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“綠色酸洗”技術的開發與應用

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （北京吉麗友好鋼板生物植化技術中心 楊延吉）

    [摘 要] 本文從分析“傳統酸洗”除銹技術入手，通過對酸洗機理、酸洗工藝、酸洗優勢、酸洗弊端、環保治理等的環節分析。根據“清潔生產”的要求，采用綠色化工技術，引入“膜防護技術”原理，研發出“綠色酸洗”技術體系。該技術經過國家有關部門檢測，試點單位推廣應用，達到了預期的目標。保留了“傳統酸洗”除銹效率高，成本低的特點，又避免了對環境的污染，杜絕了對人身傷害的隱患；同時，又最大程度的工藝簡化，替代車間底漆涂裝而發生的費用，實現了除銹、防護二步工序合一，從而為鋼結構企業大幅度降低除銹成本，提高防腐蝕質量，實現“清潔生產”，提供了一條新的途徑。
    [關鍵詞] 酸洗除銹；“清潔生產”；“膜防護技術”；“綠色酸洗”技術
    一、引 言
    “清潔生產”的概念是指在產品設計和制造過程中預防環境污染的創造性思維和技術實施手段。依此我們將酸洗技術劃分為兩類，一類是具有污染的“傳統酸洗”，一類是具有“清潔生產的“綠色酸洗”。
    “傳統酸洗”是指采用硫酸、硝酸、鹽酸等溶液，對鋼材表面進行處理，以達到去除銹蝕和氧化鐵皮目的，獲得清潔的鋼材表面。其關注點立足于如何進行經濟除銹。
    “綠色酸洗”是在“清潔生產“原則指導下，引入“膜防護技術”原理，立足點不僅在于除銹，更在于對環境的保護，對工序流程的簡化，對除銹后的表面防護。基于立足點的不同，“綠色酸洗”具有很強的適應能力。
    “膜防護技術”的引進是通過對化學反應過程分析，在酸洗清理的同時，形成防護膜層。該膜層不僅對鋼材表面的防護能力，還包括與外層涂料的匹配性，從而使除銹、防護，與車間底漆功能聯成一體。
    二、“傳統酸洗”技術
    1、表面銹蝕：
    鋼鐵表面產生銹蝕和氧化鐵皮基本上三個層次：
    A．底層為疏松、多孔的FeO結晶組織，易于破壞；
    B．中層為致密、無孔、裂紋的Fe3O4結晶組織，十分堅硬；
    C．外層為疏松、裂紋的 Fe2O3結晶組織，多呈玻璃裂紋狀。
    鋼材在軋制過程中表面氧化會形成均勻、致密的氧化鐵皮，這層氧化鐵皮有一定的抗氧化能力。實踐證明，表面清理質量對防腐涂層體系的影響因素占50~60%，而新鋼材上氧化鐵皮的防護性能不足10%。因此，清除鋼材表面氧化鐵皮及銹蝕已成為提高防腐能力的必然。鋼材表面氧化鐵皮和產生的銹蝕，主要由FeO、Fe3O4和Fe2O3組成，均呈堿性，不溶于水，通過與酸性物質發生化學反應可進行溶解。
    2、酸洗機理：
    下面以鹽酸為例對酸洗機理進行分析：
    反應過程：潤濕?_滲透?_溶解?_剝離_
    ?還原
    化學反應：
    A：溶解：酸性和堿性物質發生化學中和反應
    分子式：FeO+2HCl=FeCl2+H2O
    Fe3O4+8HCl=2FeCl3+ FeC12+4H2O
    Fe2O3+6HCl=2 FeCl3+3H2O
    B：剝離：酸性物質與金屬基體反應產生氣體
    分子式：FeO+2HCl=FeCl2+H2 ↑
    C：還原：氫原子與氧化物質反應成亞氧化物
    分子式：FeCl+2[H]=FeCl2+HCl
    Fe3O4+2[H]=3FeO+H2O
    Fe2O3+2[H]=2FeO+H2O
    采用不同性能的酸性溶液，與鋼材表面氧化鐵皮和銹蝕的溶解率指標也回不同，在表面清理作業中會存在效率差異。
    堿性氧化鐵皮中FeO與酸反應最快，易于清除； Fe3O4和Fe2O3與酸液反應較慢。
    化學反應受溫度因素影響較大，可根據工序要求實現對溫度的控制來調節反應時間。
    3、酸洗工藝：
    按照《鋼結構防腐蝕涂裝工藝標準》（508-1996）的規定，鋼結構防腐蝕施工工藝流程分為：基面清理_底漆涂裝_面漆涂裝_檢查驗收。在基面清理中可以選用噴砂除銹、酸洗除銹、人工除銹三種方式。
    酸洗除銹：是把需要清理的鋼構件放在槽池內，用酸性溶液去除構件表面的雜物和銹蝕，達到表面清理等級的目的。其基本工藝流程為：酸洗_堿洗_熱水洗_冷水洗

