標籤:鋼材化學清洗

鋼材酸洗是指在鍍鋅等表面處理前,要使帶鋼具有潔凈並有活性的表面,以保證所生產的鋼材的表面質量,為了獲得這樣的表面,需要對鋼材表面進行酸洗處理以除去表面的氧化鐵皮(在保護氣氛或還原氣氛下退火時除外)。

1鋼材酸洗的必要性

熱軋廠生產的熱軋帶鋼板卷,是在高溫下進行軋制和卷取的,帶鋼表面在相應的條件下生成的氧化鐵皮,能夠很牢固地覆蓋在帶鋼的表面上,並掩蓋著帶鋼表面的缺陷。
從軋鋼的角度來講,若將這些帶氧化鐵皮的帶鋼直接送到冷軋機去軋制將會帶來許多問題:一是在大壓下量的條件下進行軋制,會將氧化鐵皮壓入帶鋼的基體,影響冷軋板的表面質量及加工性能,甚至造成廢品;二是氧化鐵皮破碎後進入冷卻潤滑軋輥的乳化液系統會損壞循環設備,縮短乳化液的使用壽命;三是損壞了表面光潔度和加工精度都很高並且價格昂貴的冷軋輥。因此,帶鋼在冷軋之前,必須清除其表面氧化鐵皮,以保證所生產的冷軋帶鋼的表面質量。
從生產熱鍍鋅鋼板的角度來講,採用熱軋帶鋼直接進行熱浸鍍鋅,也要同採用冷軋鋼板一樣,在鍍鋅前要使帶鋼具有潔凈並有活性的表面。為了獲得這樣的表面,需要對熱軋帶鋼進行處理以除去表面的氧化鐵皮,通常的做法是進行酸洗處理。
鋼管氧化鐵皮一般有兩種:一種是在常溫下、在潮濕的環境中,並且有SO2,CO2溶解於水分中起催化作用所生成的氧化物——鐵鏽。這種銹層呈紅褐色,是由兩價和三價的鐵與氧的化合物以及結晶水構成的;另一種是在高溫下生成的氧化物鐵皮,俗稱鐵鱗,是暗黑色或黑褐色。它是在兩種情況下生成的:一是在軋制或焊接時生成的軋制鐵皮,另一是在熱處理過程中由於氧分壓大於鐵的平衡氧分壓所生成的氧化鐵皮 (在保護氣氛或還原氣氛下退火時除外)。
在生產熱鍍鋅鋼管、電鍍鍍鋅鋼管、塗層鋼管或塑料覆層鋼管時,這層鐵皮必須加以清除,否則會對產品質量造成嚴重影響,甚至不能生產出合格的產品。在鍍鋅前即使很薄的鐵皮存在,也不可能鍍上完整、連續的鋅層。在進行塗層或復層處理時,如果不將表面氧化物清除,會引起鼓泡和降低塗復層的耐腐蝕性能。
其它最常見的鋼鐵型材的酸洗是熱軋的角鋼(如輸電鐵塔用)在鍍鋅前也必須進行的酸洗處理。
對於線材,無論是熱軋線材或經熱處理后的半成品鋼絲,其表面均有一層硬而脆的氧化鐵皮層。這些氧化鐵皮一方面影響以後的加工工序,使潤滑塗層不能牢固地和鋼材基體結合;另一方面,在拉拔時,因為氧化鐵皮硬度很高而且比較脆,這樣會刮傷模具和鋼絲表面;再則氧化鐵皮夾在模具與鋼絲之間,不僅會增大鋼絲與模具的摩擦,增大了摩擦力,在嚴重時會引起斷絲;有時氧化鐵皮可能被壓入鋼絲基體中,造成鍍層時產生「翅皮」等缺陷。因此,必需在鋼絲拉拔前去除這些氧化鐵皮層。
同樣對於不鏽鋼材和特殊鋼熱軋材來說,在進行冷軋或冷拔工藝處理之前,都要進行酸洗處理。鋼鐵零件、金屬製品,在進行表面處理如電鍍、磷化、塗層前也都需要進行酸洗處理。

