杜玉兰 杜亚伟 范志成 杜海明

（安阳钢铁集团有限责任公司）

0 前言

SWRH82B盘条一般用作预应力混凝土用钢丝与钢绞线的主要生产原料，在钢丝生产过程中需要经多道次大变形直拉[1-2]，最终成品主要应用于桥梁、建筑、电站等重大工程。

近年来，随着环保要求的不断提高，盘条表面准备阶段的酸洗工序将逐渐被机械剥壳、砂带机等除鳞工艺所替代。但对已有工艺成熟的酸洗除鳞工艺来讲，出于工艺匹配、除鳞效果及产品质量等考虑，目前仍然与机械除鳞工艺长时间共存。

笔者拟通过问题的提出、实验室对比研究、氧化铁皮构成、氧化铁皮厚度测定、控制措施及效果等五个方面对不同厂家Φ12.5 mm规格SWRH82B盘条可酸洗性进行比较评价，并提出相应的改进措施，为盘条生产及用户使用提供预期参考。

1 问题的提出

在某钢绞线生产用户现场随机选用A厂和B厂已过时效期的Φ12.5 mm规格SWRH82B盘条各1件进行开卷酸洗。

将两件盘条同时放入相同浓度、相同温度的盐酸新酸（铁离子指标满足要求）酸池内进行酸洗对比试验（如图1所示），并记录酸洗时间、观察酸洗效果。

图1 现场酸洗效果对比

从图1可以看出，A厂盘条在较长时间（＞40 min）酸洗后的酸洗效果依然不够理想，盘条整体呈砖红色。常温水冲洗后盘条挤压部位局部残留青灰色氧化铁皮薄膜，触感极不平滑。B厂盘条在正常酸洗时间内（＜25 min）经常温水冲洗已达到了较好的酸洗效果。

从上述现场酸洗过程可以看出，A厂Φ12.5 mm规格SWRH82B盘条相较同规格B厂盘条更难于酸洗，工艺适应性相对较差。因此，笔者从实验室对比研究、氧化铁皮构成、氧化铁皮厚度测定等方面进行了系列研究。

2 实验室对比研究

2.1 酸洗对比实验

2.1.1 实验条件

（1）实验材料：A厂与B厂一定长度的Φ12.5 mm的SWRH82B盘条截样做对比研究。

（2）实验温度：因工况条件酸洗环境温度为常温，无论冬夏季，无特殊要求。因此，实验过程中实验室温度18～30 ℃能够满足工况要求。

（3）两种对比实验：不同盐酸浓度条件下，A厂与B厂盘条试样的酸洗时间比较；同一盐酸浓度、不同Fe2+/Fe3+离子含量条件下，A厂与B厂盘条试样的酸洗时间比较。

（4）试剂选用：盐酸采用分析纯，配比用水采用去离子水，Fe3O4采用实验用药品试剂。

（5）实验器材：带刻度广口塑料烧杯、塑料搅拌勺、镊子、实验用天平、PH计、玻璃漏斗、滴管、抽风箱、电吹风机、秒表、抹布等。

（6）试样大小确定：盘条实际酸洗过程是浸泡式酸洗，因此实验中考虑了试样的比表面积。为体现实验本身的工况条件，同时兼顾实验效率，选用试样尺寸Φ12.5 mm×42 mm的盘条柱棒样进行酸洗实验。

2.1.2 不同盐酸浓度条件下的酸洗时间

（1）该实验严格计算了盐酸水溶液的“质量浓度与体积浓度”间的对应关系，以求与工况条件下盐酸浓度一致，并涵盖工况盐酸浓度范围。

（2）主要进行了5组不同盐酸浓度方案的对比实验，见表1。

表1 酸洗实验盐酸浓度实验方案

（3）实验方式：五种不同的盐酸浓度，A厂与B厂盘条试样各5个，为减少实验间的数据干扰和前一实验操作对下一实验操作的影响，共进行10次实验，1个/次；为加速实验进度，实验过程中采用塑料搅拌勺间断地拨动样件；同时，通过这种方式观察确定实验终止时机；实验从样件浸入酸液瞬间开始计时（计时误差控制在 ±2 s内），并记录每次酸洗时长。

