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“绿色酸洗”技术的开发与应用

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （北京吉丽友好钢板生物植化技术中心 杨延吉）

    [摘 要] 本文从分析“传统酸洗”除锈技术入手，通过对酸洗机理、酸洗工艺、酸洗优势、酸洗弊端、环保治理等的环节分析。根据“清洁生产”的要求，采用绿色化工技术，引入“膜防护技术”原理，研发出“绿色酸洗”技术体系。该技术经过国家有关部门检测，试点单位推广应用，达到了预期的目标。保留了“传统酸洗”除锈效率高，成本低的特点，又避免了对环境的污染，杜绝了对人身伤害的隐患；同时，又最大程度的工艺简化，替代车间底漆涂装而发生的费用，实现了除锈、防护二步工序合一，从而为钢结构企业大幅度降低除锈成本，提高防腐蚀质量，实现“清洁生产”，提供了一条新的途径。
    [关键词] 酸洗除锈；“清洁生产”；“膜防护技术”；“绿色酸洗”技术
    一、引 言
    “清洁生产”的概念是指在产品设计和制造过程中预防环境污染的创造性思维和技术实施手段。依此我们将酸洗技术划分为两类，一类是具有污染的“传统酸洗”，一类是具有“清洁生产的“绿色酸洗”。
    “传统酸洗”是指采用硫酸、硝酸、盐酸等溶液，对钢材表面进行处理，以达到去除锈蚀和氧化铁皮目的，获得清洁的钢材表面。其关注点立足于如何进行经济除锈。
    “绿色酸洗”是在“清洁生产“原则指导下，引入“膜防护技术”原理，立足点不仅在于除锈，更在于对环境的保护，对工序流程的简化，对除锈后的表面防护。基于立足点的不同，“绿色酸洗”具有很强的适应能力。
    “膜防护技术”的引进是通过对化学反应过程分析，在酸洗清理的同时，形成防护膜层。该膜层不仅对钢材表面的防护能力，还包括与外层涂料的匹配性，从而使除锈、防护，与车间底漆功能联成一体。
    二、“传统酸洗”技术
    1、表面锈蚀：
    钢铁表面产生锈蚀和氧化铁皮基本上三个层次：
    A．底层为疏松、多孔的FeO结晶组织，易于破坏；
    B．中层为致密、无孔、裂纹的Fe3O4结晶组织，十分坚硬；
    C．外层为疏松、裂纹的 Fe2O3结晶组织，多呈玻璃裂纹状。
    钢材在轧制过程中表面氧化会形成均匀、致密的氧化铁皮，这层氧化铁皮有一定的抗氧化能力。实践证明，表面清理质量对防腐涂层体系的影响因素占50~60%，而新钢材上氧化铁皮的防护性能不足10%。因此，清除钢材表面氧化铁皮及锈蚀已成为提高防腐能力的必然。钢材表面氧化铁皮和产生的锈蚀，主要由FeO、Fe3O4和Fe2O3组成，均呈碱性，不溶于水，通过与酸性物质发生化学反应可进行溶解。
    2、酸洗机理：
    下面以盐酸为例对酸洗机理进行分析：
    反应过程：润湿?_渗透?_溶解?_剥离_
    ?还原
    化学反应：
    A：溶解：酸性和碱性物质发生化学中和反应
    分子式：FeO+2HCl=FeCl2+H2O
    Fe3O4+8HCl=2FeCl3+ FeC12+4H2O
    Fe2O3+6HCl=2 FeCl3+3H2O
    B：剥离：酸性物质与金属基体反应产生气体
    分子式：FeO+2HCl=FeCl2+H2 ↑
    C：还原：氢原子与氧化物质反应成亚氧化物
    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，与钢材表面氧化铁皮和锈蚀的溶解率指标也回不同，在表面清理作业中会存在效率差异。
    碱性氧化铁皮中FeO与酸反应最快，易于清除； Fe3O4和Fe2O3与酸液反应较慢。
    化学反应受温度因素影响较大，可根据工序要求实现对温度的控制来调节反应时间。
    3、酸洗工艺：
    按照《钢结构防腐蚀涂装工艺标准》（508-1996）的规定，钢结构防腐蚀施工工艺流程分为：基面清理_底漆涂装_面漆涂装_检查验收。在基面清理中可以选用喷砂除锈、酸洗除锈、人工除锈三种方式。
    酸洗除锈：是把需要清理的钢构件放在槽池内，用酸性溶液去除构件表面的杂物和锈蚀，达到表面清理等级的目的。其基本工艺流程为：酸洗_碱洗_热水洗_冷水洗

