用成果。
    关键词:酸洗除锈;HG高效除锈剂;降耗、减排;清洁生产
酸洗除锈是热镀锌工艺中非常重要的一个工艺环节,能否获得一个良好的待镀工件表面质量,以及在热镀锌工艺中如何提高质量、降低消耗,酸洗除锈这一工艺环节都起到一个不可忽视的重要作用!同时,这一工序所产生的环境污染和环境压力,也是我们热镀锌企业所头疼和忧虑的!近几年国内镀锌企业发展速度很快,随之带来的环境污染、废液处理、排放问题也越来越突出!
    我们公司从2002年开始,针对国内热镀锌企业的现状,在进行充分市场调研的情况下,研究、开发出了新型高效除锈剂产品,并在国内率先推广应用。通过近十年的努力,已在全国热镀锌企业得到了广泛的认同。国内已有如南京大吉铁塔、浙江盛达江东铁塔、上海永丰热镀锌、青岛东方铁塔、苏州东方铁塔、青岛武晓集团、山东齐星铁塔、青岛汇金通电力设备、江苏国强镀锌、成都铁塔厂、成都四友钢构、广州联兴热镀锌、中山中艺重工、安徽宏源铁塔等国内大型骨干铁塔、镀锌企业在内的近500家企业客户。
                     
 
    下面我们就这一产品在国内热镀锌行业推广应用的情况作一总结。为便于对一些问题的展开说明,我们先来了解一下酸洗除锈的化学过程。因国内绝大部分企业采用盐酸酸洗,我们的讨论以盐酸酸洗为例:
一般来说,钢铁表面都存在铁锈和氧化皮。铁锈的主要成分是氢氧化亚铁与氢氧化铁,氧化皮的主要成分是四氧化三铁与三氧化二铁。铁的氧化物、铁锈都很容易与盐酸作用被溶解,其反应式如下:
FeO+2HCl→FeCl2+H2O               反应式 (1)
Fe(OH)2+2HCl→FeCl2+H2O           反应式 (2)
2Fe(OH)3+6HCl→2FeCl3+6H2O        反应式(3)
而氧化皮的酸洗反应过程则麻烦一些,因四氧化三铁与三氧化二铁在盐酸溶液中较难溶解,但当与铁同时存在时组成腐蚀电池,铁为阳极。与氧化皮接触处的铁首先溶解,同时产生氢气,并促使氧化皮从钢铁基体表面脱落,这一过程伴随着产生氢气时的机械剥离作用。其反应式如下:
2Fe+6HCl→2FeCl3+3H2↑            反应式(4)
这时析出的氢把四氧化三铁、三氧化二铁还原为氧化亚铁,反应式如下:
Fe3O4+H2→3FeO +H2O                反应式(5)
Fe2O3+H2→2FeO +H2O                反应式(6)
然后重复反应式(1)的反应而溶解在酸液中。
在以上反应中,其中反应式(4)的反应在氧化皮脱落之后会继续进行。反应式(4)的过量反应会使金属基体过量腐蚀而造成“过蚀”,俗称“过酸洗”。同时过量酸洗会造成大量铁离子的累积,使酸洗液提前失效。其反应过程还会产生大量氢气,氢原子易扩散到金属内部引起氢脆,导致金属的韧性、延展性和塑性降低,影响材料的机械性能。而氢分子携带酸滴从酸液中逸出时,造成大量酸雾,污染车间环境。
    对于控制反应式(4)的过量反应,过去传统的做法是添加缓蚀剂,但单纯添加缓蚀剂会影响酸洗速度。从酸洗质量的角度出发,我们要求达到较高的缓蚀效率,即工件除去氧化皮之后,产生尽可能少的失重。而较高的缓蚀效率带来的是酸洗速度和生产效率的降低,严重时甚至造成工件洗不动,出现“欠酸洗”现象。
