“綠色酸洗”技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （北京吉麗友好鋼板生物植化技術(shù)中心 楊延吉）

    [摘 要] 本文從分析“傳統(tǒng)酸洗”除銹技術(shù)入手，通過對酸洗機理、酸洗工藝、酸洗優(yōu)勢、酸洗弊端、環(huán)保治理等的環(huán)節(jié)分析。根據(jù)“清潔生產(chǎn)”的要求，采用綠色化工技術(shù)，引入“膜防護技術(shù)”原理，研發(fā)出“綠色酸洗”技術(shù)體系。該技術(shù)經(jīng)過國家有關(guān)部門檢測，試點單位推廣應(yīng)用，達到了預(yù)期的目標(biāo)。保留了“傳統(tǒng)酸洗”除銹效率高，成本低的特點，又避免了對環(huán)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(fā)生的費用，實現(xiàn)了除銹、防護二步工序合一，從而為鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)大幅度降低除銹成本，提高防腐蝕質(zhì)量，實現(xiàn)“清潔生產(chǎn)”，提供了一條新的途徑。
    [關(guān)鍵詞] 酸洗除銹；“清潔生產(chǎn)”；“膜防護技術(shù)”；“綠色酸洗”技術(shù)
    一、引 言
    “清潔生產(chǎn)”的概念是指在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中預(yù)防環(huán)境污染的創(chuàng)造性思維和技術(shù)實施手段。依此我們將酸洗技術(shù)劃分為兩類，一類是具有污染的“傳統(tǒng)酸洗”，一類是具有“清潔生產(chǎn)的“綠色酸洗”。
    “傳統(tǒng)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(guān)注點立足于如何進行經(jīng)濟除銹。
    “綠色酸洗”是在“清潔生產(chǎn)“原則指導(dǎo)下，引入“膜防護技術(shù)”原理，立足點不僅在于除銹，更在于對環(huán)境的保護，對工序流程的簡化，對除銹后的表面防護?；诹⒆泓c的不同，“綠色酸洗”具有很強的適應(yīng)能力。
    “膜防護技術(shù)”的引進是通過對化學(xué)反應(yīng)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(lián)成一體。
    二、“傳統(tǒng)酸洗”技術(shù)
    1、表面銹蝕：
    鋼鐵表面產(chǎn)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(jié)晶組織，易于破壞；
    B．中層為致密、無孔、裂紋的Fe3O4結(jié)晶組織，十分堅硬；
    C．外層為疏松、裂紋的 Fe2O3結(jié)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(yīng)過程：潤濕?_滲透?_溶解?_剝離_
    ?還原
    化學(xué)反應(yīng)：
    A：溶解：酸性和堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)中和反應(yīng)
    分子式：FeO+2HCl=FeCl2+H2O
    Fe3O4+8HCl=2FeCl3+ FeC12+4H2O
    Fe2O3+6HCl=2 FeCl3+3H2O
    B：剝離：酸性物質(zhì)與金屬基體反應(yīng)產(chǎn)生氣體
    分子式：FeO+2HCl=FeCl2+H2 ↑
    C：還原：氫原子與氧化物質(zhì)反應(yīng)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(biāo)也回不同，在表面清理作業(yè)中會存在效率差異。
    堿性氧化鐵皮中FeO與酸反應(yīng)最快，易于清除； Fe3O4和Fe2O3與酸液反應(yīng)較慢。
    化學(xué)反應(yīng)受溫度因素影響較大，可根據(jù)工序要求實現(xiàn)對溫度的控制來調(diào)節(jié)反應(yīng)時間。
    3、酸洗工藝：
    按照《鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝工藝標(biāo)準》（508-1996）的規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)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(gòu)件放在槽池內(nèi)，用酸性溶液去除構(gòu)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(yīng)時間、表面質(zhì)量、人身防護、酸霧治理、廢水排放、殘渣處理等。
    4、酸洗優(yōu)勢：
    A：除銹徹底。表面無死角，除銹質(zhì)量比手工、動力工具好，與噴射除銹相當(dāng)，表面清潔度達到100%。美國和德國針對酸洗除銹制定有質(zhì)量標(biāo)準。
    B：作業(yè)效率高。通過對多年使用的經(jīng)驗調(diào)查，處理同等鋼構(gòu)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(jù)2000年版的《全國統(tǒng)一安裝工程預(yù)算定額》標(biāo)準手冊（GYD-211-2000）標(biāo)準，繪制出除銹定額費用對比圖表如下：單位 ￥/?

