型钢为什么要酸洗（钢材酸洗基础理论）

1.1酸洗工艺基础理论

1.1.1酸洗的目的

热轧带钢在冷轧前必须进行酸洗，其目的是为了清除粘附在钢材表面的氧化层，为后续加工作好准备。这种氧化层是热轧时产生的氧化铁皮或经水腐蚀产生的铁锈。

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。

推拉式酸洗机组酸洗，每根带钢经夹送辊依次咬入，不用焊接，推送向前，直至卷取，逐卷带钢间断地通过酸洗机组。推拉式酸洗机组用于中等产量的板带生产已有多年，近年来经不断改进提高，已发展成适用于年产50万～80万吨中等冷轧厂的酸洗机组，成为除了连续式酸洗机组外，又一种可供选择的酸洗机组。与连续式酸洗机组相比，它具有设备简单、投资低的突出优点，因而具有一定的竞争能力。

连续式酸洗机组的工艺特点是钢卷逐卷展开后，钢卷与钢卷之间头尾焊接起来连续地通过酸洗槽。而推拉式酸洗是钢卷逐卷展开后即穿过酸洗槽，卷与卷之间不进行焊接，因此又称为半连续式酸洗。连续式酸洗机组优缺点如下。

（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；

（c）机组运行速度较高，一般穿带速度为60m/min，运行速度可达 230m/min；

（d）采用浅槽紊流式酸洗槽，因此酸洗时间短，加热启动快，调节酸液成分快。

（2）缺点：

（a）由于配有昂贵的焊机、拉矫机、前后贮料活套等，因此设备复杂，设备重量重，同时所需厂房高度较高，因而投资大；

（b）由于焊接，因此钢卷规格变换受到限制，组织生产不很灵活；

（c）停机期间酸槽中有带钢，重新启动时需引带，不能用大循环加热酸。

1.1.3氧化铁皮

（1）氧化铁皮的形成

氧化铁皮是金属在加热、热处理或在热状态进行加工时形成的一层附着在金属表面上的金属氧化物。由于热轧带钢的化学成分、轧制温度、轧制后的冷却速度及卷取温度的不同，所以带钢表面上所生成的氧化铁皮的结构、厚度性质亦有所不同。

〔2）氧化铁皮的组成

氧化铁皮结构通常有三层，即维氏体层【FeO，氧化亚铁】，四氧化三铁【Fe3O4，磁性氧化铁】和三氧化二铁层【Fe2O3，氧化铁】。Fe2O3层含氧最多，最难溶解。在正常的未被破坏的氧化铁皮中，它在离基体金属最远的外层，中间是Fe3O4层，含氧最少的是维氏体层，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，而是互相渗透，几乎没有纯净的Fe2O3层。带钢氧化铁皮组织结构。

1.1.4除磷方法

除鳞（清除氧化铁皮）的方法有三种：机械除鳞法、化学除鳞法及机械一化学联合法，机械一化学联合法是目前最普遍采用的除鳞形式，从设备上看可分为弯曲一酸洗和喷丸破鳞一酸洗两种形式。在现代化的冷轧生产线上，主要采用拉矫一酸洗除鳞。

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

硫酸酸洗是将浓度为78％或96％的浓硫酸加以稀释。在非连续酸洗中，硫酸浓度一般为20%。在连续酸洗中，硫酸浓度为15%～25%。

（2）盐酸酸洗

作为市售浓盐酸是含有32％氯化氢的水溶液，它所含的杂质如铁、氯化砷，其总量小干0.002％。因此，酸洗时不用考虑其有害后果。盐酸酸洗主要是通过化学作用溶解氧化铁皮，其酸洗浸蚀能力随着温度和浓度的提高而剧烈增大，盐酸具有很强的溶解能力，酸洗速度相当高。但不能通过任意提高温度来进一步提高酸洗速度，因为低温时，酸蒸气压力已经很大，并随着温度提高而剧烈增大。通过对盐酸酸槽上方的惰性气体中的氯化氢浓度进行的研究可知：在给定的温度条件下，气体中氯化氢的浓度随着盐酸浓度的提高而增加，此外，它还随着溶液中氯化铁含量的上升而加大，但使盐酸蒸发最剧烈的是提高温度。

盐酸与氧化铁反应生成二价的氯化亚铁。只要溶液不是接近饱和状态，氧化铁含量的增加会使酸洗时间大大减少。实验认为，通过加入FeCL2·4H2O的氯化铁，加大了对铁的腐蚀作用。而在操作条件下，恰好与上述实验结果相反，对铁的腐蚀作用并没有变化。显然，在生产中钢的伴生元素起了抑制作用。

