СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТРАВЛЕНИЯ И РЕГЕНЕРАЦИИ

1. Высокопроизводительные травильные линии толкающего типа Линии толкающего типа являются экономичной альтернативой малым и средним линиям непрерывного травления. Они появились в конце 50х годов и первоначально предназначались для травления небольших рулонов узкой горячекатаной полосы под последующее производство из нее спиральносварных труб. Затем сфера применения этих линий расширилась — на них начали обрабатывать горячекатаную полосу всех размеров, и таким образом линии толкающего типа стали незаменимыми для удовлетворения требований центров технического обслуживания, складов горячей стальной продукции и минизаводов. 4 Тот факт, что в травильных линиях толкающего типа не требуется наличие петледер жателей и сварочных установок, позволяет обрабатывать небольшие рулоны с максимальной скоростью, поскольку ограничения возникали в основном за счет затрат времени на сварку и зависели от производительности петледержателя. Почти полностью прямая конструкция линии позволяет обрабатывать особо твердые или хрупкие материалы. Кроме того, поскольку отсутствует необходююсть сваривать концы рулонов, на линиях такого типа можно обрабатывать плохо свариваемые или несвариваемые материалы. Возможность выполнять небольшие заказы, в том числе обрабатывать полосу с большой разницей в размерах, не соблюдать последовательность подачи рулонов и не подвергать их сортировке в зависимости от условий сварки— все это делает линии толкающего типа более предпочтительными по сравнению с линиями непрерыв нрго травления.

Расширение применения этой новой технологии в центрах: технического обслуживания и на минизаводах влечет за собой создание новых, более производительных и сложных агрегатов. Пик развития пришелся на середину 70х и выразился в выработке двух типовых конструкций: по первому, достаточно недорогому варианту, линия включает в себя гранитные резервуары относительно простой конструкции, гидравлические приводы и механизмы натяжения; другая более сложная линия включает резервуары с высокоскоростным механизмом заправки полосы, электроприводы постоянного тока и современную систему подачи.

На тот период обе системы соответствовали требованиям, при этом только вторая модель предполагала дальнейшее развитие и совершенствование. Производительность ЛИНЮ! толкающего типа составляла 100—300 тыс. в год при двухсменной работе предприятия. Как правило, обработке подвергалась полоса размером 0,060—0,375 дюймов (^1,5—8,5 мм).

Казалось, что дальнейшего развития и распространения эта технология не получит. •Однако разработкой решила заняться фирма "Maschinenfabrik Andritz AG", объединив для этого два направления своей деятельности. "Andritz" является поставщиком турбин, специальных насосов и высокотехнологичных гидравлических систем, имеет свой НИИ по гидравлике в г.Граз (Австрия). Другой сферой деятельности фирмы "Andritz" является разработка технологии для металлургической отрасли по обработке поверхностей (отделение "Ruthner", Вена, Австрия).

Созданный коллектив разработал ряд новых технологий травления, в том числе: травление в неглубоких ваннах с достаточно высокой пропускной способностью, производительность в 2,6 млн.т в год; травление в высокопроизводительной (1,2 млн.т в год) линии толкающего типа, в состав которой входят дрессировочные устройства. Обработке может подвергаться полоса шириной до 1900 мм и толщиной 1,5—12 мм. Такая высокопроизводительная линия установлена на заводе фирмы "Shanghai Yi Chang Steel Strip Co." (г.Шан хай, Китай); травление горячекатаной нержавеющей полосы толщиной до 12 мм в высокопроизводительной линии толкающего типа, в которой травление осуществляется в смеси кислот HF + HN03 и которая оборудована новейшей системой полной регенерации этих кислот.

Была построена опытная линия (в натуральную величину), на которой испытания проводились в достаточно жестких условиях. Разработаны новые синтетические материалы, способные выдержать разрушающее воздействие кислотной среды при экстремальных температурах. Основная концепция управления новой линией — соединить процессы химической обработки и транспортировки полосы в единый взаимосвязанный процесс.

Качество поверхности полосы, травленой в этих линиях, соответствует или даже превосходит нормы, установленные для линий непрерывного травления. Преимуществами новой линии являются меньшая занимаемая площадь (на 40 %), более низкие стоимость (на 60 %) и эксплуатационные затраты — все это делает новую линию в максимальной степени пригодной для замены устаревших линий непрерывного травления.

