工艺参数对氢气还原氧化铁皮的影响

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２ ０ 年第 ３ ０８ 期　

本钢技术　

４　 １

工艺参数对 氢气还 原氧化铁皮 的影 响　

Ａ ． ｒｍａ ｅ ａ， Ｓ． ｔａ ｉ Ｐｉ ｖ ｒ Ｃａｔ ｒｎｏ， Ｍ ． ｖｌ ｅ ｉ　 Ｐａ ｉ ｖ ｃ ｃ

摘

要： 通过大量实验研究出了一种新型清洗　

以满足工 艺要求 。这 里有很多方法可用作钢带加　

方法。 利用氢气去除钢带上 的金属氧化物。 这种工　

热 ：直接火焰燃烧器 、感应加热管或辐射加热管。 　 但在加热时最好别让火焰与钢带直接接触 。例如 ， 　 以辐射管作为直接火焰燃烧器 ， 会导致氧化铁皮烧　

结 ，同时会严重影响反应动力 。 　

艺不使用酸 、 非常环保 ，被称为 “ 无酸清洗” 是　 ， 热轧低碳钢的最佳选择。 为使氢气能广泛应用 于各　

种金属 ，相关试验研究一直在进行 。 　 关键词 ： 氧化铁皮 ； 还原 ； 氢气 ；动力学 ； 无　 酸清洗 ；钢带　

实施这项实验活 动主要为了检验这 种工艺 的　

实用性 ，同时优化氢气清洗带钢的实验条件 。低碳　

钢进行化学反应的情况如下 ： 　

３ ２ ＋Ｈｅ ：２ ３ ＋Ｈ２ Ｆｅ Ｏ３ ｅ＞ Ｆｅ ０４ ０　 Ｆｅ ０４ ３ ＋Ｈ２ ｚＦｅ ＋Ｈ２ Ｃ＞ Ｏ ０　 Ｆｅ ０３ ２ ＋Ｈ２ ￣ ３ 　 ￣ Ｆｅ ０４

１ 概述　

钢带进行热轧其表面会产生金属氧化物 （ 即氧　

化铁皮 ） 。热轧结束时 ，碳钢的氧化铁皮的厚度为　

～

７ ｍ， １ 而同时也受所采用轧制技术的温度、 ａ 时间影　

实验 测试 中还原动力学具有 以下工艺参数功　

能： 　 １ ） 温度　

响。 　

通常热轧钢卷运送至 目的地要 经过很长一个　 距离。如果运送途中遭遇反常天气就会造成严重腐　 蚀 。购买 的钢带表面氧化铁皮厚度超过 ２／ ０ ｍ，顶　 ａ 部 、尤其是边沿部分有一层厚厚的锈氧化物 ， 这样　

的情况 非常 普遍 。 　 低 碳钢 平均 化学 成分 为 ： ５ ＦＯ、４ Ｆ ３　　 ９％ ｅ ％ ｅＯ 、

１ Ｆｅ ０３ 　 ％ ２ 。

２气体成分 （ Ｈ Ｏ和％Ｎ ） ） ％ ２ ２　 ３气体动力学　 ） 这篇论文仅是对低碳钢的实验测试进行探讨 ， 　 不过在铜、不锈钢等其它金属实验的结果也非常成　

功。 　

生产过程中经常会用化学药剂 ，例如 ：Ｈ １ Ｃ、 　 Ｈ ８ ４ Ｆ或机械除磷（ ２０ 、Ｈ 例如 ：喷沙） ，对金属进行　

处理。 　

由于气体 中局部压力 的关系 ，还原率最为重　

要。 　

ｖ ｒ ＝ｋ 　ｄ 　 ｅ

经处理的金属表面非常干净 ，而同时由于大量　 的有 害残 留物或泥 浆污染土地从 而造 成严 重的环　 境问题 。另一方面，机械处理 ，例如 ：喷砂和喷砂　 清理 ，会造

成钢带表面异常粗糙 ，从而无法满足所　 有应用需要。 　

｛ Ｉ ● 　

’ 　

一

　