    控制因素：溶液浓度、溶液温度、反应时间、表面质量、人身防护、酸雾治理、废水排放、残渣处理等。
    4、酸洗优势：
    A：除锈彻底。表面无死角，除锈质量比手工、动力工具好，与喷射除锈相当，表面清洁度达到100%。美国和德国针对酸洗除锈制定有质量标准。
    B：作业效率高。通过对多年使用的经验调查，处理同等钢构件表面积的时间，酸洗：喷砂：动力：手工的除锈效率，其比值大体为10：7：3：1，尤其适合大批量处理。
    C：处理成本低。依据2000年版的《全国统一安装工程预算定额》标准手册（GYD-211-2000）标准，绘制出除锈定额费用对比图表如下：单位 ￥/?

    从定额标准来看，一般钢构件酸洗与手工、动力除锈费用相当，不足喷砂除锈的1/4；H型钢构件酸洗与手工除锈相当，不足动力除锈的1/2，约是喷砂除锈的1/6。
    从实际工作来看，构件表面形状越复杂，除锈费用的成本越高，除锈质量越不易达到。
    D：原材料易购置。所需酸性溶液大部分化工企业都能实现大批量生产，购置成本比较低，购置比较方便。
    5、酸洗弊端：
    A：对人身有伤害。酸洗液不仅对金属有很强的腐蚀作用，对衣物、和皮肤的腐蚀作用也很强，作业中易造成伤亡事故。
    B：对环境有污染。存在“三废”（酸雾腐蚀、废渣排放、废水排放）污染，严重危害人体健康和生态环境。
    C：工艺流程复杂。从基本流程看需要配置四槽池，各槽池工艺控制环节的增加，对控制处理质量带来不利。
    D：存在“过蚀”、“残酸”和“氢脆”。作业中由于执行工艺存在的问题，会出现金属基体的过腐蚀，焊接孔隙中酸液清洗不净，反应中产生大量氢气而使表面变脆，在一定程度上影响了酸洗技术的应用。
    E：酸洗后表面易返锈。钢构表面酸洗后采用热水、冷水清洗，在干燥过程中与空气接触，及易产生返锈，从而影响表面清理质量。
    6、环保治理：
    酸洗技术虽然在生产上具有很大的成本和效率优势，但其对生态环境造成的危害和对人体健康造成的伤害也是无法拟补的。
    无数事例表明：因酸液烧伤带给人员的伤害是终身的；因“三废”造成的污染会致使人呼吸困难，土地20年不长庄稼，河流中生物灭绝；
    因治理环境污染而发生的费用至少是酸洗本身费用的10倍以上，有些地区由此造成的污染已形成不可逆转的态势。
    鉴于环保治理的难度及高昂的费用代价，国家已明令禁止采用。对必须采用的酸洗处理工艺，必须设置好环保处理装置，经过验收合格后才能批准使用。
    三、“绿色酸洗”技术
    1、设计理念：
    通过对“传统酸洗”进行分析，以下问题需要解决：
    酸洗材料的无害化_通过绿色化工技术来解决；
    酸洗工艺流程简化_通过调节酸洗液性能来解决；
    材料酸洗后防护_通过“膜防护技术”来解决；
    与涂料的匹配性_通过防护膜层自身特性来解决；
    保持酸洗低成本特点_通过简化工序来降低成本。
    设计原则：采用有机酸为主要基料，配以缓蚀剂、表面活性剂、除锈剂、防锈剂、成膜剂等复合材料，调制成具有除锈、防锈、底漆功能的酸洗溶液，形成具有“绿色酸洗”特点的酸洗技术体系。
    2、技术体系：
    对比“传统酸洗”技术，“绿色酸洗”技术体系由酸洗材料、酸洗工艺、酸洗产品三部分构成：
    酸洗材料：
    名称“水基除锈防锈底漆”。溶液为无色、淡绿、浅褐色，采用无毒、无害有机材料调制而成，主要以植物酸为主，溶液呈弱酸性，对金属无过腐蚀现象，对人体无伤害，不会烧伤衣物，PH 1-3，可直接用手接触作业。
    酸洗工艺：
    名称“绿色酸洗工艺”。将酸洗程序简化为二步，取消碱洗中和、热水洗、冷水洗工序，酸洗后直接干燥，没有废水、酸雾、废渣污染。基本工艺分为前处理工艺和后处理工艺两部分。
    前处理指对构件进行预处理：经酸洗_干燥_进行加工程序；
    后处理指对构件加工后处理：加工_涂喷修补_干燥_涂装；
    酸洗产品：
    名称：“酸洗防护构件”。经过“绿色酸洗”处理过的板材、型材，除去钢材表面的锈蚀和氧化铁皮后，会形成一层致密的防护膜层。膜层颜色基本上保持金属本色，具有以下作用：
    一定的机械加工性能，在搬运、装卸过程中不破损；
    较长时期的防护能力，空气湿度70%条件下达6个月；
    与涂料结合力为一级，替代底漆，破损部位可以修补；
    具有隔热耐高温（830℃）性能，提高涂装的防火能力。
    与水基外层涂料工艺匹配性好，表干即可涂刷外涂料。
    3、工作机理：
    已开发的酸洗材料采用有机类植酸肌醇六磷酸酯为主，其分子式为C6H18O2P6,分子结构如图。

