碳素鋼絲生產(chǎn)中的氧化皮去除

摘 要：碳素鋼絲熱軋線材作為鋼絲拉拔的主要原料，其表面氧化皮主要由FeO、Fe3O4、Fe2O3組成。線材表面氧化皮在拉拔前要去除，去除方法有：機(jī)械法、化學(xué)法、電解酸洗法。其中，機(jī)械法包括反復(fù)彎曲法、噴丸處理法、組合式處理法等；化學(xué)法包括鹽酸酸洗法、硫酸酸洗法、超聲波酸洗法；電解酸洗法分為陰極法、陽(yáng)極法、陽(yáng)極陰極交替法。酸洗缺陷如氫脆、欠酸洗、過(guò)酸洗、表面殘?jiān)漠a(chǎn)生原因及防止方法。最后介紹了氧化皮去除中的環(huán)境保護(hù)：氧化皮的回收利用，含酸廢水的處理，酸氣的回收。

關(guān)鍵詞：拉絲 碳素鋼絲 氧化皮 表面準(zhǔn)備 環(huán)境保護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG356 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（a）-00-03

鋼絲生產(chǎn)是以熱軋線材為原料，經(jīng)過(guò)表面準(zhǔn)備、熱處理、拉拔、鍍（涂、包覆）層等四大主要工序加工而成。按成品鋼絲的不同需要，可能還需進(jìn)行扒皮、磨光等輔助工序[1]。表面準(zhǔn)備的任務(wù)和主要目的是去除氧化皮和涂覆潤(rùn)滑載體。線材表面氧化皮的存在會(huì)造成鋼絲表面缺陷和模具過(guò)早損壞，甚至?xí)枞？祝率估螖嗔眩虼嗽诶吻耙コ€材表面氧化皮。去除線材表面氧化皮是鋼絲拉拔前是非常重要的工序。

1 碳素鋼熱軋線材表面氧化皮組成

碳素鋼熱軋線材的表面氧化皮大體由3層組成：貼近鋼基體的內(nèi)層是氧化亞鐵（FeO） ，厚度約10-2mm，在酸中最易溶解。中間層是四氧化三鐵，厚度約10-4～10-3mm，在酸中較少溶解。最外層是三氧化二鐵（Fe2O3），厚度約10-5mm，在熱的濃硫酸中也幾乎不溶解。整個(gè)氧化鐵皮的厚度一般在0.01～0.02mm，最厚不超過(guò)0.07mm。除了熱軋氧化鐵皮，若盤(pán)條露天裸放，會(huì)形成含水三氧化二鐵（Fe2O3·nH2O），即黃銹。

2 碳素鋼線材表面氧化皮的去除方法

碳素鋼線材表面氧化皮的去除方法有：機(jī)械法、化學(xué)法、電解酸洗法[2]。

2.1 機(jī)械法

機(jī)械法包括：反復(fù)彎曲法、噴丸處理法、組合式處理法等。

機(jī)械法去氧化鐵皮最大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)公害，占地少，又不會(huì)發(fā)生氫脆，生產(chǎn)成本較低。

機(jī)械法僅適用于中低碳鋼絲，很難徹底清除合金鋼絲的氧化皮。

2.1.1 反復(fù)彎曲法

這種方法是使熱軋盤(pán)條連續(xù)通過(guò)不同方向的彎曲時(shí)，因彎曲而造成盤(pán)條表面的反復(fù)延伸和壓縮促成表面鐵皮疏松剝落，用此法只能除去盤(pán)條表面氧化皮量的80%左右，剩余的氧化皮必須經(jīng)酸洗或其他機(jī)械方法除去。生產(chǎn)上用此法處理后的盤(pán)條再經(jīng)酸洗，能大大縮短酸洗時(shí)間，降低酸耗和防止過(guò)酸洗。

反復(fù)彎曲法主要考慮：彎曲輥輥徑、彎曲輥布置形式、盤(pán)條與輥輪間的包角、牽引力。

2.1.2 噴丸處理法

噴丸處理的作用原理是由高速旋轉(zhuǎn)的摔輪將金屬?gòu)椡韪咚俚厣湎虮P(pán)條表面，靠金屬?gòu)椡璧膭?dòng)能打碎鐵皮并除去。

噴丸處理法的效率與去皮效果取決于摔輪的性能。摔輪的轉(zhuǎn)速要求在2000～4000r/min。摔輪要求布置在不同方位上，使射向鋼絲表面的彈丸能形成均一的扇形面，為此在彈丸拋射處應(yīng)設(shè)置導(dǎo)板并附有彈丸和鐵皮的回收分離器。噴丸處理鋼絲的線速度按其碳量、氧化鐵皮性質(zhì)、盤(pán)條尺寸等不同一般在2～l00m/min。盤(pán)條噴丸前應(yīng)預(yù)先進(jìn)行矯直。

