酸洗工艺教程

酸洗工艺教程内容摘要：

清除掉。 当轧件在连轧机上轧制时，板坯在各机架轧机间暴露的时间极度短，而且大的压下阻碍了带钢表面上形成厚的氧化铁皮，而所形成的氧化薄膜立即被破坏并受到水的冲洗，因此，可以说刚刚从成品机架出来的带钢，虽然温度有 780850 度的温度，但带钢表面的氧化铁皮是极薄的。 带钢从成品机架出来后，进入喷水装置，而 后卷成带钢卷并缓慢冷却，就是在这段时间里，带钢表面被氧化而生成氧化铁皮。 在从成品机架出来的带钢表面上，铁原子首先与空气中的氧原子结合形成第一层氧化物，这层氧化物可能是致密的四氧化三铁或是疏松的氧化铁。 在第一种情况下，氧化铁皮的进一步增长过程可能只靠氧和铁的离子扩散来进行 的；在第二种情况下，空气中的氧可自由的通过多孔、疏松的氧化铁皮，而使氧化铁皮加厚和致密化。 无论上哪种情况，最终结果就是形成了我们通常所见到的带钢表面的氧化铁皮。 当然，带钢表面上生成了一层氧化铁皮以后，氧和铁的离子扩散也受到了一定的阻碍， 而且，氧化铁皮越厚，离子扩散受到的阻障就越大，生成氧化铁皮的速度也越慢，因此，氧化铁皮的长大速度是不均匀的，即开始时氧化铁皮的厚度增加得很快，之后氧化铁皮厚度的增加随着氧化铁皮的厚度增大而越来越慢。 事实上，在高温情况下氧化铁皮形成的特别强烈，当温度低于 600 度时，氧化铁皮的形成实际上已停止。 5． 1． 2 氧化铁皮的组成和结构 带钢表面的氧化铁皮，由于钢的化学成分、轧制时带钢表面温度、轧制时的加热及终轧温度、冷却制度、周转介质的含氧量的不同，因此氧化铁皮的组成和结构也因之而异。 铁氧系的热力分析证明，铁的氧化 过程是铁 —— 氧化铁（含氧量 %） —— 四氧化三铁（含氧量 %） —— 三氧化二铁（含氧量 %）。 热力分析同样证明在氧化过程中可能产生许多独立的相。 这些相分别为铁内氧化物固溶体、富氏体（接近氧化铁的）相、四氧化三铁、三氧化二铁及氧化物固溶体。 在铁氧状态曲线图中可以看出，各相在平衡状态下的稳定界限时；还可看出在温度大于 575 度时，富氏体是稳定的，在温度较低时分解为磁性氧化铁和金属铁。 如果氧化铁皮在 570300 度之间急速冷却，那么富氏体相来不及分解，在更低的温度时就被固定下来。 缓冷时铁皮中 富氏体相只是少量存在或完全没有。 当加热到大于 1100 度，特别是氧含量有限、水蒸汽或碳的氧化物含量较高的情况下，三氧化二铁将还原成四氧化三铁，即 6Fe2O3—— 4Fe3O4+O2 带钢经高温处理后，在其表面产生的氧化铁皮是各种相的混合体。 如果钢板表面氧化时温度大于 570 度并有过量氧气，而随后又是相当快的冷却，则一般氧化铁皮将由 3 层组成，直接附着在钢铁表面的一层是富氏体（ FeO 和 Fe3O4 固溶体），再上面一层是 Fe3O4，最上面 Fe2O3。 由于热轧碳素结构的终轧温度一般控制在870 度左右，周转介质含有大量的氧 气，随后又是相当快的冷却速度，所以其氧化铁皮一般都是上述 3 层结构。 通常钢铁中除了铁原子之外，还含有其他元素的原子。 如硅钢中含有相当高的硅原子，不锈钢和耐热钢中含有很多的铬原子和镍原子，即使是普通的碳素结构中，也含有少量的碳、硅、锰、磷、硫等元素的原子。 在此情况下，扩散的就不只是铁离子，其他元素的离子也会同时扩散。 这些元素的离子，都能与氧化合成氧化物。 