酸洗工艺基础理论：热轧带钢酸洗目的与推拉式酸洗机组应用详解

1.1酸洗工艺基础理论

1.1.1酸洗的目的

热轧带钢在进行冷轧之前需要进行酸洗。酸洗的目的是清除钢材表面粘附的物质。这些粘附在钢材表面的物质是热轧时产生的氧化铁皮，或者是经水腐蚀后产生的铁锈。酸洗是为后续的加工做好准备。

1.1.2酸洗机组的种类

按带钢酸洗的过程分类可分为连续式酸洗机组和推拉式酸洗机组。

推拉式酸洗机组进行酸洗操作。每根带钢依次被夹送辊咬住，无需焊接，直接被推送向前，一直到卷取完成。逐卷带钢是间断地通过酸洗机组的。推拉式酸洗机组在中等产量的板带生产中应用已经有很多年了。近年来，它经过不断地改进和提升，已经发展成为能够适用于年产 50 万～80 万吨中等冷轧厂的酸洗机组。它成为了除了连续式酸洗机组之外，另一种可供选择的酸洗机组。它和连续式酸洗机组相比，有设备简单这一突出优点，并且投资低，所以具有一定的竞争能力。

连续式酸洗机组的工艺特点为：钢卷逐卷展开后，将钢卷与钢卷之间的头尾焊接起来，然后连续地通过酸洗槽。推拉式酸洗则是钢卷逐卷展开后直接穿过酸洗槽，卷与卷之间不进行焊接，所以也被称作半连续式酸洗。连续式酸洗机组的优缺点如下。

（1）优点：

（a）连续式机组除可使用动力剪外还可使用拉剪；

（b）装备拉伸矫直机，因此改善带钢平直度能力较好；

机组的运行速度比较高。通常情况下，穿带速度是 60 米每分钟。并且运行速度能够达到 230 米每分钟。

采用浅槽紊流式的酸洗槽，所以酸洗所需的时间比较短。同时，它加热启动的速度很快，并且能够快速调节酸液的成分。

（2）缺点：

因为配备了昂贵的焊机、拉矫机以及前后贮料活套等，所以设备较为复杂，设备的重量也较重，并且所需厂房的高度比较高，故而投资较大。

因为进行了焊接，所以钢卷规格的变换受到了限制，导致组织生产不是很灵活。

停机期间酸槽里有带钢，在重新启动的时候需要引入带钢，不可以使用大循环来加热酸。

1.1.3氧化铁皮

（1）氧化铁皮的形成

金属在加热、热处理或热状态加工时会形成一层附着在其表面的金属氧化物，这就是氧化铁皮。热轧带钢的化学成分、轧制温度、轧制后的冷却速度以及卷取温度各不相同，因此带钢表面生成的氧化铁皮在结构、厚度和性质上也有所差异。

〔2）氧化铁皮的组成

氧化铁皮结构一般有三层。其中一层是维氏体层，其成分是 FeO（氧化亚铁）；另一层是四氧化三铁层，成分是 Fe3O4（磁性氧化铁）；还有一层是三氧化二铁层，成分是 Fe2O3（氧化铁）。Fe2O3 层所含的氧最多，并且最难溶解。正常未被破坏的氧化铁皮，其在离基体金属最远的位置处于外层。中间存在 Fe3O4 层。含氧最少的是维氏体层，且该层直接附着在铁的表面上。这些氧化层之间往往没有明显的分界线，而是相互渗透，几乎不存在纯净的 Fe2O3 层。这是带钢氧化铁皮的组织结构。

1.1.4除磷方法

除鳞的方法有三种，分别是机械除鳞法、化学除鳞法以及机械一化学联合法。目前最普遍采用的除鳞形式是机械一化学联合法。从设备方面来看，可分为弯曲一酸洗和喷丸破鳞一酸洗这两种形式。在现代化的冷轧生产线上，主要采用的是拉矫一酸洗除鳞。

根据化学除鳞介质的不同，可分为以下几种方式。

（1）硫酸酸洗

硫酸酸洗的操作是把浓度为 78％或者 96％的浓硫酸进行稀释。在非连续酸洗的时候，硫酸的浓度通常是 20%。而在连续酸洗的情况下，硫酸的浓度处于 15%到 25%之间。

