酸洗原理及控制

酸洗原理及控制吴则豹 1 一 概述 冶金 机械工业生产过程中 由于钢铁材料本身的性质如强度 硬度 塑性和韧性的限制 生产加工往往是冷 热加工过程穿梭进行 进而完成对产品的制造过程 然而又由于材料的化学特性和生产成本的限制 使得经过高温加工过程的材料表面常出现氧化和脱碳现象 也就是常说的形成氧化皮 硬而脆的氧化皮妨碍了材料的进一步加工 酸洗去除氧化皮 保证下一工序能正常进行作业成为必然 2 二 氧化皮的构成 氧化皮泛指在金属机体表面由里及表氧化生成的灰色的FeO 黑色的Fe3O4和红色的Fe2O3组合 碳素钢和低合金钢表面上的氧化皮具有多孔 疏松和微裂纹的性质 3 4 三 氧化皮的生成条件 1 钢中合金元素的种类 Cr Mo等合金钢氧化皮虽薄但致密 耐腐蚀 2 热轧材料的热轧温度 加热温度 终轧温度 轧后冷却速度和周围环境介质含氧量的变化 四 氧化皮的耐蚀性能 1 氧化皮中各种氧化物的耐酸蚀的能力是大不相同的 耐酸蚀能力由强到弱的顺序依次是 Fe2O3 Fe3O4 4倍 FeO 约10倍 2 由于氧化皮的结构是由外层到内层依次是Fe2O3层 Fe3O4层和FeO层 因此酸洗的快慢主要取决于最外层的Fe2O3 3 Fe2O3虽难以酸洗 但往往其结构疏松时酸液易透过该层进入Fe3O4层 而Fe3O4层致密而脆 因而在Fe2O3层不是很厚很致密的情况下致密的Fe3O4层的状况决定着酸洗的快慢 4 FeO层不耐酸蚀 腐蚀快 对氧化皮起到脱壳的作用 5 6 五 酸洗过程的原理 1 酸液在与外层的Fe2O3层 中层的Fe3O4层反应的同时 也通过裂纹和孔隙与内层的FeO层和钢的机体Fe起化学反应 归纳起来 酸洗过程产生以下作用 1 溶解作用Fe2O3 6HCl 2FeCl3 3H2OFe3O4 8HCl 2FeCl3 2FeCl2 4H2OFeO 2HCl FeCl2 H2O以上三个反应式中 而最后一个反应最快 这样内层溶解加速了整个酸洗过程 2 机械剥离作用Fe 2HCl FeCL2 H2 五 酸洗过程的原理 2 这些透过孔隙和裂纹的酸液与机体反应产生大量的H2气体加速了整个酸洗过程 盐酸主要靠对氧化皮的溶解作用去除氧化皮 然而这个反应式也告诉我们材料与酸接触产生氢脆的原因就是氢原子H进入材料晶格所致 7 8 3 还原作用Fe2O3 2 H 2FeO H2OFe3O4 2 H 3FeO H2OFeCl3 2 H FeCl2 HCl一部分氢原子靠其化学活性及很强的还原能力 将高价铁氧化物和高价铁盐还远成易与盐酸起作用的低价铁氧化物及易溶解于盐酸的低价铁盐 五 酸洗过程的原理 3 9 1 氧化皮的厚度和结构Fe2O3层越厚 越难清洗 Fe3O4层裂纹和孔隙越多 越易清洗 氧化皮层越不均匀 越难清洗干净 或越易出现局部过腐蚀 六 影响酸洗速度的因素 1 10 六 影响酸洗速度的因素 2 2 酸洗液的浓度当酸液的浓度由2 增加到25 时 酸洗速度 盐酸增加10陪 硫酸增加1倍 因而盐酸酸洗适当提高浓度是可行的 硫酸则意义不大 3 温度酸洗温度由18 增加到60 时 盐酸酸洗速度增加9 10倍 硫酸酸洗速度增加9 5 14倍 当温度的增加酸液损耗急剧上升 同时劳动环境恶化 11 六 影响酸洗速度的因素 3 4 酸液中的铁盐含量随着酸洗过程进行 盐酸不断消耗 酸液中的铁盐FeCl3和FeCl2含量不断增加 铁盐的含量增加虽然会促使酸洗速度提高 但也会造成盐酸的加速挥发和损耗 盐酸的浓度越高 对铁盐的饱和度越低 