高精度及极薄钢带的生产.doc

2 高精度及极薄钢带的生产 二十辊冷轧机由于轧机的刚性大、轧辊的弹性挠曲变形非常小，以及它所具有的多种方便灵活的调节手段，因此能产生出尺寸精度极高、平直度非常好的钢带。二十辊冷轧机由于工作辊径可以非常小，因此能够轧出厚度极薄的冷轧钢带。二十辊轧机多以单机架的形式使用，因此很适合进行小批量、多品种的生产。2.1 高精度及极薄钢带的用途和要求 随着我国国民经济从粗放型增长方式向集约型增长方式的转变，高精度及极薄钢带的需求量急剧上升，用途不断扩大，广泛用于电子工业、家用电器、汽车工业、机械工业、轻工机械等各行各业，不仅是尖端科学、新技术开发的重要基础，也是各传统工业部门高技术、高水平、高要求产品的关键原材料。 由于生产和技术的发展，用户对冷轧钢带产品的尺寸精度要求越来越高，厚度允许偏差不断减小，平直度要求更加严格，对表面状态及光泽度提出了新的要求。因此，冷轧钢带的产品标准也在逐步提高。但是，我们现行的国家标准中冷轧钢带的质量标准很低，远远不能满足许多行业对冷轧钢带的精度要求。目前，具有生产高精度冷轧钢带产品能力的厂家，只能根据自己的装备水平和技术实力来建立自己的工厂标准，并按用户的技术要求来组织生产。 国家标准GB 70888规定了冷轧钢带的精度标准。标准分为两个等级；即A级精度和B级精度。厚度允许偏差见表1.1 不平度规定见表1.2；镰刀弯在每2m内不大于6mm，即15mmm，纵剪带为4mm2m。从标准中可以看出其精度等级是非常低的。A级精度的厚度允许偏差也在其公称厚度的6420之间，B级精度的厚度允许偏差就更大了，为其公称厚度的7525(钢带厚度范围为0220mm)。随着科学技术的不断发展，各行各业对冷轧钢带的精度不断提高，远远超过了国标所要求的范围，因此我们必须采用新工艺、新设备生产高质量的产品来满足用户的要求。例如：生产双层卷焊钢管(即邦迪管)用的冷轧钢带，公称厚度一般为035mm，厚度允许偏差为0.004mm，为公称厚度的114；镰刀弯不大于625mm3000mm，即为0.694mmm；切口毛刺不大0.04mm。又如：电子工业用高精度钢带，厚度允许偏差在钢带厚度不大于0，5mm时为0，003mm，为厚度的06；大于05mm时为0005mm，为厚度的1；镰刀弯为小于023mm400mm，即1438mmm；切口毛刺为小于00l mm。可见其要求精度远高于我国现行标准。生产高质量的产品必须要有高精度的生产设备。二十辊冷轧机就是生产高精度冷轧钢带的最理想的设备。图1.1 给出了国标中冷轧钢带厚度允许偏差及二十辊冷轧机所能达到的钢带厚度精度。从图1.1不难看出，二十辊轧机具有极高的精度：当产品厚度大于01mm时，产品的厚度偏差在其厚度的1以内；厚度大于05m时，产品的厚度偏差在05以内；在产品厚度小于01mm的条件下，产品的厚度偏差可以达到0001mm2.2 生产工艺高精度冷轧钢带、极薄钢带、热镀锌钢带以及彩色涂层钢带的生产工艺流程如图1.2所示。产品供应状态有钢板、钢带或者纵剪钢带等形式。 图1.3是高精度冷轧钢带及极薄钢带车间平面布置一例，图1.4是该车间的工艺流程图。该车间使用一台二十辊森吉米尔冷轧机，生产厚度为00510mm、宽度为250450mm的高精度冷轧钢带及极薄钢带，最高轧制速度为400mmin图1.5是一个典型小型冷轧钢带车间的平面布置图，图1.6是该车间的工艺流程图。该小型冷轧车间的年生产能力在20万t至35万t的范围；小型涂层线的年生产能力为5万t至10万t车间采用一台二十辊森吉米尔冷轧机(如ZR2252”型)，用宽度为6501250mm、厚度为26mm的热轧钢带卷，生产厚度为0316mm的冷带，最大卷重20t最大轧制速度为600mmin；配套设备有一条推拉式酸洗线、一条小型连续热镀锌线、一条小型带卷彩色涂层线及一条横切线。该车间的中间产品为热轧酸洗钢带及高硬度的冷轧钢带。 2.3原料准备 231 冷轧钢带的原料 冷轧钢带生产是钢带轧制的精加工过程。冷轧钢带的原料就是热轧钢带。要获得高质的冷轧钢带，必须要有良好的热轧钢带原料来保证。 钢的化学成分、纯净度及热轧工艺的控制，对最终冷轧钢带产品的组织、性能有极大的响；热轧钢带的外形尺寸、板形及表面状态，将直接影响冷轧钢带的尺寸精度、板形和表面质量。 2311 钢质对冷轧钢带性能的影响 炼钢时控制好钢的化学成分是保正生产出优质冷轧钢带的基础，钢的化学成分与钢的成形性能有密切的关系。钢的碳含量对钢带成形性能的影响是通过影响钢的屈服极限和塑性应变比R来实现的。碳是提高钢的强度最显著的元素之一，碳含量增加，R值减小、成形性能变坏。碳对钢带成形性能的影响可以从图1.7中看出。 塑性应变比只是拉伸试验中宽度应变与厚度应变的比值，可以用下式表示：式中 B、H分别为试样的宽度、厚度；脚注0、1分别代表试样变形前及变形后的数字。 