2鋼材表面氧化皮的可酸洗性

(2)較長時間暴露在大氣中產生的銹層
如前所述,在鋼鐵表面生成的銹層中,不僅羥基氧化鐵比較疏鬆,容易溶解,而且銹層中的Fe還會進一步氧化。
在工業區的鋼鐵鏽層中已確認有著FeSO4·7H2O、FeSO4·H2O 和 Fe2(SO4)3的存在。
氧化鐵皮的主要成分是鐵的三種氧化物(FeO、Fe3O4、Fe2O3)。它們都是難溶於水的兩性氧化物,它們可以在適當的條件下,與強鹼和酸進行複分解反應,生成能溶於水的鹽。
通過複分解反應,鋼鐵表面的氧化鐵皮就可經從鋼材表面除去。但是在工業上,除了對不鏽鋼表面進行處理時使用強鹼除去表面的鐵、鉻和硅的氧化物外,都是使用強酸的水溶液對鋼材進行化學處理以除去鋼材表面的氧化鐵皮。
在工業生產中進行酸洗化學處理時,還有的將鋼材作為電極,通以電流來提高酸洗的質量和酸洗的速度,即所謂的電解酸洗方法。
目前在鋼鐵的酸洗上主要使用的硫酸酸洗和鹽酸酸洗的方法。

3鋼鐵酸洗的基本原理

鋼鋼材表面上的氧化鐵皮(FeO、Fe3O4、Fe2O3)都是不溶解於水的氧化物,當把它們浸泡在酸液里時,這些氧化物就分別與酸發生一系列化學反應。
由於碳素結構鋼或低合金鋼鋼材表面上的氧化鐵皮具有疏鬆、多孔和裂紋的結構,加之氧化鐵皮在酸洗時隨同鋼材一起經過矯直、拉矯、傳送的反覆彎曲,使這些孔隙裂縫進一步增加和擴大。所以,酸溶液在與氧化鐵皮起化學反應的同時,也可以通過裂縫和孔隙滲透而與鋼鐵基體的鐵起化學反應。也就是說,在酸洗一開始就同時進行著所有3種氧化物和金屬鐵與酸溶液之間的化學反應,所以,酸洗的過程包括了以下3個方面的作用:
機械剝離作用
鋼材表面氧化鐵皮中除鐵的各種氧化物之外,還夾雜著部分的金屬鐵,而且氧化鐵皮又具有多孔性,那麼酸溶液就可以通過氧化鐵皮的孔隙和裂縫與氧化鐵皮中的鐵或基體鐵作用,並相應產生大量的氫氣。由這部分氫氣產生的膨脹壓力,就可以把氧化鐵皮從鋼材表面上剝離下來。這種通過反應中產生氫氣的膨脹壓力把氧化鐵皮剝離下來的作用,一般把它叫做機械剝離作用。
(1)大量消耗鋼鐵材料和酸
在酸洗的過程中,有的主要通過酸與鐵皮的化學反應,溶解相應的金屬氧化物的溶解作用來除去鐵皮。有的,如使用硫酸進行鋼材酸洗時,還要藉助於酸與鋼鐵發生化學反應產生的氫氣泡的剝離作用來除去氧化鐵皮。因此在酸洗過程中,大量消耗酸是必然的。雖然在酸洗中使用酸洗緩蝕劑可以降低鋼鐵的金屬消耗,但是仍有相當量的金屬鐵損失掉。
(3)會帶來一系列的環境污染問題
採用酸洗工藝對鋼材或零件進行表面處理,由於鋼材的品種、產品的規格和生產的規模各不相同,從而造成了在生產裝備和生產環境方面有著很大差別。如酸洗槽體的密封、對生產設備的腐蝕、酸洗車間的通風排風、酸霧的排出和處理以及污水的處理和排放等方面,處理方法和處理水平相差懸殊。從而會帶來許多環境保護方面的問題,而需要一一加以處理和解決。

(4)廢酸和鐵鹽的處理問題

鋼鐵的酸洗在消耗大量金屬鐵的同時還產生大量的廢酸液與相應的酸和氧化鐵或生成的鐵鹽溶液。為了回收和利用這些廢酸液和鐵鹽,需要較大的投資來建設相應的回收和處理設備。特別是對於一些小型的、小批量的鋼鐵件進行酸洗處理時,往往會出現酸洗廢液難以集中進行處理的情況,一旦發生直接排放的情況,就會對對環境造成嚴重污染。
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