论文部分内容阅读
摘 要：钢材在高温下进行加工时，表面会因氧化而产生氧化铁皮；在常温下放置的钢材或加工件也会氧化生锈。在进行诸如冷轧、冷拔、表面镀层、表面涂层等进一步的加工之前，都必须利用酸洗的方法将其表面的氧化层除去。本文主要分析了氧化铁皮的形成机理，同时总结了影响酸洗效果的各种因素。
关键词：热轧带钢 氧化铁皮 形成机理 酸洗
1.前言
从热轧厂送来的热轧带钢卷，是在高温下进行轧制和卷取的，带钢表面在该条件下生成的氧化铁皮，能够很牢固地覆盖在带钢的表面上，并掩盖着带钢表面的缺陷。若将这些带着氧化铁皮的带钢直接送到冷轧机去轧制，会产生很多问题。因此，带钢在冷轧之前，必须通过酸洗清除其表面氧化铁皮。
2.氧化铁皮的形成机理
在高温条件下铁与氧反应在表面会形成多相多层的氧化层结构。铁的氧化层结构和氧化行为取决热力学和动力学两方面因素。根据Fe-O的二元相图。在570℃以上的短时间氧化过程中，铁的氧化层是连续的三层结构，包括一层非常薄的Fe2O3外层，略厚的Fe3O4中间层和厚的Fe1-yO内层。高温下（700-1250℃下恒温氧化）三者的厚度比例几乎恒定在1：4：95。但在570℃以下，Fe1-yO热力学不稳定，形成的氧化层结构仅包括Fe2O3外层Fe3O4内层。
3.酸洗原理与影响酸洗的因素
3.1酸洗原理
带钢表面上形成的氧化铁皮（FeO、Fe3O4、Fe2O3）都是不溶解于水的碱性氧化物，当把它们浸泡在酸液里或在其表面上喷洒酸液时，这些碱性氧化物就可与酸发生一系列化学反应。酸洗原理的实质是通过溶解作用、机械剥离作用和还原作用将氧化铁皮从带钢表面去除。
⑴溶解作用
带钢表面氧化铁皮中各种铁的氧化物溶解于酸溶液内，生成可溶解于酸液的正铁及亚铁氯化物或硫酸盐，从而把氧化铁皮从带钢表面除去。这种作用，一般叫溶解作用。在酸溶液中FeO反应速度最大。假如酸溶液能够很顺利地通过裂缝、孔隙由氧化铁皮的外层进入内层的话，那么内层FeO的溶解将对整个酸洗过程起着加速的作用。
⑵机械剥离作用
带钢表面氧化铁皮中除铁的各种氧化物之外，还夹杂着部分的金属铁。而且氧化铁皮又具有多孔性，因此酸溶液就可以通过氧化铁皮的孔隙和裂缝与氧化铁皮中的铁或基体铁反应，并产生大量的氢气。这部分氢气产生的膨胀压力，可以把氧化铁皮从带钢表面上剥离下来。这种通过反应中产生氢气的膨胀压力把氧化铁皮剥离下来的作用，叫作机械剥离作用。
⑶还原作用
金属铁与酸反应时，首先产生氢原子，一部分氢原子相互结合成为氢分子，促使氧化铁皮的剥离，另一部分氢原子因为具有很强的化学活性和还原能力，能够将高价铁的氧化物和高价铁盐还原成易溶于酸溶液的低价铁氧化物及低价铁盐。
3.2影响酸洗效果的因素
3.2.1氧化铁皮厚度及结构的影响
酸洗过程就是去掉带钢表面氧化铁皮的过程。因此，酸洗时间主要取决于氧化铁皮的结构和厚度。根据前面的分析，当终轧温度大约为850℃，而卷取温度在550-590℃时，带钢上氧化铁皮层最薄，其中富氏体层较厚，富氏体转化最少，出现Fe2O3的可能性最小，因而这种氧化铁皮最容易酸洗。
3.2.2 酸溶液种类的影响
带钢的酸洗一般使用硫酸或盐酸。在使用这两种酸溶液进行酸洗时，主有以下几个方面的不同：
⑴铁的各种氧化物，特别是Fe3O4、Fe2O3在盐酸溶液中的溶解速度远远大于在硫酸中的溶解速度，因此带钢在盐酸溶液中的酸洗速度比在硫酸溶液中快得多。
⑵在浓度较高时，盐酸酸洗主要靠溶解作用除去氧化铁皮，硫酸酸洗则主要靠机械剥离作用除去氧化铁皮。如硫酸酸洗时，有78%的铁皮是靠机械剥离作用除去的，而盐酸酸洗时，只有33%的铁皮是靠机械剥离作用除去的。
