碳素钢丝生产中的氧化皮去除

摘 要：碳素钢丝热轧线材作为钢丝拉拔的主要原料，其表面氧化皮主要由FeO、Fe3O4、Fe2O3组成。线材表面氧化皮在拉拔前要去除，去除方法有：机械法、化学法、电解酸洗法。其中，机械法包括反复弯曲法、喷丸处理法、组合式处理法等；化学法包括盐酸酸洗法、硫酸酸洗法、超声波酸洗法；电解酸洗法分为阴极法、阳极法、阳极阴极交替法。酸洗缺陷如氢脆、欠酸洗、过酸洗、表面残渣的产生原因及防止方法。最后介绍了氧化皮去除中的环境保护：氧化皮的回收利用，含酸废水的处理，酸气的回收。

关键词：拉丝 碳素钢丝 氧化皮 表面准备 环境保护

中图分类号：TG356 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（a）-00-03

钢丝生产是以热轧线材为原料，经过表面准备、热处理、拉拔、镀（涂、包覆）层等四大主要工序加工而成。按成品钢丝的不同需要，可能还需进行扒皮、磨光等辅助工序[1]。表面准备的任务和主要目的是去除氧化皮和涂覆润滑载体。线材表面氧化皮的存在会造成钢丝表面缺陷和模具过早损坏，甚至会阻塞模孔，致使拉拔断裂，因此在拉拔前要去除线材表面氧化皮。去除线材表面氧化皮是钢丝拉拔前是非常重要的工序。

1 碳素钢热轧线材表面氧化皮组成

碳素钢热轧线材的表面氧化皮大体由3层组成：贴近钢基体的内层是氧化亚铁（FeO） ，厚度约10-2mm，在酸中最易溶解。中间层是四氧化三铁，厚度约10-4～10-3mm，在酸中较少溶解。最外层是三氧化二铁（Fe2O3），厚度约10-5mm，在热的浓硫酸中也几乎不溶解。整个氧化铁皮的厚度一般在0.01～0.02mm，最厚不超过0.07mm。除了热轧氧化铁皮，若盘条露天裸放，会形成含水三氧化二铁（Fe2O3·nH2O），即黄锈。

2 碳素钢线材表面氧化皮的去除方法

碳素钢线材表面氧化皮的去除方法有：机械法、化学法、电解酸洗法[2]。

2.1 机械法

机械法包括：反复弯曲法、喷丸处理法、组合式处理法等。

机械法去氧化铁皮最大的优点是无公害，占地少，又不会发生氢脆，生产成本较低。

机械法仅适用于中低碳钢丝，很难彻底清除合金钢丝的氧化皮。

2.1.1 反复弯曲法

这种方法是使热轧盘条连续通过不同方向的弯曲时，因弯曲而造成盘条表面的反复延伸和压缩促成表面铁皮疏松剥落，用此法只能除去盘条表面氧化皮量的80%左右，剩余的氧化皮必须经酸洗或其他机械方法除去。生产上用此法处理后的盘条再经酸洗，能大大缩短酸洗时间，降低酸耗和防止过酸洗。

反复弯曲法主要考虑：弯曲辊辊径、弯曲辊布置形式、盘条与辊轮间的包角、牵引力。

2.1.2 喷丸处理法

喷丸处理的作用原理是由高速旋转的摔轮将金属弹丸高速地射向盘条表面，靠金属弹丸的动能打碎铁皮并除去。

喷丸处理法的效率与去皮效果取决于摔轮的性能。摔轮的转速要求在2000～4000r/min。摔轮要求布置在不同方位上，使射向钢丝表面的弹丸能形成均一的扇形面，为此在弹丸抛射处应设置导板并附有弹丸和铁皮的回收分离器。喷丸处理钢丝的线速度按其碳量、氧化铁皮性质、盘条尺寸等不同一般在2～l00m/min。盘条喷丸前应预先进行矫直。

2.1.3 组合式处理法

组合式处理法是指几种机械去皮装置联合组成一套完整的去皮机，如反复弯曲+钢丝刷机械去铁皮、反复弯曲+喷砂机械去皮。

2.1.4 机械法去除氧化皮质量的判断

根据盘条的颜色，判断氧化皮去除情况。盘条颜色呈青灰色表示除锈干净，呈黑色表示除锈不净，呈花黑色表示线材有斑点，没有剥清。

氧化皮去除不净的原因：线材本身质量不佳，如线材表面有凹坑；线材在轧制时，因冷却不当造成表面氧化层致密，不易剥落下来；盘条储运不当，如表面有黄锈、油污等，使除锈效果不佳。