通常钢板具有各向异性，故R值应取与轧制方向成900、450、00角的试样试验结果的平均值，即： 当R1时，说明在冲压成形过程中，长度和宽度方向的变形容易，能抵抗厚度方向的变薄，而厚度减薄是冲压过程中发生断裂的原因，所以尺值大，成形性能好。 锰是提高屈服极限的一个因素，随着钢中锰含量的增加，也上升。锰使钢加工硬比。但是，锰含量太低也将失去防止钢的热脆的能力。因此，锰含量(质量分数)一般不低于0.02。 硫、磷一般在钢中以有害元素身份出现。 硫是钢发生热脆的根源；硫化物夹杂促使钢中形成带状组织，恶化深冲性能；硫有提高屈服极限的趋势，不利于冲压成形，参见图1.8。为防止硫对冲压用钢的不良影响，冲压用钢的硫含量(质量分数)一般都限定在不大于0025，最好小于002。 磷能溶解于铁素体内，使铁索体在室温下硬度和强度增高、塑性下降，即产生冷脆现象；同时磷能引起剧烈的加工硬化；它又是偏析比较严重的一种元素，并且很难经扩散退火完全消除，所以容易出现带状组织，给冲压带来不利影响。钢中磷含量(质量分数)越低越好，应不大于002。 硅是深冲用钢不希望含有的一种元素，因为它可提高钢的硬度和强度，一般硅含量(质量分数)被限制在不大于001的范围内。 铝加入钢中的目的是做脱氧剂，钢中适量的铝能消除钢的时效硬化性，提高冲压性能，其关系见图1.9。钢中的氧和氮都是产生时效硬化的元素，加入铝使氧和氮固定在AL2O2和A1N中，能排除时效硬化的可能性；同时，铝还可控制晶粒度和晶粒形状，形成111织构，对提高冲压性能极为有利。当钢中铝的质量分数W(AL)0065时，在铝与氮化合生成AIN后，多余的金属铝在钢中则起到了合金化的作用，使钢的屈服极限又出现了升高的趋势。因此，钢中金属铝的理想含量(质量分数)应是004005，但是实际生产中很难将铝含量控制在如此窄的范围内，一般标准将其控制在0025007的范围内。 为提高钢带的冲压性能，应尽量降低钢中碳、锰含量，在较窄的范围内控制铝的含量，严格控制有害元素硫、磷含量。表6-6列出了几家深冲用钢08Al的化学成分标准及实际的出厂成分。 冲压钢板按发展历史和冲压性能水平，可分为三代产品。冲压用钢的主要要求之一是具有占优势的有利织构，即有利织构系数111/100高。低碳优质沸腾钢代表了第一代产品，它与各向同性的无取向正火钢相比是一个进步，它有较弱的1111织构，塑性应变比R值为1012，冲压成形性较差，沸腾钢中的固溶氮含量较高，具有明显的应变时效性。铝镇静钢是第二代产品，通过对A1N的固溶和析出的控制，铝镇静钢具有强的111织构，从而获得了良好的深冲性能，R值为1418，铝镇静钢在罩式炉退火过程中绝大部分碳析出成Fe3C，经平整后其性能稳定；因此，自铝镇静钢问世之后，绝大多数钢铁生产厂家的冲压用薄钢板都是以铝镇静钢为基础生产的。冲压用钢的第三代产品是20世纪80年代中迅速发展起来的IF钢，IF钢具有超低碳、微合金化和钢质纯净的特点，IF钢具有极为强烈的111织构，R值可达1828，可用于大尺寸整体成形极其复杂的冲压件，IF钢无时效性。 IF钢又称无间隙原子钢。碳含量低是IF钢最显著的特征，一般W(C)0005。IF钢中添加的微合金元素主要是强碳、氮化物形成元素钛或铌，一般按下式加入：从式中可以看出，钢水中的碳、氮含量必须设法减少，才能节约钛和铌降低成本。在IF钢中杂质元素一般控制在很低的水平，钢质非常纯净，杂质含量为：为使IP钢成分合格，应采甩特殊冶炼和浇注工艺。需选用杂质含量低、成分均匀的生铁，铁水进行预处理，达到W(S)0.01的水平。冶炼后进行真空脱气处理，使铁水脱碳。连铸时，应采用氩气进行保护浇注，中间罐吹氩，应用无碳保护渣等措施。三代冲压用钢性能比较见表1.7。 表1.7中的n为加工硬化指数。加工硬化指数可表示如下： 式中 分别为拉伸15和5时的力； 分别为拉伸15和5时的长度；分别为拉伸15和5时的长度与厚度之差。 n值大，拉伸能力强，冲压性能好；而n值小时，冲压性能差。 加工硬化指数，2、塑性应变比R都是评价材料冲压或成形性能的重要参数，但是二者 又有所侧重。一般冲压变形是冲压和拉延复合变形的过程，可能以其中一种变形为主。当以冲压变形为主时，要求钢的塑性应变比R值要高；当以拉延变形为主时，则要求钢具有较高的加工硬化能力，即n值要大。在冲压变形和拉延变形都存在的复合变形情况下，同时要求具有较大的R值和n值。即使在一种变形为主，另一种变形为辅的情况下，只值和n值都大，也有利于冲压成形，故一般常用这两个指数一块来评价。 2312 热轧工艺对冷轧钢带性能和组织的影响 热轧钢带的组织和性能直接影响到冷轧钢带的组织和性能。影响热轧钢带组织和性能的因素有：钢坯的加热温度和加热时间、轧制温度、终轧变形程度及卷取温度等。 