带钢酸洗工艺段参数的设计与分析

带钢酸洗工艺段参数的设计与分析
工艺段系统热负荷、酸耗量、漂洗水耗量是带钢酸洗线设计时的重要参数和系统详细设计时的依据。

文章提出利用集总参数法确定酸洗系统热负荷，推导了系统酸耗量与漂洗水量的数学模型。

为推拉式酸洗与连续酸洗线的合理设计提供依据。

标签：带钢酸洗线；系统热负荷；介质消耗量；数学模型
前言
随着我国带钢轧制与处理技术水平不断发展，带钢酸洗线，特别是连续酸洗线国产化比例日益提高。

酸洗工艺段系统参数是酸洗线设计的关键和难点。

目前部分国产酸洗线存在部分系统参数设计不合理，造成能源與介质消耗偏大，建设成本和生产运行成本偏高。

本文针对带钢酸洗线系统热负荷、酸耗量、漂洗水耗量等关键参数的求解进行理论分析与推导。

给出确定这些参数的的理论依据、求解方法或计算公式。

为带钢酸洗线的自主创新设计、降低带钢酸洗线的建设与运营成本提供理论依据。

1 酸洗热负荷及换热器的确定
酸洗系统热负荷的确定是酸洗工艺段设计的基础，是设计酸循环系统，确定酸槽长度、换热器面积以及蒸汽消耗量的前提和依据。

酸液温度影响酸洗速度和酸液中铁离子的溶解度，因此影响带钢酸洗速度和质量[1]。

带钢酸洗过程酸液温度控制在80-85℃。

带钢进入酸洗槽后，酸液热量部分被带钢吸收，导致酸液温度降低。

为维持酸槽酸液温度稳定、保证合理的酸洗速度，可通过控制酸液温度来降低加热带钢带所需热量和酸液浓度变化带来的振荡。

因此需要确定系统热负荷，以便对系统热量进行补偿和温度控制[2]。

根据传热学的非稳态导热理论，带钢内任一点温度随时间的变化如1-1式；当固体内部的导热热阻远小于其表面的换热热阻时，固体内部的温度趋于一致，以致可认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度。

这时温度t仅是时间τ的一元函数而与坐标无关，即1-1式可以简化为1-2式。

这种忽略物体内部导热热阻的方法称为集总参数法。

此时，物体的过余温度？兹=t-t∞与时间成指数曲线关系变化。

对于无限大平板，当毕奥数Bi<0.1时，采用集总参数法求解，最大与最小过余温度之差小于5%。

热量传递中，毕奥数指传热阻力与对流阻力之比，决定固体温度的一致性。

以某带钢为例，求解1#酸槽出口带钢温度。

带钢、酸槽、酸液等参数如表1。

计算带钢毕奥数为0.091；带钢可以认为是无限大平板。

Bi<0.1说明该问题可采用集总参数法。

且有边界条件：？兹0=t-t∞=to。

由于连续酸洗速度快，酸液加
热带钢的时间有限，可适当降低带钢最终温度t∞以减小误差，本文取t∞=78℃。

表1 带钢、酸槽参数参数表
根据集总参数法解出1#酸洗槽带钢加热温度为：72.9℃。

因此，1#酸洗槽的热负荷：Q=Cimi？驻ti=7.75×109J/h。

根据系统热负荷与蒸汽参数即可求解满足系统要求的换热器面积。

合理的换热器面积对维持系统热平衡和酸液温度控制起关键作用。

酸洗线用换热器主要是石墨换热器。

石墨换热器导热系数高，具有优良的耐腐蚀性和传热性能，因此被广泛应用于酸洗过程腐蚀介质的传热工序。

换热器面积确定公式如下：
根据两介质及加热器的物理特性求得总传热系数K。

考虑到使用过程中加热器内壁结垢等影响，取K=1000/（m2·K）；蒸汽入口温度145℃，蒸汽出温度140℃，酸液入口温度70℃，酸液出口温度80℃，解出1#酸槽酸循环系统换热器面积为31.9m2。

