徐言東1，白金龍1，王曉晨1，楊 荃1，余召輝2，馬 駿3
(1.北京科技大學工程技術研究院，北京 100083;
2.河北微軋鋼材貿易有限公司，河北 邯鄲 056008;
3.唐山鋅樂鑫達機械制造有限公司，河北 唐山 063200)
摘 要:長期以來對熱軋板、卷等鋼材表面進行除鱗處理一般采用酸洗技術。由于酸具有腐蝕性，會對產品表面質量和性能產生影響，對操作人員和設備也存在一定程度的損害，同時污染生產環境。隨著國家環境保護更加嚴格政策的強化落地，要求相關企業實現污染物零排放。國內外研究機構都加大了對熱軋鋼材除鱗技術設備的研究力度，研發出了更環保除鱗的新技術和新工藝。本文對現階段已得到應用的免酸洗除鱗技術的特點進行了介紹、綜合對比，并指出熱軋鋼材除鱗技術低成本、免酸洗的發展方向。
關鍵詞:熱軋鋼材;除鱗技術;免酸洗;環保;綠色;低成本
鋼鐵工業是我國國民經濟的重要基礎產業。據不完全統計，到2023年底，我國共有大中型鋼鐵企業4萬多家，2023年我國鋼材產量10.19億t,其中，熱軋帶鋼產量2.6億t，冷軋帶鋼產量不少于8700萬t，需要進行除鱗的帶鋼量達1.65億t,而95%以上帶鋼采用酸洗的方法進行除鱗。
目前，普碳鋼帶鋼除鱗主要采用鹽酸酸洗除鱗技術，酸洗過程中產生大量的強腐蝕性廢棄液，僅重點鋼鐵企業每年排放的廢液量就不少于30億 ｍ3?；瘜W酸洗工藝除鱗效率低，處理過程中容易產生過酸洗、欠酸洗等問題，產品質量、性能無法全部滿足使用要求，并產生大量廢酸、廢水、廢氣、廢渣，對操作人員和設備造成損害，導致企業運維成本升高且污染環境[1-3]。國內外學者針對熱軋鋼材的酸洗工藝技術進行了長期研究，目前已研發出拋丸-除鱗、高壓噴射除鱗、電解除鱗、MEC技術、差速軋制等免酸洗除鱗技術，這些技術可以有效取代傳統的鹽酸酸洗除鱗技術[4]，更契合我國鋼鐵工業綠色制造的當前發展需求。
1熱軋鋼材酸洗除鱗技術
1.1 熱軋帶鋼表面氧化鐵皮結構
帶鋼熱軋軋制溫度約為870°C，軋制過程中帶鋼接觸空氣，在其表面會生成氧化鐵皮[5-10]。
氧化鐵皮呈現出內層FeO和Fe3O4、中間層Fe3O4、最外層Fe2O3的3層結構，其質量占比為80:18:2,其中，FeO在酸中溶解度最好、Fe3O4次之、Fe2O3。最難溶解[11-12]。帶鋼表面氧化鐵皮截面形貌如圖1所示。帶鋼表面氧化鐵皮厚度一般為7.5~15um，單重約35~55g/m2,氧化鐵皮造成的材料損失約為1.5%~3.0‰。
1.2酸洗除鱗技術
酸洗過程中鹽酸通過以下3種作用去除帶鋼表面的氧化鐵皮:
(1) 溶解作用:鹽酸通過氧化鐵皮的裂縫滲透其中，與其發生化學反應，對其進行溶解;
(2)剝離作用:鹽酸滲入鐵基體，與其發生化學反應生成氫氣，在氧化鐵皮與鐵基體間產生的氫氣壓力將氧化鐵皮剝離;
(3)還原作用:鹽酸中氫離子將氧化鐵還原為氧化亞鐵，易于酸洗去除。
酸洗設備主要有連續臥式酸洗機組、連續塔式酸洗機組、推拉式酸洗機組3種形式。目前對于酸洗廢液的處理主要采用高溫焙燒法，一套生產線需投資1000萬~2000萬元不等;處理過程中產生的高溫煙氣含有較高溫度的HCl，容易形成酸霧、酸雨，對環境與操作人員生命健康帶來危害。酸洗除鱗技術是傳統技術，其生產成本受環保政策的制約，廢酸焙燒處理過程中每噸固廢需消耗80~90m3天然氣，按天然氣均價5元/m3計算，僅這項費用就達到450元。目前，按國內環保標準運營的酸洗線其生產成本:生產3mm厚碳鋼帶鋼，生產成本為70~80元/t,生產1.5mm厚碳鋼帶鋼，生產成本為100~160元/t。按歐洲環保標準，成本還應增加2~3倍;按美國環保標準，成本則增加4倍以上[13-15]。
