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摘要氧化铁皮由最外层红色Fe2O3，中间层磁性Fe3O4，以及最内层的FeO组成。盐酸酸洗4min后表面出现基体钢板斑点，6min后表面氧化铁皮基本去除，裂纹对酸洗的速度影响较大。相比于盐酸，以磷酸为基底的复合多元酸GF2＆GF1具有可重复使用、无排放等优点，同时不存在产生裂纹的问题。在变形相同的前提下，压应力的除鳞效果显著好于拉应力，为了达到破鳞效果，必须迫使钢材产生较大变形。
关键词：酸洗;除鳞;拉伸;冷轧
引言
高压水除磷、机械除磷、酸洗除磷是热轧钢板常见的除磷方法。高压水除磷，高压水流的冲击使得钢板表面氧化铁皮脱落，由于其耗水量较大，因此带来一系列环保问题;机械除磷，由于效率低下，粗糙度较大，没有得到广泛的使用;酸洗除磷，中长期以来普遍应用于热轧板、卷、浸镀件等表面的除鳞处理，盐酸为最广泛使用的酸洗材料，但因其具有较强的腐蚀性，导致产品的表面质量、性能无法满足大部分产品的使用要求，同时，对人员、设备以及环境造成危害。另外，由于运行和维护成本比较高，厂家均面临市场销售压力，需要控制成本，因此，探索出新型、高效的除鳞方法成为迫切需求。
1钢的高温氧化特征
1.1铁的氧化和氧化皮的构造
铁在高温时生成的氧化物为FeO、Fe3O4和α-Fe2O3。FeO在570℃以上时是稳定的,在570℃以下时的氧化不会生成FeO。严格说来,FeO中的Fe和O的比例并不是1:1,而是1：0.84-0.95,Fe的比例大。由于FeO中存在着许多Fe离子缺陷,因此,FeO中的Fe离子扩散比Fe3O4和α-Fe2O3中的Fe离子扩散明显更快。高温氧化时,Fe离子会从Fe/FeO界面向FeO中扩散,到达FeO/Fe3O4界面。Fe和Fe3O4在该界面的反应会生成FeO。同样,Fe离子在Fe3O4中扩散后,在Fe3O4/Fe2O3界面也会生成Fe3O4;Fe2O3中O离子的扩散,会在Fe3O4/Fe2O3界面生成Fe2O3。由于FeO中Fe离子的扩散速度快,因此,铁在高温下发生氧化的情况主要是FeO的氧化,在10000℃时FeO、Fe3O4、Fe2O3的体积比为95:4:1。
1.2合金元素对氧化皮生成的影响
普通钢含有许多的合金元素,合金元素可以分为比Fe更容易氧化的元素和比Fe更难氧化的元素。Si、Al、Cr、Mn和Ti比Fe更容易氧化,因此,会形成氧化物,Ni和Cu等比Fe难以氧化,因此,它会作为金属在钢的表面富集。由合金元素形成的氧化物,在其量少的期间,会在FeO中发生固溶,但当氧化物的量增加时,它就变得难以固溶,而是作为独立的氧化物相出现。同样,难以氧化的元素也会在Fe中发生固溶,但当氧化物的量增加时,它就变得难以固溶,而是作为单独的金属析出。1)Si的影响。在添加Si的情况下,Si氧化物会与Fe氧化物同时生成。在FeO和SiO2之间作为稳定相会生成复合氧化物——铁橄榄石(Fe2SiO4)。由于Fe2SiO4在FeO中的固溶度小,因此,即使钢中的Si含量很少,也能看到在氧化皮中,Fe2SiO4是作为独立的氧化物相存在。Fe2SiO4起着阻碍离子层扩散的作用,可以减缓氧化速度,但当Fe2SiO4在FeO/Fe3O4共晶温度(11730℃)以上时,会变为熔液,反而会促进氧化。在热轧工序中由于Fe2SiO4处于共晶温度以上,因此,Fe2SiO4在炉内的氧化速度快,在轧制生产线中由于Fe2SiO4处于共晶温度以下,因此,可以抑制Fe2SiO4的氧化。2)Al的影响。