徐言东1，白金龙1，王晓晨1，杨 荃1，余召辉2，马 骏3
(1.北京科技大学工程技术研究院，北京 100083;
2.河北微轧钢材贸易有限公司，河北 邯郸 056008;
3.唐山锌乐鑫达机械制造有限公司，河北 唐山 063200)
摘 要:长期以来对热轧板、卷等钢材表面进行除鳞处理一般采用酸洗技术。由于酸具有腐蚀性，会对产品表面质量和性能产生影响，对操作人员和设备也存在一定程度的损害，同时污染生产环境。随着国家环境保护更加严格政策的强化落地，要求相关企业实现污染物零排放。国内外研究机构都加大了对热轧钢材除鳞技术设备的研究力度，研发出了更环保除鳞的新技术和新工艺。本文对现阶段已得到应用的免酸洗除鳞技术的特点进行了介绍、综合对比，并指出热轧钢材除鳞技术低成本、免酸洗的发展方向。
关键词:热轧钢材;除鳞技术;免酸洗;环保;绿色;低成本
钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业。据不完全统计，到2023年底，我国共有大中型钢铁企业4万多家，2023年我国钢材产量10.19亿t,其中，热轧带钢产量2.6亿t，冷轧带钢产量不少于8700万t，需要进行除鳞的带钢量达1.65亿t,而95%以上带钢采用酸洗的方法进行除鳞。
目前，普碳钢带钢除鳞主要采用盐酸酸洗除鳞技术，酸洗过程中产生大量的强腐蚀性废弃液，仅重点钢铁企业每年排放的废液量就不少于30亿 ｍ3。化学酸洗工艺除鳞效率低，处理过程中容易产生过酸洗、欠酸洗等问题，产品质量、性能无法全部满足使用要求，并产生大量废酸、废水、废气、废渣，对操作人员和设备造成损害，导致企业运维成本升高且污染环境[1-3]。国内外学者针对热轧钢材的酸洗工艺技术进行了长期研究，目前已研发出抛丸-除鳞、高压喷射除鳞、电解除鳞、MEC技术、差速轧制等免酸洗除鳞技术，这些技术可以有效取代传统的盐酸酸洗除鳞技术[4]，更契合我国钢铁工业绿色制造的当前发展需求。
1热轧钢材酸洗除鳞技术
1.1 热轧带钢表面氧化铁皮结构
带钢热轧轧制温度约为870°C，轧制过程中带钢接触空气，在其表面会生成氧化铁皮[5-10]。
氧化铁皮呈现出内层FeO和Fe3O4、中间层Fe3O4、最外层Fe2O3的3层结构，其质量占比为80:18:2,其中，FeO在酸中溶解度最好、Fe3O4次之、Fe2O3。最难溶解[11-12]。带钢表面氧化铁皮截面形貌如图1所示。带钢表面氧化铁皮厚度一般为7.5~15um，单重约35~55g/m2,氧化铁皮造成的材料损失约为1.5%~3.0‰。
1.2酸洗除鳞技术
酸洗过程中盐酸通过以下3种作用去除带钢表面的氧化铁皮:
(1) 溶解作用:盐酸通过氧化铁皮的裂缝渗透其中，与其发生化学反应，对其进行溶解;
(2)剥离作用:盐酸渗入铁基体，与其发生化学反应生成氢气，在氧化铁皮与铁基体间产生的氢气压力将氧化铁皮剥离;
(3)还原作用:盐酸中氢离子将氧化铁还原为氧化亚铁，易于酸洗去除。
酸洗设备主要有连续卧式酸洗机组、连续塔式酸洗机组、推拉式酸洗机组3种形式。目前对于酸洗废液的处理主要采用高温焙烧法，一套生产线需投资1000万~2000万元不等;处理过程中产生的高温烟气含有较高温度的HCl，容易形成酸雾、酸雨，对环境与操作人员生命健康带来危害。酸洗除鳞技术是传统技术，其生产成本受环保政策的制约，废酸焙烧处理过程中每吨固废需消耗80~90m3天然气，按天然气均价5元/m3计算，仅这项费用就达到450元。目前，按国内环保标准运营的酸洗线其生产成本:生产3mm厚碳钢带钢，生产成本为70~80元/t,生产1.5mm厚碳钢带钢，生产成本为100~160元/t。按欧洲环保标准，成本还应增加2~3倍;按美国环保标准，成本则增加4倍以上[13-15]。