对于低碳钢，热轧、冷轧的组织特征都是铁素体晶粒组织和一定数量的渗碳体，所以决定其组织特征的铁素体晶粒大小，形状及均匀程度，渗碳体的尺寸大小及分布的弥散程度决定了钢的性能的好坏。冷轧退火后钢板的铁素体晶粒的大小，除与冷轧热处理条件有关外。也与热轧钢带的显微组织有关。热轧钢带的显微组织特征会保持在冷轧钢带上，冷轧时消除不了热轧变形时得到的粗大晶粒、过细晶粒及晶粒不均，这些都将遗传到冷轧钢带上。这些现象已为生产实践所证明。 热轧时钢坯的加热温度和加热时间的控制实质上是对奥氏体晶粒度的控制。加热温度一般为11501250，加热时必须防止产生过烧、过热及严重脱碳现象，保温时间不宜超过均热要求的时间。 热轧过程中，调整控制终轧温度及终轧变形程度，对控制奥氏体的再结晶而言无疑是非常重要的。关于热轧终轧变形程度不应该是临界变形量(小于10)，因为这时得到的是大晶粒和不均匀晶粒，有时表面为大晶粒，而中间晶粒细小。但是不能孤立地考虑终轧变形程度，必须充分估计到整个轧制过程变形积累性的影响。终轧温度及卷取温度对热轧钢带的组织和性能的影响更重要。 低的终轧温度和卷取温度，使钢带形成变形晶粒。在这种情况下，冷轧退火后的冷轧钢带将得到过于细小的晶粒，相伴产生拉长了的铁素体晶粒组织，冷变形很困难。 从高的终轧温度和卷取温度缓慢冷却下来时，将得到粗大晶粒并析出大的渗碳体。在冷轧时粗大晶粒和大的渗碳体被轧碎，这就创造了冷轧后产生条状渗碳体的条件，这正是在冲压时产生断裂的原因。 渗碳体尺寸决定于热轧卷取的温度，而渗碳体在钢组织中的分布是由热轧终轧温度决定的。为了得到均匀的铁素体晶粒和细小分散、均匀分布的渗碳体，最佳的热轧条件是：终轧温度应略高于Ar3，轧后快速冷却保证成卷温度低于Arl。图1.10是低碳钢的终轧温度与卷取温度的配合及其组织示意图。图1.10之区，为低碳钢在Ar3温度线以上完成轧制，卷取温度在680以下，可得到最好的效果，可以保证获得均匀等轴细晶组织，以及弥散程度较高的碳化物；b区，终轧温度在Ar3以下，并在680以下低温卷取，获得不均匀晶粒结构，在钢带表面出现粗晶；区，终轧温度在Arl以下，出现被延伸的铁素体晶粒，在低温卷取时，拉长的晶粒仍然保留下来；d区，是在Ar3以上完成轧制过程，在705以上进行高温卷取，从而生成均匀的粗晶组织，同时碳化物已有相当程度的积聚；e区，在Ar3以下轧完并进行高温卷取，产生很不均匀的粗晶组织，表面的晶粒极为粗大；区，终轧温度在Arl以下进行低温轧制，而进行高温卷取，由于自身回火进行再结晶而造成粗晶组织。加热温度高、开轧温度高、终轧温度高及卷取温度低的“三高一低”轧制工艺，是深冲用钢以冷轧后在罩式退火炉中进行再结晶为基础的传统工艺。高温加热有利于使晶粒均匀；低温卷取可防止AIN沉淀析出，这样钢带冷轧后在罩式炉退火的加热过程中，在再结晶开始以前的缓慢加热的某个适当的温度范围内，AIN呈极微细的析出，促使有利于深冲性能的111再结晶织构形成和抑制不利结构100，110的发生。 20世纪70年代以后，冶炼技术和热轧生产的进步使得连续退火机组生产冲压板获得了成功，并且超过了罩式炉。 如果冷轧后采用连续退火机组生产冷轧钢带，则要在热轧时采用高温卷取而不是低温卷取。卷取温度为700750，比传统工艺高100150。高温卷取使得铁素体晶粒和碳化物粗大，再结晶退火时的MnS以适当尺寸析出，由此消除了阻碍晶粒长大的主要因素 MnS和碳化物，并且再结晶时碳化物在a-Fe中再溶解缓慢，由于MnS在晶界析出，特定的结晶方位发达，可得到高的R值。 现代超低碳钢冶炼工艺，改变了生产深冲冷轧钢带的传统工艺。IF钢具有优异的深冲性和无时效性。IF钢由于添加了微合金元素钛和铌，板坯加热温度高对材料力学性能有不利影响，采用低的板坯加热温度比较合适，一般为1050左右。终轧温度对钛处理IF钢的尺值影响很小，对铌钛复合处理IF钢影响则要大一些，铌处理IF钢终轧温度变化对性能有重要影响。快速大压下轧制，提高终轧温度(高于Ar3)，已为目前IF钢生产广泛采用，特别是铌处理和复合处理IF钢，有利于碳氮化合物的粗化。IF钢对卷取温度要求较宽松，有人研究认为，TiIF钢高温卷取(750)比低温卷取(650)的R值高。考虑到高温卷取导致氧化铁皮厚、酸洗效率降低、成材率下降，1F钢本质上又具有超深冲性，可以补偿低温卷取带来的性能不足，IF钢宜采用低温卷取，卷取温度为650700。热轧时应设法获得均匀、细小的铁素体组织，以利于深冲性能的提高。采用不同的冷轧退火工艺的铝镇静钢及IF钢的热轧工艺变化如图1.11所示。2313 热轧钢带几何尺寸对冷轧钢带精度的影响 钢带由于其断面的宽高比很大，并且一般是在带有前后张力的条件下进行轧制，特别是二十辊轧机等多辊轧机是采用大张力轧制，因此在钢带冷轧过程中几乎就没有宽展发生，钢带厚度的减薄完全转变成钢带长度的增加。