浅槽紊流酸洗技术在硅钢生产中的应用

1、浅槽紊流酸洗技术在硅钢生产中的应用摘要： 酸洗是冷轧硅钢片生产的第一道工序，其产量的高低，质量的好坏，将直接影响硅钢的产量与质量。酸洗的主要目的是去除热轧来料外表面的氧化铁皮（俗称除鳞），使钢带具有一定的表面光洁度，为轧机提供优质原料。本文从氧化铁皮形成机理、氧化铁皮的结构、酸洗原理入手，结合现场生产实际，对硅钢浅槽紊流酸洗的工艺进行探索和研究，摸索关键工艺段铁盐含量与酸洗表面质量的关系。并希望以此为基础，提高硅钢各钢种酸洗表面质量，挖掘机组生产能力，以达到提高生产效率，降低生产损耗，提高产品性能的目的。关键词：浅槽紊流式酸洗 氧化铁皮 酸洗原理 盐酸 1、前言硅钢片是一种软磁材料，主要用来制

2、造发电机、电动机和变压器的铁芯，在电力和电子工业中应用十分广泛。热轧后的硅钢片在进行冷轧之前必须经过酸洗来去除其表面的氧化铁皮。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。氧化铁皮的存在对于硅钢生产主要有以下危害：若钢带表面带有氧化铁皮，轧制过程中会使轧辊产生表面缺陷，缩短轧辊寿命，增加辊耗。若钢带表面带有氧化铁皮，经冷轧后会在钢带表面形成坑坑洼洼凹凸不平的缺陷，这不仅影响硅钢产品的表面质量，而且还会影响到硅钢的内在质量，严重的甚至会造成废品。氧化铁皮会污染轧制油，降低轧制油的使用寿命增大消耗，造成经济损失。若钢带表面带有氧化铁皮，涂层与钢带之间的附

3、着力降低，使涂层质量变坏，影响到硅钢的绝缘性。武钢自主开发生产的低温取向硅钢（含QRD、HRD钢），自2006年大规模生产以来，在酸洗工序存在难酸洗的现象，钢带表面存在严重的发红、发黑的情况，该钢种的酸洗工艺一直处于摸索当中，未能形成稳定、成熟的酸洗工艺，酸洗表面质量不能得到绝对的保证。2007年以来武钢生产的W取向高牌号硅钢（特别是W10以上牌号）在酸洗工序酸洗后表面呈白色并伴有白色粉末附着，在轧钢工序轧制后表面呈现严重的条状黑色，严重影响了该钢种的产品表面质量，对轧钢工序的轧制油也造成极大的污染。因此，摸索这几个硅钢钢种的酸洗工艺并结合有效的操作控制方法，成为了硅钢酸洗工序半成品质量攻关的

4、重中之重。2、氧化铁皮的形成机理 硅钢同其他钢铁产品一样，钢中的各种元素不可避免的要和空气中的氧气以及其他的氧化性介质水和水蒸汽等接触，发生氧化反应生成各种氧化物，尤其是钢中的铁原子和空气中的氧原子都是化学性质非常活泼的元素，更容易发生氧化反应，这种氧化反应的结果所生成的氧化物就是氧化铁皮，俗称铁鳞或铁锈。热轧硅钢带在加热、轧制及冷却过程中与空气接触的温度、时间等因素不同，钢带表面所生成的氧化铁皮的结构、厚度、性质也不一样。硅钢板坯在热轧厂步进式连续加热炉中，加热温度高，一般达到13001360，加热时间长，钢坯表面急剧氧化，出炉后在板坯表面可清楚地看到很厚的一层氧化铁皮，经大立辊的挤压以及高