2 免酸洗除鳞技术及其实例
2.1 抛丸除鳞技术
抛丸除鳞技术利用高速旋转的叶轮为磨料颗粒提供极大的离心力，将其高速抛向待处理钢材，以去除钢材表面氧化铁皮[16]。
抛丸除鳞技术装备作为标准装备配置于球扁钢、中厚板的精整生产线上。近年来，通过对磨料颗粒能量的优化，也扩展应用于带钢表面的除鳞[17]，在河钢舞钢、重钢、唐钢等企业的热轧带钢生产线上已得到应用。
抛丸除鳞技术的主要特点:
(1)抛丸除鳞后钢板表面清洁度较好，表面粗糙度与酸洗除鳞的相比降低了一半;
(2)抛丸除鳞后钢板表面抗腐蚀能力强，无酸洗钢板放置后出现锈斑的现象;
(3)抛丸除鳞技术工艺过程清洁、可循环，对环境的影响较小。
2.2 SCS除鳞技术
SCS(Smooth Clean Surface)除鳞技术源于日本，2003年，美国TMW公司将其应用于板材生产，并申请了专利;2006年，该技术被进一步推广应用到英国、西班牙、美国、比利时等国家10余条带钢生产线。SCS除鳞技术装备如图2所示，在密闭空间内研磨辊对带钢表面进行研磨处理，研磨辊可上、下自动调节，由循环过滤水冲刷带钢，带钢表面最终形成致密的FeO氧化铁皮薄层。
SCS除鳞技术的主要特点:
(1) 运行成本低，占地面积小;
(2)SCS除鳞后带钢表面抗腐蚀能力强，表面至少4a不会生锈;
(3)SCS除鳞后带钢内应力得到消除，利于后续机加工。
2.3 EPS除鳞技术
EPS(Eco-Pickled Surface)除鳞技术源于 SCS技术，其原理不同于采用研磨辊的SCS技术，而是使用磨料来完成除鳞。在驱动马达的带动下，高速涡轮机叶片将水、钢砂以及水基防锈剂混合物组成的特殊介质喷洒到待处理的带钢上、下表面，以去除带钢表面氧化铁皮，实现免酸洗。
2007年，美国TMW公司建设了首条EPS产线，并进行产业化研究和推广，于2010年取得了开创性进展;2013年，我国山西太钢建设了首条宽带钢EPS免酸洗处理线，目前国内外已有较大量生产线采用了该技术，国内采用该技术的企业主要有浙江金固股份有限公司、张家港盈全实业有限公司、新余市碧水新材料有限公司等，仅在免酸洗汽车大梁钢板市场上就投入了19条EPS生产线，包揽了免酸洗汽车大梁钢板市场[18]。
EPS除鳞技术的主要特点:
(1)零排放、零污染，环保水平高;
(2)运行成本低，占地面积小;
(3)EPS除鳞后带钢表面质量可达Sa3级(图3)，无需涂油且不易锈蚀;
(4)EPS产线可与冷轧产线直接相连，除鳞后可自然承接连续热镀锌工序，与产线相容程度高;
(5)EPS除鳞后带钢内应力得以消除，表面粗糙度受控，利于后续机加工生产。
EPS技术已入选我国发改委《2016年版国家战略性新兴产业重点和服务指导目录》、中国环保协会《2017年国家重点环境保护实用技术及示范工程》、国家工信部《产业关键共性技术发展指南(2017年)》目录，属于可推广的免酸洗除鳞技术。
2.4 SED除鳞技术
SED 除鳞(Steel Eco-Desaling)技术由长沙矿冶院开发，是一种金属表面生态除鳞技术，其核心是采用高压磨料水射流技术对带钢进行除鳞:首先，将水系统压力加到50MPa左右，把经过充分混合的磨料和高压水通过管路输送到喷嘴中喷出，由固液两相。流对钢材表面进行持续高速击打除鳞，高效稳定，适用于所有金属板带材除鳞，使用的水和磨料可循环使用，实现三废零排放。
SED技术的主要特点:
(1)物理除鳞，绿色环保，水与磨料可循环使用，“三废”零排放;
(2)与抛丸处理相比，销售价格、运行成本等优势明显，经济效益显著;
