不銹鋼帶卷酸洗工藝探討

潘 亮

（中冶 東方工程技術有限公司，山東 青島266555）

0 前言

不銹鋼以其優越的耐蝕性、美觀的表面等諸多優點，在工藝領域上得到廣泛應用。 不銹鋼在熱軋、熱處理等過程中表面產生的氧化鐵皮會對后續加工及表面質量產生不良影響，需及時清除。 而酸洗作為不銹鋼熱軋及冷軋帶卷生產中去除氧化鐵皮的重要工序，其原理及工藝對于實際生產有非常重要的指導作用。 酸洗方法的選擇、酸洗條件的確定等直接影響到不銹鋼產品的最終質量。

1 不銹鋼氧化鐵皮

1.1 不銹鋼氧化鐵皮的結構和特性

不銹鋼在加熱或軋制時表面會產生氧化鐵皮。氧化鐵皮的組成取決于鋼號及鐵和其他合金元素對氧的親和力。 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，有時呈藍色或綠色，為八面體等軸晶系，玻璃光澤，貝殼狀斷面，相對密度為3.5-5.21，熔點高達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酸洗法和機械破鱗法。

機械除鱗法用于熱軋卷酸洗前的預處理，分為破鱗輥（反復彎曲法）和噴丸法，一般兩者結合使用。

化學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，在冷軋卷酸洗前設中性鹽電解段用于酸洗前的預處理。

2 熱軋不銹鋼帶的酸洗工藝

熱軋不銹鋼帶的酸洗現多采用硫酸+混酸（硝酸+氫氟酸）工藝。酸洗前需機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，帶鋼表面發生下列化學反應：

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，產生大量氫氣，氫氣產生的膨脹壓力把氧化鐵皮從鋼坯上剝下來，這種作用稱為機械剝離作用。剝離作用能加快酸洗速度、減少硫酸消耗。

對于不同鋼種，硫酸酸洗的條件略有區別，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雜的成分。

當不銹鋼制品經過混酸酸洗槽時，HNO3與其表面Fe2O3、Fe、Cr、Ni 等物質發生化學反應，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生反應，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多采用混酸（硝酸+氫氟酸）工藝。 酸洗前需經中性鹽電解及硝酸電解預處理。

3.1 中性鹽電解

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

陽極反應（此時鋼板為陰極）：

H2O-2e-→1/2O2↑+2H+

Cr2O3+5H2O-6e-→2CrO42-+10H+

Cr2O3+4H2O-6e-→Cr2O72-+8H+

Cr+4H2O-6e-→CrO42-+8H+

陰極反應（此時鋼板為陽極）：

CrO42-+4H2O+3e-→Cr(OH)3↓+5OH

Cr2O72-+7H2O+6e-→2Cr(OH)3↓+8OH-

2H2O+2e-→H2↑+2OH-

整個反映過程中，Na2SO4只是作為一個導電介質， 負責電子的轉移，本身并不發生化學反應，理論上電解質不消耗，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化為溶于水的CrO42-。另外，反應生成的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300 系奧氏體不銹鋼表面的鐵氧化物可有效快速去除；而對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定，會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，無法適應連續生產的要求。 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仍采用傳統的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，鉻鋼經硝酸電解后不通過混酸酸洗段。 相關參數具體見表2。

表2 冷軋不銹鋼帶酸洗條件

4 結語

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

2）熱軋帶卷的預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）冷軋帶卷的預處理一般采用中性鹽電解法；酸洗針對鉻鋼采用硝酸電解，針對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。

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