为了保证冷轧钢带产品的平直度，冷轧过程中冷轧钢带产品的横断面尺寸应按热轧钢带的横断面尺寸成比例地减少，否则将影响冷轧钢带产品的平直度，产生浪形或镰刀弯。但是，热轧钢带在长度方向的厚度不均，经过冷轧加工后可以减轻，特别是现代化的冷轧机，在采用了AGC自动厚度控制技术后，冷轧钢带的纵向厚度偏差可以控制在产品厚度的1的范围内，产品厚度大、冷轧加工量大，则厚度精度更高。 另外，热轧钢带板形不好、钢带头尾偏差大、浪形大、厚度不均也会严重影响冷轧正常进行。当进行全连轧时，头尾厚度偏差过大，会使对焊时焊接不牢而容易造成断带。 232 原料酸洗2321 热轧钢带表面的氧化铁皮热轧钢带表面的氧化铁皮是钢带在热连轧机上轧制时，在高温下生成的二次氧化铁皮。由于钢的化学成分、轧制温度、终轧温度、轧后冷却速度及卷取温度的不同，表面氧化铁皮的组织和结构也有所不同。冷轧前必须将钢带表面的氧化铁皮去除干净。低碳钢热轧钢带表面的氧化铁皮，主要是铁的氧化物，直接附在基铁表面的一层是FeO和Fe3O4的固溶体，其组织是疏松、多孔的细结晶组织；再上面一层是磁性氧化铁Fe3O4，其组织是致密、无孔和无裂纹，呈玻璃状的断口组织；最上面一层是氧化铁Fe2O3，呈柱状结晶构造。由于碳钢中含有少量的碳、锰、硅、硫、磷等元素，因此，在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。低碳钢热轧钢带氧化铁皮的厚度，一般在615m范围内，个别达到20m。如果热连轧后采用层流冷却方式，氧化铁皮厚度小于10m。当在570低温卷取时，氧化铁皮厚度大约为6m；如果在750C高温卷取，则铁皮厚度达到12m。钢带表面氧化铁皮的最内层FeO和Fe304的固溶物是氧化铁皮中最厚的一层，大约占整个氧化铁皮厚度的80；中间的磁性氧化铁Fe304，占整个氧化铁皮厚度的约18；最外层的氧化铁Fe2O3，仅占整个氧化铁皮厚度的约2。氧化铁皮的单重波动在3555gm2范围内。2322 酸洗方式碳素钢热轧钢带的酸洗采用硫酸作酸洗介质和采用盐酸作酸洗介质都是可行的。新建钢带酸洗机组具体采用何种酸洗方式，还得根据机组的生产能力、酸液供给、成本等因素综合考虑。20世纪60年代以前，除了镀层钢带采用盐酸酸洗外，其他钢带酸洗基本上都是采用硫酸酸洗方式。从60年代起，由于对酸洗工艺及设备的研究，成功地设计和建立了盐酸酸洗废液的再生装置，解决了废盐酸的再生回收问题；钢带盐酸塔式酸洗机组的发明，为钢带采用盐酸酸洗开辟了一条新路；随着现代工业的发展，新的耐酸材料的出现；以及盐酸与硫酸价格比发生了变化，这就使得盐酸酸洗方式逐渐得到推广，盐酸酸洗的经济效益和酸洗工艺上的优点就被充分显示出来。以后，除新建了许多大型的连续盐酸酸洗机组外，还将许多原有的硫酸酸洗机组逐步改造成了盐酸酸洗机组。盐酸酸洗机组之所以得到如此大的发展，是因为盐酸酸洗比硫酸酸洗具有更多的优点：首先，盐酸可以完全溶解钢带表面氧化铁皮中的3种氧化铁(FeO、Fe3O4、Fe2O3)。这样，酸洗后钢带表面没有残留的氧化铁存在，因此酸洗钢带表面质量好；同时在钢带表面上的酸洗反应物一般为亚铁盐，它极易溶于水，因之酸洗后容易用水将其从钢带表面上冲洗干净，所以一般盐酸酸洗钢带具有清洁、光亮、没有斑痕，呈银白色的平滑表面，对于下一步冷轧工序极为有利；酸洗速度快，它几乎是硫酸酸洗速度的两倍；不需要破鳞，这不仅省掉了破鳞机，而且避免了机械损伤钢带表面，因而也改善了钢带表面质量；在酸洗槽内和中间储酸罐内，没有氧化铁皮(铁鳞片)积存。其次，盐酸酸洗几乎不浸蚀钢带机体。这样，钢带不容易发生过酸洗和氢脆现象，酸洗缺陷少；酸洗铁损少，盐酸酸洗比硫酸酸洗金属损失少2025。 第三，用于酸洗的盐酸可以完全再生成为新酸(再生酸)，酸气和废酸都可以完全回收，整个系统是一个封闭的循环系统，系统中没有被遗弃的酸液和酸气，排出的是Fe2O3粉。高质量的Fe2O3粉可作软磁合金的高档原料使用；大颗粒的Fe2O3粉也可作为矿石使用。 盐酸用于酸洗，除了它的许多优点外，也有它的一些问题。60年代以前，正是由于这些问题没有得到解决，限制了盐酸酸洗的发展： 第一，盐酸极易挥发，生产设备不易密封，造成车间内酸气弥漫，不仅严重腐蚀厂房、设备，而且酸气刺鼻呛人，腐蚀皮肤，使得劳动条件恶劣； 第二，盐酸的腐蚀性强，它的储存和运输不如硫酸方便； 第三，废盐酸液的处理问题没有解决，在当时的情况下，废盐酸中的FeCl2很难用普通的方法分离出来，而采用中和处理的费用又很高； 第四，质量分数为98的硫酸比质量分数为32的工业盐酸价钱便宜。 A 硫酸酸洗 纯净的硫酸是无色、黏稠、透明的油状液体，不易挥发。常用浓硫酸的质量分数为98，密度约为184kgL。 硫酸具有极为活泼的化学性质，它可以与金属及金属的氧化物发生化学反应，生成盐、氢气或水。