    控制因素：溶液濃度、溶液溫度、反應時間、表面質量、人身防護、酸霧治理、廢水排放、殘渣處理等。
    4、酸洗優勢：
    A：除銹徹底。表面無死角，除銹質量比手工、動力工具好，與噴射除銹相當，表面清潔度達到100%。美國和德國針對酸洗除銹制定有質量標準。
    B：作業效率高。通過對多年使用的經驗調查，處理同等鋼構件表面積的時間，酸洗：噴砂：動力：手工的除銹效率，其比值大體為10：7：3：1，尤其適合大批量處理。
    C：處理成本低。依據2000年版的《全國統一安裝工程預算定額》標準手冊（GYD-211-2000）標準，繪制出除銹定額費用對比圖表如下：單位 ￥/?

    從定額標準來看，一般鋼構件酸洗與手工、動力除銹費用相當，不足噴砂除銹的1/4；H型鋼構件酸洗與手工除銹相當，不足動力除銹的1/2，約是噴砂除銹的1/6。
    從實際工作來看，構件表面形狀越復雜，除銹費用的成本越高，除銹質量越不易達到。
    D：原材料易購置。所需酸性溶液大部分化工企業都能實現大批量生產，購置成本比較低，購置比較方便。
    5、酸洗弊端：
    A：對人身有傷害。酸洗液不僅對金屬有很強的腐蝕作用，對衣物、和皮膚的腐蝕作用也很強，作業中易造成傷亡事故。
    B：對環境有污染。存在“三廢”（酸霧腐蝕、廢渣排放、廢水排放）污染，嚴重危害人體健康和生態環境。
    C：工藝流程復雜。從基本流程看需要配置四槽池，各槽池工藝控制環節的增加，對控制處理質量帶來不利。
    D：存在“過蝕”、“殘酸”和“氫脆”。作業中由于執行工藝存在的問題，會出現金屬基體的過腐蝕，焊接孔隙中酸液清洗不凈，反應中產生大量氫氣而使表面變脆，在一定程度上影響了酸洗技術的應用。
    E：酸洗后表面易返銹。鋼構表面酸洗后采用熱水、冷水清洗，在干燥過程中與空氣接觸，及易產生返銹，從而影響表面清理質量。
    6、環保治理：
    酸洗技術雖然在生產上具有很大的成本和效率優勢，但其對生態環境造成的危害和對人體健康造成的傷害也是無法擬補的。
    無數事例表明：因酸液燒傷帶給人員的傷害是終身的；因“三廢”造成的污染會致使人呼吸困難，土地20年不長莊稼，河流中生物滅絕；
    因治理環境污染而發生的費用至少是酸洗本身費用的10倍以上，有些地區由此造成的污染已形成不可逆轉的態勢。
    鑒于環保治理的難度及高昂的費用代價，國家已明令禁止采用。對必須采用的酸洗處理工藝，必須設置好環保處理裝置，經過驗收合格后才能批準使用。
    三、“綠色酸洗”技術
    1、設計理念：
    通過對“傳統酸洗”進行分析，以下問題需要解決：
    酸洗材料的無害化_通過綠色化工技術來解決；
    酸洗工藝流程簡化_通過調節酸洗液性能來解決；
    材料酸洗后防護_通過“膜防護技術”來解決；
    與涂料的匹配性_通過防護膜層自身特性來解決；
    保持酸洗低成本特點_通過簡化工序來降低成本。
    設計原則：采用有機酸為主要基料，配以緩蝕劑、表面活性劑、除銹劑、防銹劑、成膜劑等復合材料，調制成具有除銹、防銹、底漆功能的酸洗溶液，形成具有“綠色酸洗”特點的酸洗技術體系。
    2、技術體系：
    對比“傳統酸洗”技術，“綠色酸洗”技術體系由酸洗材料、酸洗工藝、酸洗產品三部分構成：
    酸洗材料：
    名稱“水基除銹防銹底漆”。溶液為無色、淡綠、淺褐色，采用無毒、無害有機材料調制而成，主要以植物酸為主，溶液呈弱酸性，對金屬無過腐蝕現象，對人體無傷害，不會燒傷衣物，PH 1-3，可直接用手接觸作業。
    酸洗工藝：
    名稱“綠色酸洗工藝”。將酸洗程序簡化為二步，取消堿洗中和、熱水洗、冷水洗工序，酸洗后直接干燥，沒有廢水、酸霧、廢渣污染。基本工藝分為前處理工藝和后處理工藝兩部分。
    前處理指對構件進行預處理：經酸洗_干燥_進行加工程序；
    后處理指對構件加工后處理：加工_涂噴修補_干燥_涂裝；
    酸洗產品：
    名稱：“酸洗防護構件”。經過“綠色酸洗”處理過的板材、型材，除去鋼材表面的銹蝕和氧化鐵皮后，會形成一層致密的防護膜層。膜層顏色基本上保持金屬本色，具有以下作用：
    一定的機械加工性能，在搬運、裝卸過程中不破損；
    較長時期的防護能力，空氣濕度70%條件下達6個月；
    與涂料結合力為一級，替代底漆，破損部位可以修補；
    具有隔熱耐高溫（830℃）性能，提高涂裝的防火能力。
    與水基外層涂料工藝匹配性好，表干即可涂刷外涂料。
    3、工作機理：
    已開發的酸洗材料采用有機類植酸肌醇六磷酸酯為主，其分子式為C6H18O2P6,分子結構如圖。