    從定額標(biāo)準來看，一般鋼構(gòu)件酸洗與手工、動力除銹費用相當(dāng)，不足噴砂除銹的1/4；H型鋼構(gòu)件酸洗與手工除銹相當(dāng)，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(gòu)件表面形狀越復(fù)雜，除銹費用的成本越高，除銹質(zhì)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(yè)都能實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，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(yè)中易造成傷亡事故。
    B：對環(huán)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(tài)環(huán)境。
    C：工藝流程復(fù)雜。從基本流程看需要配置四槽池，各槽池工藝控制環(huán)節(jié)的增加，對控制處理質(zhì)量帶來不利。
    D：存在“過蝕”、“殘酸”和“氫脆”。作業(yè)中由于執(zhí)行工藝存在的問題，會出現(xiàn)金屬基體的過腐蝕，焊接孔隙中酸液清洗不凈，反應(yīng)中產(chǎn)生大量氫氣而使表面變脆，在一定程度上影響了酸洗技術(shù)的應(yīng)用。
    E：酸洗后表面易返銹。鋼構(gòu)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(chǎn)生返銹，從而影響表面清理質(zhì)量。
    6、環(huán)保治理：
    酸洗技術(shù)雖然在生產(chǎn)上具有很大的成本和效率優(yōu)勢，但其對生態(tài)環(huán)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(shù)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(huán)境污染而發(fā)生的費用至少是酸洗本身費用的10倍以上，有些地區(qū)由此造成的污染已形成不可逆轉(zhuǎn)的態(tài)勢。
    鑒于環(huán)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(shè)置好環(huán)保處理裝置，經(jīng)過驗收合格后才能批準使用。
    三、“綠色酸洗”技術(shù)
    1、設(shè)計理念：
    通過對“傳統(tǒng)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(shù)來解決；
    酸洗工藝流程簡化_通過調(diào)節(jié)酸洗液性能來解決；
    材料酸洗后防護_通過“膜防護技術(shù)”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(shè)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(fù)合材料，調(diào)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(shù)體系。
    2、技術(shù)體系：
    對比“傳統(tǒng)酸洗”技術(shù)，“綠色酸洗”技術(shù)體系由酸洗材料、酸洗工藝、酸洗產(chǎn)品三部分構(gòu)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(diào)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(xiàn)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(yè)。
    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(gòu)件進行預(yù)處理：經(jīng)酸洗_干燥_進行加工程序；
    后處理指對構(gòu)件加工后處理：加工_涂噴修補_干燥_涂裝；
    酸洗產(chǎn)品：
    名稱：“酸洗防護構(gòu)件”。經(jīng)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(jié)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(fā)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(jié)構(gòu)如圖。

    四、“綠色酸洗”試用
    2005年8月，該技術(shù)進入首鋼集團遷鋼基地金屬結(jié)構(gòu)分廠試驗，試驗過程分：小樣試驗，中樣試驗，技術(shù)論證三個階段。
    A．小樣試驗：8月中旬,現(xiàn)場采集樣品數(shù)件，溫度12℃～18℃,自然條件下容器內(nèi)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(xiàn)銹蝕。
    B．中樣試驗：11月初,鋼材庫內(nèi)存放多年螺紋鋼無法使用,采用該技術(shù)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(nèi)浸泡,表面銹蝕和氧化鐵皮溶解清除,表面狀況恢復(fù)如新,庫區(qū)存放觀察是否返銹。
    C．技術(shù)論證:11月中，由公司技術(shù)處、機動處、質(zhì)量監(jiān)督處、物資處、機械動力廠等單位對該技術(shù)進行應(yīng)用論證。結(jié)論如下：
    8月小樣試驗：經(jīng)過雨季到現(xiàn)在近四個月時間，未出現(xiàn)返銹，焊接使用未出現(xiàn)質(zhì)量問題；
    11月中樣試驗：庫區(qū)現(xiàn)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(xiàn)場：30kg酸液，T型構(gòu)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(jié)合力現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分廠原擬采用噴砂除銹預(yù)算方案取消，處理成本可降低５０％，按月處理鋼材500噸計，月節(jié)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(zhì)量較低，適用于鋼構(gòu)件現(xiàn)場涂裝前作業(yè)；
    B．噴砂除銹一次性設(shè)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(gòu)件焊接后作業(yè)；
    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(dāng)，除銹質(zhì)量比較高，清潔度指標(biāo)高于噴砂除銹，處理作業(yè)效率較高，適用于鋼構(gòu)件下料前做預(yù)處理。
    “綠色酸洗”技術(shù)除銹，因酸洗材料成本傳統(tǒng)酸洗材料，其成本略高于傳統(tǒng)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(yè)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(jié)束語
    日前，該項技術(shù)成果已申報國家專利，經(jīng)與鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會聯(lián)系，在北京中冶集團建筑研究總院內(nèi)設(shè)立應(yīng)用示范基地。今后，將主要采取技術(shù)培訓(xùn)+現(xiàn)場示范的方式來推廣“綠色酸洗”技術(shù)。
    參考文獻：
    1、《全國統(tǒng)一安裝工程預(yù)算定額》第十一冊（GYD-211-2000）
    2、《建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊》（中國計劃出版社 2001.5）
    3、《涂料涂裝前鋼材表面預(yù)處理與表面處理》吳賢官 王塘 （上海大通應(yīng)用化學(xué)研究所）
    4、《鋼鐵表面漆前處理技術(shù)的發(fā)展》 郭麗娟《五金科技》1997.25(5).
    5、《大型金屬結(jié)構(gòu)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(chǎn)》魏立安 《環(huán)境與開發(fā)》1997,12(1).
    7、《化學(xué)酸洗去除鋼鐵氧化皮清潔生產(chǎn)的途徑》胡林林 姜婷娟
    《電鍍與涂飾》2004,23(2).
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