酸洗正是利用硫酸的这种化学性质来清除碳钢表面的氧化铁皮。在硫酸溶液中酸洗时的化学反应式是： Fe2O3、Fe3O4很不易溶解于硫酸，反应式1-6、式1-7进行得很缓慢。反应式1-8进行得特别快，因为FeO在硫酸中溶解最快。在这种情况下，反应式1-9的纯铁与硫酸反应而析出氢气，氢气的析出对酸洗有很大的帮助，它机械地使未溶解的氧化铁皮自基铁表面剥落下来。 在连续酸洗中，硫酸的质量分数一般为15一25，酸洗速度与酸液的质量分数和温度有很大的关系。对硫酸而言，温度升高的影响大于质量分数增加的影响。质量分数为25-30的H2SO4在95时酸洗时间最短，而且铁损也最少。图114示出了酸洗时间与酸洗温度的关系，图中也清楚地示出，当温度从9095继续提高到100时，酸洗时间不会再缩短很多。图1-15示出了酸洗时间与硫酸的质量分数的关系。B 盐酸酸洗 纯净的盐酸是五色、透明的液体，有刺激性气味，浓盐酸中约含37(质量分数)的氯化氢，密度约为1.19kgL。一般工业用盐酸的质量分数为3035，由于含有杂质而带黄色。常见的含31(质量分数)HCI的工业盐酸密度为1154 kgL，每升含HCl 357.9g，1t质量分数为31的工业盐酸含HCl 310kg。 盐酸具有酸的一切化学性质，它可与金属及金属的氧化物发生化学反应，生成盐、氢气或水。碳钢在盐酸溶液中酸洗时的化学反应式是： 在盐酸溶液中反应式1-12的反应速度最快，反应式110、式111次之，反应式113最慢。盐酸酸洗主要是通过化学作用溶解钢带表面的氧化铁皮，其酸洗侵蚀能力随着温度和盐酸质量分数的提高而剧烈增大。盐酸具有很大的溶解能力，酸洗速度相当高。图116为盐酸质量分数、温度与酸洗时间的关系。 在现代新的密闭式盐酸酸洗机组中酸洗温度为7090，盐酸酸洗液的HCl含量(质量分数)为520。 盐酸酸洗时，金属铁与盐酸作用首先产生氢原子(反应式113)。一部分氢原子相互结合为氢分子，促使氧化铁皮的剥离。另一部分氢原子靠其化学活泼性及很强的还原能力，将高价铁的氧化物和高价铁盐还原成易溶于盐酸溶液的低价铁及低价铁盐。其反应式为：分析使用过的盐酸酸洗溶液会发现，酸液中只含有极少量的三价铁离子，这是因为酸洗时生成的初生氢使三价的化合物还原成了二价的亚铁化合物。二价的氯化亚铁对盐酸酸洗速度有很大影响。图1.17示出了酸洗时间与盐酸的质量分数、氯化亚铁的质量分数及温度的关系。从图1.17可看出，当酸含量增加和酸液温度升高时，酸洗时间缩短并且只要溶液中FeCL2的质量分数不是接近饱和状态(比饱和的质量分数低4一8)，随着FeCL2的质量分数的增加酸洗时间缓慢减少到最小。在酸洗时间最小值后，FeCL2的质量分数增加酸洗时间陡增，一直到FeCl2的质量分数达到饱和，酸洗时间很长。在整个酸洗期间，虽然,HCI的质量分数降低以及FeCl2的质量分数相应地增加着，但是这两个影响酸洗时间的相反的因素在较长的酸洗时间内相互抵消，以至于在这个时间内的酸洗速度仅有微小的变化。盐酸酸洗过程中，对反应起决定性作用的主要是酸洗液中氯化物离子的总含量，由此可以推断，在实际操作中，酸洗的初始盐酸的质量分数为20左右是合适的，因为在酸洗过程中的较长时间内，酸洗速度接近于保持不变。当溶液的含酸量低或者溶液FeCl2接近饱和时，酸洗时间就太长而不经济。一般希望将FeCl2的质量分数控制在比较低的范围内。酸洗液流动对除鳞和酸洗过程的均匀性也起 酸洗液流动对除鳞和酸洗过程的均匀性也起着有利的影响。酸洗液流动时，所需的酸洗时间一般要比静态酸洗处理缩短大约3050。C硫酸酸洗与盐酸酸洗的比较 硫酸酸洗与盐酸酸洗比较如下：(1) 盐酸酸洗往往优先用于要求得到光亮表面的场合，主要用于酸洗后要进行表面处理的钢带。其部分原因在于，氧化铁皮和钢的伴生元素在盐酸中比较容易溶解。在硫酸中酸洗，由于有难于溶解的“酸洗渣”，如铁、硅酸、铜和钢的其他伴生元素，常常具有灰暗的表面。(2) 盐酸酸洗速度快于硫酸酸洗速度。盐酸酸洗液温度在5060时，就能达到100左右热硫酸酸洗所能达到的酸洗速度。在相同的温度下，在盐酸中的酸洗时间显著地短于在硫酸中的酸洗时间。图1.18示出了在没有铁的情况下，硫酸和盐酸的酸洗时间与酸的质量分数及温度的关系。（3）在盐酸酸洗时增加酸液的质量分数和温度，很容易提高酸洗速度。而硫酸酸洗则主要是通过增加温度来提高酸洗速度，但是当温度从9095提高到100时，酸洗时间的减少就微小了。(4) 当硫酸溶液的质量分数较低(如10)：硫酸亚铁含量在80gL以下时，提高硫酸亚铁含量，会使酸洗速度急剧降低，而且大致成线性关系；当硫酸亚铁含量超过80gL时铁盐含量再增大，对酸洗速度投有明显影响(见图1.19)。FeS04在水中的溶解度比FeCl2的小，并较牢固地粘附在钢带表面，给钢带再加工造成困难。