    四、“綠色酸洗”試用
    2005年8月，該技術進入首鋼集團遷鋼基地金屬結構分廠試驗，試驗過程分：小樣試驗，中樣試驗，技術論證三個階段。
    A．小樣試驗：8月中旬,現場采集樣品數件，溫度12℃～18℃,自然條件下容器內浸泡20min,表面氧化鐵皮溶解清除干凈,表干15min,實干4h，車間存放觀察是否出現銹蝕。
    B．中樣試驗：11月初,鋼材庫內存放多年螺紋鋼無法使用,采用該技術處理。30多噸∮28mm×9M螺紋鋼，自然條件平均2h/批，溫度-5℃～10℃,露天條件下容器內浸泡,表面銹蝕和氧化鐵皮溶解清除,表面狀況恢復如新,庫區存放觀察是否返銹。
    C．技術論證:11月中，由公司技術處、機動處、質量監督處、物資處、機械動力廠等單位對該技術進行應用論證。結論如下：
    8月小樣試驗：經過雨季到現在近四個月時間，未出現返銹，焊接使用未出現質量問題；
    11月中樣試驗：庫區現場手工操作，實際處理鋼筋約697根，表面積約5520?，投入酸洗材料300kg，材料費用9000元，材料成本不足2元/?。
    論證現場：30kg酸液，T型構件4件，露天容器浸泡，溫度5℃左右，４０min氧化鐵皮開始溶解，１.５h后氧化鐵皮表面全部脫落；與涂料結合力現場采用方格法檢驗，附著力均為一級，可以替代車間底漆使用。建議由金屬結構分廠打報告，采用委托加工方式有公司所屬福利工廠進行除銹加工，以滿足公司所屬單位鋼材除銹的需要。
    金屬結構分廠原擬采用噴砂除銹預算方案取消，處理成本可降低５０％，按月處理鋼材500噸計，月節省費用7萬元。

    從表中可以看出，除手工除銹外，動力除銹中_人工費用、噴砂除銹中_機械費用、酸洗除銹中_材料費用三項，分別占除銹總費用約80%，。
    A．動力除銹_材料費用低廉，人工費用較高，除銹質量較低，適用于鋼構件現場涂裝前作業；
    B．噴砂除銹一次性設備購置費較高，需要不斷補充磨料，運行中電耗費用較高，即可提供清潔度，有可提供粗糙度，適用于鋼構件焊接后作業；
    C．酸洗除銹_槽池制作簡單，一次性購置材料費用較高，需要補充處理液，運行時維護簡單，單位處理成本與手工除銹、動力工具基本相當，除銹質量比較高，清潔度指標高于噴砂除銹，處理作業效率較高，適用于鋼構件下料前做預處理。
    “綠色酸洗”技術除銹，因酸洗材料成本傳統酸洗材料，其成本略高于傳統酸洗成本，但由于工序的簡化，及替代車間底漆的作用，將除銹作業與涂刷底漆工序合并，綜合成本僅為噴砂除銹的1/3～1/2，從而起到了事半功倍的作用。
    結束語
    日前，該項技術成果已申報國家專利，經與鋼結構協會聯系，在北京中冶集團建筑研究總院內設立應用示范基地。今后，將主要采取技術培訓+現場示范的方式來推廣“綠色酸洗”技術。
    參考文獻：
    1、《全國統一安裝工程預算定額》第十一冊（GYD-211-2000）
    2、《建筑鋼結構施工手冊》（中國計劃出版社 2001.5）
    3、《涂料涂裝前鋼材表面預處理與表面處理》吳賢官 王塘 （上海大通應用化學研究所）
    4、《鋼鐵表面漆前處理技術的發展》 郭麗娟《五金科技》1997.25(5).
    5、《大型金屬結構件漆前處理探討》肖永超 任山雄 《西車科技》1989(1).
    6、《涂裝前處理與清潔生產》魏立安 《環境與開發》1997,12(1).
    7、《化學酸洗去除鋼鐵氧化皮清潔生產的途徑》胡林林 姜婷娟
    《電鍍與涂飾》2004,23(2).
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