2.1.3 組合式處理法

組合式處理法是指幾種機(jī)械去皮裝置聯(lián)合組成一套完整的去皮機(jī)，如反復(fù)彎曲+鋼絲刷機(jī)械去鐵皮、反復(fù)彎曲+噴砂機(jī)械去皮。

2.1.4 機(jī)械法去除氧化皮質(zhì)量的判斷

根據(jù)盤(pán)條的顏色，判斷氧化皮去除情況。盤(pán)條顏色呈青灰色表示除銹干凈，呈黑色表示除銹不凈，呈花黑色表示線材有斑點(diǎn)，沒(méi)有剝清。

氧化皮去除不凈的原因：線材本身質(zhì)量不佳，如線材表面有凹坑；線材在軋制時(shí)，因冷卻不當(dāng)造成表面氧化層致密，不易剝落下來(lái)；盤(pán)條儲(chǔ)運(yùn)不當(dāng)，如表面有黃銹、油污等，使除銹效果不佳。

2.2 化學(xué)法

化學(xué)法包括：鹽酸酸洗法、硫酸酸洗法、超聲波酸洗法。

化學(xué)法使用效果最好，成本也比較低，但污染環(huán)境，廢棄物要進(jìn)行環(huán)保處理。

2.2.1 鹽酸酸洗法、硫酸酸洗法的酸洗原理

（1）酸的溶解作用：氧化皮與酸作用而被溶解，其中主要是FeO與酸發(fā)生反應(yīng)而被溶解。

（2）氫氣的機(jī)械剝離作用：金屬鐵與酸作用生成的氫氣剝落氧化皮。

（3）氫的還原作用：生成的氫使高價(jià)的鐵的氧化物和鐵鹽還原成易溶解于酸的低價(jià)亞鐵及亞鐵鹽而被除去。

2.2.2 影響酸洗速度的因素

（1）濃度對(duì)酸洗的影響。

硫酸濃度的影響：當(dāng)硫酸濃度≤23%時(shí)，隨濃度的增加，酸洗速度加快；當(dāng)硫酸濃度>23%后，隨濃度的增加，酸洗速度下降。

鹽酸濃度的影響：隨著濃度的增大，酸洗速度也隨之增快。提高鹽酸濃度是提高酸洗速度的重要手段。

（2）溫度對(duì)酸洗的影響。

硫酸溫度的影響：隨著溫度的上升，酸洗速度加快。當(dāng)酸洗溫度上升到60℃時(shí)，酸洗時(shí)間急劇減少，注意防止過(guò)酸洗。硫酸酸洗時(shí)主要采用升溫來(lái)提高酸洗速度。

鹽酸溫度的影響：溫度升高能提高酸洗速度。溫度升高將產(chǎn)生大量的鹽酸酸霧，既增加鹽酸消耗，又污染環(huán)境，所以一般不采用提高鹽酸溫度來(lái)提高酸洗速度。

（3）鐵鹽含量對(duì)酸洗的影響。

硫酸酸洗中，生成的鐵鹽主要以FeSO4形成存在。當(dāng)溶液中FeSO4含量超過(guò)溶解度時(shí)，就會(huì)結(jié)晶出鐵鹽，沉積在鋼絲表面，致使酸洗速度大大降低，并沾污鋼絲表面。

