前言

金属表面热镀锌防腐处理工艺已经存在一百七十多年的历史了, 近三十年来, 伴随着冷轧带钢的飞速发展, 热镀锌工业得以大规模发展, 同时也因为这种大规模的发展带来了行业内竞争的日趋激烈, 用工成本的增加、环境保护的压力等因素, 都成为企业发展的巨大困扰。近年来随着工业4.0高科技战略计划的提出, 传统型工业受到的冲击愈来愈巨大, 改革已迫在眉睫。我们作为从业者, 依据节能减排的宗旨, 肩负保护环境的重任, 通过先进的自动化技术, 对传统热镀锌行业进行了技术改革。

1 国内热镀锌行业的现状概述

国内的镀锌厂, 目前基本处于相对低端的生产作业, 没有自动化设备, 甚至有的镀锌厂没有环保设备, 或者为了应付环保局做了一些环保设备, 但大多数也只是摆设, 严重污染空气和地下水, 请看下图。

这是一间典型的传统镀锌车间, 设备陈旧, 工人劳动强度大;生产中产生的酸雾、白烟不仅污染大气、腐蚀设备和厂房, 而且也侵害操作者的身体健康;废酸的渗漏, 污染地下水;更有一些不法小厂, 不仅设备落后, 锌耗能耗高, 更无环保设备控制污染, 像打井一样在地上钻孔, 把镀锌废酸液直接排入“井”中, 严重污染土壤及地下水, 贻害子孙后代, 有鉴于此, 环保部门关停不少这样的镀锌厂。

2 欧洲的热镀锌现状及发展

欧洲在几年前, 车间镀锌生产线还没有实现自动化操作, 但现在欧洲的很多镀锌企业已经完成了自动化生产线的改造, 正在使用自动化高架和地面运输系统进行热镀锌生产, 并且获得巨大的经济效益。跳汰领域镀锌生产线取得了很大的进步, 将来依然是发展的强势领域。机械化升降站、货架缓冲区、地面叉车、升降台、手摇臂等越来越多设备将用于自动化生产线中, 大大降低生产线上操作工人的劳动强度。酸洗封闭间、镀锌收集罩的使用, 改善了操作工人的劳动环境。生产线的起重能力也将大幅提升, 新的镀锌生产线将依据起重大小划分规模, 从5T+5T到15T+15T不等, 甚至更大, 提高了生产效率。自动化技术的应用给镀锌行业带来了巨大的进步:

(1) 保证了设备的运行周期可靠性;

(2) 实现更优越的生产和运输计划;

(3) 镀锌质量提高到了更高的标准;

(4) 设备的损坏维修率大幅度降低;

(5) 实现了过程的控制和数据记忆;

(6) 利用软件进行便捷的自动和手动转换操作;

(7) 自动化的程度大幅度提高;

(8) 环境保护方面, 实现零排放。

3 绿色环保型自动生产线的组成模块

热镀锌自动生产线包括如下几部分:

3.1 物料的计量与转运系统

物料传输系统主要设备是称重单轨行车组, 旨在使整条热镀锌生产线的黑件和白件传输更加畅通, 以达到高效率、高产能。根据整条热镀锌线的布局不同, 物料传输方案也有调整。自动化镀锌生产线是在黑件区把黑件挂在挂具上, 直到挂满或到额定载荷为止, 然后经过酸洗、漂洗、助镀、烘干、镀锌、钝化、冷却等工艺, 最后在白件区卸料。每组单轨行车作为一个站点, 使用西门子SP接口模块控制, 内置一组NB-A (2t) 称重传感器, 使用西门子WP321称重模块实时采集传感器的信号, 该模块的分辨率是高达200万分度, PLC根据称重模块采集到的数据精确的计算下部载荷的重量, 在不同工位可以做到挂件超额提醒、掉件提醒、锌耗计算、班/批次生产量等等, 通过程序控制单轨行车组不仅可以合理、自动的传输物料, 还能提高工作效率, 而且节能降耗。

3.2 酸雾的收集与处理系统

酸雾收集采用全封闭罩式酸雾收集方式, 即将酸洗池通过耐酸非金属材料封闭, 组成一个相对封闭的酸收集系统, 为整个系统和外界形成并保持一定的负压。该系统防止了酸雾气体逸出, 延长了厂房和设备的使用寿命, 降低了设备的维修成本;实现自动化酸洗, 既节省了人力成本, 又降低工人的劳动强度。

酸雾处理是利用洗涤塔, 采用喷淋水浴方式将收集后酸雾中的有害气体 (盐酸) 溶解到水中。当水中酸浓度达到一定值后, 直接将其回收到酸洗槽中进行重复利用, 实现了酸雾的零排放。

