冷轧不锈钢板带中性盐电解酸洗仿真模型.pdf

CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY不锈钢板材可分为热轧不锈钢板与冷轧不锈钢板。和热轧钢板相比，冷轧不锈钢板带厚度更精确，表面更光洁，机械性能更优越，加工性能也更好。冷轧不锈钢板带以高强度、耐腐蚀性、良好加工性和耐磨性，以及外观精美等特点广泛应用在石油、化工管道和容器、医疗器械、船舶设备等领域1。冷轧不锈钢板带的生产过程还包括：热轧钢带的热处理、酸洗、修磨、平整、横切或纵切、分类、清理、包装等工序。现代化的不锈钢板带生产，一般采用退火、酸洗联合机组来进行冷轧前、后的处理。退火和酸洗是不锈钢热轧及冷轧板带生产的重要工序，退火控制工艺、热处理设备的选型、酸洗工艺的选择、酸洗控制参数的确定等直接影响冷轧不锈钢板带的最终产品质量。不锈钢在热轧、退火等过程中表面产生的氧化铁皮会对后续加工及表面质量产生不良影响，需及时清除2。本文重点阐述中性盐电解酸洗技术（Neolyte工艺）基本原理，开发仿真分析模型，该模型是开展电解酸洗工艺可行性研究的重要工具。1中性盐电解酸洗原理1.1不锈钢氧化铁皮成因和去除方法冷轧不锈钢表面的氧化皮来自热轧过程中的高温氧化及冷轧退火阶段的高温氧化。其结构和组分因退火工艺的不同存在差异，如果退火温度高，过剩氧浓度低，则会形成底层为铁铬尖晶石形氧化物FeCr2O4(Fe3O4)，上层结构为铁氧化物 Fe3O4和Fe2O3的双层结构，而如果退火温度低，退火过剩氧浓度高，则氧化铁皮为单层的 Cr2O3(Fe3O4)。氧化铁皮生成量与退火热处理工艺直接相关。因此，控制退火炉气氛中的氧浓度对抑制氧化铁皮的生成起重要作用。有研究表明，过剩氧浓度越低，氧化铁皮生成量越多是由于燃烧生成的水分产生高温水蒸汽氧化，所以为了缩短清除氧化铁皮的时间，最好将退火炉内过剩氧浓度控制在 4%左右3。去除氧化铁皮（除鳞）的具体方法包括机械1.广西北港新材料有限公司，广西北海536017冷轧不锈钢板带中性盐电解酸洗仿真模型党全军1摘要：详细介绍中性盐电解酸洗法的基本原理，在此基础上建立仿真物理模型和数学模型。仿真结果显示，电流密度与实际相符，证明模型的适用性，进一步优化后可用于评估验证工业电解酸洗生产线工艺。关键词：不锈钢；酸洗；中性盐电解酸洗技术；仿真模型中图分类号：TG335.12文献标识码：B文章编号：1673-3355（2023）03-0006-03Simulation Model of Neutral Salt Electrolytic Pickling of Cold-rolled Stainless Steel StripDang QuanjunAbstract:This paper describes the basic principle of neutral salt electrolytic pickling in detail,and establishes the physicaland mathematical simulation model on this basis.The simulation results show that the current density is consistent with theactual situation,which proves the applicability of the model,and can be used to evaluate the process of the electrolyticpickling production line after further optimization.Key words:Stainless steel；pickling；neutral salt electrolytic pickling technology；simulation model10.3969/j.issn.1673-3355.2023.03.006212023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术图 1中性盐电解酸洗工业生产线的示意图法、化学法、电化学法。