2 免酸洗除鱗技術及其實例
2.1 拋丸除鱗技術
拋丸除鱗技術利用高速旋轉的葉輪為磨料顆粒提供極大的離心力，將其高速拋向待處理鋼材，以去除鋼材表面氧化鐵皮[16]。
拋丸除鱗技術裝備作為標準裝備配置于球扁鋼、中厚板的精整生產線上。近年來，通過對磨料顆粒能量的優化，也擴展應用于帶鋼表面的除鱗[17]，在河鋼舞鋼、重鋼、唐鋼等企業的熱軋帶鋼生產線上已得到應用。
拋丸除鱗技術的主要特點:
(1)拋丸除鱗后鋼板表面清潔度較好，表面粗糙度與酸洗除鱗的相比降低了一半;
(2)拋丸除鱗后鋼板表面抗腐蝕能力強，無酸洗鋼板放置后出現銹斑的現象;
(3)拋丸除鱗技術工藝過程清潔、可循環，對環境的影響較小。
2.2 SCS除鱗技術
SCS(Smooth Clean Surface)除鱗技術源于日本，2003年，美國TMW公司將其應用于板材生產，并申請了專利;2006年，該技術被進一步推廣應用到英國、西班牙、美國、比利時等國家10余條帶鋼生產線。SCS除鱗技術裝備如圖2所示，在密閉空間內研磨輥對帶鋼表面進行研磨處理，研磨輥可上、下自動調節，由循環過濾水沖刷帶鋼，帶鋼表面最終形成致密的FeO氧化鐵皮薄層。
SCS除鱗技術的主要特點:
(1) 運行成本低，占地面積小;
(2)SCS除鱗后帶鋼表面抗腐蝕能力強，表面至少4a不會生銹;
(3)SCS除鱗后帶鋼內應力得到消除，利于后續機加工。
2.3 EPS除鱗技術
EPS(Eco-Pickled Surface)除鱗技術源于 SCS技術，其原理不同于采用研磨輥的SCS技術，而是使用磨料來完成除鱗。在驅動馬達的帶動下，高速渦輪機葉片將水、鋼砂以及水基防銹劑混合物組成的特殊介質噴灑到待處理的帶鋼上、下表面，以去除帶鋼表面氧化鐵皮，實現免酸洗。
2007年，美國TMW公司建設了首條EPS產線，并進行產業化研究和推廣，于2010年取得了開創性進展;2013年，我國山西太鋼建設了首條寬帶鋼EPS免酸洗處理線，目前國內外已有較大量生產線采用了該技術，國內采用該技術的企業主要有浙江金固股份有限公司、張家港盈全實業有限公司、新余市碧水新材料有限公司等，僅在免酸洗汽車大梁鋼板市場上就投入了19條EPS生產線，包攬了免酸洗汽車大梁鋼板市場[18]。
EPS除鱗技術的主要特點:
(1)零排放、零污染，環保水平高;
(2)運行成本低，占地面積小;
(3)EPS除鱗后帶鋼表面質量可達Sa3級(圖3)，無需涂油且不易銹蝕;
(4)EPS產線可與冷軋產線直接相連，除鱗后可自然承接連續熱鍍鋅工序，與產線相容程度高;
(5)EPS除鱗后帶鋼內應力得以消除，表面粗糙度受控，利于后續機加工生產。
EPS技術已入選我國發改委《2016年版國家戰略性新興產業重點和服務指導目錄》、中國環保協會《2017年國家重點環境保護實用技術及示范工程》、國家工信部《產業關鍵共性技術發展指南(2017年)》目錄，屬于可推廣的免酸洗除鱗技術。
2.4 SED除鱗技術
SED 除鱗(Steel Eco-Desaling)技術由長沙礦冶院開發，是一種金屬表面生態除鱗技術，其核心是采用高壓磨料水射流技術對帶鋼進行除鱗:首先，將水系統壓力加到50MPa左右，把經過充分混合的磨料和高壓水通過管路輸送到噴嘴中噴出，由固液兩相。流對鋼材表面進行持續高速擊打除鱗，高效穩定，適用于所有金屬板帶材除鱗，使用的水和磨料可循環使用，實現三廢零排放。
SED技術的主要特點:
(1)物理除鱗，綠色環保，水與磨料可循環使用，“三廢”零排放;
(2)與拋丸處理相比，銷售價格、運行成本等優勢明顯，經濟效益顯著;
