去除氧化铁皮的新方法介绍

工艺创新

工艺装备

　2010年第3期

去除氧化铁皮的新方法介绍

I ntr oducti on of Ne w DescalingMethods

余万华,周斌斌,陈龙/Y U W an 2hua,ZHOU B in 2bin,CHEN Long

作者单位:北京科技大学,北京100083

作者简介:余万华(1966—),男,籍贯湖北,副教授。2003年获英国谢菲尔德大学材料工程系博士学位,在英国以博士后身份工作2年

[2002年1月—2004年1月],2004年4月回国,在北京科技大学材料学院任教,主要研究方向:从事模拟钢的微观组织变化以及

温度和电磁场模拟研究。E 2mail:ustby wh@sina .

com

目前,在大多数钢厂生产中,氧化皮的形成一般都会造成1%～2%的材料损失,而且通常是工厂中产量损失的最大来源。这种损失至少70%是发生在加热过程中的,这取决于轧制过程、料板尺寸和料板温度,其中在轧制过程中第二次氧化皮的形成会造成30%的损失(见图1)。总的加载金属的1%～2%的损失值是合理的目标,大多数工厂由于各种原因一次又一次的经历了严重的损失

。

图1　在成型产品工厂中的产量损失的来源

氧化铁皮的形成原因

经典模型　经典铁的氧化理论已为大多数人所熟悉。然而,由于各种原因,重新加热过程中合金钢上的氧化以及氧化皮生长机制模型并不容易建立,而且技术文献方面也有很多矛盾的地方。钢的可视检测表明它是呈层结构,而且显微检测表明

通常是三个明显的层(见图2)。标准的重加热温

度下,钢的表面形成三种类型的铁氧化物———方铁矿(Fe O )、磁铁矿(Fe 3O 4)和赤铁矿(Fe 2O 3),这些相的相对比例通常是:Fe 2O 3约占1%、Fe 3O 4约占4%、Fe O 约占95%。这些相的相对比例随着钢的类型和加热条件的不同而不同。从Fe -O 相图(见图3)可以看出在大约700℃以下,氧化很小,直到

温度达到1000℃以上,否则氧化不会扩大[1]

。在此温度以及更高的温度,氧化层很快形成,而且进一步氧化的速率由加热气氛中和向钢/氧化界面扩散的氧离子供应情况决定(见图3)。

实际氧化铁皮形成的影响因素　经典模型所预测的氧化皮形成的值之所以没能反映出实际的情况有很多原因。在工业生产中氧化皮形成的影响因素总结如下:加热温度、时间、加热炉气氛、氧化层结构、钢容量。在这些因素当中前两个是最重要的,而且它们的影响通常遵循着经典理论关系。

6

4

工艺装备

工艺创新

2010年第3期

图2　

经典氧化层图

图3　Fe -O 相图

其余三个因素有着不同的导致结果与经典模型有些偏离的效应。

加热温度和时间对氧化铁皮形成的影响　由于氧化速率取决于扩散和原子运动,它随着温度指数的增加而增加。钢的温度和氧化速率的关系由A rrhenius 方程给出:

h ∝e

Q

R T

(1)

式中,h 为氧化铁皮的厚度,mm;Q 为激活能,J;T 为加热温度K;R 为气体常数。然而,由于这是个扩散控制过程,它与时间的关系可以由一个抛物线描述,氧化铁皮的厚度

h ∝t

1

2

(2)

式中,t 为加热时间,h 。随着氧化皮厚度的增加,扩散距离变长,因此氧化速率就降低了。

通过时间/温度的组合曲线(见图4)描述了经典的氧化皮形成模型,可以用来估计重加热过程中金属损失的量。这个模型预测出的金属损失量可以可靠地用来对比不同加热情况,而且能阐明时间的增加和料板表面温度增加的影响。要想达到比较的目的,此模型是很出色的,例如,可以对比卸载温度的增加导致的产量损失并给出增加的比例,或者作为新的熔炉设计工作的预测工具。然而,与实际的熔炉的料板卸载氧化皮测量相比,模型预测值有些低,通常低30%左右

。

图4　随时间变化金属的损失

加热炉内气氛对氧化铁皮形成的影响　加热

炉内的气氛按性质可以分成三类:氧化气氛,有过剩空气和自由氧;含有燃料完全燃烧的生成物,如CO 2和H 2O 等中性气氛;除完全燃烧生成物外,还有CO 和H 2等还原气体。