Кроме указанных, новые линии обладают также следующими достоинствами: неглубокие ванны, в которых создается микротурбулентность, позволяют сократить время обработки; для работы необходим относительно малый объем кислоты, это позволяет системе быстро регулировать концентрацию и температуру раствора; гидравлические резервуары, управляемые с помощью рулевого механизма, позволяют осуществлять быструю заправку при высокой скорости движения полосы. Двухмесячный контроль процесса обработки полосы толщиной 1,5 мм показал, что перекос материала полностью отсутствует при скорости до ЗООм/мин; сочетание кинетического переноса полосы и прикладной химии в единой системе управления осуществляется автоматически; в линию встроено дрессировочное »% устройство, улучшающее соблюдение допусков на размер и форму полосы. Выходная секция линии, например, на заводе фирмы "Preussag Stahl AG" (Германия), включает дрессировочный стан; травлению в линии могут подвергаться углеродистые и ферритные нержавеющие стали толщиной 1,5—12 мм и шириной до 1900 мм; практически полная горизонтальность линии с минимальным прогибом полосы позволяет уменьшить риск разрыва материала; участки мокрой обработки смонтированы на опорных конструкциях, требующих самых незначительных земляных работ.

В зависимости от производительности линии и наличия вспомогательных агрегатов (дрессировочного стана, устройства обрезки боковой кромки и др.) для обслуживания травильной линии толкающего типа требуется 3— 6 человек в смену. Группой "Andritz—Puthner" уже построено более 35 линий различной мощности (табл. 1).

2. Система регенерации кислоты

Процесс распылительного обжига для восстановления травильного солянокислого раствора успешно используется более 30 лет. До этого для травления углеродистой стали применяли исключительно серную кислоту. Однако опыт показал, что предпочтительнее использовать для этих целей соляную кислоту, особенно при наличии регенерирующего оборудования. В мире эксплуатируется более .150 установок для регенерации соляной кислоты производства фирмы "Andritz—Ruthner", диапазон мощности этих установок составляет 300—25000 л/ч. Одна из таких установок работает на заводе фирмы "USS—POSCO" в г.Питтсбурге (шт.Калифорния, США).

Недавно отделением "Ruthner" была разработана и внедрена система распылительного обжига для восстановления отработанного правильного раствора после обработки нержавеющих сталей. Эти растворы на базе азотной (плавиковой) кислоты могут быть восстановлены по технологии, аналогичной восстановлению соляной кислоты — методом (Пиромарс) Pyromars.

Рассмотрим систему для хлористого железа, поскольку этот процесс более распространен по сравнению с фтористонитратным восстановлением.

Как правило, оборудование для регенерации располагают по соседству с травильной линией, внутри или вне помещения травильного цеха. Между травильной линией и обжиговой системой располагают резервуар соответствующего размера. Отработанная кислота и промывочная вода непрерывно удаляются из травильного агрегата и перекачиваются в этот резервуар для получения буферного раствора, который обеспечивает достаточно стабильный поток при подаче его в регенератор. С другой стороны, восстановленная соляная кислота из регенератора накапливается в резервуаре, чтобы в нужный момент быть поданной в линию в необходимом количестве. Установка для регенерации производства "Ruthner" позволяет восстанавливать ~)9 % НС1, содержащейся в отработанном травильном растворе. Железо и другие металлы, содержащиеся в нем, удаляются из установки в виде оксидного порошка, который может быть в дальнейшем продан.

Основная реакция, происходящая в регенераторе, это распад или пирогидролиз раствора хлорида железа.

Для протекания химической реакции необходимы наличие отработанного пара, кислорода и температуры 390800 °С: 2FeCl2 + 2H20+ + 1/202 = Fe203 + 4НС1; 2FeCl3 + 3H20 = Fe203 + 6НС1.

Отработанный: травильный раствор подается из резервуара в регенератор, который состоит из агрегата предварительной концентрации кислоты, обжигового реактора (устройства для пирогидролиза), абсорбционной колонны и очистителя отходящих газов. Для замены части кислоты, не подлежащей восстановлению, требуется свежая соляная кислота, поскольку рад хлоридов, например, хлорид кальция и щелочные хлориды, нельзя получить методом пирогидролиза.

Отработанная кислота из резервуаров предварительно концентрируется в так называемом рекуператоре Вентури, использующем горячие газы реактора для обжига в струе, в которой затем эта кислота подается.