(3)除鱗速度可根據實際要求調節，與串聯清理單元數量成正比;
(4)可通過調整丸粒直徑大小的方式控制帶鋼表面粗糙度(圖4)，使帶鋼具有較好的涂鍍性能、防銹性能，防銹時間可超過90d;
(5)可實現生產過程全自動控制，可在線掌握設備運行工況。
2.5 BMD除鱗技術
寶鋼應用EPS技術原理研發了BMD(BaosteelMechanical Descaling)技術，該技術也是將水與磨料顆?；旌闲纬缮淞鲯伾涞浇饘俦砻妫_到除鱗的目的，除鱗效果可滿足后序沖壓工藝等的嚴苛要求。該技術裝備投用初期，試生產了140t熱軋帶鋼，冷軋成品質量達到了酸洗質量水平，表面質量達到了R3.0級，可滿足涂裝漆膜附著力的指標要求。
2009年，寶鋼開始研發BMD技術，項目的中試平臺建設與工業試驗線建設分別于2014、2016年完成，并進行了持續生產驗證;2017年，在安徽合肥基地，寶鋼建成首條商業推廣生產線，至今一直在正常生產和供貨。
2.6 中冶京誠除鱗技術
中冶京誠吸收了國內外無酸除鱗技術的優點，高效集成先進的濕式拋砂除鱗單元技術，研發推出濕式拋砂除鱗技術，并先后在江西新余、鞍鋼成功投用，實現了板卷的批量化生產。
該技術利用鋼砂和水的混合物經過拋砂設備高速拋射到帶鋼表面替代酸洗工序，所用介質可以全部循環利用，無“三廢”產生，所生產成品表面質量符合標準要求(圖5)，成品表面只產生了微弱的加工硬化，對下一步機加工沒有影響，可以完全取代傳統的酸洗技術，對常規酸洗機組不易處理的優特鋼、工具鋼、高強鋼、硅鋼等，其優勢更明顯。
經過濕式拋砂除鱗技術處理的帶鋼表面質量優異，機組不產生廢水、廢氣，在保證產品質量的前提下，大大降低了生產線的投資成本。該技術還具有以下特點:
(1)解決了厚度3mm以下薄帶鋼和6mm以上厚帶鋼難以穿帶的問題，該技術更適合每卷穿帶且厚度規格變化大的帶鋼產品(厚度為2~12.7mm)的生產工藝路線，機組作業率提升20%，機組產能提升30%以上;
(2)機組配備了自主研發的濕式破鱗拉矯機和矯平機對帶鋼進行機械除鱗及矯正板形，能輔助去除帶鋼表面20%~30%的氧化鐵皮，提高了機組的生產效率;雙矯正板形技術，有效改善了帶鋼的板形，平直度小于6I;高效的鋼砂清洗技術避免了鋼砂在帶鋼表面的殘留，提高了帶鋼表面光潔度；
(3)機組具有能夠生產最厚12.7mm，最寬1850mm鋼卷的能力;配備的橫切剪可以剪切厚度為12.7mm的高強鋼鋼板;矯平機矯直力可達3500kN，較國內外同類生產線可生產的產品規格范圍更寬。
該技術已申報多項關鍵設備及工藝技術專利，已在鞍鋼投用，其主要生產汽車大梁鋼、集裝箱板等高端產品，經過濕式拋砂除鱗后的帶鋼表面銀亮，毛化均勻。鞍鋼濕式拋砂除鱗機組如圖6所示。
2.7 鋼材熱軋過程氧化控制技術(“黑皮鋼”生產技術)
該技術的要點是在熱軋過程中采用技術手段優化控制鋼材表面氧化鐵皮的形成及其結構，形成以黑色FegO為主的致密氧化鐵皮(“黑皮鋼”)，其可在后續機加工過程中隨鋼板變形而不脫落，無需再進行酸洗處理，可以直接沖壓處理[15]。
2006年以來東北大學劉振宇教授項目組和鞍鋼、太鋼、寶鋼等鋼企合作，開發了鋼材熱軋過程氧化控制技術，構建了多因素耦合的熱軋氧化控制理論[19-20]，主要應用于免酸洗汽車大梁鋼的生產，實現了氧化鐵皮調控數字化、智能化，大幅提升了大梁鋼表面質量。
該團隊對多因素耦合的熱軋氧化理論進行了系統研究，并圍繞熱軋過程氧化鐵皮與基體界面平直度控制、氧化鐵皮厚度和結構演變進程精準控制等核心問題展開了系統研究，建立了鋼材熱軋過程氧化鐵皮結構的演變模型，開發了高精度模型并利用機器學習和智能優化理論，實現了模型參數的動態優化?；诖耍瑯嫿藷彳堜摬难趸F皮智能控制系統，根據需求優化設計熱軋工藝，實現了熱軋鋼材氧化鐵皮的智能控制