２ 　

ｋ。 丁） Ｉ 　 ｑ（ 　 　 　

ｊ 　

ｂ 　 ｕ ｌ ｅ 　ｉ

Ｊ 　

ｌ’ 　

需注意以下条件 ： 　

１ ） 反应混合控制条件下 （ 化学和扩散 ） ｋ ， 是所　 有抗性的总和。氧化铁皮的物理特性 （ 如多孔性 、 　

弯曲性 ）也应重视。 　

与传统用酸进行清洗产品的方法相 比，经研究　

２反应带有微量扩散作用化学控制条件下 ，根　 ）

与试验而得到的这种新型清洗方法是一种非常环　 据阿里纽斯理论 ，ｋ 为化学反应的动力恒定值 。 　

保的工艺方法 ，附加物 只有水 ，而且在以后的工业　 应用 中，水增加了二氧化碳 。在设计的工业 厂房中　

２ 实验　

还原试 验测试在半连续实验室设备条件下进　

二氧化碳可从用于加热钢带 的燃烧器 中获取温度　

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行 ，可在连续厂房 内进行试样再生产加工。把试样　

分 ，最大流量速率为 ２ｍ 　 。 ０ ３ ～　 ｈ

３分析仪。露点测量仪 ， ） 在连续统一体中测量　 气体出口处 的水量 ； 气相层析仪器 ，检测反应器和　 密封区内气体成分组成 ； 光学显微镜分析氧化铁皮　

还原 的程 度 。 　

冷 的放入反应器 中 ，后通过电阻和热氢气 同时加　 热 ，并用热氢气进行清洗 。反应结束 ，样品通过氮　

气冷却至最终温度 ， 防止在空气中再次被氧化 （ ｅ　 Ｔｘ ｉ ｔ ＜１０（） ２ ￣ 。这个区域也可起密封作用 ，防止氢气从　 ２ 反应器中流失。所有实验全部在外界压力下完成 。 　 实验设备包括以下几部分 ： 　 １ ） 用于样品加热的电炉 （ 温度需至 ９０（） ０￣ 。 ２　

３ 材料　

利用低碳钢进行化学分析。试样平均化学成分　

如 表 １　 。 ， 　

Ａ１ 　 Ｃｏ 　

２ ） 气体输入系统。可输入每种 Ｈ 一 ２ ２ 混合物成　 Ｎ

表 １ 试样平均化学成分　

００ ６ ．６ 　 ００ ６ ．２ 　 ０４ 　 ．６ ００ ０ ．１ 　 ００ ７ ．０ 　 ００ ８ ．４ 　 ００ 　 ０ ０ ８ ．０ ４ ． 　 ４

０Ｏ ５ ．４ 　

Ｂ　

００ ６ ．０ 　

　