    酸洗除锈的目的在于除锈和清除氧化皮,而不能腐蚀金属的基体。过量的酸洗会使金属表面变的粗糙,呈暗黑色或暗灰色,酸洗后的表面放大后呈锯齿状和凹凸点、麻点,使表面积增大,热镀锌时会增加更多的表面上锌量,同时也影响镀锌表面质量。
    针对以上这些问题,我们经过反复试验、筛选,并经生产使用过程中的反复调整、改进,开发出HG高效除锈剂,并在热镀锌企业得到成功运用。由于涉及到企业专有技术的问题,我在这里介绍基本思路和原则方法。
    在上述的酸洗基本反应式中,其中反应式(4)是一个重要的过程,我们的关键是要控制这个过程,为此我们采用了特殊的剥离剂、渗透剂,以加强和加快氧化皮从钢铁基体的脱离速度,解决了在高缓蚀效率的前提下,仍保持较高酸洗速度的难题。这时,我们可以适当加大缓蚀用量,并采用特殊的吸附剂在钢铁基体表面形成吸附层,就好像在剥离了氧化皮的金属基体表面附上了一层薄膜一样,阻止了金属基体进一步地与酸液反应,彻底地解决了盐酸酸洗工艺中的“过酸洗”问题。也就从根本上抑制和减少了铁的溶解和腐蚀。酸液中生成的铁离子的数量大大减少,反应少了酸的消耗也就少了。同时我们还采用了适量的络合剂,可与铁离子起络合作用,最大限度地降低了酸洗液中铁离子的含量。
    从以上叙述我们得知,由于较好地解决了酸洗过程中的关键点的问题,所以我们研究、开发出的这种除锈剂添加到盐酸中以后,使一吨盐酸发挥二吨以上的功效。名副其实地体现了高效的性能,为此我们将其命名为高效除锈剂。
    下面谈谈HG高效除锈剂的特点:
    一、环保性能及抑雾效果好,可减少酸雾80%以上。传统的抑雾方式是采用泡沫覆盖剂和油性覆盖剂,这些方法都因工件难清洗和处理,影响镀锌操作和质量而不被生产企业所欢迎。而我们首先从源头减少反应,减少氢分子的逸出,调整酸洗液的表面张力,采用低泡沫的特殊抑雾剂等多方面入手,较好地解决了酸雾抑制的问题。正常天气情况下,车间基本看不到酸雾(请参阅第九届中国热浸镀技术交流会论文集)      
    二、除锈彻底,干燥后的工件能保持2小时左右不生二次锈。工件除锈后表面质量高,表面平滑、银光闪闪、呈金属本色。无过酸洗产生的麻点、过蚀、表面发黑、灰暗等缺陷。(请参阅第九届中国热浸镀技术交流会论文集)   
    三、酸洗液使用寿命长,处理量大、使用成本低。添加HG高效除锈剂的酸洗液在使用过程中,酸度呈平滑曲线缓慢变化,亚铁离子浓度呈平滑曲线缓慢上升,经适当补充、调配,其使用寿命和处理量是普通盐酸的2倍以上,直接酸洗成本均低于普通盐酸。
下面是南京大吉铁塔制造有限公司在使用过程中的数据和曲线:
南京大吉铁塔制造有限公司
添加HG高效除锈剂后与普通盐酸使用周期数据的对照表

生  产 线
二  号  线1号槽  容量150t
一  号  线5号槽  容量100t
酸含量下降至40g/L时的使用周期
普通盐酸:使用5个月
添加除锈剂后:使用10.83个月
普通盐酸:使用3.7个月
添加除锈剂后:使用9.3个月
使用周期比较
添加除锈剂后的有效使用周期是普通盐酸的2.2倍
添加除锈剂后的有效使用周期是普通盐酸的2.5倍

     说明:以上试用周期的比较是在生产量基本相同的情况下进行的。