不同盐酸浓度条件下酸洗时间对比如图2所示。

图2 不同盐酸浓度条件下酸洗时间对比

结合图2和实验观察可以看出：（1）整体来看，A厂盘条酸洗时间较B厂的长。最优浓度（图中最低点）下，A厂的酸洗时间比B厂的长了3 min以上。（2）酸洗过程中，盐酸浓度并非越低（或越高）越好，不同厂家的盘条均有一个最佳的酸洗浓度（即方案三）。盐酸浓度达到22%以上时，继续提高其浓度，酸洗效率会显著降低，一般认为这是由于在较高浓度下铁离子容易达到饱和所致；同时，鉴于盐酸本身的易挥发性及盘条过酸洗的风险，不建议采用高浓度酸洗。（3）方案一、方案二和方案三在较宽的低浓度区酸洗过程以“剥离”为主，酸洗一开始便有大量块状氧化铁皮脱离样件，溶液颜色由无色逐渐变为黄色并加深；而高浓度的方案四和方案五在整个酸洗过程中几乎无氧化铁皮剥离现象发生，判断该浓度下酸洗以“溶解”为主，酸洗一开始溶液颜色立即变黄并加深。

2.1.3 不同Fe2+/Fe3+离子含量条件下的酸洗时间

在选定一个盐酸水溶液浓度后，通过向溶液中分批次添加Fe3O4试剂来逐次增加溶液中的铁离子含量。同时，保证溶液不同铁离子含量条件下的HCl溶质含量基本一致，来进行酸洗对比实验。

2.1.3.1 实验用盐酸浓度的确定

2.1.2中明确了酸洗盐酸最佳溶液浓度的为方案三，但是考虑到本实验的实验周期相对较长，盐酸挥发严重（该实验操作需要快速充分的搅拌），因此选择方案四。

2.1.3.2 铁离子浓度范围的确定

参考工况条件下盐酸溶液的废弃标准并保证盐酸溶液HCl浓度不变的情况下，设计了六种铁离子浓度构成该实验的铁离子浓度范围，六种浓度方案见表2。

表2 酸洗实验铁离子浓度方案

每次实验盐酸浓度的保证计算（同时采用PH计确认）及相应的铁离子浓度计算通过规划求解完成。采用上述六种方案进行实验，初始盐酸浓度的酸洗时间作为比对初始值，共计7个酸洗时间数据，实验结果如图3所示。

图3 不同铁离子含量条件下酸洗时长实验对比

由图3并结合实验观察可以看出：铁离子浓度达到方案C的规定后，酸洗时长开始显著增加，烧杯底部未溶解物质开始显著增加，之后（含方案C）铁离子浓度方案的酸洗时长几乎不可接受。

该实验说明，即使酸洗溶液中有足够的H+，随着酸液中铁离子含量的不断增加，反应继续进行的可能性也会不断降低，酸洗效率随之急剧下降。此时，如果对酸液进行加热，那么随着酸液中HCl的快速挥发，上述现象会提前出现，起不到提高酸洗效率的作用。实验方案C开始采用滴管向酸液中缓慢补充盐酸分析纯的做法，这样也只能看到样件表面重新有些许的气泡产生，但持续时间不长，进一步佐证了上述判断。

实验方案C开始的后续4组实验，实验结束后在对样件进行表面自来水冲洗的过程中发现，样件表面残留的蓝灰色物质难以清洗。这说明当酸液中存在大量铁离子时，酸洗后的表面清洗工作会较为困难，而且在这种情况下也会影响酸洗过程及效果的视觉判断。

2.2 氧化铁皮结构构成

从上述试验或实验不难看出，A厂SWRH82B盘条氧化铁皮无论在工况条件下还是实验室条件下都是较难酸洗的。为进一步探究A厂盘条难于酸洗的原因所在，通过扫描电镜的成分分析功能，对其氧化铁皮结构进行了组分确认。

采用扫描电镜的EDS能谱分析，从盘条基体/边部开始连续点成分分析（如图4所示），利用能谱分析中的原子比来确定盘条氧化层厚度方向的Fe:O或O:Fe，再通过计算确定铁的氧化物构成。

图4 盘条氧化层横截面形貌及EDS分析点照片

作为参考，随机选取A厂Φ12.5 mm规格SWRH82B试样，制作横向抛光清洁试样（不腐蚀、不镶嵌），从钢基体开始连续进行EDS点成分分析，直到盘条边部，共计15个成分点，相当于将氧化铁皮厚度尺寸平均分割为14等份。因钢基体附近和盘条边部成分复杂，不作为参考，仅列举了占比较大的且规律呈现的中间部分的原子比数据，见表3。