因此，氧化铁皮中除了铁的氧化物之外，还含有部分其他元素的氧化物。 例如从含 1516%铬的不锈钢氧化膜的光谱分析可知，氧化膜中含蓄有%的 FeO， 70%Cr2O3 及 %的 SiO2。 同时，任何两种元素的原子，其扩散速度都是不等的。 如硅、铬原子的扩散速度比铁原子慢得多，因此，它们的氧化物多差距靠近基铁部分，甚至成为氧化铁皮下的单独一层氧化物，这就给带钢的酸洗带来很大的困难。 5． 1． 3 影响带钢表面氧化铁皮的因素 5． 1． 3． 1 终轧温度及速度的影响 铁的氧化过程是 Fe—— FeO—— Fe3O4—— Fe2O3，随着温度升高，氧化速度也逐渐增大。 在 600800 度的温度范围内，生成的氧化铁皮能够很好地阻碍铁及氧原子的扩散，因此氧化速度反而不再继续增大。 当温度超过 800 度时，氧化铁皮阻碍扩散的能力将大降低，因此氧化速度又迅速增大。 由于温度的长高，氧化速度加快，因此在单位时间内，带钢表面氧化铁皮的厚度随着氧化温度的长高而增厚。 同样，高的轧制速度可以减少带钢在高温中与空气接触的时间，从而也就减小了氧化铁皮的厚度。 因此，为了减小氧化铁皮的厚度，热轧带钢应在尽可能低的温度和尽可能高的轧制速度下进行轧制。 从氧化铁皮的结构上看，终轧温度在 700900 度之间时，所形成的氧化铁皮含 80%90%的 FeO、 10%20%的 Fe4O4。 在温度大于 900 度，氧化或氧化性气体较多时，铁 将迅速被氧化， Fe2O3 可以在高温下快速形成，这时氧化铁皮除 Fe3O4外，将不出现 FeO，并开始在铁皮表面形成 Fe3O4 组成，表面覆盖着一层很薄的Fe2O3。 提高轧制速度可以减少氧化铁皮的厚度，然而，过高的轧制速度将使卷取温度迅速提高，并造成氧化铁皮中的富氏体转变为 Fe3O4，给以后清除带钢表面上的氧化铁皮（酸洗）工作带来困难。 因此，准确地控制轧制速度乃是有利酸洗的重要因素。 研究结果表明，获得符合最佳酸洗时间的氧化铁皮，终轧温度应该是 850 度。 5． 1． 3． 2 冷却速度的影响 我们知道，一般热轧带钢表面氧 化铁皮有 3 层，靠近基铁的内层为富氏体，中间为 Fe3O4，外层为 Fe2O3。 其中有利于酸洗的富氏体在 575 度以上是稳定的，在 570 度以下时富氏体中 FeO 不稳定，并且按照 4FeO=====Fe3O4+Fe。 当温度进一步降低到 300 度以下时，这种转变将趋近于零。 如果氧化铁皮层在 570300 度之间急速冷却的话，那么，富氏体层将来不及分解并在更低的温度下被固定下来，从而得到有利于酸洗富氏体结构。 缓冷时，铁皮中的富氏体层随着冷却速度变慢而逐渐减少，因此，带钢在冷却区域冷却速度较慢时，铁皮中富氏体层只有少量存在或完 全没有。 一般是在输出辊道上喷射高压水加快带钢的冷却速度。 在喷水的情况下，氧化铁皮的厚度增加得很快。 因为氧化铁皮在水中要比在空气中形成得快，因此，在水蒸汽气氛中停留的时间愈长，形成的氧化铁皮就愈多，而 FeO 的含量却减少，所以准确地调节喷水段中的冷却速度和尽可能地减少在水中停留时间是非常必要的。 5． 1． 3． 3 卷取温度的影响 带钢的卷取温度在 600700 度时，对铁皮层厚度的增 加没有太明显的影响。 然而，卷取温度越高，在带钢的边缘头和头尾会生成 Fe2O3，这些都是我们所不希望的。 