1钢铁酸洗的必要性

1钢铁酸洗的必要性热轧厂生产的热轧带钢板卷，是在高温下进行轧制和卷取的，带钢表面在相应的条件下生成的氧化铁皮，能够很牢固地覆盖在带钢的表面上，并掩盖着带钢表面的缺陷。从轧钢的角度来讲，若将这些带氧化铁皮的带钢直接送到冷轧机去轧制将会带来许多问题：一是在大压下量的条件下进行轧制，会将氧化铁皮压入带钢的基体，影响冷轧板的表面质量及加工性能，甚至造成废品；二是氧化铁皮破碎后进入冷却润滑轧辊的乳化液系统会损坏循环设备，缩短乳化液的使用寿命；三是损坏了表面光洁度和加工精度都很高并且价格昂贵的冷轧辊。因此，带钢在冷轧之前，必须清除其表面氧化铁皮，以保证所生产的冷轧带钢的表面质量。从生产热镀锌钢板的角度来讲，采用热轧带钢直接进行热浸镀锌，也要同采用冷轧钢板一样，在镀锌前要使带钢具有洁净并有活性的表面。为了获得这样的表面，需要对热轧带钢进行处理以除去表面的氧化铁皮，通常的做法是进行酸洗处理。钢管氧化铁皮一般有两种：一种是在常温下、在潮湿的环境中，并且有SO2，CO2溶解于水分中起催化作用所生成的氧化物——铁锈。这种锈层呈红褐色，是由两价和三价的铁与氧的化合物以及结晶水构成的；另一种是在高温下生成的氧化物铁皮，俗称铁鳞，是暗黑色或黑褐色。它是在两种情况下生成的：一是在轧制或焊接时生成的轧制铁皮，另一是在热处理过程中由于氧分压大于铁的平衡氧分压所生成的氧化铁皮(在保护气氛或还原气氛下退火时除外)。在生产热镀锌钢管、电镀镀锌钢管、涂层钢管或塑料覆层钢管时，这层铁皮必须加以清除，否则会对产品质量造成严重影响，甚至不能生产出合格的产品。在镀锌前即使很薄的铁皮存在，也不可能镀上完整、连续的锌层。在进行涂层或复层处理时，如果不将表面氧化物清除，会引起鼓泡和降低涂复层的耐腐蚀性能。其它最常见的钢铁型材的酸洗是热轧的角钢（如输电铁塔用）在镀锌前也必须进行的酸洗处理。对于线材，无论是热轧线材或经热处理后的半成品钢丝，其表面均有一层硬而脆的氧化铁皮层。这些氧化铁皮一方面影响以后的加工工序，使润滑涂层不能牢固地和钢铁基体结合；另一方面，在拉拔时，因为氧化铁皮硬度很高而且比较脆，这样会刮伤模具和钢丝表面；再则氧化铁皮夹在模具与钢丝之间，不仅会增大钢丝与模具的摩擦，增大了摩擦力，在严重时会引起断丝；有时氧化铁皮可能被压入钢丝基体中，造成镀层时产生“翅皮”等缺陷。因此，必需在钢丝拉拔前去除这些氧化铁皮层。同样对于不锈钢铁和特殊钢热轧材来说，在进行冷轧或冷拔工艺处理之前，都要进行酸洗处理。钢铁零件、金属制品，在进行表面处理如电镀、磷化、涂层前也都需要进行酸洗处理。2钢铁表面氧化皮的可酸洗性（1）热轧钢铁表面氧化铁皮热轧钢铁的可酸洗性和氧化铁皮的形成一样与很多因素有关，如氧化铁皮的粘附强度、钢的成分、机械变形的种类和程度、氧化铁皮的结构及厚度、表面污染(例如油脂引起的污染)、表面缺陷、酸洗剂的种类和成分以及酸洗时的工作条件等。下面仅就氧化铁皮的结构、耐酸性进行分析。在氧化铁皮中，富氏体只是在靠近钢板的表面上存在，而铁皮外层的Fe3O4和Fe2O3，在酸溶液中是比较难于溶解的。但由于铁皮层存在着裂缝和气孔(特别是通过破鳞或拉矫之后)，酸溶液便能通过这些裂缝、气孔到达金属表面和富氏体层；金属铁和富氏体的溶解，减少了铁皮与金属之间的附着力，并在酸液与金属铁反应过程中生成的氢气的作用下，氧化铁皮便从基体上脱落。与此同时，难溶的Fe3O4及Fe2O3，也被还原成容易溶解的FeO，从而使氧化铁皮从钢铁表面上剥离下来。影响钢材酸洗性的另一个重要因素是铁皮的致密度。富氏体具有天然的最大孔隙率，而Fe2O3层及Fe3O4层是致密的，它们会把铁皮中其他氧化层内的气孔全部堵死；从而阻碍了酸液的渗入；带钢在冷却过程中虽然会形成一些裂纹，但也不能保证酸液渗入氧化铁皮的深处。特别是现代化轧机生产的热轧带钢，铁皮的厚度是稳定的，致密度是比较高的，因此，为了提高氧化铁皮的可酸洗性，采用破鳞设备增加裂纹仍然是十分必要的。在酸洗带钢时会发现，带钢尾部(酸洗卷头部)表面上的氧化铁皮较容易洗掉。这是因为带钢尾部的轧制温度一般比中部和头部低30～50℃，并在卷取时受到从卷取机上落下来的水的强化冷却，因此，带钢尾部铁皮形成的过程结束得较早，氧化铁皮较薄，而且FeO来不及转化。最难酸洗的是带钢头部(酸洗带卷尾部)的氧化铁皮。这是因为带钢头部氧化铁皮的形成过程比尾部结束得缓慢，而使氧化铁皮层加厚的缘故。此外，氧化铁皮的缓冷促使FeO分解成Fe3O4或Fe2O3，也是造成酸洗困难洗的原因。