5、压水的猛烈冲洗，表面氧化铁皮急剧冷却，由于氧化铁皮的塑性低，在强大机械外力作用下几乎全部破碎脱落，但每经过一台轧机后，又很快生成很薄的一层新的氧化铁皮，经轧制后立即又被除掉，直至钢带从最后一台终轧机出来，虽然此时钢带温度仍有900左右，但钢带表面的氧化铁皮是极薄的。钢带从终轧机出来到卷取机中间约102米的输送辊道上不仅要同空气接触，而且还要与氧化性介质冷却水接触，在表面生成一层氧化物，以及钢卷在550左右卷取之后，在运输和贮放的过程中还要继续发生氧化反应生成氧化铁皮，此阶段正是硅钢原料卷生成氧化铁皮的主要阶段。在从终轧机出来的钢带表面上，铁原子首先与空气中的氧原子结合形成第一层氧化物，这层氧化

6、物可能是致密的Fe3O4或者可能是比较疏松的FeO。在第一种情况下，氧化铁皮的进一步增长过程只靠氧和铁的离子扩散来进行的；在第二种情况下，空气中的氧可自由的通过多孔、疏松的氧化铁皮，而使氧化铁皮加厚和致密化。无论上哪种情况，最终结果就是形成了我们通常所见到的钢带表面的氧化铁皮。当然，钢带表面上生成了一层氧化铁皮以后，氧和铁的离子扩散也受到了一定的阻碍，而且，氧化铁皮越厚，离子扩散受到的阻碍就越大，生成氧化铁皮的速度也越慢，因此，氧化铁皮的长大速度是不均匀的，即开始时氧化铁皮的厚度增加得很快，之后氧化铁皮厚度的增加随着氧化铁皮的厚度增大而越来越慢。3、氧化铁皮的组成和结构钢带表面的氧化铁皮，由于

7、钢的化学成分、轧制时钢带表面温度、轧制时的加热及终轧温度、冷却速度、周围介质的含氧量的不同，因此氧化铁皮的组成和结构也因之而异。铁的氧化过程是FeFeO(含氧量23.26) Fe3O4 (含氧量27.64) Fe2O3（含氧量30.04），在氧化过程中可以产生许多独立的相。这些相分别为铁与氧化物固溶体、FeO、Fe3O4、Fe2O3及氧化物固溶体。在铁氧状态图中可以看出，各相在平衡状态下的稳定界限，还可以看出在温度大于575时，FeO是稳定的，在温度较低时分解为Fe3O4和Fe，其化学反应为：4FeO = Fe3O4 + Fe 如果氧化铁皮在570-300之间急速冷却，那么FeO相来不及分解，

8、在更低的温度时就被固定下来。在缓冷时氧化铁皮中FeO相只有少量存在或完全没有。当加热到大于1100，特别是氧含量有限、水蒸汽或碳的氧化物含量较高的情况下，Fe2O3将还原成Fe3O4，其化学反应为：6Fe2O3=4Fe3O4+O2铁-氧状态图钢带经高温处理后，在其表面产生的氧化铁皮是各种相的混合体。如果钢板表面氧化时温度大于570并有过量氧气，而随后又是相当快的冷却，则一般氧化铁皮将由3层组成，直接附着在钢铁表面的一层是FeO和Fe3O4固溶体，再上面一层是Fe3O4，最上面Fe2O3。由于热轧硅钢的终轧温度一般控制在900左右，周围介质含有大量的氧气，随后又是相当快的冷却速度，所以其氧化铁皮

9、一般都是上述3层结构。硅钢中含有相当高的硅原子，也会与氧反应生成SiO2。同时，任何两种元素的原子，其扩散速度都是不等的。硅原子的扩散速度比铁原子慢得多，因此，它的氧化物多聚集在靠近基铁部分，形成氧化铁皮下的单独一层氧化物，这就给钢带的酸洗带来很大的困难。4、盐酸酸洗的原理钢带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变化。由于氧化铁皮具有疏松、多孔和裂纹的性质，加之氧化铁皮在酸洗机组上随同钢带一起经过矫直、传送的反复弯曲和抛丸的击打，使这些孔隙裂缝进一步增加和扩大，所以，酸