在盐酸中，随FeCl2增加到接近饱和，酸洗时间一直在减少(见图1-17)。(5) 硫酸对铁的腐蚀比盐酸要强烈一些；因此硫酸酸洗的铁损失大，容易产生过酸洗并且酸洗时产生过多的氢气将引起氢脆危险。盐酸酸洗不容易引起过酸洗。 (6) 硫酸酸洗前一定要设置破鳞机。盐酸酸洗前就不一定设破鳞机。当然，在盐酸酸 洗前设置破鳞机，能在酸洗前去除一部分钢带上的氧化铁皮，从而可以减轻酸洗槽的负荷， 缩短酸洗槽长度，减少酸耗量，减少废酸处理量。 (7) 长期以来硫酸酸洗的一大优点是，在工艺上有可靠的废酸和废水处理方法，因此普遍使用硫酸酸洗。美国十大钢厂1963年以前硫酸酸洗占酸洗量的90以上。20世纪60年代以后，由于处理盐酸废液和废水在技术上已经解决，加之盐酸酸洗的诸多优点，盐酸酸洗得到了广泛的应用而迅速发展，现在已成为碳钢酸洗最主要的方法。 2333 酸洗机组 A酸洗机组的发展 钢带酸洗机组，目前主要有连续卧式酸洗机组、连续立式酸诜机组和半连续酸洗机组3种形式。 在20世纪60年代以前，主要是采用硫酸作为酸洗介质，建造了一些生产能力很高的连续卧式硫酸酸洗机组。 1959年奥地利的鲁兹纳公司发明了钢带塔式盐酸酸洗机组，并且解决了盐酸废液的再生回收问题，盐酸酸洗的经济效益和酸洗工艺上的优点被充分展现出来，塔式盐酸酸洗机组一时风靡欧洲。到1965年欧洲共建了11套塔式盐酸酸洗机组。一向习惯于采用硫酸酸洗的美国，从1962年也开始研究使用塔式盐酸酸洗机组，1964年建成两套通过速度为200mmin的宽钢带塔式盐酸酸洗机组。但是，塔式酸洗也有许多缺点，如： (1) 在机组中部有一个高高的酸洗塔，车间的桥式吊车无法通过，使机组中部的一些设备和酸洗塔本身维修不太方便，增加了停车维修时间； (2) 塔内钢带的对中比较复杂，尤其是有镰刀弯的钢带+而且酸洗塔越高对镰刀弯的要求也越高； (3) 钢带在塔内断带时，重新穿带比较困难 (4) 钢带在较高的塔内运行时，往往会产生较大的摆动，有时还会打坏酸液喷嘴。 到20世纪70年代以后，由于高效率卧式盐酸酸洗机组的建设已不成问题，因此，塔式酸洗机组就很少新建了。 在塔式盐酸酸洗机组风行的同时，日本、前西德、前苏联相继建了不少卧式盐酸酸洗机组，并且有不少国家将原来的硫酸酸洗机组改造成为盐酸酸洗机组，或考虑机组既可采用盐酸也可采用硫酸。到1972年，美国用于冷轧钢带生产的酸洗机组几乎都采用了卧式盐酸酸洗机组。 卧式连续酸洗机组，根据酸洗槽结构形式的不同，又有普通(深槽)卧式连续酸洗机组、浅槽卧式连续酸 浅槽卧式连续酸洗机组、湍流卧式连续酸洗机组及喷流卧式连续酸洗 连续卧式机组 相对于连续卧式酸洗机组，还有一种半连续卧式酸洗机组，亦称推拉式酸洗机组。 目前钢带酸洗机组的主要形式如图1-20所示。 B卧式连续酸洗机组 普通卧式酸洗机组亦叫深槽酸洗，以区别于浅槽酸洗。深槽酸洗可以使用硫酸，也可以使用盐酸，或者既可以使用盐酸也可以使用硫酸。不同酸洗介质的深槽酸洗机组的生产工艺和设备没有多大的区别。典型的卧式连续盐酸酸洗机组武汉钢铁(集团)公司冷轧厂的1700m卧式盐酸酸洗机组如图1.21所示。机组的主要技术参数如下： 机组生产能力： 70万ta； 原料： 热轧钢带； 原料钢带厚度： 1.56.0mm； 原料钢带宽度： 550-1530mm； 原料钢卷内径： 610-760mm； 原料钢卷外径： 1100-1930mm； 原料钢卷卷重： 28500kg，18.5kgmm； 机组出口钢卷厚度： 1.5-6.0mm； 机组出口钢带宽度： 550-1500mm； 机组出口钢卷内径： 610mm； 机组出口钢卷外径： 最大2250mm； 机组出口钢卷卷重： 45000kg，36kgmm； 机组穿带速度： 3060mmin；机组进口段速度： 最大600mmin； 机组工艺段速度： 最大240mmin； 机组出口段速度： 最大330mmin； 进口段活套储量： 约600m； 进口段活套层数： 4层； 进口段活套车速度： 最大150mmin； 出口段活套储量： 300m； 出口段活套层数： 2层； 出口段活套车速度： 最大165mmin； 酸洗槽长度及个数： 25m5； 酸洗介质： HCl； 酸洗槽加热方式： 石墨热交换器。 新的卧式盐酸酸洗机组，工艺段最高速度达360mmin，酸洗槽总长度为100120m，酸洗钢带厚度125-635mm，宽度560 1900mm，机组生产能力达200万ta。 连续酸洗机组一般划分为3部分，即进口段、工艺段和出口段。 酸洗机组进口段的组成基本上是一样的，大同小异。先将钢卷送到酸洗机组前面，拆捆带后送至开卷机上；然后将钢带头部拉出进行矫直、切头后再在焊接机上与前一条钢带尾部焊接成无头钢带；焊接后的钢带进入进口水平活套装置进行储备，保证机组在换卷过程中钢带在工艺段的运行速度不变化；然后，钢带通过带有两组张紧辊的拉伸破鳞机进行除鳞后即可进入工艺段进行酸洗。