⑶在硫酸或盐酸溶液中，提高温度或浓度均能提高酸洗速度。但在硫酸溶液中，提高酸洗温度效果更为显著，而在盐酸溶液中，提高浓度比提高温度效果要好。因此酸洗时，硫酸主要是提高温度来达到高的酸洗速度，而盐酸主要是靠提高浓度。
⑷盐酸对基铁的溶解能力低于对氧化铁皮的溶解能力，而硫酸酸洗时则相反，因此盐酸酸洗时铁的损失（铁损）较低。据奥地利鲁兹纳公司资料介绍，盐酸酸洗铁损量为酸洗带钢量的0.4%-0.5%，硫酸酸洗铁损量为0.6%-0.7%，对于一个年产100万t带钢的酸洗车间，用盐酸酸洗，每年可少损失2000t钢板。
3.2.3 酸溶液浓度和温度的影响
在盐酸酸洗中，提高酸液的浓度和温度能够提高酸洗速度。提高浓度对酸洗速度的影响，盐酸远大于硫酸；提高温度对酸洗速度的影响，盐酸略小于硫酸。例如，当酸浓度从2%增大到25%时，盐酸酸洗的速度增加约10倍，硫酸仅增加1倍左右。当温度自18℃升高至60℃时，硫酸酸洗速度提高9.5-14倍，而盐酸酸洗速度提高9-10倍。
3.2.4 酸溶液中铁盐含量的影响
当酸含量增加和温度升高时酸洗时间减少，且随着FeCl2含量的增加，酸洗时间急剧减少到最小，此时FeCl2的浓度比饱和浓度低4%-8%。其后，酸洗时间又急剧增加，一直到FeCl2达到饱和时，酸洗时间最长。酸溶液温度越低，酸洗时间的最小值也就越明显。最短的酸洗时间是在FeCl2最佳含量的情况下得到的，即FeCl2的浓度低于饱和浓度4-8%。
3.2.5 酸溶液搅拌的影响
通过酸溶液的搅拌，能够及时除掉凝聚在带钢表面上的蒸气及附着在表面上的氢气泡，也会使钢材附近的酸溶液不断更新，酸液成分保持均匀，同时也能更好地让酸与带钢表面接触，这样可以使酸洗过程进行得更快更好，从而提高了酸洗速度。
3.2.6 钢铁成分的影响
钢铁中除了铁原子之外，还含有其他元素的原子。在这些元素中有些会使氧化铁皮变得很疏松（如镁、钙等），酸溶液很容易渗入到氧化铁皮内部与富氏体的氧化铁或基体铁接触，因此，酸洗变得比较容易。还有些元素会使氧化铁皮变得比较致密，酸洗变得比较困难，甚至于可能完全不适于使用普通的硫酸酸洗。例如，硅钢的氧化铁皮中含有SiO2、不锈钢的氧化铁皮中含有尖晶石结构的Cr2O3·FeO，这些都是很难溶于硫酸溶液中的氧化物，往往在酸洗之后在带钢表面上仍残留一层薄的氧化膜。
3.2.7 机械破鳞的影响
带钢经铁皮破碎机或拉伸矫直机反复弯曲变形后，由于氧化铁皮与基铁的塑性不同，氧化铁皮将会不同程度地从带钢表面上剥落下来或产生裂缝，因此，拉矫机可减少10%-50%的酸洗时间。
4.总结
热轧带钢卷在高温下进行轧制和卷取，其表面在这过程中会生成氧化铁皮，能够很牢固地覆盖在带钢的表面上。在进行诸如冷轧、冷拔、表面镀层、表面涂层等进一步的加工之前，都必须利用酸洗的方法将其表面的氧化层除去，否则会对产品质量产生极为严重的影响。本文分析氧化铁皮的形成机理，同时总结了氧化铁皮厚度，酸液的浓度温度等各种影响酸洗效果和速度的因素，对生产有一定的指导意义。
参考文献：
[1]朱立，孙本良.钢材酸洗技术.北京：化学工业出版社.2007：43-51
[2]沈黎晨.热轧宽厚钢板表面氧化铁皮的研究.宽厚板.1996（5）：9-11
[3]陈龙官，黄伟.冷轧薄钢板酸洗工艺与设备.北京：冶金工业出版社.2005：56-120
[4]张孟仪，邵光杰.热轧板的氧化铁皮结构对酸洗效果的影响.上海金属.2007（3）：41-44
[5]王银军，穆海玲.SPHC热轧带钢氧化铁皮难酸洗的原因分析及对策.电子显微学报.2006.25（增刊）：184-185
[6]董汉君，王银军.影响热轧带钢氧化铁皮酸洗质量和速度的因素.机械工程材料.2009（3）：83-89