考虑酸槽自身的散热与酸液的蒸发的热损失，可适当增大换热器面积来补偿。

根据系统热负荷可确定系统蒸汽消耗量和酸循环系统参数。

进而确定酸液循环泵排量，阀门、管路通径等参数。

准确的求解系统热负荷，可在满足生产需求的前提下，选择合理的换热器、蒸汽站等公辅设施的能力，从而有效地控制成本，提高能源利用率，降低各介质消耗。

2 系统耗酸量确定
酸洗系统的耗酸量决定了补酸系统能力，以及酸再生站及相关设施的能力，对酸洗系统的酸浓度控制系统设计有重要的指导意义。

酸液浓度是酸洗系统重要控制指标之一。

若酸浓度酸过低，酸洗时间延长，易造成欠酸洗；而盐酸浓度超过一定值后，FeCl2易达到饱和状态，酸洗速度降低，且酸挥发量增加，增加酸雾处理系统负担。

为维持系统酸浓度稳定，确保系统添加的新酸量等于系统的耗酸量即可。

除挥发和带钢表面残留带走的酸量，系统耗酸量可根据系统铁损量计算。

即系统排出的废酸含的铁离子质量应等于酸洗系统的铁损量。

公式如下：
酸再生站再生酸铁离子含量约在7g/L；3#酸槽排废酸的铁离子含量约在120g/L。

酸洗系统的铁损按：？浊等0.4%计算，Cv取1.2；以系统实时产能250t/h 为例，则每小时的耗酸量：10.6m3/h。

由系统最大耗酸量可以确定酸再生站的能力。

在此基础上设计酸再生站，可以避免酸再生站及其相关公辅设施能力过剩造成的成本过高与能源、介质消耗浪费。

根据最大耗酸量也可以确定补酸系统的能力与工作制度。

3 漂洗水耗量确定
带钢酸洗后进入漂洗槽漂洗，祛除带钢表面残留的酸液。

现有带钢酸洗机组漂洗系统采取多级漂洗。

漂洗过程采用反向流法。

主流酸洗设备一般采取五级漂洗。

漂洗水介质采用脱盐水。

确定漂洗水最大耗量，就可以进行漂洗系统补脱盐水回路的设计。

综合酸洗系统脱盐水总消耗量，为脱盐水站设计提供依据。

带钢表面残留酸液主要影响有：（1）残留酸液与带钢表面发生化学反应，产生水锈；（2）带钢表面残留酸液带入轧机乳化液系统，影响乳化液的PH值，影响乳化液润滑性能，影响轧制效果。

生产中要求带钢表面cl-浓度不超过20mg/L。

酸洗设备在各酸洗槽以及各漂洗槽之间都设有挤干辊，目的就是减少酸液带出量。

带出量即经挤干辊后带钢表面的酸液残留量。

带出量与带钢规格与板型、带钢运行速度、挤干辊系统参数等相关。

多级漂洗系统的耗水量公式：Q=q×（c0/cn）1/n （3-1）
其中q：各级漂洗槽酸液带出量，m3/h；c0：末酸槽酸液浓度，g/L；
cn：第n级漂洗槽的酸液浓度，g/L；n：漂洗槽级数；
根据酸洗系统特点末级酸洗槽酸液浓度取200g/L；漂洗系统级数为5级，即n=5；酸液带出量按100ml/m2计；带钢宽1.3m；带钢运行速度220m/min。

则可求解出系统的酸液带出量与漂洗水的消耗量。

漂洗过程控制是通过监测5#漂洗槽的电导率来实现的。

除了增加漂洗新水量控制外，漂洗水的温度控制也很重要。

提高漂洗水的温度有利于离子扩散，提高漂洗效率，也有利于后续带钢的烘干。

4 结束语
本文就部分国产带钢酸洗工艺段参数设计存在的问题，提出了酸洗系统热负荷计算的理论依据和方法，给出系统酸耗量、漂洗水耗量的公式。

为连续酸洗线与推拉式酸洗线合理设计、避免因系统参数设计不合理引起的能源介质消耗偏大、建设与运营成本高，提供了理论依据和数据支持。

参考文献
[1]侣焕玲.模糊控制在冷轧酸洗温度控制中的应用[D].山东大学，2008年9月.
[2]窦晓尧等.酸洗过程模型分析[J].材料导报，2011年11月，第25卷专辑18.。