当炉中的氧化气体增多时,氧化气氛浓度就越大,氧化铁皮的生成量就愈多。使钢锭损失的气氛按作用大小排列为H 2O ,O 2,CO 2和空气。

炉中的另一个组成成分是S O 2。燃料中含S 时,与空气中的O 2化合成S O 2。S O 2愈多,生成的氧化铁皮量愈多,低碳钢尤为显著。且硫化物会增加氧化铁皮与金属间的接触黏度,导致氧化铁皮清除困难

[2]

。

高压水去除氧化皮

高压水去除氧化皮(HP W )法是当前热轧厂中

7

4

工艺创新

工艺装备　2010年第3期

去除氧化皮时最常用的方法。本质上说,所有的HP W去除系统,不管是初级的还是二次装置,都有一个将系列喷嘴喷出的水传递到前端的水泵,系统之间最大的差别就是这个前端的设计[3]。

有两个因素影响水压去除氧化皮法的效率。首先是喷水式的机械冲击效果,直接用力的作用去除氧化皮;其次,是喷溅的冷作用使钢表面产生的微分热收缩,使氧化皮从钢上脱落。高压水除鳞机理示意图见图5。有两个参数可以说明HP W去除氧化皮法的特点,其一是喷在钢表面的水的冲击压和去除氧化皮的特效水冲击,其二是应用到钢表面的水的量。上述两个参数可能根据喷嘴类型、前端压力、喷嘴承受距离和料板速度等不同而改变。S W I的定义式为:

S W I=

G

B xV

(3

)

式中,G为水流量,L/s;B为喷射宽度,m;x为喷嘴

承受距离,m;V为料板速度,m/s。

图5　高压水除鳞机理示意图

许多研究者带着建立标准设置的想法,研究了

冲击压和S W I对于去除氧化皮的影响,得出的值

各不相同,其原因可能是所研究的氧化皮类型和加

热条件不同。这说明了研究者在指定恰当的HP W

去除法的具体要求时的困难和不一致。图6给出

了不同等级的钢的氧化皮去除条件范围。

表面生态酸洗去氧化皮法

表面生态酸洗(EPS)是新型环保酸洗法,用于

去除扁平材在热轧过程中形成的氧化层(氧化铁

皮)。EPS采用独特的

“泥浆喷射”技术,用水和磨

料的混合物冲击运行的钢带,实现了机械法除鳞,

所以也称喷浆除磷。泥浆冲击钢带的力度、角度和

均匀性都能够精确控制,可彻底除鳞,而对钢带基

板没有任何腐蚀。

图6　不同钢的有效去除氧化皮的条件

EPS技术的研发与试验,证实EPS技术比干

式喷丸法或酸洗除鳞法具有更多的优点:投资成本

低,操作成本低,能耗适中;EPS设备布置紧凑,过

程具有可量测性,采用模块化设计;采用清洁工艺,

泥浆循环利用,扩大磨料重复利用范围;有与SCS

刷洗技术集成的附加功能,钢带基板无砂丸或磨料

嵌入,不需要或不产生危险物质,能改善带钢表面

粗糙度;有改善带钢板形的附加功能。

采用EPS技术,可通过改变磨料特性以及喷

丸模式的力度和角度获得指定的表面粗糙度结果。

这就可以保证生产特定表面质量的产品,满足涂层

或镀层的不同用途,还能保证较高的涂料黏附

力[4]。

表面生态酸洗(EPS)去氧化皮法机理　喷浆

技术比普通的干式喷丸法更先进,广泛用于钢材或

加工件的除锈,是一种新的非常有效的除鳞方法

(“喷浆”法),同时采用了喷丸清理和喷丸硬化处

理。砂浆由细金属磨料颗粒和“载流液体”(最常

用的一般是水)组成,砂浆被送进旋转的抛浆机,

抛浆机将砂浆高速喷出,横穿被清洗件的表面,以

完成清洗,见图7。将清洗介质混入载流液体以去

掉残渣,并且能保留下数微米厚的维氏体层即防锈

层,见图8,有助于防锈。

喷浆法具有很强的适用性,特别适用于涂油或

生锈较厉害的钢板在翻新之前的清洗,使铸件、冲

压件和加工件彻底除鳞、除锈和脱脂。因为金属磨

料和水的混合液可实现钢带的“机械酸洗”,所以,

尤其对于热轧带钢除鳞来说,这种方法非常具有潜

力。喷浆除鳞的主要问题是如何使磨料均匀地喷84