参考以上数据、曲线,添加HG高效除锈剂以后,在酸洗液酸度曲线的中、后期仍能保持较快的酸洗速度而且除锈有力,不仅有效降低了酸洗成本,对控制环境质量也是有利的。普通盐酸由于使用周期很短,当铁盐浓度达到150—200g/L时,就将作为废酸排掉,这样频繁地更换新酸,而酸雾挥发最严重的时间段往往是初配新酸时,这样恶性循环,车间常常笼罩在酸雾滚滚的环境中。采用HG高效除锈剂后能在中、低浓度下稳定工作很长一段时间,有利于车间环境的改善。
    从上曲线可以看出,亚铁离子曲线上升很慢,控制的很好。铁离子在镀锌生产中是非常有害的东西。理论上讲,1kg铁要消耗25kg锌成为锌渣。频繁地在高浓度铁离子状态下操作,对于溶剂的处理,锌锅的操作都是不利的。将铁离子控制在源头,对于降低消耗、减少锌耗无疑是有利的,也是有实质意义的。
    四、废液量少,减少了排放压力和处理成本。如武汉红旗镀锌厂,年镀锌产量在4万吨左右,原来每年消耗盐酸在1600吨左右,产生废酸排放在2300吨。全面使用HG高效除锈剂以后,据2008年全年统计数据,该厂全年镀锌产量42000吨,全年消耗盐酸仅697吨。废酸排放量仅为950吨左右。在我们全国近500家用户中,据保守的估计,全年减少废酸排放约15万吨,减少了这些企业的排放压力和处理成本,保护了环境。
    五、无“过蚀”、“氢脆”现象。只清除氧化皮,不伤金属基体。酸洗作业中,据有关统计分析,一般情况下,由“过蚀”产生的钢材重量损失将达到2‰。而采用HG高效除锈剂只清除氧化皮,不伤金属基体,消除了“过蚀”、“氢脆”的缺陷。试验室试样浸泡1400小时以上,检验结果不失重。生产实践中,有的厂工件掉在酸池中,几个月后换酸清理酸池捞上来工件完好无损,甚至连钻孔都棱边分明。
    由此我们推广用钢板制酸洗槽替代普通酸洗槽,如青岛汇金通电力设备有限公司、江苏扬州飞花灯饰制造有限公司,均采用钢板槽酸洗生产。
青岛汇金通公司应用钢板槽采用HG高效除锈剂现场配制酸洗液和使用中的情况:(请参阅第九届中国热浸镀技术交流会论文集)。         
该公司共有钢板槽容量为150t×12个。
    六、综合经济效益明显。使用HG高效除锈剂将收到环境、质量、成本三个方面的综合经济效益,这是通过全国几百家企业多年使用后得出的结论。
    说明与建议:
盐酸属于高挥发性酸,在阴雨天气及低气压天气条件下,通过单纯化学方法完全控制住酸雾并达标生产是有一定难度的,必须采用物理方法辅助控制。国外通常采用密闭式和侧吸抽风来捕集酸洗工作区的酸雾,经管道送至酸雾吸收塔洗涤吸收后排放。全封闭密闭式抽风投资较大且生产操作不便。目前比较常用的是采用侧吸抽风装置来收集酸雾,但是侧吸抽风装置要想达到理想的控制效果,必须要有合理的设计,并配备足够风量的风机,运行成本很高。根据我们国内的现状和国情,要想在低气压气候条件下全天候达标生产,我们推荐在酸洗工序采用HG高效除锈剂和侧吸抽风相结合的工艺处理方式,侧吸抽风和酸雾吸收塔则采取有选择性间隙式的运行方法。
    即在正常气候下,使用HG高效除锈剂其抑制酸雾效果可达90%,车间里很干净。侧吸抽风设备只在低气压天气和阴雨天气运行,这样既保证了环境达标,又最大限度地降低了运行费用和成本。
版权所有 中国腐蚀与防护学会热浸镀专业委员会