熱軋鋼材氧化鐵皮智能控制研發路線如圖7所示。該技術的主要特點如下:
(1)對板帶進行噴淋冷卻快速降溫，使其表面氧化鐵皮結構轉變為皴裂的脆性結構，采用常規高壓水即可將其去除;
(2)根據氧化鐵皮與鐵基體間的界面彎曲度與工藝參數間的關系，開發了氧化鐵皮與基體界面平直度控制技術，使氧化鐵皮與基體界面彎曲度較常規工藝降低25%以上，使生產的板帶產品滿足我國重大海洋工程對其表面色差的嚴苛要求;
(3)研發了適用于熱軋環境的氧化鐵皮相變控制技術，用于生產400~800 MPa級免酸洗板帶產品，大幅降低了冷加工氧化鐵皮掉粉量，節能降耗;
(4)利用實驗和生產數據結合機器學習手段，構建了基礎數據庫和冷卻相變模型，實現了氧化鐵皮厚度高精度動態軟測量，從而實現了對氧化鐵皮的動態跟蹤及對其有效控制。
東北大學通過10余年對鋼材熱軋過程中氧化機理的研究，構建了獨特的熱軋鋼材氧化理論和成套控制技術，在鞍鋼、河鋼、太鋼、寶武、馬鋼、漣鋼等19家鋼鐵企業的熱連軋、中薄板坯連鑄連軋、薄板坯連鑄連軋、中厚板、高速線材等45條產線上得到了應用，產品覆蓋到了碳錳鋼、低碳鋼、低合金高強鋼、高碳鋼、無取向硅鋼及低溫用鋼等，其具有廣闊的推廣應用前景。
2.8 電解除鱗技術
電解除鱗技術采用中性鹽水溶液作為電解液，帶鋼在經過機械剝殼后，進入由若干電解槽組成的除鱗裝置，在數學模型精準控制下，利用電解原理，通過電極的交互作用，使帶鋼表面氧化鐵皮脫離基體，實現對帶鋼表面的除鱗。
該技術需掌握最佳電流密度、電解液溫度、電解液濃度優化控制等核心技術，具有以下特點:
(1)電解槽電極結構優化技術為國內首創;
(2)電解槽自動控制技術為國內首創;
(3)配套裝備集成優化技術為國內首創;
(4)氧化鐵皮電解過程中需消耗水和電能，但不消耗其他原料;
(5)電解液經過過濾系統分離出氧化鐵后可循環使用;
(6)電解除鱗過程中生成的氣體主要是氫氣、水蒸氣和部分空氣，經過處理可獲得高純度氫氣，其副產物處理容易，有一定經濟效益，綠色環保。
2.9 MEC除鱗技術
MEC(Mopper Ecology Clean)除鱗技術主要是利用旋轉的硬質材料除鱗輥刷磨鋼材表面的氧化鐵皮，關鍵技術是將分散的硬質研磨材料均勻牢固地附著在除鱗輥上。根據不同鋼材表面氧化鐵皮結構的不同，調整研磨材料的配比，實現對不同鋼種的除鱗。
在研發研磨材料的基礎上同步開發了新型除鱗輥技術，保證研磨材料能夠充分接觸鋼材表面，便于打磨去除鋼材表面氧化鐵皮。在除鱗過程中需對鋼材邊打磨邊沖洗，沖洗水沉淀過濾后可循環使用，過濾出的氧化鐵皮可以直接回收使用。該技術的主要特點為高效、環保、零排放，具體如下:
(1)能譜分析表明該技術不會改變鋼材基體的各項物理性能，金相顯微鏡下可觀察到鋼材表面存在不影響后續加工使用的輕微劃痕，測量劃痕深度約為1~2um;
(2)采用的研磨材料隨氧化鐵皮一起沉淀、壓濾、干燥后可直接供鋼廠回爐使用;
(3)生產中使用的沖洗水經過濾后可循環利用，不排放，生產中無廢水、廢氣排出，三廢零排放。
MEC除鱗技術可廣泛適用于碳鋼、低合金鋼、高合金鋼(不銹鋼)等鋼材(盤條和帶鋼)的除鱗，目前已實現了工業化量產。
2.10 差速軋制除鱗技術
差速軋制除鱗技術采用快速旋轉的平整工作輥，對移動的熱軋帶鋼進行1000kN以上的壓力下的差速摩擦除鱗。2016年，該技術獲國家發明專利，經差速軋制除鱗加工的帶鋼產品可替代部分冷軋帶鋼使用，比傳統冷軋帶鋼生產工藝節省多道次冷軋與高溫退火工序，大幅降低了生產成本。