也就说高浓度的盐酸酸洗过程酸液的消耗远大于低浓度 一般盐酸浓度达到20 22 时铁盐很容易达到饱和状态 12 六 影响酸洗速度的因素 4 5 酸洗的方式喷淋式酸洗腐蚀产物不断流走 使得材料的表面总是接触到酸液 酸洗效果好 速度快 但工作环境恶劣 酸液挥发快 浸泡式酸洗腐蚀产物易覆盖在材料表面 造成腐蚀不均和酸洗速度下降 因而在浸泡式酸洗过程中时常上下移动一下工件有利于去掉腐蚀产物加快酸洗进度和做到酸洗效果均匀 13 六 影响酸洗速度的因素 5 6 钢的化学成分钢种的某些化学元素如Mg Ca能使氧化皮变得疏松而易于清洗 然而多数合金元素 特别是Si Cr Ni等使氧化皮细密 导致酸洗过程困难 甚至不能进行 钢材中碳含量的增加会加速酸洗过程 因为随着碳含量增加氧化皮有减薄的趋势 14 七 酸洗缺陷 1 1 酸洗气泡现象 酸洗后金属表面出现无规律分布的小 鼓包 产生原因 氢原子H渗入金属晶格在晶界缺陷 夹杂物 孔隙等处 聚集并合成为氢分子H2 分子化 产生几十兆帕的内应力 使金属表面屈服 变形起泡 防止措施 调整酸液的浓度和温度 减缓反应速度 15 七 酸洗缺陷 2 2 过酸洗现象 表面无规则分布的细针孔状麻点 产生原因 酸洗时间过长 酸液在表面晶界 缺陷组织中优先反应 形成针状孔隙结构 防止措施 根据酸液的浓度 温度以及工件的表面状况制定合理的酸洗时间 同时在酸洗进程80 时 工件出槽观察酸洗效果 确定合理的酸洗时间 16 七 酸洗缺陷 3 3 欠酸洗现象 氧化皮局部残留 轧制或拉拔后形成花脸 产生原因 酸液老化脏化 酸洗方法不合理 清洗面被覆盖 热轧时氧化皮嵌入材料表面难以清洗掉 材料表面有大块红色的Fe2O3 防止措施 及时更换老化的酸液 工件酸洗过程中适当上下移动 对表面有大面积红色的Fe2O3可用机械除锈法先行处理后再进行酸洗 17 七 酸洗缺陷 4 4 锈蚀现象 工件表面有红锈斑 产生原因 酸洗完的材料需要经过至少两次水洗 如果酸液和腐蚀残留物未洗净而残存在材料表面继续腐蚀材料形成锈蚀斑 防止措施 两次水洗中最好有一次浸泡清洗 一次喷淋清洗 清洗水槽保持溢流状态 水槽中酸的浓度不得高于0 1g L 喷淋水压应不低于0 5MPa 并且流量足够大 18 七 酸洗缺陷 5 5 夹杂现象 酸洗后材料表面星罗棋布的黑点 产生原因 热轧时氧化皮被压入材料表面 酸洗不能完全去除 19 七 酸洗缺陷 6 6 氢脆现象 经酸洗后的材料脆性极大 易断 产生原因 材料在有氢原子H的环境下 H原子进入材料晶格达到饱和并分子化是晶体内部和晶界出现微裂纹 材料的性能出现脆化的现象 防止措施 避免材料长时间处于有H原子的环境中 20 八 盐酸的特点 1 1 盐酸能完全溶解全部 即3层 氧化铁皮 而产生较少酸洗残渣 2 盐酸酸洗的铁损比硫酸酸洗低 20 盐酸酸洗铁损量为酸洗带钢量的0 4 0 5 硫酸为0 6 0 7 这样 年产量100万吨带钢的酸洗车间 用盐酸酸洗 每年就可以少损失2000吨钢板 3 盐酸溶解能力比硫酸大 氧化铁皮很易溶解 易于去除 故不易引起表面酸斑 这也是盐酸酸洗板面特别光洁的原因之一 21 八 酸的特点 2 4 盐酸酸洗速率较高 为硫酸酸洗速率的2倍 但盐酸贵 5 盐酸的反应能力随温度和浓度的提高会激剧提高FeCl2 其中温度的提高对反应更为明显 6 当酸的浓度增加和温度升高时 酸洗时间减少 且随着FeCl2含量的增加 酸洗时间急剧减小到最小 此时FeCl2的浓度比饱和浓度低4 8 22 八 酸的特点 3 7 盐酸与氧化铁的反应能力和