Реактор имеет форму цилиндра, футерованного огнеупорным керамическим материалом. Несколько горелок расположены по его периферии. Подвергшаяся предварительной концентрации отработанная кислота вводится через распылительные сопла в верхнюю часть реактора при давлении 3—6 Бар. Газовые или масляные горелки подают горячие газы внутрь реактора и таким образом обеспечивается завихрение струи. Капли, вытекающие из сопла, подхватываются вихревым потоком и смешиваются с атмосферой реактора. По мере опускания капель вода и соляная кислота испаряются, и образуется корка из кристаллов хлорида. В процессе испарения остаточного раствора новые кристаллы оседают на образовавшейся корке. Когда пар исчезает, корка или перфорируется во многих местах, или ломается. Частицы хлорида образуют оксид металла и солянокислый газ, при этом исходный кусковой материал остается в основном нетронутым. По этой причине оксид имеет структуру полой сферы.

Получаемый оксид железа имеет краснокоричневый оттенок и объемную плотность 0,3—0,6 кг/л. Начальный размер частиц составляет 0,5—0,8 мкм, а размер окускованно го материала до 400 мкм, удельная поверхность 25м2/г. Оксид непрерывно удаляется со дна обжиговой печи, имеющей конусообразную форму, с помощью ротационного устройства (питателя). Затем он пневматически подается в бункер для хранения и вывозится, будучи заваленным (засыпанным) в железнодорожный вагон или в мешках.

Отработанные газы удаляются из верхней части реактора и, в зависимости от профиля предприятия, проходят через одну или две циклонные установки для пылеосаждения. В процессе предварительной концентрации отработанные газы охлаждаются до 90 °С при непосредственном контакте с раствором.

Солянокислый газ постоянно выделяется из охлажденных отработанных газов в адиабатической абсорбционной колонне. Колонну он покидает уже в виде 18 %ной НС1. Обжиговые газы, крайне малое количество соляной кислоты, водяной пар и инертные газы, такие как азот, кислород и углекислый газ, удаляются из колонны с помощью вентилятора. Для окончательного удаления следов соляной кислоты и обжиговых газов в вентилятор и скруббер подается вода. Вместе с промывочной эта вода используется для абсорбции кислоты в колонне. В реакторе для пирогидролиза, так же, как и в других элементах агрегата, поддерживается незначительное отрицательное давление, предотвращающее выброс пыли в атмосферу.

Производительность агрегата С, л/ч, определяется по формуле: ТР' юооо HF где Т — количество прртравленных материалов, т в год; Р — потери раствора, % Fe; h — количество эксплуатационных часов в год, ч; F — разность содержаний железа в отработанном травильном растворе и в восстановительной кислоте, г/л.

Предположим, что годовая производительность линии составляет 800 тыс.т; потери раствора 0,42 %; время эксплуатации регенератора в год — 7200 ч (как правило); содержание железа в отработанном травильном растворе 130 г/л; содержание железа в восстановительной кислоте 5 г/л. Тогда 800,000X0,42X10000 7200X125 необходимая производительность установки составляет 3733 л/ч отработанного травильного раствора.

Сравнивая экономичность технологий травления при наличии или отсутствии регенерационной установки, следует учитывать следующие факторы: затраты на удаление отработанной кислоты и промывочной воды; стоимость свежей кислоты; прибыль от продажи оксидов; стоимость регенерационной установки. Стоимость регенерационной установки включает амортизацию; содержание и техническое обслуживание (~3 % от стоимости смонтированной установки); оплату труда (один оператор в смену и один такелажник, работающий одну смену в день); управленческие расходы и маркетинг оксидов; затраты энер го и других ресурсов: электроэнергия 0,04 кВтч/л отработанной кислоты; природный газ или мазут ЗОООкДж/л отработанной кислоты; минимальное потребление свежей воды и сжатого воздуха.

Установки регенерирования кислоты, построенные фирмой "Maschinenfabrik Andritz", приведены в табл. 2.

После появления в конце 50х годов первых травильных линий толкающего типа их применение стало быстро расширяться, при этом обработке могла подвергаться полоса любого размера, что позволило удовлетворять спрос со стороны центров технического обслуживания и минизаводов. В дальнейшем были разработаны и внедрены высокопроизводительные линии (до 1,2млн.т в год) с неглубокими резервуарами для обработки полосы шириной до 1900 мм и толщиной 1,5—12 мм.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994