3.3 锌烟的收集与处理系统

长期以来, 对烟尘的处理均采用各式除尘器 (布袋除尘器、湿式除尘器、高压静电除尘器等) , 而锌烟氯化铵烟尘具有其他烟尘不同的特性, 它由原来晶体状态下的极易溶于水变为不易溶解于水, 悬浮于空气中不易下沉, 吸湿性强又具有极强的腐蚀性, 这些决定了氯化铵烟尘不能用常规的除尘器进行处理。综合现有锌烟收集系统的优缺点并结合国内市场具体现状, 我公司研制开发出端侧面任意进出式固定罩收集及组合式除尘系统, 该系统实现了工件任意方向进出、方便打灰、降低了集气装置的通风量, 锌烟收集率可达99%。

3.4 燃料燃烧产生的废气收集与处理系统

本加热系统是以天然气为燃料, 采用高频脉冲燃烧器加热。所以燃烧后尾气中无污染气体, 但是尾气的温度较高 (200℃) , 亦不能直接排放。本系统采用多层换热设计, 充分利用燃烧尾气给烘干室、助镀剂和酸池加热, 实现余热充分利用。

3.5 废酸的处理系统

为除去待镀件表面铁的氧化物 (铁锈) , 防止因铁的氧化物存在而阻止基体与锌的反应, 造成漏镀缺陷, 酸洗处理为待镀件获得完好的镀锌层做准备。酸洗之后产生的含铁废液通过封闭管道从酸洗池输送到废酸储槽, 在常温、常压并机械搅拌1~3小时后进行分组浓度调整, 调整后的含铁废水再通过管道有泵送入反应釜, 往反应釜中按一定加料顺序、一定配比分别加入氧化剂 (氯酸钠) 、盐酸。在常温、常压并连续搅拌的条件下反应釜中经历亚铁盐的氧化、水解、聚合三个连续的反应过程, 反应时间持续0.5~3个小时, 最后经出料泵输送出液体聚铁产品, 储存于产品储罐内。

3.6 废水的处理系统

废水循环处理系统是先将废水中的还原性物质氧化, 再加入液碱 (或石灰) , 调节PH值, 进行中和沉淀。处理后的水约95%以上用于生产水洗工序, 5%左右通过活性炭过滤器过滤后经化验达标后排放。

4 绿色环保型自动生产线的实现工艺

自动化控制系统将整个区域分为三块:挂件区、生产区、卸料区, 正常生产过程中, 只有挂件区、卸料区和生产区的锌锅打灰需要人员参与, 其余生产过程实现自动化及电脑控制, 系统主要技术特点:

4.1 系统配电

整套系统采用统一配市电加备用发电方式, 总配电回路具有故障超负荷预警和峰谷电量计数、通信等功能, 可移动设备采用滑触不间断供电技术, 确保设备供电稳定。

4.2 过程控制

对于移动设备的过程控制, 采用西门子CPU1516-3 PN/DP集中运算处理, 分布式IO协调工作、PROFINET通信的模式, 模式框图如下图所示。

小车行走和挂件升降控制采用变频调速控制, 配合精确定位传感器, 实现运动控制平稳可靠, 定位精确的使用要求。

4.3 配方控制

本系统中, 配方的自动调取和使用是控制的核心部分, 针对不同的产品设定科学的工艺数据, 共同组成工艺配方数据库, 通过减少人工干预的方式, 提高生产质量的稳定性。配方控制主要包含排队等待控制, 预处理流程控制, 进出锌锅动作控制, 酸洗时间控制, 自动挂具控制等。

4.4 传感检测

传感检测技术的应用, 是本系统能够连续自动运行的保障, 本系统所涉及的主要检测技术包括重量信号值检测, 行走精确定位, 升降精确定位, 旋转精确定位, 三维外形尺寸检测, 酸洗液强度检测等。

4.5 信息通讯

移动设备与主控制器之间采用漏波电缆无线通讯技术, 解决了厂房内信号干扰和无缝衔接问题, 固定设备之间通过工业以太网实现信息传递。

4.6 环境治理

密闭房酸雾收集过程中的微负压控制;水洗水循环中和、过滤净化过程自动控制;助剂在线中和、净化、补充过程自动控制;锌烟收集除尘自动控制。

4.7 计算机网络系统

控制中心通过工控机实时读取现场的数据并在显示器显示, 保证控制室操作员及时准确和全面地了解现场的作业情况, 可以通过工控机下达各种控制指令并打印所需报表、故障记录等。控制中心软件具有强大的脚本编程范围, 包括从图形对象上单个的动作到完整的功能以及独立于单个组件的全局动作脚本。甚至于Windows API功能均可以在动作脚本中被调用。此外, 集成的脚本编程包含了C翻译器和大量的ANSI-C标准函数。生成过程存档, 组态曲线, 表格, 以及依据存档数据所做的报表。

结束语

热镀锌行业是污染行业, 政府在控制污染方面的力度很大, 关停很多重度污染镀锌厂, 而且提倡环保型热镀锌技术及设备并给予支持。随着市民对污染的容忍度越来越小, 政府对污染企业的监管措施会更加严厉。欧美发达国家在设备自动化、环保方面已经走在了前面, 这也证明了中国的热镀锌行业最终也会走向高效、节能、环保型热镀锌。