2.2 化学法

化学法包括：盐酸酸洗法、硫酸酸洗法、超声波酸洗法。

化学法使用效果最好，成本也比较低，但污染环境，废弃物要进行环保处理。

2.2.1 盐酸酸洗法、硫酸酸洗法的酸洗原理

（1）酸的溶解作用：氧化皮与酸作用而被溶解，其中主要是FeO与酸发生反应而被溶解。

（2）氢气的机械剥离作用：金属铁与酸作用生成的氫气剥落氧化皮。

（3）氢的还原作用：生成的氢使高价的铁的氧化物和铁盐还原成易溶解于酸的低价亚铁及亚铁盐而被除去。

2.2.2 影响酸洗速度的因素

（1）浓度对酸洗的影响。

硫酸浓度的影响：当硫酸浓度≤23%时，随浓度的增加，酸洗速度加快；当硫酸浓度>23%后，随浓度的增加，酸洗速度下降。

盐酸浓度的影响：随着浓度的增大，酸洗速度也随之增快。提高盐酸浓度是提高酸洗速度的重要手段。

（2）温度对酸洗的影响。

硫酸温度的影响：随着温度的上升，酸洗速度加快。当酸洗温度上升到60℃时，酸洗时间急剧减少，注意防止过酸洗。硫酸酸洗时主要采用升温来提高酸洗速度。

盐酸温度的影响：温度升高能提高酸洗速度。温度升高将产生大量的盐酸酸雾，既增加盐酸消耗，又污染环境，所以一般不采用提高盐酸温度来提高酸洗速度。

（3）铁盐含量对酸洗的影响。

硫酸酸洗中，生成的铁盐主要以FeSO4形成存在。当溶液中FeSO4含量超过溶解度时，就会结晶出铁盐，沉积在钢丝表面，致使酸洗速度大大降低，并沾污钢丝表面。

盐酸酸洗中，生成的铁盐FeCl2在盐酸中的溶解度较大，FeCl2含量的适当增大，有利于提高酸洗速度。

（4）酸洗类型对酸洗的影响。

硫酸酸洗主要靠氢气的机械剥离作用去除氧化皮。

盐酸酸洗，浓度较高的盐酸溶液主要是靠溶解作用除去氧化皮。盐酸酸洗钢丝表面质量较好，缺陷少。盐酸酸洗速度比硫酸酸洗速度快得多。

（5）搅拌对酸洗的影响。

搅拌可加速酸洗速度。

（6）其他因素对酸洗的影响。

钢中含碳量高，则其铁溶解速度增大；冷加工后的钢丝，表面应力不均匀，可加快铁溶解速度；表面光滑的钢丝与酸液的接触面较小，溶解速度较慢[3]。

2.2.3 超声波酸洗法

在连续作业中，使用超声波发生器产生超声波。超声波导体放在酸槽两侧或底部向溶液发射超声波，以溶液中溶解的气体为核心，产生无核气泡，声波每振动一次各气泡随之受一次膨胀和压缩作用，瞬间在溶液内将以很大的能量互相撞击，波能产生达500大气压逐点交替的负高压和正高压。于是使钢丝表面的氧化皮由酸疏松后，迅速而均匀地被清除掉。同时超声波作用还可以使残留在线坯表面凹坑内的固体污物除净。

超声波酸洗的主要优点：可以用低浓度的酸液进行酸洗；可降低酸液的使用温度；能缩短酸洗时间，提高酸洗效率；可以利用弱酸进行酸洗；由于降低了酸液的温度和浓度，减轻了酸液的挥发，使酸洗带来的污染环境的程度有所缓和。

2.3 电解酸洗法

电解酸洗的基本方法就是把有氧化皮的钢丝作为阴极或阳极，并与外加直流电源连接起来，依靠外电动势，加剧在酸液中的电化学反应，从而除去氧化皮。

电解酸洗的特点是酸洗速度快，金属损耗多，表面质量好，同时酸洗的速度与电解液中酸的浓度及铁盐含量的变化关系很小。电解酸洗通常用在连续生产线上。

电解酸洗法分：阴极法、阳极法、阳极阴极交替法。

（1）阴极法。

在硫酸液中，把钢丝接电源负极作为阴极，以铅极或含锑6%～10%铅合金极接电源正极作为阳极。该法缺点是钢丝产生氢脆的可能性较大。

（2）阳极法。

在硫酸液中，钢丝为阳极，阴极为铅极或铁极。该法的优点是可避免钢丝产生氢脆，缺点是钢丝易产生过腐蚀及表面有残渣。

（3）阳极阴极交替法。

该法不需要钢丝接外电源，在各个绝缘隔开的槽内放置铅板，铅板间隔接外电源正负极，则相应槽内钢丝为负正极。这种方法避免了钢丝与导电辊接触时由于在较高的电流密度下被烧灼的危害。该法可采用较大的电流密度，并且具有阴极和阳极法的优点。