进一步降低卷取温度对氧化铁此 的厚度没有什么影响，但带钢边缘和尾部出现Fe2O3 的危险性减小了，同时，富氏体向 Fe3O4 转化的程度也减小了。 当卷取温度从 700 度降低到 600 度时，酸洗时间可缩短 10%15%。 为了控制富氏体的转化，带钢应该在相当低的温度下，如 500550 度下卷取，但这样将导致卷取前带钢水冷时间增加，从而引起氧化铁皮厚度不均匀性的增加， Fe3O4 将增多，富氏体减少，因此，必须给轧机找出最佳带钢卷取温度，以减少带钢在冷却后富氏体的转化，防止铁皮厚度明显增加。 实验表明，在 550590 度卷取时，带钢上的氧化铁皮层最薄，其中富 氏体层较厚，富氏体分解最少，因而酸洗 时间能够减少。 5． 1． 3． 4 其他因素的影响 为了避免富氏体的转化，必须使板卷的冷却速度加快，特别是在 350500 度范围内的冷却速度要达到相当高的程度。 近年来所有新建的热轧机生产的钢卷重都大大地增加了，随之带来了板卷冷却时间的延长。 例如，卷重由 46t 增加到2025t，冷却时间则由 昼夜延长到 昼夜。 这样富氏体将完全转化，给酸洗工作带来困难。 为了改进铁皮结构，目前有些国家把板卷放入盛水的容器中，使板卷的温度降到小于 350 度。 事实证明，这样对提高酸洗 速度是有利的。 这种方法的唯一不足之处是，钢卷内、外围骤然冷却，而中部冷却较慢 ，会引起铁皮结构不太均匀。 在酸洗试验中，很值得注意的是轧辊粗糙度的影响。 在使用粗糙的受到损坏的轧辊时，往往在带钢边缘上会造成酸洗时间延长 50%左右。 综上所述，用较大的轧制速度、光滑的轧辊、低的终轧温度和卷取温度以及较高的冷却速度，均可对热轧带钢的酸洗产生有利的影响。 5． 1． 4 氧化铁皮的性质及厚度 氧化铁皮的性质对酸洗速度有着较大的影响。 由于氧化铁皮的性质较多，不便一一叙述。 下面我们只着重讨论与酸洗有关的一些性质。 5． 1． 4． 1 氧化铁皮的紧密度（也称松散度） 氧化铁皮内层是疏松而多孔的细结晶组织、各晶粒之间互相联系薄弱并且易于破坏，这层称之为富氏体的组织主要由氧化亚铁（ FeO）组成；致密、无孔和裂缝，成玻璃状断口的中间层是磁性氧化铁（ Fe3O4）；外层是结晶构造的氧化铁（ Fe2O3）。 因此，在金属冷却期间结构发生变化时，在铁皮中便生产了裂纹和气孔，为酸洗工作创造了有利的条件。 5． 1． 4． 2 氧化铁皮的内应力 金属在生成氧化铁皮时，其体积增大，如生成富氏体时，体积增大 倍；生成 Fe2O3 及 Fe3O4 时，体积增大分别为 21 倍 和 倍。 由于体积增大，因而在平行于金属表面的方向上产生一种压应力，同时还产生一种力图使氧化铁皮从金属表面上剥落的拉应力。 当这些内应力小于氧化铁的强度时，氧化铁皮便产生裂缝；当内应力大于氧化铁皮同金属表面的附着力时，氧化铁皮就会从金属表面上脱落下来，这就给机械方法破碎氧化铁皮提供了有利的条件。 氧化铁皮内应力的大小与金属表面状态有关，金属表面越粗糙，则内应力就越大，氧化铁皮破碎和脱落的可能性也就越大。 例如，带钢的炉生铁皮及粗轧过程中生成的氧化铁此很容易被清除掉就是这种原因所致。 5． 1． 4． 3 氧化铁皮在金 属附着力 各种氧化铁皮与基体铁的附着力是不同。 附着力的大小，一般用破坏应力来衡量，附着力越大则破坏力也越大，附着力越小则破坏应力就越小。 FeO 的破坏力约为。 