其中机械除磷法可采用弯曲、喷丸和喷砂工艺，缺点是产品表面粗糙度难控制，容易形成新的缺陷。化学法和电化学法都为酸洗技术，由于 Cr2O3难溶于单一酸，所以通常使用硝酸、硫酸和氢氟酸的混合酸4。不锈钢酸洗技术主要包括以下四种：（1）普通化学酸洗：利用氢氟酸和硝酸的混合酸进行除磷。（2）电解酸洗法：先在电解酸洗槽中利用硫酸和硝酸电解，然后进入化学酸洗槽中用氢氟酸和硝酸的混合酸进行化学酸洗。（3）熔融盐处理法：首先将带材在 450500 益的熔融碱液中加热氧化，然后淬水使表面的铁鳞疏松，然后在电解酸洗槽内进行硝酸或硫酸的电解酸洗，最后进行氢氟酸和硝酸的混合酸化学酸洗。（4）中性盐电解酸洗法：首先在中性盐溶液中电解酸洗，然后在盐酸或混合酸中进行化学酸洗。其中，熔融盐电解法和中性盐电解法效果最佳，但熔融盐处理法操作环境差，易飞溅、钢带表面易产生划痕、碱液粘度高易被带出、除磷速度慢，不适合现代化大生产。因此，在现代除鳞技术中多采用中性盐电解酸洗法5。1.2技术原理中性盐电解酸洗法由 RUTHNER 公司于 1960年代开发，利用电化学快速溶解氧化皮作为预酸洗，也称为 Ruthner Neolyte 工艺或中性盐电解酸洗。该技术采用 15%20%的硫酸钠（Na2SO4）或硝酸钠（NaNO3）溶液用作再生电解质，电解质的PH 值通常被调节为微酸性。有研究详细描述了中性盐电解酸洗法的详细机制6，其中包括在跨钝化阶段溶解 Cr 和 Mn 的氧化物，然后在长时间极化时溶解铁氧化物。中性电解液酸洗的主要反应见方程式（1）（3），该反应也是阳极反应。气体形成副反应可见方程式（4）和（5），即为阴极反应，在酸洗过程中消耗高达90%的电流。Cr2O3+5H2O寅2CrO2-4+10H+6e-（1）Cr2O3+4H2O寅Cr2O2-7+8H+6e-（2）MnCr2O4+8H2O寅HCrO-4+MnO-4+14H+11e-（3）2H2O(l)+2e-寅H2(g)+2OH-(aq（4）2H2O(l)寅4H+(aq)+4e-+O2(g（5）整个反应过程中，Na2SO4只作为导电介质，负责电子的转移，本身并不发生化学反应，理论上电解质不消耗，消耗的仅仅是水。中性盐电解的最大好处是可以溶解铬氧化物，在电流作用下使之转化为溶于水的 CrO2-4。另外，反应生成的 H2和 O2从带钢表面逸出可将表面的氧化物剥离。上述双极系统中，电流通过金属导体从阴极流向阳极，导致金属极化。金属同时充当阴极和阳极，导致双极性，该电极被称为双极电极。在工业酸洗线中，不锈钢带高速移动，导致酸洗钢带上下运动，如果直接接触施加电流，可能导致危险的电流尖峰，所以钢带在电极组之间运行，由这些电极间接双极化不锈钢带（见图 1）。通过中性盐电解液的阳极反应,虽然能够容易地溶解氧化铁皮中的铬氧化物，但却难以溶解其中的铁氧化物,所以还需要用混酸浸渍（酸洗）作为后处理。与传统酸洗方法相比，中性盐电解酸洗工艺的主要优势之一是能够更快、更有效地去除表面污染物，节省大量时间和成本，改善产品质量，提高生产能力。此外，与传统酸洗化学品相比，Neolyte溶液更安全、更环保，减少对工人和环境的危害。2中性盐电解酸洗仿真模型开发2.1物理模型中性盐电解酸洗技术的仿真物理模型由不锈钢带、阴极、阳极和导电介质四部分组成。