3 酸洗缺陷及防止方法

3.1 氢脆

由于氢扩散进入钢基体引起金属机械性能恶化的缺陷叫作“氢脆”。

产生“氢脆”原因：钢丝酸洗时，由于酸液与金属基体的化学反应生成原子氢，这些新生的原子氢一部分化合成氢分子，逸出槽外，另一部分原子氢向金属内部扩散，随着基体含氢量的增加将使钢的塑性急剧下降，拉拔时出现脆断。

防止钢丝“氢脆”的方法：主要是严格控制酸洗时间。

3.2 欠酸洗

酸洗后钢丝表面氧化铁皮清除不净的缺陷叫作欠酸洗。

产生欠酸洗原因：酸洗时间过短，酸液的浓度或温度偏低引起的。欠酸洗还可能由于钢丝在热处理时表面挂铅，或者钢丝表面有油污时引起的。

防止方法：严格遵守酸洗工艺进行操作。在铅淬火时加以控制挂铅现象，或者酸洗前应注意除掉油污。在酸洗过程中，如发现欠酸洗可依据具体情况进行二次酸洗，但二次酸洗时间要掌握好，以防造成过酸洗。

3.3 过酸洗

酸洗后钢丝表面有凹坑、麻点等腐蚀缺陷叫作过酸洗。过酸洗影响拉拔后钢丝的表面质量及其机械性能。过酸洗产生后通常是无法清除的，严重的过酸洗线材只能报废。

產生原因：由于钢丝在酸中浸渍时间过长，或酸液的浓度、温度过高。

防止方法：严格控制工艺参数，按工艺制度进行酸洗。适量添加缓蚀剂可以较好地防止过酸洗。

3.4 表面残渣

表面残渣是指操作过程中的搅动使沉积物飘浮沉积于钢丝表面，或钢丝所含合金元素的盐类在酸洗液中达到过饱和状态结晶析出附着在钢丝表面。

酸洗后残留在钢丝表面上的铁盐是有害的。常用加强酸洗后的水洗去除表面残渣。如酸液中铁盐含量过高，则应及时更换酸液。

4 氧化皮去除中的环境保护

4.1 氧化皮的回收利用

（1）氧化皮生产海绵铁。

可以用煤粉还原氧化皮，生产出铁含量高含杂质量低且成分稳定的海绵铁。

（2）氧化皮制取还原铁粉。

氧化皮被还原成含铁98%以上的海绵铁，经清渣、破碎、筛分磁选后，进行精还原，生产出合格的还原铁粉，然后进入球磨机细磨，经分级筛得到不同粒度的高纯度铁粉。

（3）氧化皮用作烧结辅助料或炼钢助熔化渣剂。

在烧结混合料中配加氧化皮，一方面由于氧化皮相对粒度较大从而改善了烧结料层的透气性；另一方面氧化皮在烧结过程中放热从而降低了固体燃料消耗。

氧化铁皮用在炼钢中作为助熔化渣剂，能够提高炼钢效率，延长转炉炉体的使用寿命。

4.2 含酸废水的处理

最常用的方法是利用酸碱中和法，用石灰水与废酸液进行中和处理。

4.3 酸气的回收

（1）净化回收。

常用的净化回收有网格式和喷淋式两种。

网格式净化回收是容器内带有多层用塑料纺织的网格的净化回收装置。酸雾通过时，经反复撞击，酸雾结成液滴而落下，从而将酸气给予回收。

喷淋式净化回收是用塑料圆筒，筒内中部筛板装有许多填料，以起到增大接触面积的作用。当酸雾进入塔内缓缓上升，受到循环水喷淋，将酸气给予回收。

（2）酸气中和。

酸气中和是把酸雾引入碱水池中，用石灰水将酸气中和。

参考文献

[1] 张学辉，王鸿利.钢丝生产概述[J].科技资讯，2018，16（12）： 117-119.

[2] 董琦，张学辉.钢丝生产工艺及设备[M].北京：冶金工业出版社，2016.

[3] 徐效谦，阴绍芬.特殊钢钢丝[M].北京：冶金工业出版社，2005.