表3 A厂SWRH82B盘条氧化皮厚度方向各EDS成分点原子比 %

从表3可以看出，如果不考虑其他因素，单就O:Fe原子比来讲，该原子比接近Fe3O4的成分构成。即氧化铁皮中间部分占其厚度一半以上均由Fe3O4或类Fe3O4结构构成，而Fe3O4或类Fe3O4结构致密，附着力大，难于酸洗。

2.3 氧化铁皮厚度测定

通过金相检测手段，对A厂与B厂Φ12.5 mm规格的SWRH82B盘条进行了氧化铁皮厚度测定。

测定发现A厂盘条氧化铁皮厚度在18～23m之间，且存在盘条周向分布不均匀现象；而B厂盘条氧化铁皮厚度在11～18 m之间，周向分布较均匀。

3 控制措施与效果

通过上述系列对比实验不难看出，A厂Φ12.5 mm规格SWRH82B盘条难于酸洗的原因主要集中在两个方面：（1）氧化铁皮构成中Fe3O4或类Fe3O4占比较大；（2）厚度相对较厚。因此，工艺改进方向主要集中在高线铸坯除鳞压力、冷却水指标、终轧温度、吐丝温度、辊道速度、风冷强度及保温罩工艺等相互匹配的工艺节点。

鉴于盘条通条性能稳定性及工艺调整的可操作性考虑，重点对高线轧制过程的吐丝温度进行了对比调整试验。在此基础上重点考查了盘条性能、组织（含边部脱碳）、氧化铁皮厚度与构成及可剥离性与酸洗时间的变化情况。

3.1 盘条性能与组织变化

不同吐丝温度下盘条性能、组织变化情况见表4。

表4 不同吐丝温度条件下盘条性能、组织变化

从表4可以看出，吐丝温度降低后盘条通条性能正常且良好，各性能指标满足内控标准要求，盘条未见明显的网状/半网状渗碳体等异常组织，脱碳层均不明显。

3.2 氧化铁皮厚度、构成变化

3.2.1 氧化铁皮构成变化

对工艺调整前后盘条氧化铁皮O/Fe比情况进行了研究，其中扫描电镜EDS分析点依次由钢基体向盘条表面进行14个节点， A厂和B厂同规格SWRH82B盘条氧化铁皮构成情况如图5所示。

图5 盘条工艺调整前后氧化铁皮构成

从图5可以看出，工艺调整后，盘条氧化铁皮成分构成远离FeO及Fe3O4成分区域；相对而言，工艺调整后氧化铁皮构成O/Fe比波动较小。

3.2.2 氧化铁皮厚度变化

不同吐丝温度条件下盘条的氧化铁皮厚度见表5。

表5 氧化铁皮厚度变化

由表5数据可以看出，降低吐丝温度后盘条横截面周向氧化铁皮厚度明显降低，分布相对较均匀，且与钢基体边界明显。

3.3 氧化铁皮可剥离性及盘条酸洗时间变化

3.3.1 可剥离性

对盘条人工时效后的拉拔情况进行了研究，观察了工艺调整前后SWRH82B盘条在力学实验机进行拉伸试验后伸长变形区域氧化铁皮脱落情况。结果表明，对工艺调整后的盘条进行拉伸试验，氧化铁皮的剥离相对较好，拉伸试验后盘条表面白亮、色泽均匀、氧化铁皮残余较少。

3.3.2 酸洗时间

在上述某钢绞线生产用户现场进行验证试验。试验方式采取正常批量投料，并与B厂盘条进行酸洗时间对比。

试验结果表明，工艺调整后A厂Φ12.5 mm规格SWRH82B盘条酸洗时间完全满足该钢绞线生产用户要求，平均酸洗时长控制在15～25 min；酸洗后盘条经常温水冲洗，色泽白亮均匀，满足酸洗要求。

整体来看，工艺调整后A厂盘条酸洗效果有明显改善，酸洗效果甚至优于B厂盘条，这里不再赘述。

4 结论

（1）盘条氧化铁皮较厚的情况下，尤其是厚度在15 μm以上酸洗时间将显著增加。

（2）随着酸洗过程的进行，酸液中的铁离子含量不断增加，酸度不变的情况下，盘条的酸洗时间明显增加。

（3）常温条件下，盐酸浓度并非越高酸洗时长就越短，存在最佳酸洗浓度范围。如果将最佳浓度范围视为临界浓度，则临界浓度范围内，酸洗过程中氧化铁皮去除以“剥离”为主，临界浓度以上以“溶解”为主。

（4）适当降低高线轧制的吐丝温度能够有效控制盘条氧化铁皮厚度并改善其成分构成。