采用硫酸做酸洗介质的机组，酸洗前必须要破鳞，以便硫酸沿着铁与氧化铁皮之间的相界面溶解氧化铁皮。 工艺段一般由3至5个串联的盛酸长槽、冷水冲洗槽、热水清洗槽和烘干机组组成。钢带从酸洗介质中通过，酸洗介质反向于钢带运动方向流过各个酸洗槽；经挤干辊挤干酸洗介质的钢带进入冷水冲洗槽进行预冲洗和二次冲洗；冷水冲洗后，挤干钢带，再在热水冲洗槽中冲洗，采用脱盐水进行清洗，可以溶解钢带表面的沉淀物，在钢带被干燥时不会留下或只会留下少量的盐；最后经过清洗的钢带进行烘干。 酸洗机组出口段差不多都一样，在机组出口段进行切边、涂油、切头及卷取。机组设出口段水平活套，当分卷切头及卸卷时将由工艺段送出的钢带储存在活套内；圆盘剪切除钢带的两个纵边，切下的纵边根据其厚薄可以采用卷取或碎断；涂油机把油或浓缩乳化液喷到钢带上，起防锈和冷轧润滑作用；卷取机前横切剪用来分卷和切除焊缝；卷取机以一定的张力卷取钢带，以便钢带在张力作用下进入轧机轧制。 深槽酸洗钢带在酸洗槽内形成一定的垂度，酸洗介质的流动方向与带钢的前进方向相反。每个酸洗槽内的酸洗介质是不相同的，钢带进入酸洗段的第一个酸洗槽内的酸洗介质的含铁量最高，酸液的质量分数最低，新酸液(或再生酸液)放人最后三个酸洗槽内，从第一个酸洗槽到最后一个酸洗槽，酸液的质量分数逐渐升高，铁含量逐渐减少。酸洗介质的温度逐槽降低，一般在60-90C范围内，随着酸洗介质温度的升高，酸洗反应过程加快，酸洗时间减少。酸洗槽的酸洗介质加热一般采用石墨热交换器进行间接加热。 钢带的酸洗时间，一般是根据酸洗机组的生产能力选取的，厚度为22-25mm的钢带平均酸洗时间取2730s。钢带厚度增加，酸洗时间可以适当增加，即钢带运行速度可适当降低。 C 浅槽酸洗 浅槽酸洗是相对深槽酸洗而言的。普通深槽酸洗机组酸洗槽的深度为15002000mm，深的可达3000mm，钢带在酸洗槽中呈自由悬垂状态，钢带通过酸洗槽需要的牵引力大；槽内酸洗液量很大，每次加热酸液的时间长；断带及临时故障的处理时间长。 针对深槽酸洗的缺点，奥地利鲁兹纳工业设备股份公司提出了浅槽酸洗的概念。槽深约1000mm，液面高300500mm，钢带通过酸槽酸洗时，没有自由垂度，而是靠酸液形成的液垫托住钢带，使钢带不与槽底接触。 机组一般设24个酸洗槽，每个槽内酸液的质量分数不同，每个槽有独自的酸液循环系统，酸液从地下的收集罐经过泵和热交换器，用管道从酸洗槽底进入酸洗槽，槽底每隔5l0m布置一个进酸口，按照两个进酸口之间钢带的质量来考虑进口酸液的流量和压力，以形成液垫托住钢带。酸液压力应选得适当，一般采用03MPa的酸泵供酸，在槽底酸液出口处造成001MPa压力即可，若压力过大可能造成钢带拱起，这时需要将供酸压力调小。槽内设有溢流口，与酸液出口一起接到地下收集罐，这样形成酸液循环。普通酸洗槽断面如图1-22所示。浅槽酸洗槽断面如图1-23所示。浅槽酸洗的特点是：(1) 由于浅槽酸洗的酸洗液是用酸液泵进行强制循环的，酸液与钢带间产生相对运动，使与钢带接触的酸液的质量分数始终处在较高的状态，因此，酸洗效率较高，能比深槽酸洗提高大约20。(2) 由于酸洗槽浅，槽内的酸洗液量较少，为酸液升温所用的加热时间短，热耗量相对减少。因此，当机组新开车和停产后恢复生产时，等待酸液加热时间少，可使机组停车时间较短，作业率提高；酸液的质量分数、温度的控制灵活，改变酸洗制度容易；机组一旦发生断带或其他故障时，酸槽放空及重新充酸所需时间短。(3) 浅槽酸洗，钢带在酸槽内是用张紧装置使其保持明显的张力状态，无自由悬垂活套。因此，槽内钢带张力大小控制容易，控制设备简单、轻便，消耗的电能也少。(4) 浅槽酸洗的设备投资比深槽酸洗的设备要便宜些。 上海宝钢集团总公司2030mm冷轧车间的酸洗机组即是浅槽酸洗机组。其主要技术参数如下： 机组生产能力： 2378104ta； 原料钢带厚度： 186Omm； 原料钢带宽度： 9001900mm 原料钢卷内径： 5e760mm； 原料钢卷外径： 2002150mra； 机组出口钢带厚度： 186mm； 机组出口钢带宽度： 9001850mm； 机组出口钢卷内径： 760mm； 机组出口钢卷外径： 200-2150mm； 机组出口钢卷质量： 最大45t； 机组穿带速度： 3060mmin； 机组进口段速度： 最大780mmin； 机组工艺段速度： 最大360mmin； 机组出口段速度： 最大500mmin； 进口段活套储量： 750m，共6层； 出口段活套储量： 450m，共4层； 工艺段总长度： 1673m； 酸洗槽长度及个数： 35m4； 酸洗介质： HCl； 酸洗槽加热方式： 石墨热交换器； 机组全长： 4605mo D湍流酸洗 湍流酸洗是将酸洗液送人很窄的酸洗室槽缝中，使酸洗液在钢带表面上形成湍流状态。