在带钢酸洗时还会发现，带钢的边缘上会出现未洗掉的黑边，这是因为在带钢长度的中部边缘上，氧化铁皮冷却的比较缓慢，而周围的氧气到带钢表面上的通路较通畅，使这里的氧化铁皮中Fe203层明显增加所致。（2）较长时间暴露在大气中产生的锈层如前所述，在钢铁表面生成的锈层中，不仅羟基氧化铁比较疏松，容易溶解，而且锈层中的Fe还会进一步氧化。在工业区的钢铁锈层中已确认有着FeSO4•7H2O、FeSO4•H2O和Fe2(SO4)3的存在。氧化铁皮的主要成分是铁的三种氧化物（FeO、Fe3O4、Fe2O3）。它们都是难溶于水的两性氧化物，它们可以在适当的条件下，与强碱和酸进行复分解反应，生成能溶于水的盐。通过复分解反应，钢铁表面的氧化铁皮就可经从钢铁表面除去。但是在工业上，除了对不锈钢表面进行处理时使用强碱除去表面的铁、铬和硅的氧化物外，都是使用强酸的水溶液对钢铁进行化学处理以除去钢铁表面的氧化铁皮。在工业生产中进行酸洗化学处理时，还有的将钢铁作为电极，通以电流来提高酸洗的质量和酸洗的速度，即所谓的电解酸洗方法。目前在钢铁的酸洗上主要使用的硫酸酸洗和盐酸酸洗的方法。3钢铁酸洗的基本原理钢铁表面上的氧化铁皮（FeO、Fe3O4、Fe2O3）都是不溶解于水的氧化物，当把它们浸泡在酸液里时，这些氧化物就分别与酸发生一系列化学反应。由于碳素结构钢或低合金钢钢铁表面上的氧化铁皮具有疏松、多孔和裂纹的结构，加之氧化铁皮在酸洗时随同钢铁一起经过矫直、拉矫、传送的反复弯曲，使这些孔隙裂缝进一步增加和扩大。所以，酸溶液在与氧化铁皮起化学反应的同时，也可以通过裂缝和孔隙渗透而与钢铁基体的铁起化学反应。也就是说，在酸洗一开始就同时进行着所有3种氧化物和金属铁与酸溶液之间的化学反应，所以，酸洗的过程包括了以下3个方面的作用：(1)溶解作用钢材表面氧化铁皮中各种铁的氧化物与酸发生化学反应，生成溶于水的铁盐而溶解于酸溶液内。若用盐酸或硫酸进行酸洗时，生成可溶解于酸液的正铁及亚铁氯化物或硫酸盐，从而把氧化铁皮从带钢表面除去。这种作用，—般称作溶解作用。(2)机械剥离作用钢铁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。由这部分氢气产生的膨胀压力，就可以把氧化铁皮从钢铁表面上剥离下来。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，一般把它叫做机械剥离作用。(3)还原作用金属铁与酸作用时，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酸溶液的低价铁氧化物及低价铁盐。4钢铁酸洗工艺的缺点钢材的酸洗处理广泛地应用于冷轧板材坯料即热轧板材的表面氧化铁皮的去除，如热轧型钢需进行磷化或镀层等表面处理加工前去除氧化铁皮；焊接管材在镀锌或进行其它热浸镀、电镀加工前的表面预处理；退火处理后的钢铁如管材、型材、线材等冷拔加工前的表面处理；钢铁加工件进行电镀、电刷镀前的除锈处理以及不锈钢和特殊钢生产过程中的类似处理。目前酸洗仍是钢铁生产和钢铁表面处理时不可或缺的工艺过程。但是，钢铁酸洗处理工艺的采用也带来如下的一些问题：（1）大量消耗钢铁材料和酸在酸洗的过程中，有的主要通过酸与铁皮的化学反应，溶解相应的金属氧化物的溶解作用来除去铁皮。有的，如使用硫酸进行钢铁酸洗时，还要借助于酸与钢铁发生化学反应产生的氢气泡的剥离作用来除去氧化铁皮。因此在酸洗过程中，大量消耗酸是必然的。虽然在酸洗中使用酸洗缓蚀剂可以降低钢铁的金属消耗，但是仍有相当量的金属铁损失掉。（2）可能降低钢铁的物理性能在酸洗过程中，金属铁和酸之间发生化学反应并产生氢气。由于酸洗液中的氢的化学位高于被酸洗的钢铁中氢的化学位，生成的氢会渗入钢中并积存起来造成氢脆，从而影响钢铁的机械性能或以后的加工处理。（3）会带来一系列的环境污染问题采用酸洗工艺对钢铁或零件进行表面处理，由于钢铁的品种、产品的规格和生产的规模各不相同，从而造成了在生产装备和生产环境方面有着很大差别。如酸洗槽体的密封、对生产设备的腐蚀、酸洗车间的通风排风、酸雾的排出和处理以及污水的处理和排放等方面，处理方法和处理水平相差悬殊。从而会带来许多环境保护方面的问题，而需要一一加以处理和解决。（4）废酸和铁盐的处理问题钢材酸洗在消耗大量金属铁的同时还产生大量的废酸液与相应的酸和氧化铁或生成的铁盐溶液。为了回收和利用这些废酸液和铁盐，需要较大的投资来建设相应的回收和处理设备。特别是对于一些小型的、小批量的钢铁件进行酸洗处理时，往往会出现酸洗废液难以集中进行处理的情况，一旦发生直接排放的情况，就会对对环境造成严重污染。