不銹鋼帶卷酸洗工藝探討

潘 亮

（中冶 東方工程技術(shù)有限公司，山東 青島266555）

0 前言

不銹鋼以其優(yōu)越的耐蝕性、美觀的表面等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工藝領(lǐng)域上得到廣泛應(yīng)用。 不銹鋼在熱軋、熱處理等過程中表面產(chǎn)生的氧化鐵皮會(huì)對(duì)后續(xù)加工及表面質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，需及時(shí)清除。 而酸洗作為不銹鋼熱軋及冷軋帶卷生產(chǎn)中去除氧化鐵皮的重要工序，其原理及工藝對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)有非常重要的指導(dǎo)作用。 酸洗方法的選擇、酸洗條件的確定等直接影響到不銹鋼產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

1 不銹鋼氧化鐵皮

1.1 不銹鋼氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)和特性

不銹鋼在加熱或軋制時(shí)表面會(huì)產(chǎn)生氧化鐵皮。氧化鐵皮的組成取決于鋼號(hào)及鐵和其他合金元素對(duì)氧的親和力。 300 系不銹鋼氧化鐵皮中從上到下依次含有Fe2O3、Fe3O4、FeO·Cr2O3及NiO·Cr2O3、Cr2O3；400系不銹鋼氧化鐵皮中從上到下依次含有Fe2O3、Fe3O4、FeO·Cr2O3、Cr2O3。

不銹鋼氧化鐵皮中主要含有Cr2O3和尖晶石FeO·Cr2O3，通常呈黑色，有時(shí)呈藍(lán)色或綠色，為八面體等軸晶系，玻璃光澤，貝殼狀斷面，相對(duì)密度為3.5-5.21，熔點(diǎn)高達(dá)2435℃，硬度為7.5-8.5，在80℃溫度下也不溶解于H2SO4、HCl 或HNO3等無機(jī)酸。

1.2 不銹鋼氧化鐵皮的清除

清除不銹鋼帶卷氧化鐵皮的方法主要有化學(xué)酸洗法和機(jī)械破鱗法。

機(jī)械除鱗法用于熱軋卷酸洗前的預(yù)處理，分為破鱗輥（反復(fù)彎曲法）和噴丸法，一般兩者結(jié)合使用。

化學(xué)酸洗法有酸浸法和酸液電解法兩大類。酸浸法在不銹鋼酸洗中一般采用硫酸、硝酸+氫氟酸等酸。其中硫酸只有在較高溫度下酸洗效果突出，所以一般用于熱軋卷酸洗。 酸液電解法分為硝酸電解（鈍化）、硫酸電解法等。

另外，在冷軋卷酸洗前設(shè)中性鹽電解段用于酸洗前的預(yù)處理。

2 熱軋不銹鋼帶的酸洗工藝

熱軋不銹鋼帶的酸洗現(xiàn)多采用硫酸+混酸（硝酸+氫氟酸）工藝。酸洗前需機(jī)械破鱗去除部分氧化鐵皮或松脆氧化皮。

2.1 硫酸酸洗

在硫酸酸洗時(shí)，帶鋼表面發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：

Fe2O3+3H2SO4→Fe2(SO4)3+3H2O

Fe3O4+4H2SO4→Fe2(SO4)3+FeSO4+4H2O

FeO+H2SO4→FeSO4+H2O

3Cr2O3+4 H2SO4→Cr2(SO4)3+CrSO4+4H2O+5/2O2

NiO+H2SO4→NiSO4+H2O（300 系不銹鋼）

氧化鐵皮中各種金屬氧化物溶解于硫酸溶液，生成可溶于水的硫酸化合物，從而把鋼坯表面的氧化鐵皮除去。另外，鋼中的鐵與硫酸溶液反應(yīng)，產(chǎn)生大量氫氣，氫氣產(chǎn)生的膨脹壓力把氧化鐵皮從鋼坯上剝下來，這種作用稱為機(jī)械剝離作用。剝離作用能加快酸洗速度、減少硫酸消耗。

對(duì)于不同鋼種，硫酸酸洗的條件略有區(qū)別，硫酸濃度、金屬離子(Me)含量及溫度見表1。

2.2 混酸酸洗

經(jīng)過硫酸酸洗后，部分氧化層被清除，保留的氧化層以Fe-Cr-Ni氧化物的形式存在， 一般采用硝酸+氫氟酸混合物來清除這些復(fù)雜的成分。

當(dāng)不銹鋼制品經(jīng)過混酸酸洗槽時(shí)，HNO3與其表面Fe2O3、Fe、Cr、Ni 等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成各種溶解性的金屬鹽類：