10、溶液在与氧化铁皮起化学反应的同时，亦通过裂缝和孔隙而与钢铁的基体铁起反应。也就是说，在酸洗一开始就同时进行着3种氧化铁皮和金属铁与酸溶液之间的化学反应，所以，酸洗的机理可以概括为以下3个方面：溶解作用钢带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，从而把氧化铁皮从钢带表面除去。这种作用，一般叫溶解作用。其化学反应为：Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2OFe3O4+8HCl=2FeCl3+FeCl2+4H2OFeO+2HCl=FeCl2+H2O机械剥离作用钢带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，那么酸溶液

11、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作用，并相应产生大量的氢气。由这部氢气产生的膨胀压力，就可以把氧化铁皮从钢带表面上剥离下来。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，我们把它叫作机械剥离作用。其化学反应为：Fe+2HCl=FeCl2+H2据有关资料介绍，盐酸酸洗时，有33%的氧化铁皮是由机械剥离作用去除的。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。另一部分氢原子靠其化学活泼生及很强的还原能力，将高价铁的氧化物和高价铁盐还原成易溶于酸溶液的低价铁氧化物及低价铁盐。其化学反应为：Fe2O3+2H=2FeO+H

12、2OFe3O4+2H=3FeO+H2OFeCl3+H=FeCl2+HCl分析使用过的酸洗溶液会发现酸液中只含有极少量的三价铁离子（例如，在盐酸酸洗时，废酸中含二价铁离子120g/L，三价铁离子只有5-6g/L）。这是因为酸洗时生成的初生氢使三价铁的化合物还原成亚铁化合物。但必须说明的是由于硅钢中含有大量的Si元素，所以硅钢的氧化铁皮最下层还有一层非常稳定致密的SiO2氧化薄膜，几乎不与盐酸反应，只能与氢氟酸起反应，因此有些工厂为了除尽氧化物，在酸液中加入2-4%的氢氟酸，加速对SiO2的作用，如果不加入氢氟酸，钢带底面就会残留银灰色的SiO2薄层。最后盐酸会与铁基体的发生反用，这是酸液对钢带基

13、体的腐蚀作用，是我们不希望产生的，为了避免这样的化学腐蚀，有的工厂会加入缓蚀剂，用以减缓酸对钢带基体的腐蚀。5、紊流酸洗的原理热轧带钢表面的氧化铁皮与酸液的化学反应速度受多方面因素的影响，如酸液的浓度、温度、钢板表面温度、钢的成分等。而酸液的浓度和温度，因受成本、实用性等的限制，不可能无限制地提高速度和温度。另一方面，在时间生产时，通过提高酸液的流速，使酸液在带钢表面流动形成紊流，促进物质传递，使钢带表面急速升温，再加上紊流作用带钢表面接触的酸液不断更新，促使铁皮与酸的反应加速进行，从而可以大幅度地缩短酸洗时间。当流体呈现2000Re 4000时，这种流体是在紊流状态下流动的。其雷诺数为： （

14、1）式中，Re为雷诺数；U为流体的平均流速；d为流体流动管道直径；为流体的动力黏度；流体在紊流状态下的普朗特数为： （2）式中，为普朗特数；为恒压比热容；为流体粘性系数；为流体热导率；流体在紊流状态下的热传导努塞尔数为： （3）热传导率： （4）根据式（1）（4）可得出热传导率 （5）由式（5）可见，当流体管径减小时，则流速增大，传热系数也随之增大。 从上述式（1）（5）的推导可看出，当酸液流动的通道断面（）狭窄时，酸液可以形成高速紊流，从而提高钢板表面的热导率，促进物质的传递过程，这就可以加速氧化铁皮与酸液之间的化学反应。6、紊流酸洗方式的优点带钢酸洗采用紊流酸洗的方式，与其他酸洗方式相比较