（2）盐酸酸洗

市售浓盐酸是水溶液，其中含有 32％的氯化氢。它所含的杂质，如铁、氯化砷等，其总量小于 0.002％。所以，在酸洗时无需考虑其有害后果。盐酸酸洗主要是借助化学作用来溶解氧化铁皮。其酸洗浸蚀能力会随着温度和浓度的升高而急剧增大。盐酸具有很强的溶解能力，酸洗速度相当快。不能通过任意提高温度来加快酸洗速度，因为在低温时，酸蒸气压力已经很大，且会随着温度的升高而剧烈增大。通过对盐酸酸槽上方惰性气体中氯化氢浓度的研究可以得知：在特定的温度条件下，气体中氯化氢的浓度会随着盐酸浓度的提高而上升，同时，它也会随着溶液中氯化铁含量的增加而加大，然而，使盐酸蒸发最为剧烈的是提高温度。

盐酸和氧化铁发生反应能生成二价的氯化亚铁。若溶液未接近饱和状态，那么氧化铁含量增加会使酸洗时间大幅减少。实验表明，加入 FeCL2·4H2O 的氯化铁后，铁的腐蚀作用加大了。但在操作条件下，情况恰好与上述实验结果相反，铁的腐蚀作用并未发生变化。显然，在生产过程中，钢的伴生元素起到了抑制作用。

（3）用其它酸酸洗

多年来，除了硫酸和盐酸之外，在有限的范围内也会使用其他的酸。例如会使用硝酸，会使用氢氟酸，会使用混和酸，也会使用磷酸。

1.1.5酸洗机理

带钢表面的氧化铁皮有 FeO、Fe3O4、Fe2O3 。这些氧化铁皮不溶于水。当把带钢浸在酸液里时，它们会与酸发生化学反应。当在带钢表面喷洒酸液时，它们也会与酸发生化学反应。

酸洗机理可以概括为4个方面：

（1）溶解作用

带钢表面的氧化铁皮会溶解在酸里，生成能溶解于酸的氯化物。通过这种方式，能把氧化铁皮从带钢表面去除掉。这种作用，通常被称作溶解作用。

酸洗时，在氧化铁、金属铁与酸洗液之间会发生化学反应，这些化学反应可以用下列局部过程的反应式来表示。

这些局部反应的进行速度各不相同，并且与酸洗液中氢离子的浓度以及酸洗液的 pH 值存在关联。

（2）机械剥离作用

带钢表面氧化铁皮包含铁的氧化物，还夹杂着部分金属铁。氧化铁皮具有多孔性。酸溶液能通过氧化铁皮的孔隙和裂缝与铁或基体铁反应，从而产生大量氢气。这部分氢气产生膨胀压力，能将氧化铁皮从带钢表面剥离下来。我们把这种过程称为剥离作用。

未受损伤的氧化层溶解速度很慢。各种工业上的氧化层存在裂缝和气孔。酸洗时，酸液能进入裂缝和气孔直至基体金属。在钢和氧化物的相界处，因形成局部电池现象，氧化物的溶解过程大大加快。氧化物沿相界从金属上裂开，最后呈鳞片状从金属上脱落。裂开的氧化物不再与金属有导电关系，只能缓慢分解。盐酸酸洗时，有33％的氧化铁皮是靠机械剥离作用去除的。

（3）渗透作用

酸液经由氧化铁皮的缝隙进入。酸液与 FeO 发生反应。因为 FeO 相较于 Fe2O3 更易与酸进行反应。所以会出现氧化铁皮下部的 FeO 溶解于酸而导致其脱落的现象。这种现象被称作渗透作用。

在实际生产里，酸洗机组通常会在酸洗段的入口设置一台拉伸矫直机。这台拉伸矫直机的目的，一方面是要对带钢进行矫直；另一方面，是要让带钢表面的鳞皮破裂，以此来促进机械剥离作用以及渗透作用，进而达到缩短酸洗时间和增加酸洗速度的效果。

