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1、420J2不銹鋼盤圓催化酸洗工業(yè)技術開發(fā)
摘要：隨著科學技術的飛速發(fā)展和人類生活水準的不斷提高，全世界范圍內對不銹鋼產品的需求量越來越大。不銹鋼線材在生產過程中都會因加熱退火工序而產生致密的氧化膜，該膜具有致密、堅硬和耐腐蝕的特點。國內大多數不銹鋼線材生產企業(yè)多采用鹽浴酸洗或混酸酸洗的方法除去表面氧化膜，鹽浴酸洗是將回火后的不銹鋼線材先經～400℃的融鹽浴預處理再進行酸洗的鹽浴加酸洗工序。該工藝酸洗周期也長且鹽浴設備維護費用高，混酸酸洗會帶來嚴重的空氣污染和酸洗廢液，要克服這些工藝存在的種種弊端，須開發(fā)新的酸洗技術。
關鍵詞：不銹鋼線材；鹽浴酸洗
1.1項目背景
2、
1.2不銹鋼催化酸洗的機理分析
化學反應發(fā)生的必要條件是參與化學反應的分子必須接觸，即通過滲透劑幫助酸中的H+離子順利進入致密的金屬氧化物膜層中，與金屬氧化物充分接觸，為下列反應的發(fā)生創(chuàng)造條件：
要使上述酸洗過程中的化學反應快速完成，僅僅參與化學反應的分子相互接觸還不夠，其充分和必要條件是在該酸洗條件下反應的吉布斯函變。由于金屬氧化物多為堿性氧化物，其與酸的反應為酸堿中和反應，而酸堿中和反應多為放熱反應，即，反應過程中金屬氧化物由固體變?yōu)槿芤?，該反應的，按照Gibbs公式有：
如上述催化原理所述，影響化學反應速度的因素既有內因也有外因。
對于上述化
3、學反應，反應速度和速率常數可表示為：
?。?）
式中
v—反應速率；
k—反應速率常數；
和—分別為金屬氧化物和溶液中酸的濃度。
根據Arrhenius公式有：
?。?）
由公式（1）（2）可見，影響化學反應速度的內因是反應的活化能（Ea）；而外因則是反應溫度（T）和參與化學反應的各反應物的濃度（C）。當選定了反應物的溫度和反應濃度之后，活化能就是一個決定的因素。由（2）式可見，要提高化學反應速度就必須降低反應的活化能，而降低反應的活化能的唯一途徑就是使用催化劑，本研究就是基于該思路，通過實驗選擇對氧化鐵皮剝離具有高度
4、選擇性的復合催化劑來達此目的。
在酸洗過程中，復合催化劑的主要作用是：
滲透（控制步驟）
催化活化（快速步驟）
催化溶解（快速步驟）
因此，復合催化劑的使用就是通過這些反應，將原來難以發(fā)生或很慢的酸洗反應加速，達到縮短酸洗時間的目的。
2.1催化酸洗液中各成分的篩選
2.1.1催化酸洗液中硫酸濃度對酸洗效果的影響
在催化酸洗過程中硫酸的濃度是影響該酸洗反應的主要因素之一，考慮到工業(yè)生產的可操作性，進行了實驗比較，酸洗液中硫酸濃度在7.0～12.5%的范圍內，盤圓表面氧化物清除率隨著硫酸的濃度增加而快速上升，但當硫酸
5、的濃度大于13%以后，清除率有所下降。其原因是：當硫酸的濃度較低時，在催化劑中滲透劑的作用下，比較容易滲入氧化層的內部。從化學反應的外因之一濃度因素來看，只要能夠滲入氧化層內部，硫酸的濃度越大，氧化膜的清除率就越高。但隨著硫酸濃度的進一步增加，滲透受阻，雖然硫酸過量，卻是難以與內部的金屬氧化物接觸，且隨著反應的進行，在氧化物的隙縫中Fe2+不斷增加，使得FeSO4濃度不斷加大，也會阻礙硫酸的進一步滲透。從而到盤圓表面氧化物清除率下降。
2.1.2催化酸洗液中各催化劑的篩選
為了實現方案中的計劃，即篩選出10種價廉、易得且無毒的催化劑，共篩選出滲透劑30種，活化劑30種，剝離
6、劑30種，在此基礎上進行組合。開始采用每5種一組進行實驗，經過4000組實驗，篩選出兩組催化效果比較滿意的復合催化劑。但考慮到生產成本和生產中的操作方便，課題組經過討論決定，減少復合催化劑中的物種數到3種一組。于是又進行了3種一組實驗，共完成實驗3600組，又篩選出兩組復合催化劑。隨后，課題組采用篩選出的催化劑進行重現性實驗、溫度實驗、不同酸洗池的功能實驗、鐵損實驗和最大處理量實驗，總共完成實驗約9000余組。
2.1.3酸洗溫度對氧化層清洗率的影響
酸洗溫度是酸洗反應最敏感的因素之一，為要獲得適宜的酸洗溫度，適宜選擇硫酸濃度為12.5%，酸洗溫度在70～76℃范圍內，清除
7、率隨溫度升高也快速增加，而溫度達76～82℃范圍內，清除率趨于平穩(wěn)，當溫度≥78℃時，在設定的時間內，氧化膜已經清洗完成，故繼續(xù)升高溫度，清洗率不再變化。按照動力學關于溫度對反應速度的影響的描述：溫度每升高10℃，化學反應速度增加2～10倍。這就是溫度在70～75℃之間時，清除率曲線的斜率很大的原因。然而，溫度過高（≥82℃），不僅會造成能量的浪費，而且實驗發(fā)現盤圓表面發(fā)暗，局部出現“過”酸現象。
2.1.4酸洗時間對氧化層清洗率的影響
酸洗時間是實驗按照既定的工業(yè)路線，研究了催化酸洗時間對盤圓表面氧化層清洗率的影響。酸洗時間在12～14min范圍內對清除率的影響變化不大，
8、實驗中發(fā)現盤圓沿軋制線有氧化膜殘留，當時間在15～18min范圍內，盤圓表面氧化膜已全部洗脫，表面呈銀白色，較為光滑。時間繼續(xù)延長至～20min，盤圓表面氧化膜清除率仍為100%，只是表面稍暗，未見酸坑。這表明，多相化學反應比單相反應要復雜許多，擴散和滲透常常會導致反應時間的延長。酸與盤圓表面氧化膜的反應就是多相反應，雖添加了一定量的催化劑，可能會使擴散和滲透等步驟消耗的時間縮短，但仍需經過這些步驟。
3.結論
?。?）采用硫酸催化酸洗的方法，可以將420J2不銹鋼盤圓表面因回火產生的致密氧化膜無需鹽浴直接洗脫，酸洗質量滿足產品質量要求。
?。?）酸洗方法：采用本報告設定的兩條路線之一。
?。?）酸洗條件：硫酸濃度，各槽均為～12.5%；催化劑A，3個槽均為5%；催化劑B，槽1：2%；槽2、3：無；催化劑C，槽1：3%；槽2、3：1%；酸洗溫度，802℃；酸洗時間，～15min。
420J2不銹鋼盤圓催化酸洗工業(yè)技術開發(fā)
