420J2不銹鋼盤圓催化酸洗工業(yè)技術開發(fā)

李輝

摘要：隨著科學技術的飛速發(fā)展和人類生活水準的不斷提高，全世界范圍內對不銹鋼產品的需求量越來越大。不銹鋼線材在生產過程中都會因加熱退火工序而產生致密的氧化膜，該膜具有致密、堅硬和耐腐蝕的特點。國內大多數不銹鋼線材生產企業(yè)多采用鹽浴酸洗或混酸酸洗的方法除去表面氧化膜，鹽浴酸洗是將回火后的不銹鋼線材先經～400℃的融鹽浴預處理再進行酸洗的鹽浴加酸洗工序。該工藝酸洗周期也長且鹽浴設備維護費用高，混酸酸洗會帶來嚴重的空氣污染和酸洗廢液，要克服這些工藝存在的種種弊端，須開發(fā)新的酸洗技術。

關鍵詞：不銹鋼線材；鹽浴酸洗

1.1項目背景

1.2不銹鋼催化酸洗的機理分析

化學反應發(fā)生的必要條件是參與化學反應的分子必須接觸，即通過滲透劑幫助酸中的H+離子順利進入致密的金屬氧化物膜層中，與金屬氧化物充分接觸，為下列反應的發(fā)生創(chuàng)造條件：

要使上述酸洗過程中的化學反應快速完成，僅僅參與化學反應的分子相互接觸還不夠，其充分和必要條件是在該酸洗條件下反應的吉布斯函變。由于金屬氧化物多為堿性氧化物，其與酸的反應為酸堿中和反應，而酸堿中和反應多為放熱反應，即，反應過程中金屬氧化物由固體變?yōu)槿芤海摲磻模凑誈ibbs公式有：

如上述催化原理所述，影響化學反應速度的因素既有內因也有外因。

對于上述化學反應，反應速度和速率常數可表示為：

（1）

式中

v—反應速率；

k—反應速率常數；

和 —分別為金屬氧化物和溶液中酸的濃度。

根據Arrhenius公式有：

（2）

由公式（1）（2）可見，影響化學反應速度的內因是反應的活化能（Ea）；而外因則是反應溫度（T）和參與化學反應的各反應物的濃度（C）。當選定了反應物的溫度和反應濃度之后，活化能就是一個決定的因素。由（2）式可見，要提高化學反應速度就必須降低反應的活化能，而降低反應的活化能的唯一途徑就是使用催化劑，本研究就是基于該思路，通過實驗選擇對氧化鐵皮剝離具有高度選擇性的復合催化劑來達此目的。

在酸洗過程中，復合催化劑的主要作用是：

滲透（控制步驟）

催化活化（快速步驟）

催化溶解（快速步驟）

因此，復合催化劑的使用就是通過這些反應，將原來難以發(fā)生或很慢的酸洗反應加速，達到縮短酸洗時間的目的。

2.1催化酸洗液中各成分的篩選

2.1.1催化酸洗液中硫酸濃度對酸洗效果的影響

在催化酸洗過程中硫酸的濃度是影響該酸洗反應的主要因素之一，考慮到工業(yè)生產的可操作性，進行了實驗比較，酸洗液中硫酸濃度在7.0～12.5%的范圍內，盤圓表面氧化物清除率隨著硫酸的濃度增加而快速上升，但當硫酸的濃度大于13%以后，清除率有所下降。其原因是：當硫酸的濃度較低時，在催化劑中滲透劑的作用下，比較容易滲入氧化層的內部。從化學反應的外因之一濃度因素來看，只要能夠滲入氧化層內部，硫酸的濃度越大，氧化膜的清除率就越高。但隨著硫酸濃度的進一步增加，滲透受阻，雖然硫酸過量，卻是難以與內部的金屬氧化物接觸，且隨著反應的進行，在氧化物的隙縫中Fe2+不斷增加，使得FeSO4濃度不斷加大，也會阻礙硫酸的進一步滲透。從而到盤圓表面氧化物清除率下降。

2.1.2催化酸洗液中各催化劑的篩選

為了實現方案中的計劃，即篩選出10種價廉、易得且無毒的催化劑，共篩選出滲透劑30種，活化劑30種，剝離劑30種，在此基礎上進行組合。開始采用每5種一組進行實驗，經過4000組實驗，篩選出兩組催化效果比較滿意的復合催化劑。但考慮到生產成本和生產中的操作方便，課題組經過討論決定，減少復合催化劑中的物種數到3種一組。于是又進行了3種一組實驗，共完成實驗3600組，又篩選出兩組復合催化劑。隨后，課題組采用篩選出的催化劑進行重現性實驗、溫度實驗、不同酸洗池的功能實驗、鐵損實驗和最大處理量實驗，總共完成實驗約9000余組。

2.1.3 酸洗溫度對氧化層清洗率的影響

酸洗溫度是酸洗反應最敏感的因素之一，為要獲得適宜的酸洗溫度，適宜選擇硫酸濃度為12.5%，酸洗溫度在70～76℃范圍內，清除率隨溫度升高也快速增加，而溫度達76～82℃范圍內，清除率趨于平穩(wěn)，當溫度≥78℃時，在設定的時間內，氧化膜已經清洗完成，故繼續(xù)升高溫度，清洗率不再變化。按照動力學關于溫度對反應速度的影響的描述：溫度每升高10℃，化學反應速度增加2～10倍。這就是溫度在70～75℃之間時，清除率曲線的斜率很大的原因。然而，溫度過高（≥82℃），不僅會造成能量的浪費，而且實驗發(fā)現盤圓表面發(fā)暗，局部出現“過”酸現象。

2.1.4酸洗時間對氧化層清洗率的影響

酸洗時間是實驗按照既定的工業(yè)路線，研究了催化酸洗時間對盤圓表面氧化層清洗率的影響。酸洗時間在12～14min范圍內對清除率的影響變化不大，實驗中發(fā)現盤圓沿軋制線有氧化膜殘留，當時間在15～18min范圍內，盤圓表面氧化膜已全部洗脫，表面呈銀白色，較為光滑。時間繼續(xù)延長至～20min，盤圓表面氧化膜清除率仍為100%，只是表面稍暗，未見酸坑。這表明，多相化學反應比單相反應要復雜許多，擴散和滲透常常會導致反應時間的延長。酸與盤圓表面氧化膜的反應就是多相反應，雖添加了一定量的催化劑，可能會使擴散和滲透等步驟消耗的時間縮短，但仍需經過這些步驟。

3.結論

（1）采用硫酸催化酸洗的方法，可以將420J2不銹鋼盤圓表面因回火產生的致密氧化膜無需鹽浴直接洗脫，酸洗質量滿足產品質量要求。

（2）酸洗方法：采用本報告設定的兩條路線之一。

（3）酸洗條件：硫酸濃度，各槽均為～12.5%；催化劑A，3個槽均為5%；催化劑B，槽1：2%；槽2、3：無；催化劑C，槽1：3%；槽2、3：1%；酸洗溫度，80±2℃；酸洗時間，～15min。

參考文獻：

[1]嚴彪，等..不銹鋼手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2009

[2]顧紀清.不銹鋼應用手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2008