（4）还原作用

酸与铁基体反应时会产生氢原子。部分氢原子相互结合形成氢分子并变成气体。另外部分氢原子凭借其较强的还原能力，把高价铁的氧化物和高价铁盐还原为易溶于酸的低价氧化物或铁盐。

综上所述，带钢表面氧化铁皮的酸洗过程是以上 4 种方式共同作用的结果。加强其中任何一项作用，都能起到提高酸洗速度的效果。

1.1.6影响酸洗的因素

目前在多数国家新建或改建的酸洗机组上广泛采用了盐酸作为酸洗剂，因此以下主要说明影响带钢盐酸酸洗的主要因素。

（1）氧化铁皮厚度及结构的影响

酸洗过程的目的是去掉带钢表面的氧化铁皮。所以，酸洗效果主要由氧化铁皮的结构和厚度来决定。按照之前的讨论，当终轧温度大概为 850℃且卷取温度在 550 到 590℃之间时，带钢上的氧化铁皮层最薄。在这种情况下，富氏体层较厚，富氏体转化的量最少，出现 Fe2O3 的可能性也最小。正因如此，这种氧化铁皮最容易进行酸洗。

（2）酸洗液浓度和温度的影响

在盐酸溶液中酸洗，应采用增大浓度且不过分提高温度的办法。

（3）酸溶液中铁盐含量的影响

酸含量增加且温度升高时，酸洗时间会减少。随着 FeCl2 含量的增加，酸洗时间会急剧减少至最小，此时 FeCl2 的浓度比饱和浓度低 4％～8％。之后，酸洗时间又会急剧增加，直至 FeCl2 达到饱和，此时酸洗时间最长。酸溶液温度越低，酸洗时间的最小值就越明显。在 FeCl2 最佳含量的情况下能得到最短的酸洗时间，也就是 FeCl2 的浓度低于饱和浓度 4%～8％。目前尤其当盐酸浓度大于 20％～22％时，FeCl2 容易达到饱和状态。所以目前各国不管是新建还是改建的盐酸酸洗机组，盐酸的浓度都不会超过 20％。酸液中 FeCl2 的含量增加了，这会导致盐酸挥发加快。所以在进行酸洗时，通常会把 FeCl2 的含量控制在相对较低的范围之内。

（4）酸溶液揽拌的影响

在连续酸洗机组里，酸槽内的酸溶液一方面受酸槽结构的影响，另一方面受喷头压力的影响。同时，在酸溶液中运动的带钢以及酸洗时生成的氢气也会对酸溶液进行搅动。因此，带钢表面上凝聚的蒸气能被及时除掉，表面上附着的氢气泡也能被及时除掉。钢材附近的酸溶液会不断被更新，酸液成分能保持均匀。同时，酸能更好地与带钢表面接触。这样，酸洗过程能进行得更快更好，酸洗速度得以提高。

（5）钢铁成分的影响

钢铁中除了铁原子外，还含有其他元素的原子。其中一些元素会让氧化铁皮变得疏松，比如钙，酸溶液能轻易渗入氧化铁皮内部并与氧化铁或基体铁接触，所以酸洗就比较容易。而另有一些元素会使氧化铁皮变得较为致密，这样酸洗就会比较困难。

特别应当指出的是含铝的钢。这种钢生成的氧化铁皮较为致密。然而，由于生成的是能溶解于酸中的铝的氧化物。所以，含铝的钢仍然是比较容易酸洗的。

另外，钢中的含碳量对酸洗速度有明显影响。酸洗速度会随着钢中含碳量的增加而加快。这是因为当钢中的含碳量增加时，氧化铁皮会有向薄的方面生成的趋势。

（6）带钢拉矫的影响

带钢经过铁皮破碎机或拉伸矫直机的反复弯曲变形。由于氧化铁皮与基铁的塑性存在差异。所以氧化铁皮会不同程度地从带钢表面剥落下来或者产生裂缝。正因如此，破鳞能够明显地提升酸洗速度。实验表明，在使用硫酸进行酸洗时，运用破鳞机能够减少 10％到 50％的酸洗时间。