湍流酸洗技术是由德国NDS公司在1983年开发的。 酸洗时钢带在酸洗室中在较高的张力状态下运行，酸洗液的流动方向与钢带的运行方向相反，呈湍流状态，因此，可以提高酸洗速度并改善酸洗质量，钢带表面酸洗残留物可以达到不大于50mgm2(浅槽酸洗能达到100200mgm2，深槽酸洗能达到200mgm2)。由于酸洗段张力状态是优化的，因此可以减少张力辊及导向辊的设置；没有深槽酸洗所用的垂度控制或浅槽酸洗所用的跳动辊等装置；设置拉伸矫直机也不需要另加张力装置。当机组断带或发生故障时，可以很快地(3min左右)将酸槽中的酸液放人储酸槽中酸槽盖可以打开，能很快找到断带处，能比较方便地焊接好钢带断头恢复生产 湍流酸洗其机组的出口段和人口段的工艺设备配置，与深槽酸洗、浅槽酸洗的基本一致，仅酸洗段的酸洗方式有所不同。按同样的酸液、质量分数、温度及钢带条件，湍流酸洗机组与深槽式、浅槽式酸洗机组功能的比较见表1-8及图1-24。 E 喷流酸洗 喷流酸洗技术是由日本三菱重工开发成功的。喷流酸洗的酸洗液是用喷嘴向钢带喷射，喷射方向与钢带的运行方向相反。钢带在酸洗槽中呈张紧状态，而且酸液循环系统与湍流酸洗相同。由于酸槽内钢带的运动，及酸液的逆向喷射流动，因此酸洗时间可以缩短，酸洗后钢带的表面质量得到改善，HCl及蒸汽消耗下降，钢带在酸槽内运行很稳定。 湍流酸洗、喷流酸洗与浅槽酸洗比较：从酸洗质量来看，湍流酸洗和喷流酸洗优于浅槽酸洗；从基建投资来看，由于湍流酸洗和喷流酸洗机组长度缩短，因此酸槽及厂房的建设费用下降，但是酸液循环系统较复杂，这部分设备费用较高；从生产运行成本看，浅槽酸洗运行费用最低，生产维修也较简单，湍流酸洗及喷流酸洗的蒸汽及电力消耗较高。 目前我国尚无湍流酸洗及喷流酸洗方面的实践。 F塔式盐酸酸洗机组 塔式盐酸酸洗，就是钢带连续地在立式的酸洗塔中运行，自下而上，然后由上而下，形成一个或几个钢带套，在钢带的运行过程中，将盐酸液连续不断地喷淋到钢带表面上，以达到去除钢带表面上氧化铁皮的目的。 连续塔式酸洗机组一般均带有盐酸再生装置。塔式酸洗与连续卧式盐酸酸洗机组相比较，有以下优点： (1) 占地面积小，机组长度比普通卧式盐酸机组减少30,650。 (2) 它采用喷射酸洗，酸洗液以一定的压力连续不断地喷射到钢带表面上，这样对于钢带而言，酸液是不断更新的，与钢带表面接触的酸液的质量分数稳定，使氧化铁皮溶解更快，因此，酸洗效率较高，酸洗时间比普通卧式盐酸酸洗机组大约缩短20，机组速度可以比卧式机组快。 (3) 酸洗塔封闭比卧式酸洗槽容易，同时，由于塔体是完全密封的，特别适用于热盐酸酸洗，酸洗液的温度可达100，亦没有酸气进入车间，因此，车间内劳动卫生条件好。 (4) 由于酸气较为集中，因此，抽风和酸气处理系统的能力比相同生产能力的卧式机组要小一些。（5） 塔内断带及故障处理的劳动卫生条件好。当机组停产或突发事故时可以立即停止喷酸，然后向塔内喷水冲洗，使塔内无酸，再打开塔顶风机抽风，这样就大大改善了断带及故障处理时的劳动条件。 (6) 酸洗成本低，各项技术经济指标较高。成本比一般卧式机组低20一30。塔式盐酸酸洗机组一般也是由进口段、工艺段和出口段3部分组成。进口段和出口段的作用和设备组成与卧式连续机组没有什么不同，只是工艺段的酸洗部分为立式布置。典型的塔式盐酸酸洗机组如图1.25所示。酸洗塔是塔式酸洗机组的核心。酸洗塔的高度取决于机组的生产能力和塔的结构。酸洗塔的结构有单套、双套和多套等形式，一般采用单套(即钢带一上一下为一个套)和双套机组。单套酸洗塔的优点是：结构简单，引带设备简单，引带容易，跑偏纠正容易，断带处理容易，机组长度较短。其缺点是：塔体太高，钢带在塔内运行时摆动较大。酸洗塔高度指塔内上、下导向辊之间的中心距。国外单套酸洗塔高度一般为2045m，最高60m；双套酸洗塔高度一般在30m左右；而多套结构的酸洗塔高度不超过1516m。酸洗塔塔体由数个塔节组成。塔节有耐酸材料整体式和骨架衬里式，衬里一般多采用工程塑料或者玻璃钢制成。其安装形式有自重式和悬挂式两种，塔节密封有插入水封式和密封垫对接螺栓联结两种形式。但是，奥地利鲁兹纳公司设计的酸洗塔，多采用钢板外壳内衬橡胶，一般里面不再砌耐酸砖。若衬耐酸砖，也只是部分砌筑，其目的是保护塔内的橡胶内衬。2.4轧制工艺 2.4.1 机组组成 单机架可逆式二十辊冷轧机机组主要由工作机座、卷取机厘卷机、开卷机及上料装置、工艺润滑、液压系统、控制系统等主要部分组成。 2.4.2 轧制过程 一般单机架二十辊冷轧机的轧制过程可分为上料及穿带、可逆轧制；卸料及重卷3个阶段。二十辊轧机，特别是森吉米尔二十辊轧机，是采用大张力进行轧制的；轧制过程是从钢带在轧机前后的卷取机/开卷机施加张力之后才开始的，这之前即是上料及穿带阶段。 上料及穿带阶段：一般用