熱軋帶鋼差速軋制除鱗技術采用的差速是指平整工作輥旋轉的表面線速度與被平整的熱軋帶鋼移動的速度形成差速(圖8)。根據庫侖摩擦定律，除鱗摩擦力與平整工作輥對熱軋帶鋼表面的正壓力及平整工作輥表面與熱軋帶鋼表面接觸區的相互摩擦速度即差速成正比。差速平整除鱗過程中平整工作輥對熱軋帶鋼表面的正壓力比美國SCS技術金屬刷輥對熱軋帶鋼表面的正壓力高幾倍到幾十倍，從而使軋制除鱗效果顯著提高，在小于20mm長的摩擦除鱗區即實現了80m/min的除鱗速度。相比之下，鞍鋼EPS除鱗生產線使用22m長噴射鋼砂除鱗區，還未達到同樣的除鱗速度。
差速軋制除鱗技術在除鱗效率、生產速度、生產成本及除鱗后帶鋼表面質量方面均取得領先于美國EPS除鱗技術的指標。特別是差速軋制除鱗后的熱軋帶鋼已成功用于冷軋生產，可生產0.18mm厚冷軋帶鋼與0.15mm厚超薄電鍍錫帶鋼，這是美國EPS除鱗技術16a的發展歷史上和在中國10a的發展歷史上沒有實現的突破。
該技術的主要成果與創新點如下:
(1)通過軋輥與軋件的速度差去除軋件表面氧化鐵皮，除鱗速度可達80~150m/min;
(2)差速軋制除鱗后帶鋼表面無明顯硬化且光潔，成品帶鋼表面粗糙度可控;
(3)除鱗工藝段綜合成本每噸僅29.38元，具有高度的經濟、社會、環保意義及收益;
(4)該項科技成果擁有完全自主知識產權，屬國際領先水平的創新。
該技術正在加快推廣應用:
(1) 某企業正在籌備建設第1條65萬t/a差速軋制除鱗示范生產線，產品種類除了生產冷軋原料帶鋼之外，還能以低于酸洗成本(50元/t以下)生產出較高附加值免酸洗平整帶鋼、免酸洗汽車大梁鋼板、免酸洗冷成形帶鋼和免酸洗冷軋帶鋼，該生產線投資不大于3000萬元，低于酸洗線投資;
(2)某企業擬將1套軋機機組改造為年產25~30萬t“冷軋與差速軋制除鱗”一機兩用機組，改造費用不大于120萬元，既可以提供免酸洗冷軋原料保證冷軋與退火之需，又可以根據市場需求靈活生產各種免酸洗產品和原有冷軋退火產品
2.11 免酸洗除鱗技術對比
上文中10余項免酸洗除鱗技術各有優缺點，對其進行了總結，如表1所示。
3結語
目前投入應用的各類無酸除鱗技術大都存在系統過于復雜、故障率高、穩定性不足、產能低等局限，在磨料回收利用、供砂系統、噴嘴壽命、高壓泵性能以及除鱗效果等方面還有待改進，尤其是在處理以較快速度移動的寬帶鋼時，難以在整個寬度方向保證噴射均勻，導致局部除鱗不足或過度暴露，影響產品質量，使其應用范圍受到限制。目前無酸除鱗技術應用在型鋼、鋼管、中厚板、窄帶鋼上比較多，特別在處理不銹鋼、硅鋼等不易用鹽酸酸洗的帶鋼方面有優勢，碳鋼寬帶薄板的無酸除鱗應用仍較少。
傳統酸洗工藝有技術成熟、產能高、質量穩定的優點，通過不斷改進工藝、降低排放指標、改善操作環境，依然是當前眾多鋼鐵企業的首選。SED、電解、MEC等新型除鱗技術攻克了行業性難題，改變了美國TMW獨占鰲頭的形勢，一定程度上可以取代酸洗工藝，擁有廣闊的市場前景。浙江金固公司把美國TMW公司技術獨家引進中國、BMD和中冶京誠除鱗技術的應用，可部分實現免酸洗零排放。鋼材熱軋過程氧化控制技術構建了熱軋氧化理論體系與成套技術，率先實現了由經驗試錯向系統的智能化控制的轉型。差速軋制除鱗技術在熱軋帶鋼表面除鱗效率、除鱗成本與提高產品表面質量方面，均取得領先于相似除鱗技術的指標。
下一步應重點降低設備投資、使用及維護的成本，提高產能，提高產品質量穩定性，對推進新建或改造現有生產線有極大的現實意義。
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