(3)除鳞速度可根据实际要求调节，与串联清理单元数量成正比;
(4)可通过调整丸粒直径大小的方式控制带钢表面粗糙度(图4)，使带钢具有较好的涂镀性能、防锈性能，防锈时间可超过90d;
(5)可实现生产过程全自动控制，可在线掌握设备运行工况。
2.5 BMD除鳞技术
宝钢应用EPS技术原理研发了BMD(BaosteelMechanical Descaling)技术，该技术也是将水与磨料颗粒混合形成射流抛射到金属表面，达到除鳞的目的，除鳞效果可满足后序冲压工艺等的严苛要求。该技术装备投用初期，试生产了140t热轧带钢，冷轧成品质量达到了酸洗质量水平，表面质量达到了R3.0级，可满足涂装漆膜附着力的指标要求。
2009年，宝钢开始研发BMD技术，项目的中试平台建设与工业试验线建设分别于2014、2016年完成，并进行了持续生产验证;2017年，在安徽合肥基地，宝钢建成首条商业推广生产线，至今一直在正常生产和供货。
2.6 中冶京诚除鳞技术
中冶京诚吸收了国内外无酸除鳞技术的优点，高效集成先进的湿式抛砂除鳞单元技术，研发推出湿式抛砂除鳞技术，并先后在江西新余、鞍钢成功投用，实现了板卷的批量化生产。
该技术利用钢砂和水的混合物经过抛砂设备高速抛射到带钢表面替代酸洗工序，所用介质可以全部循环利用，无“三废”产生，所生产成品表面质量符合标准要求(图5)，成品表面只产生了微弱的加工硬化，对下一步机加工没有影响，可以完全取代传统的酸洗技术，对常规酸洗机组不易处理的优特钢、工具钢、高强钢、硅钢等，其优势更明显。
经过湿式抛砂除鳞技术处理的带钢表面质量优异，机组不产生废水、废气，在保证产品质量的前提下，大大降低了生产线的投资成本。该技术还具有以下特点:
(1)解决了厚度3mm以下薄带钢和6mm以上厚带钢难以穿带的问题，该技术更适合每卷穿带且厚度规格变化大的带钢产品(厚度为2~12.7mm)的生产工艺路线，机组作业率提升20%，机组产能提升30%以上;
(2)机组配备了自主研发的湿式破鳞拉矫机和矫平机对带钢进行机械除鳞及矫正板形，能辅助去除带钢表面20%~30%的氧化铁皮，提高了机组的生产效率;双矫正板形技术，有效改善了带钢的板形，平直度小于6I;高效的钢砂清洗技术避免了钢砂在带钢表面的残留，提高了带钢表面光洁度；
(3)机组具有能够生产最厚12.7mm，最宽1850mm钢卷的能力;配备的横切剪可以剪切厚度为12.7mm的高强钢钢板;矫平机矫直力可达3500kN，较国内外同类生产线可生产的产品规格范围更宽。
该技术已申报多项关键设备及工艺技术专利，已在鞍钢投用，其主要生产汽车大梁钢、集装箱板等高端产品，经过湿式抛砂除鳞后的带钢表面银亮，毛化均匀。鞍钢湿式抛砂除鳞机组如图6所示。
2.7 钢材热轧过程氧化控制技术(“黑皮钢”生产技术)
该技术的要点是在热轧过程中采用技术手段优化控制钢材表面氧化铁皮的形成及其结构，形成以黑色FegO为主的致密氧化铁皮(“黑皮钢”)，其可在后续机加工过程中随钢板变形而不脱落，无需再进行酸洗处理，可以直接冲压处理[15]。
2006年以来东北大学刘振宇教授项目组和鞍钢、太钢、宝钢等钢企合作，开发了钢材热轧过程氧化控制技术，构建了多因素耦合的热轧氧化控制理论[19-20]，主要应用于免酸洗汽车大梁钢的生产，实现了氧化铁皮调控数字化、智能化，大幅提升了大梁钢表面质量。
该团队对多因素耦合的热轧氧化理论进行了系统研究，并围绕热轧过程氧化铁皮与基体界面平直度控制、氧化铁皮厚度和结构演变进程精准控制等核心问题展开了系统研究，建立了钢材热轧过程氧化铁皮结构的演变模型，开发了高精度模型并利用机器学习和智能优化理论，实现了模型参数的动态优化。基于此，构建了热轧钢材氧化铁皮智能控制系统，根据需求优化设计热轧工艺，实现了热轧钢材氧化铁皮的智能控制