Fe3O4 的破坏力约为 40Mpa； Fe2O3 的破坏应力约为 10Mpa。 由于氧化铁皮与基体铁的附着力越大，氧化铁皮就越难从基铁上脱落，因此，从附着力的大小上可看出， FeO 的附着力最小，它是氧化铁皮中最容易被除掉的。 铁皮的附着力决定于氧化的时间及钢板的化学成分，这是由于长时间氧化，铝、锰、硅等元素在铁皮与金属之间析出，使内层氧化铁皮成为含有各 种氧化物的混合物。 如含有硅的钢，长时间氧化时，它可以在钢与 FeO 之间形成较脆的Fe2SiO 4（ 2FeO+SiO2== Fe2SiO 4）中间层，使氧化铁皮对钢的附着力大大降低。 5． 1． 4． 4 氧化铁皮的厚度 前面说过，对普碳钢而言，带钢冷却的条件和速度、带钢的终轧温度及卷取温度等，对带钢表面氧化铁皮的厚度有着直接的影响。 带钢表面氧化铁皮厚度一般为 ，个别情况可达 20um。 其中最内层的富氏体（ FeO）层，大约占整个氧化铁皮厚度的 80%，是氧化铁皮最厚的一层；中间的磁性氧化铁 Fe3O4 占整个氧化铁皮 厚度的 18%；而最外层的 Fe2O3，仅占氧化铁皮厚度的 2%。 带钢表面氧化铁皮的单重波动在 3555g/m2 的范围内。 仔细地观察带钢表面的颜色会发现，往往带钢边部较宽度中间部分颜色深些。 这一现象是由于氧化铁皮的厚度不同而引起光线的反射及干涉所致。 随着氧化铁皮厚度的增大，颜色逐渐由橙变成黄、绿、青、蓝、紫等。 因此，由带钢表面颜色及氧化铁皮的形状，大体上可判断出氧化铁皮的厚度及均匀程度。 5． 1． 5 带钢表面氧化铁皮的可酸洗性 热轧带钢的可酸洗性和氧化铁皮的形成一样，与很多因素有关，如氧化铁皮的粘附强度、钢的成分 、机构变形的种类和程度、氧化铁皮的结构及厚度、表面污染（例如油脂引起的污染）、表面缺陷、酸洗剂的种类和成分以及酸洗时的工作条件等。 下面仅就氧化铁皮的结构耐酸性进行分析。 在氧化铁皮中，富氏体只是在靠近钢板的表面上存在，而铁皮外层的 Fe3O4和 Fe2O3 在酸溶液中是比较难于溶解的。 但由于铁皮层存在着裂缝和气孔（特别是通过破鳞或拉矫之后），因此酸溶液便能通过这些裂缝、气孔到达金属表面和富氏体层，随着金属铁和富氏体的溶解，便减少了铁皮与金属之间的附着力，并在酸液与金属铁反应过程中生成的氢气的作用下，氧化铁皮便从基 体上脱落而沉到酸槽底部。 与此同时，难溶的 Fe3O4 及 Fe2O3 也被还原成容易溶解的 FeO，从而使氧化铁皮从带钢表面上分离开来。 影响酸洗性的另一个重要因素是铁皮的致密度。 富氏体具有天然的最大孔隙，而 Fe2O3 层及 Fe3O4 层是致密的，它们会把铁皮中其他氧化层内的气孔全部堵死，从而阻碍了酸液的渗入。 带钢在冷却过程中虽然会形成一些裂纹，但也不能保证酸液渗入氧化铁皮的深处。 特别是现代化轧机生产的热轧带钢，铁皮的厚度是相当稳定的，致密度是相当高的，因此，为了提高氧化铁皮的可酸洗 性，采用破鳞设备增加裂纹仍然是十分必 要的。 在酸洗时会发现，带钢尾部（酸洗卷头部）表面上的氧化铁皮较容易洗掉。 这是因此带钢尾部的轧制温度一般比中部和头部低 3050 度，并在卷取时受到从卷取机上落下来的水的强化冷却，因此，带钢尾部铁皮形成的过程结束得较早，氧化铁皮较薄，而 FeO 来不及转化。 最难酸洗的是带钢头部（酸洗带卷尾部）的氧化铁皮，这是因为带钢头部氧化铁皮的形成过程。