在添加Al的情况下,在FeO和Al2O3之间存在着FeO·Al2O3(铁尖晶石)的复合氧化物,当Al添加到5%左右时,在最内层会生成FeO和Al2O3。由于FeO和Al2O3起着阻碍离子层扩散的作用,因此,可以减缓氧化速度。FeO/FeO·Al2O3也存在着共晶点,如果轧制温度超过该共晶点,FeO/FeO·Al2O3就变为熔液从而促进氧化。由于共晶温度为1320℃,且实际的热轧工艺是在低于该温度的情况下进行轧制,因此,共晶温度的影响较小。3)Cr的影响。FeO-Cr2O3会生成FeO·Cr2O3的尖晶石型复合氧化物,随着Cr添加量的增加,除了生成FeO·Cr2O3外,还会生成Cr2O3。如果生成FeO·Cr2O3,由于Fe离子的扩散速度会减小,因此,氧化速度也会减小。如果生成Cr2O3,氧化速度会进一步减小。如果FeO-Cr2O3的FeO在熔点以下,就不会产生熔融层。因此,没有发生因Cr促进氧化/抑制氧化的变化。
2高压水除鳞时氧化皮的脱落性
2.1高压水除鱗试验
试验装置由加热炉和高压水喷射部分组成,它可直接将高压水喷射到在炉内加热后的供试材。采用机械加工法将试样切成F30mm×26mm后,用砂纸将表面研磨至1200号并进行脱脂。首先,一面将氮以5L/min的流量流过,一面将试样加热到1060℃后,将空气以1L/min的流量混合180s,由此使表面生成氧化皮膜(氧化皮)。接着,将吹入的气体改为氮气后,再将试样温度设为1010℃后,以10、15、20、30MPa的压力喷射高压水0-35m/s。
2.2压力和流量对氧化皮脱落性的影响
在1060℃时吹入空气180s后会生成大约20μm厚的氧化皮。在该氧化皮上喷射10-30MPa的高压水2.4-3.5ms。不论采用何种水压,在距离水流的喷射中心半径2mm以内的区域中,直径10-200μm左右的氧化皮发生了点状脱落,其后随着喷射时间的延长,脱落部的面积会扩大。喷射压力越高,氧化皮会在越短的喷射时间内发生点状脱落,且脱落部分面积的扩大速度也很快。
3氧化铁皮形貌及组成
低倍数下，试样表面氧化皮较为均匀致密。当放大倍数为1000和2000倍时，可以清楚的看到氧化皮表面有交错的网状裂纹。放大到更高倍数时(4000倍以上)，可以清楚看到氧化皮的氧化物颗粒之间有明显的空隙。同时，还可以观察到氧化皮表面有亮白色点状颗粒。空隙是氧化膜应力的作用和热胀冷缩导致应力分布不均匀共同引起的，因此产生片状分裂。裂纹是供给基体铁原子进一步被氧化的通道，氧气可以通过此通道进一步氧化，增加氧化皮的厚度。
4氧化铁皮的内应力状态
(1)生长应力，氧化物与基体体积差异所造成的内应力;(2)温度应力，成因是氧化物与基体热膨胀系数差异所造成的应力。氧化物的体积与形成该氧化物消耗的金属的体积之比(Pilling-bedworthＲatio，PBＲ)是判断氧化膜完整性的一个重要判据，PBＲ是氧化膜内产生生长应力的主要因素之一。
结语
磷酸为基底并添加其他无机酸和有机酸构成的复合多元酸GF2并配合酸再生剂GF1可以进行酸洗作业，该组合可再生重复使用，无排放，还可以延伸应用到热轧板、卷表面除鳞作业，取代传统盐酸除鳞技术。生长应力及温度应力直接影响氧化物的清除效果，采用机械除鳞应利用这种压内应力。在变形相同的前提下，压应力的除鳞效果显著优于拉应力。
参考文献
［1］崔卫中．热轧带钢表面氧化铁皮成因及去除方法［J］．山西冶金，2010，(3):25－26，33．
［2］魏天斌．热轧氧化铁皮的成因及去除方法［J］．钢铁研究，2003，(4);54－58．