热轧钢材氧化铁皮智能控制研发路线如图7所示。该技术的主要特点如下:
(1)对板带进行喷淋冷却快速降温，使其表面氧化铁皮结构转变为皴裂的脆性结构，采用常规高压水即可将其去除;
(2)根据氧化铁皮与铁基体间的界面弯曲度与工艺参数间的关系，开发了氧化铁皮与基体界面平直度控制技术，使氧化铁皮与基体界面弯曲度较常规工艺降低25%以上，使生产的板带产品满足我国重大海洋工程对其表面色差的严苛要求;
(3)研发了适用于热轧环境的氧化铁皮相变控制技术，用于生产400~800 MPa级免酸洗板带产品，大幅降低了冷加工氧化铁皮掉粉量，节能降耗;
(4)利用实验和生产数据结合机器学习手段，构建了基础数据库和冷却相变模型，实现了氧化铁皮厚度高精度动态软测量，从而实现了对氧化铁皮的动态跟踪及对其有效控制。
东北大学通过10余年对钢材热轧过程中氧化机理的研究，构建了独特的热轧钢材氧化理论和成套控制技术，在鞍钢、河钢、太钢、宝武、马钢、涟钢等19家钢铁企业的热连轧、中薄板坯连铸连轧、薄板坯连铸连轧、中厚板、高速线材等45条产线上得到了应用，产品覆盖到了碳锰钢、低碳钢、低合金高强钢、高碳钢、无取向硅钢及低温用钢等，其具有广阔的推广应用前景。
2.8 电解除鳞技术
电解除鳞技术采用中性盐水溶液作为电解液，带钢在经过机械剥壳后，进入由若干电解槽组成的除鳞装置，在数学模型精准控制下，利用电解原理，通过电极的交互作用，使带钢表面氧化铁皮脱离基体，实现对带钢表面的除鳞。
该技术需掌握最佳电流密度、电解液温度、电解液浓度优化控制等核心技术，具有以下特点:
(1)电解槽电极结构优化技术为国内首创;
(2)电解槽自动控制技术为国内首创;
(3)配套装备集成优化技术为国内首创;
(4)氧化铁皮电解过程中需消耗水和电能，但不消耗其他原料;
(5)电解液经过过滤系统分离出氧化铁后可循环使用;
(6)电解除鳞过程中生成的气体主要是氢气、水蒸气和部分空气，经过处理可获得高纯度氢气，其副产物处理容易，有一定经济效益，绿色环保。
2.9 MEC除鳞技术
MEC(Mopper Ecology Clean)除鳞技术主要是利用旋转的硬质材料除鳞辊刷磨钢材表面的氧化铁皮，关键技术是将分散的硬质研磨材料均匀牢固地附着在除鳞辊上。根据不同钢材表面氧化铁皮结构的不同，调整研磨材料的配比，实现对不同钢种的除鳞。
在研发研磨材料的基础上同步开发了新型除鳞辊技术，保证研磨材料能够充分接触钢材表面，便于打磨去除钢材表面氧化铁皮。在除鳞过程中需对钢材边打磨边冲洗，冲洗水沉淀过滤后可循环使用，过滤出的氧化铁皮可以直接回收使用。该技术的主要特点为高效、环保、零排放，具体如下:
(1)能谱分析表明该技术不会改变钢材基体的各项物理性能，金相显微镜下可观察到钢材表面存在不影响后续加工使用的轻微划痕，测量划痕深度约为1~2um;
(2)采用的研磨材料随氧化铁皮一起沉淀、压滤、干燥后可直接供钢厂回炉使用;
(3)生产中使用的冲洗水经过滤后可循环利用，不排放，生产中无废水、废气排出，三废零排放。
MEC除鳞技术可广泛适用于碳钢、低合金钢、高合金钢(不锈钢)等钢材(盘条和带钢)的除鳞，目前已实现了工业化量产。
2.10 差速轧制除鳞技术
差速轧制除鳞技术采用快速旋转的平整工作辊，对移动的热轧带钢进行1000kN以上的压力下的差速摩擦除鳞。2016年，该技术获国家发明专利，经差速轧制除鳞加工的带钢产品可替代部分冷轧带钢使用，比传统冷轧带钢生产工艺节省多道次冷轧与高温退火工序，大幅降低了生产成本。