    四、“绿色酸洗”试用
    2005年8月，该技术进入首钢集团迁钢基地金属结构分厂试验，试验过程分：小样试验，中样试验，技术论证三个阶段。
    A．小样试验：8月中旬,现场采集样品数件，温度12℃～18℃,自然条件下容器内浸泡20min,表面氧化铁皮溶解清除干净,表干15min,实干4h，车间存放观察是否出现锈蚀。
    B．中样试验：11月初,钢材库内存放多年螺纹钢无法使用,采用该技术处理。30多吨∮28mm×9M螺纹钢，自然条件平均2h/批，温度-5℃～10℃,露天条件下容器内浸泡,表面锈蚀和氧化铁皮溶解清除,表面状况恢复如新,库区存放观察是否返锈。
    C．技术论证:11月中，由公司技术处、机动处、质量监督处、物资处、机械动力厂等单位对该技术进行应用论证。结论如下：
    8月小样试验：经过雨季到现在近四个月时间，未出现返锈，焊接使用未出现质量问题；
    11月中样试验：库区现场手工操作，实际处理钢筋约697根，表面积约5520?，投入酸洗材料300kg，材料费用9000元，材料成本不足2元/?。
    论证现场：30kg酸液，T型构件4件，露天容器浸泡，温度5℃左右，４０min氧化铁皮开始溶解，１.５h后氧化铁皮表面全部脱落；与涂料结合力现场采用方格法检验，附着力均为一级，可以替代车间底漆使用。建议由金属结构分厂打报告，采用委托加工方式有公司所属福利工厂进行除锈加工，以满足公司所属单位钢材除锈的需要。
    金属结构分厂原拟采用喷砂除锈预算方案取消，处理成本可降低５０％，按月处理钢材500吨计，月节省费用7万元。

    从表中可以看出，除手工除锈外，动力除锈中_人工费用、喷砂除锈中_机械费用、酸洗除锈中_材料费用三项，分别占除锈总费用约80%，。
    A．动力除锈_材料费用低廉，人工费用较高，除锈质量较低，适用于钢构件现场涂装前作业；
    B．喷砂除锈一次性设备购置费较高，需要不断补充磨料，运行中电耗费用较高，即可提供清洁度，有可提供粗糙度，适用于钢构件焊接后作业；
    C．酸洗除锈_槽池制作简单，一次性购置材料费用较高，需要补充处理液，运行时维护简单，单位处理成本与手工除锈、动力工具基本相当，除锈质量比较高，清洁度指标高于喷砂除锈，处理作业效率较高，适用于钢构件下料前做预处理。
    “绿色酸洗”技术除锈，因酸洗材料成本传统酸洗材料，其成本略高于传统酸洗成本，但由于工序的简化，及替代车间底漆的作用，将除锈作业与涂刷底漆工序合并，综合成本仅为喷砂除锈的1/3～1/2，从而起到了事半功倍的作用。
    结束语
    日前，该项技术成果已申报国家专利，经与钢结构协会联系，在北京中冶集团建筑研究总院内设立应用示范基地。今后，将主要采取技术培训+现场示范的方式来推广“绿色酸洗”技术。
    参考文献：
    1、《全国统一安装工程预算定额》第十一册（GYD-211-2000）
    2、《建筑钢结构施工手册》（中国计划出版社 2001.5）
    3、《涂料涂装前钢材表面预处理与表面处理》吴贤官 王塘 （上海大通应用化学研究所）
    4、《钢铁表面漆前处理技术的发展》 郭丽娟《五金科技》1997.25(5).
    5、《大型金属结构件漆前处理探讨》肖永超 任山雄 《西车科技》1989(1).
    6、《涂装前处理与清洁生产》魏立安 《环境与开发》1997,12(1).
    7、《化学酸洗去除钢铁氧化皮清洁生产的途径》胡林林 姜婷娟
    《电镀与涂饰》2004,23(2).
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