鹽酸酸洗中，生成的鐵鹽FeCl2在鹽酸中的溶解度較大，F(xiàn)eCl2含量的適當(dāng)增大，有利于提高酸洗速度。

（4）酸洗類(lèi)型對(duì)酸洗的影響。

硫酸酸洗主要靠氫氣的機(jī)械剝離作用去除氧化皮。

鹽酸酸洗，濃度較高的鹽酸溶液主要是靠溶解作用除去氧化皮。鹽酸酸洗鋼絲表面質(zhì)量較好，缺陷少。鹽酸酸洗速度比硫酸酸洗速度快得多。

（5）攪拌對(duì)酸洗的影響。

攪拌可加速酸洗速度。

（6）其他因素對(duì)酸洗的影響。

鋼中含碳量高，則其鐵溶解速度增大；冷加工后的鋼絲，表面應(yīng)力不均勻，可加快鐵溶解速度；表面光滑的鋼絲與酸液的接觸面較小，溶解速度較慢[3]。

2.2.3 超聲波酸洗法

在連續(xù)作業(yè)中，使用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波。超聲波導(dǎo)體放在酸槽兩側(cè)或底部向溶液發(fā)射超聲波，以溶液中溶解的氣體為核心，產(chǎn)生無(wú)核氣泡，聲波每振動(dòng)一次各氣泡隨之受一次膨脹和壓縮作用，瞬間在溶液內(nèi)將以很大的能量互相撞擊，波能產(chǎn)生達(dá)500大氣壓逐點(diǎn)交替的負(fù)高壓和正高壓。于是使鋼絲表面的氧化皮由酸疏松后，迅速而均勻地被清除掉。同時(shí)超聲波作用還可以使殘留在線坯表面凹坑內(nèi)的固體污物除凈。

超聲波酸洗的主要優(yōu)點(diǎn)：可以用低濃度的酸液進(jìn)行酸洗；可降低酸液的使用溫度；能縮短酸洗時(shí)間，提高酸洗效率；可以利用弱酸進(jìn)行酸洗；由于降低了酸液的溫度和濃度，減輕了酸液的揮發(fā)，使酸洗帶來(lái)的污染環(huán)境的程度有所緩和。

2.3 電解酸洗法

電解酸洗的基本方法就是把有氧化皮的鋼絲作為陰極或陽(yáng)極，并與外加直流電源連接起來(lái)，依靠外電動(dòng)勢(shì)，加劇在酸液中的電化學(xué)反應(yīng)，從而除去氧化皮。

電解酸洗的特點(diǎn)是酸洗速度快，金屬損耗多，表面質(zhì)量好，同時(shí)酸洗的速度與電解液中酸的濃度及鐵鹽含量的變化關(guān)系很小。電解酸洗通常用在連續(xù)生產(chǎn)線上。

電解酸洗法分：陰極法、陽(yáng)極法、陽(yáng)極陰極交替法。

（1）陰極法。

在硫酸液中，把鋼絲接電源負(fù)極作為陰極，以鉛極或含銻6%～10%鉛合金極接電源正極作為陽(yáng)極。該法缺點(diǎn)是鋼絲產(chǎn)生氫脆的可能性較大。

（2）陽(yáng)極法。

在硫酸液中，鋼絲為陽(yáng)極，陰極為鉛極或鐵極。該法的優(yōu)點(diǎn)是可避免鋼絲產(chǎn)生氫脆，缺點(diǎn)是鋼絲易產(chǎn)生過(guò)腐蝕及表面有殘?jiān)?/p>

（3）陽(yáng)極陰極交替法。

該法不需要鋼絲接外電源，在各個(gè)絕緣隔開(kāi)的槽內(nèi)放置鉛板，鉛板間隔接外電源正負(fù)極，則相應(yīng)槽內(nèi)鋼絲為負(fù)正極。這種方法避免了鋼絲與導(dǎo)電輥接觸時(shí)由于在較高的電流密度下被燒灼的危害。該法可采用較大的電流密度，并且具有陰極和陽(yáng)極法的優(yōu)點(diǎn)。

3 酸洗缺陷及防止方法

3.1 氫脆

由于氫擴(kuò)散進(jìn)入鋼基體引起金屬機(jī)械性能惡化的缺陷叫作“氫脆”。

產(chǎn)生“氫脆”原因：鋼絲酸洗時(shí)，由于酸液與金屬基體的化學(xué)反應(yīng)生成原子氫，這些新生的原子氫一部分化合成氫分子，逸出槽外，另一部分原子氫向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，隨著基體含氫量的增加將使鋼的塑性急劇下降，拉拔時(shí)出現(xiàn)脆斷。