热轧带钢差速轧制除鳞技术采用的差速是指平整工作辊旋转的表面线速度与被平整的热轧带钢移动的速度形成差速(图8)。根据库仑摩擦定律，除鳞摩擦力与平整工作辊对热轧带钢表面的正压力及平整工作辊表面与热轧带钢表面接触区的相互摩擦速度即差速成正比。差速平整除鳞过程中平整工作辊对热轧带钢表面的正压力比美国SCS技术金属刷辊对热轧带钢表面的正压力高几倍到几十倍，从而使轧制除鳞效果显著提高，在小于20mm长的摩擦除鳞区即实现了80m/min的除鳞速度。相比之下，鞍钢EPS除鳞生产线使用22m长喷射钢砂除鳞区，还未达到同样的除鳞速度。
差速轧制除鳞技术在除鳞效率、生产速度、生产成本及除鳞后带钢表面质量方面均取得领先于美国EPS除鳞技术的指标。特别是差速轧制除鳞后的热轧带钢已成功用于冷轧生产，可生产0.18mm厚冷轧带钢与0.15mm厚超薄电镀锡带钢，这是美国EPS除鳞技术16a的发展历史上和在中国10a的发展历史上没有实现的突破。
该技术的主要成果与创新点如下:
(1)通过轧辊与轧件的速度差去除轧件表面氧化铁皮，除鳞速度可达80~150m/min;
(2)差速轧制除鳞后带钢表面无明显硬化且光洁，成品带钢表面粗糙度可控;
(3)除鳞工艺段综合成本每吨仅29.38元，具有高度的经济、社会、环保意义及收益;
(4)该项科技成果拥有完全自主知识产权，属国际领先水平的创新。
该技术正在加快推广应用:
(1) 某企业正在筹备建设第1条65万t/a差速轧制除鳞示范生产线，产品种类除了生产冷轧原料带钢之外，还能以低于酸洗成本(50元/t以下)生产出较高附加值免酸洗平整带钢、免酸洗汽车大梁钢板、免酸洗冷成形带钢和免酸洗冷轧带钢，该生产线投资不大于3000万元，低于酸洗线投资;
(2)某企业拟将1套轧机机组改造为年产25~30万t“冷轧与差速轧制除鳞”一机两用机组，改造费用不大于120万元，既可以提供免酸洗冷轧原料保证冷轧与退火之需，又可以根据市场需求灵活生产各种免酸洗产品和原有冷轧退火产品
2.11 免酸洗除鳞技术对比
上文中10余项免酸洗除鳞技术各有优缺点，对其进行了总结，如表1所示。
3结语
目前投入应用的各类无酸除鳞技术大都存在系统过于复杂、故障率高、稳定性不足、产能低等局限，在磨料回收利用、供砂系统、喷嘴寿命、高压泵性能以及除鳞效果等方面还有待改进，尤其是在处理以较快速度移动的宽带钢时，难以在整个宽度方向保证喷射均匀，导致局部除鳞不足或过度暴露，影响产品质量，使其应用范围受到限制。目前无酸除鳞技术应用在型钢、钢管、中厚板、窄带钢上比较多，特别在处理不锈钢、硅钢等不易用盐酸酸洗的带钢方面有优势，碳钢宽带薄板的无酸除鳞应用仍较少。
传统酸洗工艺有技术成熟、产能高、质量稳定的优点，通过不断改进工艺、降低排放指标、改善操作环境，依然是当前众多钢铁企业的首选。SED、电解、MEC等新型除鳞技术攻克了行业性难题，改变了美国TMW独占鳌头的形势，一定程度上可以取代酸洗工艺，拥有广阔的市场前景。浙江金固公司把美国TMW公司技术独家引进中国、BMD和中冶京诚除鳞技术的应用，可部分实现免酸洗零排放。钢材热轧过程氧化控制技术构建了热轧氧化理论体系与成套技术，率先实现了由经验试错向系统的智能化控制的转型。差速轧制除鳞技术在热轧带钢表面除鳞效率、除鳞成本与提高产品表面质量方面，均取得领先于相似除鳞技术的指标。
下一步应重点降低设备投资、使用及维护的成本，提高产能，提高产品质量稳定性，对推进新建或改造现有生产线有极大的现实意义。
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