作者简介：林春坤（1984-），男，2010年毕业于北京科技大学 硕士研究生。现于宝钢湛江钢铁冷轧项目组从事轧钢工艺相关工作。
关键词：热轧带钢 氧化铁皮 形成机理 酸洗
1.前言
从热轧厂送来的热轧带钢卷，是在高温下进行轧制和卷取的，带钢表面在该条件下生成的氧化铁皮，能够很牢固地覆盖在带钢的表面上，并掩盖着带钢表面的缺陷。若将这些带着氧化铁皮的带钢直接送到冷轧机去轧制，会产生很多问题。因此，带钢在冷轧之前，必须通过酸洗清除其表面氧化铁皮。
2.氧化铁皮的形成机理
在高温条件下铁与氧反应在表面会形成多相多层的氧化层结构。铁的氧化层结构和氧化行为取决热力学和动力学两方面因素。根据Fe-O的二元相图。在570℃以上的短时间氧化过程中，铁的氧化层是连续的三层结构，包括一层非常薄的Fe2O3外层，略厚的Fe3O4中间层和厚的Fe1-yO内层。高温下（700-1250℃下恒温氧化）三者的厚度比例几乎恒定在1：4：95。但在570℃以下，Fe1-yO热力学不稳定，形成的氧化层结构仅包括Fe2O3外层Fe3O4内层。
3.酸洗原理与影响酸洗的因素
3.1酸洗原理
带钢表面上形成的氧化铁皮（FeO、Fe3O4、Fe2O3）都是不溶解于水的碱性氧化物，当把它们浸泡在酸液里或在其表面上喷洒酸液时，这些碱性氧化物就可与酸发生一系列化学反应。酸洗原理的实质是通过溶解作用、机械剥离作用和还原作用将氧化铁皮从带钢表面去除。
⑴溶解作用
带钢表面氧化铁皮中各种铁的氧化物溶解于酸溶液内，生成可溶解于酸液的正铁及亚铁氯化物或硫酸盐，从而把氧化铁皮从带钢表面除去。这种作用，一般叫溶解作用。在酸溶液中FeO反应速度最大。假如酸溶液能够很顺利地通过裂缝、孔隙由氧化铁皮的外层进入内层的话，那么内层FeO的溶解将对整个酸洗过程起着加速的作用。
⑵机械剥离作用
带钢表面氧化铁皮中除铁的各种氧化物之外，还夹杂着部分的金属铁。而且氧化铁皮又具有多孔性，因此酸溶液就可以通过氧化铁皮的孔隙和裂缝与氧化铁皮中的铁或基体铁反应，并产生大量的氢气。这部分氢气产生的膨胀压力，可以把氧化铁皮从带钢表面上剥离下来。这种通过反应中产生氢气的膨胀压力把氧化铁皮剥离下来的作用，叫作机械剥离作用。
⑶还原作用
金属铁与酸反应时，首先产生氢原子，一部分氢原子相互结合成为氢分子，促使氧化铁皮的剥离，另一部分氢原子因为具有很强的化学活性和还原能力，能够将高价铁的氧化物和高价铁盐还原成易溶于酸溶液的低价铁氧化物及低价铁盐。
3.2影响酸洗效果的因素
3.2.1氧化铁皮厚度及结构的影响
酸洗过程就是去掉带钢表面氧化铁皮的过程。因此，酸洗时间主要取决于氧化铁皮的结构和厚度。根据前面的分析，当终轧温度大约为850℃，而卷取温度在550-590℃时，带钢上氧化铁皮层最薄，其中富氏体层较厚，富氏体转化最少，出现Fe2O3的可能性最小，因而这种氧化铁皮最容易酸洗。
3.2.2 酸溶液种类的影响
带钢的酸洗一般使用硫酸或盐酸。在使用这两种酸溶液进行酸洗时，主有以下几个方面的不同：
⑴铁的各种氧化物，特别是Fe3O4、Fe2O3在盐酸溶液中的溶解速度远远大于在硫酸中的溶解速度，因此带钢在盐酸溶液中的酸洗速度比在硫酸溶液中快得多。
⑵在浓度较高时，盐酸酸洗主要靠溶解作用除去氧化铁皮，硫酸酸洗则主要靠机械剥离作用除去氧化铁皮。如硫酸酸洗时，有78%的铁皮是靠机械剥离作用除去的，而盐酸酸洗时，只有33%的铁皮是靠机械剥离作用除去的。
⑶在硫酸或盐酸溶液中，提高温度或浓度均能提高酸洗速度。但在硫酸溶液中，提高酸洗温度效果更为显著，而在盐酸溶液中，提高浓度比提高温度效果要好。因此酸洗时，硫酸主要是提高温度来达到高的酸洗速度，而盐酸主要是靠提高浓度。