15、有着如下的优点：采用紊流酸洗的方式可以缩短酸洗时间。采用紊流酸洗方式酸洗一般可缩短三分之一的酸洗时间。减少废酸产生量。在连续酸洗的实际操作中，废酸中铁离子的浓度达到120g/L时，就需要将废酸排放到盐酸再生装置进行废酸处理，而在紊流酸洗的操作中，废酸中铁离子浓度达到125165g/L时才排放至酸再生机组进行处理，并可保证带钢酸洗质量，这是由于紊流酸洗时酸溶液能与带钢表面的铁皮充分进行化学反应的结果。废酸量的减少，相当于酸再生的能力加大，这样既可减少环境污染还可以节约建设投资。酸洗后的带钢表面洁净。利用酸液的喷射压力既可洗掉轧入基铁深处的铁皮，也能冲刷掉带钢表面的污染物，因此带钢表面洁净度较高。

16、减少槽内带钢跑偏量。由于带钢通过的断面狭窄，带钢在槽内几乎是在酸液面上平行拖过，所以带钢能以很高的张力在槽内运行，从而使带钢的跑偏量减少至25mm；而在深槽酸洗中由于带钢呈现无张力运行，跑偏量甚至高达200mm。酸洗生产线设备重量轻：从酸槽结构可看出，紊流酸洗的酸液较浅，只有150mm左右，整个酸槽高度只有1000mm左右，而深槽酸洗的酸液浓度为10001200mm，酸槽高度近2000mm，浅槽酸液有400600mm深的酸槽，也有1000mm深的酸槽。因此紊流酸洗设备重量大大地减轻。7、实践应用的分析及探索武钢股份硅钢事业部一分厂推拉酸洗（CPL）机组是2006年由武钢设计院及武钢硅钢厂自主设

17、计研发，主要用于生产武钢自主研发的低温取向硅钢，投产于2008年。该机组采用当前国际最为先进的浅槽紊流酸洗方式，配备有完善的多级梯度式酸循环系统。根据紊流酸洗的原理，CPL机组生产初期酸洗工艺如下：项 目1#酸槽2#酸槽3#酸槽4#酸槽5#酸槽酸浓度（%）8101012121414161618铁盐含量（g/l）1301101009080温度（）80858085808580858085CPL机组自2008年投产以来主要生产QRD钢，至2011年生产部分W07S（大电机料）预剪边。针对QRD钢及W10以上牌号钢难酸洗的问题，从原理分析，就是提高酸浓度，摸索适合的铁盐含量值。在实际生产当中，我们发现

18、当1#槽铁盐含量60g/l时，无论将该槽酸浓度提高到多高均无法得到良好的酸洗效果，板面将出现条纹状黑色或局部红色；当铁盐含量超过160g/L时，酸洗效果大打折扣，表面呈全板面黑色（或红色），通过试验对比，针对QRD钢浅槽紊流酸洗1#酸槽铁盐含量与酸洗表面质量大致对应关系如图1所示，通过对比我们发现当1#酸槽铁盐含量在80120g/L范围内，酸洗的效果最佳。1#酸槽铁盐含量与QRD酸洗表面质量的关系注：QRD钢酸洗表面质量评分标准：表面无氧化铁皮残留，板面颜色均匀，评价为90分。表面出现发红或发黑条纹，评价分为60分以下。鉴于此，在原有工艺基础上，车间内控工艺改进如下：项 目1#酸槽2#酸槽3#酸槽4#酸槽5#酸槽酸浓度（%）810按下限控制1012141516按下限控制铁盐含量（g/l）80120100908070温度（）80858085808580858085改进后的内控生产工艺，可以有效降低盐酸的消耗，但是大大增加了对铁盐的控制难度，这对加排酸环节要求十分严格。为了得到最佳的酸洗表面效果，同时提高铁盐含量、酸浓度的稳定性，通过实验摸索和四班对比实