Fe2O3＋6HNO3→2Fe(NO3)3＋3H2O

Fe＋4H+＋NO3-←→Fe3+＋NO＋2H2O

Cr＋4H+＋NO3-←→Cr3+＋NO＋2H2O

3Ni＋8H+＋2NO3-←→Ni2+＋2NO＋4H2O（300 系不銹鋼）

而HF 與溶液中的各種金屬離子發(fā)生反應(yīng)，生成一些可溶或難溶的金屬氟化物：

3HF＋Fe3+→FeF3↓＋3H+

2HF＋Fe3+→FeF2+＋2H+

3HF＋Cr3+→CrF3↓＋3H+

2HF＋Cr3+→CrF2+＋2H+

HF＋Ni2+→NiF+＋H+

不同鋼種混酸酸洗的條件見表1。

表1 熱軋不銹鋼帶酸洗條件

3 冷軋不銹鋼帶的酸洗工藝

冷軋不銹鋼帶的酸洗現(xiàn)多采用混酸（硝酸+氫氟酸）工藝。 酸洗前需經(jīng)中性鹽電解及硝酸電解預(yù)處理。

3.1 中性鹽電解

中性鹽電解法是奧地利RUTHNER 公司開發(fā)的除鱗方法，在硝酸鈉(NaNO3)或硫酸鈉(Na2SO4)一類的中性鹽溶液中對(duì)帶鋼進(jìn)行電解。 中性鹽電解采用中心導(dǎo)體法， 即帶鋼懸掛于陰極和陽極之間的電場(chǎng)中，不間斷的交換帶鋼的陽極和陰極。 現(xiàn)電解液多采用硫酸鈉(Na2SO4)，在電解酸洗中進(jìn)行如下電化學(xué)反應(yīng)：

陽極反應(yīng)（此時(shí)鋼板為陰極）：

H2O-2e-→1/2O2↑+2H+

Cr2O3+5H2O-6e-→2CrO42-+10H+

Cr2O3+4H2O-6e-→Cr2O72-+8H+

Cr+4H2O-6e-→CrO42-+8H+

陰極反應(yīng)（此時(shí)鋼板為陽極）：

CrO42-+4H2O+3e-→Cr(OH)3↓+5OH

Cr2O72-+7H2O+6e-→2Cr(OH)3↓+8OH-

2H2O+2e-→H2↑+2OH-

整個(gè)反映過程中，Na2SO4只是作為一個(gè)導(dǎo)電介質(zhì)， 負(fù)責(zé)電子的轉(zhuǎn)移，本身并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，理論上電解質(zhì)不消耗，消耗的僅僅是水。中性鹽電解的最大好處是可以溶解鉻氧化物，在電流作用下使之轉(zhuǎn)化為溶于水的CrO42-。另外，反應(yīng)生成的H2和O2從帶鋼表面逸出形成的力可以將表面的氧化物剝離。

中性鹽電解酸洗的電解液PH 值控制在3～10 之間即可， 電解電流密度一般控制在10～15A/dm2。 電解液濃度、溫度等其他參數(shù)詳見表2。

3.2 硝酸電解（鈍化）

通過中性鹽電解，能夠容易地溶解氧化鐵皮中的鉻氧化物，鐵氧化物還需在混酸中處理。但是混酸對(duì)300 系奧氏體不銹鋼表面的鐵氧化物可有效快速去除；而對(duì)400 系，尤其是410（馬氏體）、430（鐵素體）等不銹鋼的除鱗性能卻不穩(wěn)定，會(huì)增大鋼板表面粗糙度且無光澤。而且混酸酸洗在此類鋼種中還存在溶解速度慢的問題，無法適應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)的要求。 為了既能保持中性鹽電解的特征，又能提高鉻鋼的處理速度， 在中性鹽電解后加入硝酸電解的方法溶解去除殘留鐵氧化物。而在處理奧氏體不銹鋼時(shí)仍采用傳統(tǒng)的HNO3+HF 混酸酸洗法。

硝酸電解的原理如下：

陽極：

H2O-2e-→1/2O2↑+2H+

陰極：

Fe3O4+8H++2e-→3Fe2++4H2O

NO3-+H2O+2e-→NO2-+2OH-

硝酸電解的最大電流密度為6A/dm2。電解液濃度、金屬離子含量、溫度等其他參數(shù)詳見表2。

3.3 混酸酸洗

冷軋不銹鋼帶的混酸酸洗原理和熱軋基本一致，鉻鋼經(jīng)硝酸電解后不通過混酸酸洗段。 相關(guān)參數(shù)具體見表2。

表2 冷軋不銹鋼帶酸洗條件

4 結(jié)語

1）不銹鋼帶卷氧化鐵皮的清除主要分酸洗前預(yù)處理和酸洗兩個(gè)步驟；酸洗方法的選擇主要取決于帶卷軋制狀態(tài)及鋼種；

2）熱軋帶卷的預(yù)處理一般采用破鱗輥+拋丸的方式，酸洗采用硫酸+混酸（氫氟酸+硝酸）的酸浸法；

3）冷軋帶卷的預(yù)處理一般采用中性鹽電解法；酸洗針對(duì)鉻鋼采用硝酸電解，針對(duì)200 系及300 系奧氏體不銹鋼采用混酸酸洗方法去除氧化鐵皮。

［1］李登超.不銹鋼板帶材生產(chǎn)技術(shù).1 版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版，2008：172－181.

［2］張穎.國內(nèi)外不銹鋼酸洗技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展[J].不銹：市場(chǎng)與信息，2011(19)：33-41.

［3］李麗娟.不銹鋼混酸酸洗工藝淺析[J].鋼鐵技術(shù)，2005(5)：46－48.

［4］殷洪.不銹鋼帶鋼的電解酸洗[J].上海寶鋼工程設(shè)計(jì)，2002(1)：29－32.

［5］武韶寧.冷軋不銹鋼板帶中性鹽電解酸洗除鱗生產(chǎn)工藝[J].太鋼科技，2001（02）：18-22.