⑷盐酸对基铁的溶解能力低于对氧化铁皮的溶解能力，而硫酸酸洗时则相反，因此盐酸酸洗时铁的损失（铁损）较低。据奥地利鲁兹纳公司资料介绍，盐酸酸洗铁损量为酸洗带钢量的0.4%-0.5%，硫酸酸洗铁损量为0.6%-0.7%，对于一个年产100万t带钢的酸洗车间，用盐酸酸洗，每年可少损失2000t钢板。
3.2.3 酸溶液浓度和温度的影响
在盐酸酸洗中，提高酸液的浓度和温度能够提高酸洗速度。提高浓度对酸洗速度的影响，盐酸远大于硫酸；提高温度对酸洗速度的影响，盐酸略小于硫酸。例如，当酸浓度从2%增大到25%时，盐酸酸洗的速度增加约10倍，硫酸仅增加1倍左右。当温度自18℃升高至60℃时，硫酸酸洗速度提高9.5-14倍，而盐酸酸洗速度提高9-10倍。
3.2.4 酸溶液中铁盐含量的影响
当酸含量增加和温度升高时酸洗时间减少，且随着FeCl2含量的增加，酸洗时间急剧减少到最小，此时FeCl2的浓度比饱和浓度低4%-8%。其后，酸洗时间又急剧增加，一直到FeCl2达到饱和时，酸洗时间最长。酸溶液温度越低，酸洗时间的最小值也就越明显。最短的酸洗时间是在FeCl2最佳含量的情况下得到的，即FeCl2的浓度低于饱和浓度4-8%。
3.2.5 酸溶液搅拌的影响
通过酸溶液的搅拌，能够及时除掉凝聚在带钢表面上的蒸气及附着在表面上的氢气泡，也会使钢材附近的酸溶液不断更新，酸液成分保持均匀，同时也能更好地让酸与带钢表面接触，这样可以使酸洗过程进行得更快更好，从而提高了酸洗速度。
3.2.6 钢铁成分的影响
钢铁中除了铁原子之外，还含有其他元素的原子。在这些元素中有些会使氧化铁皮变得很疏松（如镁、钙等），酸溶液很容易渗入到氧化铁皮内部与富氏体的氧化铁或基体铁接触，因此，酸洗变得比较容易。还有些元素会使氧化铁皮变得比较致密，酸洗变得比较困难，甚至于可能完全不适于使用普通的硫酸酸洗。例如，硅钢的氧化铁皮中含有SiO2、不锈钢的氧化铁皮中含有尖晶石结构的Cr2O3·FeO，这些都是很难溶于硫酸溶液中的氧化物，往往在酸洗之后在带钢表面上仍残留一层薄的氧化膜。
3.2.7 机械破鳞的影响
带钢经铁皮破碎机或拉伸矫直机反复弯曲变形后，由于氧化铁皮与基铁的塑性不同，氧化铁皮将会不同程度地从带钢表面上剥落下来或产生裂缝，因此，拉矫机可减少10%-50%的酸洗时间。
4.总结
热轧带钢卷在高温下进行轧制和卷取，其表面在这过程中会生成氧化铁皮，能够很牢固地覆盖在带钢的表面上。在进行诸如冷轧、冷拔、表面镀层、表面涂层等进一步的加工之前，都必须利用酸洗的方法将其表面的氧化层除去，否则会对产品质量产生极为严重的影响。本文分析氧化铁皮的形成机理，同时总结了氧化铁皮厚度，酸液的浓度温度等各种影响酸洗效果和速度的因素，对生产有一定的指导意义。
参考文献：
[1]朱立，孙本良.钢材酸洗技术.北京：化学工业出版社.2007：43-51
[2]沈黎晨.热轧宽厚钢板表面氧化铁皮的研究.宽厚板.1996（5）：9-11
[3]陈龙官，黄伟.冷轧薄钢板酸洗工艺与设备.北京：冶金工业出版社.2005：56-120
[4]张孟仪，邵光杰.热轧板的氧化铁皮结构对酸洗效果的影响.上海金属.2007（3）：41-44
[5]王银军，穆海玲.SPHC热轧带钢氧化铁皮难酸洗的原因分析及对策.电子显微学报.2006.25（增刊）：184-185
[6]董汉君，王银军.影响热轧带钢氧化铁皮酸洗质量和速度的因素.机械工程材料.2009（3）：83-89
作者简介：林春坤（1984-），男，2010年毕业于北京科技大学 硕士研究生。现于宝钢湛江钢铁冷轧项目组从事轧钢工艺相关工作。