（3）用其它酸酸洗

除硫酸和盐酸外，多年来在有限范围内也使用其它酸，例如硝酸、氢氟酸、混和酸和磷酸。

1.1.5酸洗机理

带钢表面上的氧化铁皮（FeO、Fe3O4、Fe2O3）是不溶于水的，而当把它们浸在酸液里或在其表面喷洒酸液时，它们就会与酸发生一系列的化学反应。

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溶解于酸中生成可溶解于酸的氯化物，从而把氧化铁皮从带钢表面除去，这种作用，一般叫做溶解作用。

酸洗时在氧化铁、金属铁和酸洗液之间的化学反应，可用下列局部过程的反应式表示。

这些局部反应以不同的速度进行，并与酸洗液中氢离子的浓度即酸洗液的 pH 值有关。

（2）机械剥离作用

带钢表面氧化铁皮中除铁的氧化物外，还夹杂着部分的金属铁，而氧化铁皮又具有多孔性，那么酸溶液就可以通过氧化铁皮的孔隙和裂缝与铁或基体铁反应产生大量的氢气。由于这部分氢气产生的膨胀压力，就可以把氧化铁皮从带钢表面上剥离下来，这种过程我们称之为剥离作用。

未受损伤的氧化层的溶解速度非常慢，可是各种工业上的氧化层都有裂逢和气孔，酸洗时酸液可进入裂缝和气孔直到基体金属。在钢和氧化物之间的相界处，由于形成局部电池现象，大大加快氧化物的溶解过程。氧化物沿着相界从金属上裂开来，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，而只能非常缓慢地分解。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

酸液通过氧化铁皮缝隙进入，与 FeO反应，由于 FeO 较 Fe2O3容易与酸发生反应，从而出现氧化铁皮因下部 FeO 溶解于酸而脱落的现象，这种现象称作渗透作用。

实际生产中，酸洗机组往往在酸洗段入口设一拉伸矫直机，其目的除了矫直带钢外，还有就是为了使带钢表面的鳞皮破裂，促进机械剥离作用和渗透作用以缩短酸洗时间增加酸洗速度。

（4）还原作用

在酸与铁基体反应时要产生氢原子。一部分氢原子相互结合成为氢分子变成气体，另一部分氢原子靠其较强的还原能力，将高价铁的氧化物和高价铁盐还原成易溶于酸的低价氧化物或铁盐。

综上所述，带钢表面的氧化铁皮的酸洗过程实际上通过以上4种方式共同作用的结果，加强其中任一项作用都会起到提高酸洗速度的效果。

1.1.6影响酸洗的因素

签于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，所以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

酸洗过程就是去掉带钢表面氧化铁皮的过程，因此，酸洗效果主要取决于氧化铁皮的结构和厚度。根据前面的讨论，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。

（2）酸洗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也同样能够增加酸洗速度。当酸浓度从2％增大至25％时，盐酸酸洗的速度增加约10倍。当温度自18℃升高至60℃时，盐酸酸洗速度提高9～10倍。在盐酸溶液中酸洗时，应该采用增大浓度而不过分提高温度的办法。

（3）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可减少，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％。以后，酸洗时间又急剧增加，一直到FeCl2达到饱和，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％。目前特别是当盐酸浓度大于20％～22％时，FeCl2很容易达到饱和状态，所以目前各国无论是新建或改建的盐酸酸洗机组，盐酸的浓度都不超过20％。此外，酸液内FeCl2含量的增加，使得盐酸挥发加速，因此酸洗时，一般将FeCl2的含量控制在比较低的范围内。

（4）酸溶液揽拌的影响

在连续酸洗机组中，酸槽内的酸溶液不仅受酸槽结构和喷头压力的影响，还受到在酸溶液中运动的带钢和酸洗时生成的氢气所搅动。因此，凝聚在带钢表面上的蒸气及附着在表面上的氢气泡会被及时除掉，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。

（5）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。这些元素中有些会使氧化铁皮变得很疏松（如钙），酸溶液很容易渗入到氧化铁皮内部与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。

特别应当指出的是含铝的钢，虽然生成的氧化铁皮比较致密，但由于生成的铝的氧化物能溶解于酸中，因此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亦有着明显的影响，且酸洗速度随着钢中含碳量的增加而加快。这是因为钢中的含碳量增加时，氧化铁皮有着向薄的方面生成的趋势。

（6）带钢拉矫的影响

带钢经铁皮破碎机或拉伸矫直机反复弯曲变形后，因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，破鳞将能明显地增加酸洗速度。实验指出，用硫酸酸洗时，采用破鳞机可减少10％～50%的酸洗时间。