防止鋼絲“氫脆”的方法：主要是嚴(yán)格控制酸洗時(shí)間。

3.2 欠酸洗

酸洗后鋼絲表面氧化鐵皮清除不凈的缺陷叫作欠酸洗。

產(chǎn)生欠酸洗原因：酸洗時(shí)間過(guò)短，酸液的濃度或溫度偏低引起的。欠酸洗還可能由于鋼絲在熱處理時(shí)表面掛鉛，或者鋼絲表面有油污時(shí)引起的。

防止方法：嚴(yán)格遵守酸洗工藝進(jìn)行操作。在鉛淬火時(shí)加以控制掛鉛現(xiàn)象，或者酸洗前應(yīng)注意除掉油污。在酸洗過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)欠酸洗可依據(jù)具體情況進(jìn)行二次酸洗，但二次酸洗時(shí)間要掌握好，以防造成過(guò)酸洗。

3.3 過(guò)酸洗

酸洗后鋼絲表面有凹坑、麻點(diǎn)等腐蝕缺陷叫作過(guò)酸洗。過(guò)酸洗影響拉拔后鋼絲的表面質(zhì)量及其機(jī)械性能。過(guò)酸洗產(chǎn)生后通常是無(wú)法清除的，嚴(yán)重的過(guò)酸洗線材只能報(bào)廢。

產(chǎn)生原因：由于鋼絲在酸中浸漬時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或酸液的濃度、溫度過(guò)高。

防止方法：嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，按工藝制度進(jìn)行酸洗。適量添加緩蝕劑可以較好地防止過(guò)酸洗。

3.4 表面殘?jiān)?/p>

表面殘?jiān)侵覆僮鬟^(guò)程中的攪動(dòng)使沉積物飄浮沉積于鋼絲表面，或鋼絲所含合金元素的鹽類(lèi)在酸洗液中達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)結(jié)晶析出附著在鋼絲表面。

酸洗后殘留在鋼絲表面上的鐵鹽是有害的。常用加強(qiáng)酸洗后的水洗去除表面殘?jiān)Ｈ缢嵋褐需F鹽含量過(guò)高，則應(yīng)及時(shí)更換酸液。

4 氧化皮去除中的環(huán)境保護(hù)

4.1 氧化皮的回收利用

（1）氧化皮生產(chǎn)海綿鐵。

可以用煤粉還原氧化皮，生產(chǎn)出鐵含量高含雜質(zhì)量低且成分穩(wěn)定的海綿鐵。

（2）氧化皮制取還原鐵粉。

氧化皮被還原成含鐵98%以上的海綿鐵，經(jīng)清渣、破碎、篩分磁選后，進(jìn)行精還原，生產(chǎn)出合格的還原鐵粉，然后進(jìn)入球磨機(jī)細(xì)磨，經(jīng)分級(jí)篩得到不同粒度的高純度鐵粉。

（3）氧化皮用作燒結(jié)輔助料或煉鋼助熔化渣劑。

在燒結(jié)混合料中配加氧化皮，一方面由于氧化皮相對(duì)粒度較大從而改善了燒結(jié)料層的透氣性；另一方面氧化皮在燒結(jié)過(guò)程中放熱從而降低了固體燃料消耗。

氧化鐵皮用在煉鋼中作為助熔化渣劑，能夠提高煉鋼效率，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)爐爐體的使用壽命。

4.2 含酸廢水的處理

最常用的方法是利用酸堿中和法，用石灰水與廢酸液進(jìn)行中和處理。

4.3 酸氣的回收

（1）凈化回收。

常用的凈化回收有網(wǎng)格式和噴淋式兩種。

網(wǎng)格式凈化回收是容器內(nèi)帶有多層用塑料紡織的網(wǎng)格的凈化回收裝置。酸霧通過(guò)時(shí)，經(jīng)反復(fù)撞擊，酸霧結(jié)成液滴而落下，從而將酸氣給予回收。

噴淋式凈化回收是用塑料圓筒，筒內(nèi)中部篩板裝有許多填料，以起到增大接觸面積的作用。當(dāng)酸霧進(jìn)入塔內(nèi)緩緩上升，受到循環(huán)水噴淋，將酸氣給予回收。

（2）酸氣中和。

酸氣中和是把酸霧引入堿水池中，用石灰水將酸氣中和。

參考文獻(xiàn)

[1] 張學(xué)輝，王鴻利.鋼絲生產(chǎn)概述[J].科技資訊，2018，16（12）： 117-119.

[2] 董琦，張學(xué)輝.鋼絲生產(chǎn)工藝及設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2016.

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