不锈钢带材宽 1.5 m、厚 2 mm；不锈钢带、阳极和阴极都浸泡在导电介质溶液（Na2SO4）中，导电介质计算域22CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY过正交表安排仿真试验方案，用Fluent 流体仿真软件进行计算。对计算结果进行极差分析，得到滑阀泄漏量影响因素的最佳搭配方案，滑阀的间隙高度对泄漏量影响最大，间隙越小，泄漏量越小；阀芯直径与泄漏量呈正比；而进口压力受流体流动状态的影响，随着进口压力增大，泄漏量呈现先减后增的趋势；密封长度与泄漏量为反比关系，密封长度越长，泄漏量越小。计算得到使本文滑阀泄漏量最小的方案为：密封长度 13 mm；进口压力 25 MPa；间隙高度最小 2滋m；阀芯直径 12.710 mm。参考文献1 梁海琴,施炜炜,于丰瑞,张鑫睿.液压滑阀卡滞与可靠性分析研究J.机床与液压,2022,50(09):149-154.2 宋飞,陈佳,彭利坤,刘杰.液压滑阀内泄漏试验研究 J.流体机械,2021,49(07):1-6;28.3 张波.液压滑阀泄漏特性分析及结构优化 D.重庆理工大学,2021.4 智慧,张健.液压滑阀阀芯结构对流场的影响 J.包装工程,2020,41(03):1001-3563.图 2中性盐电解酸洗技术的仿真模型图 3钢带上的电流密度分布情况（A/m2）长 5 m、宽 2 m、厚 0.4 m（见图 2）。2.2数学模型计算电解过程时采用如下几项假设：（1）电流全部通过两电极且外壳不漏电；（2）不考虑气泡及阴、阳极对温度场的干扰，槽内组分均匀稳定；（3）以电解槽的稳定状态进行研究7。稳态条件下导电介质液相和电子导电固相的物理方程为：塄 il=iv,total,il=-滓l,eff塄覫l（6）塄 is=iv,total,is=-滓s塄覫s（7）式中：覫电势（V）；i电流密度（A/m2）；iv,total有效导电介质导电率（S/m）；滓s电子导电固相的导电率（S/m）。在稳态情况下，结合质量守恒定律、能斯特-普朗克定律和法拉第定律得到式（6）和（7）的前半部分，并应用于导电介质、电极（阳极-阴极）和钢带中。式（6）和（7）的后半部分为采用微分形式表示的欧姆定律。进一步推导得到电极（阳极-阴极）和带材表面上的电流边界条件。导电介质、电极和钢带中电位的初始电势为：覫s=Vs0,覫l=Vl0（8）2.3计算结果由仿真结果可知，阳电极中间位置对应钢带的电流密度最小，阳电极和阴电极之间区域对应钢带的电流密度最大（见图 3），与实际完全相同。3结语本文通过对中性盐电解酸洗法的基本原理进行详细论述，在此基础上建立仿真物理模型和数学模型，计算得到的电流密度与实际规律相符，证明本文开发模型的适用性，通过优化可用于评估工业电解酸洗生产线的工艺。参考文献1 张颖,李慎松.国外不锈钢酸洗技术 J.金属制品,2012,38(1):21-292 陈天宝.不锈钢表面处理应用技术简介 J.材料保护,2002,1:62-643 曹妙康.不锈钢板带中性盐电解酸洗除鳞工艺 J.上海金属,1998,20(5):39-47.4 张蒙.宝钢不锈带钢酸洗工艺及废水处理 J.江西冶金,2014,34(3):36-39.5 武韶宁.冷轧不锈钢板带中性盐电解酸洗除鳞生产工艺 J.太钢科技,2001,2:18-22.6 Hild佴n JMK,Virtanen JVA,Ruoppa RLK.Mechanism of electrolyticpickling of stainless steels in a neutral sodium sulphate solution J.Materials and Corrosion,2000,51:728-739.7 董云芳,冯猛,刘中兴,等.稀土电解槽内双电层原温度场耦合数值模拟 J,稀土,2019,40(2):88-94.收稿日期：2023-02-061、3、4阴极；2不锈钢带；5导电介质（上接第 26 页）（下转第 65 页）23