＝＝＝＝＝ ＝＝＝＝＝＝＝ ＝＝＝＝ ＝＝＝＝＝＝ ＝＝一

里 　

００ ８ ．６ 　 ＜０ ０ ３ ０ ０ ４ ．０ 　 ．０ 　 ＜０ ０ 　 ．０ ４ ＜０ ０ ５ ．０ 　 ＜０ ０ ２ ．０ 　

兰 　

００ ６ ０ ０ １ ．０ 　 ．０ 　

Ｆｅ 　

＜００ １ ９ ．８ ．０ 　 ９１ 　

样品直径长度为 ：１０ ｍ ０ ０ ｍ；宽度为 ：６ ｍ ０ ｍ；厚度为 ：ｌ～ ｍ 　 ４ ｍ。

４ 结果与研讨　

氢气还原氧化铁皮

， 和其它各种气一 固反应一　

样 ，由多个物理步骤 （ 在流动动力层边部进行气一　 气扩散 ，通过氧化铁皮 的细孔和表面吸收扩散 ）和　

一

受化学步骤的限制。 　

进行实验测试 的 目的是研究不 同工艺参数条　 件下的反应率 。参数分析如下 ： 　

１ ） 温度范围：３ ０ ～ ０ ℃。 ５ ℃ ８０ 　 ２ ） 气体成分 ：改变 Ｈ ，Ｎ 和 Ｈ Ｏ的含量。 ２ ２ ２ 　

个化学步骤组成。例如 ， 铁氧化物与被吸收的氢　

气 之 间的化 学反 应 。 　

３流体动力学 ，气体输入时气一固变化速率与　 ）

分布。 　

经分析 ，总结出了 ３ 种抗性。 　 １ ） 对流抗性。指出了气一气扩散抗性。这一过　 程 中， 反应剂（ ｚ 产物（ｚ ） Ｈ） 、 Ｈ Ｏ 的扩散都在气体边界　 层进行 。这种抗性很大程度上受气一 固速度 的影　

响。 　

４ 同厚度 、不 同化学成分的氧化铁皮。 ） 不 　

进行一次完整 的数学模拟 并取得成功 的实验　 数据 。 　

４１ 温 度效 应　 ．

２扩散抗性 。指出了反应剂（ ２ ） Ｈ） 、产物（２ ） 　 Ｈ０ 间 的气一 固扩散是通过氧化铁皮的细孔完成的。这种　

反应率主要取决于气一国界面的温度 。 数值都　 是在理论条件下运用化学动力学推算而来 ， 没有任　

何物理抗性。由于温度对物理、化学反应的每步都　

抗性受到氧化铁皮的厚度和空隙率的影响。 　

３化学抗性 。 ） 描述了气体（ ２ Ｈ） 和固体（ 铁氧化物） 　 间的化学反应 。这一过程也包括反应剂 、产物的吸　 附与退吸作用 ，同时也受温度的重要影响。 　 抗性 的强弱与反应率的限制步骤有关 ， 但在没　 有主要抗性的情况下 ， 也可寻找其他条件 。限制步　

有积极影响 ，因此 ，要取得较好的反应率 ， 首先就　 要控制好温度参数 。 　 适合氢气处理低碳氧化铁皮的最低温度为 ５０ ０　 ℃，但在实验测试过程 中， 推测出低反应率的起点　

温度为 ３０ ５ ％。另外 ，对一些特殊氧化物一定要用　

骤也可随工艺条件而变化。例如 ： 　 １ ） 对流抗性的前提。 具有最佳反应温度值（７ ０ ～ ０　

高温。例如 ： 　

１ 氏体不锈钢氧化铁皮要求温度达到 １２０ ） 奥 　 ０　 ℃，以去除 ｃ ２ ３ ｒ 。 Ｏ 　

℃） 和低的气体流通速率（ 低的气一 固速率） 限制步　 ；

骤 的速率是气—气扩散 。 　 ２化学抗性的前提。具有低的反应温度（ｏ ￣） ） ５ ｏｃ　

２用氢气深度侵蚀和处理的低碳钢要求最低　 ）

温度达到 ７０（，以提供充足的反应动力。 ０￣ ２ 　

和高的气体流通速率（ 高的气一 固速度） ；反应速率　 ４２ 气体成分效应

　 ．

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４　 ３

实验指出： 还原气体 中水含量对反应率影响巨 　

４４ 冶金 性 能　 ．

大。进行这些测试 的目的是测试研究设计出一种高　

效率的利用充满 Ｈ 的还原气体进行酸洗处理的方　 　

进行无酸清洗工艺处理的同时，还可进行热处　 理。这种情况下 ， 样品的冶金性能不会发生任何主　 要的变化 。处理材料 的 Ｒ （ｍ 　Ｒ ｄ ｍ ）　ｍ ｘＮ ｍ ） Ｎ ａ（ ｍ 也　

法 。因为水会导致驱动力降低 ，所 以还原气体中的　

水对反应率具有消极作用 ，如 ：Ｐ ２ Ｐ ２ ／ ｃ 。 Ｈ 一 Ｈ ＯＫ ｑ　 另外 ，水在表面会产生水层 ， 从而阻止氢气在反应　 过程中的扩散。非常明显 ， ２ Ｈ ｏ的百分率 ＞ ． 不　 ０％ ５

和 Ａ ％） （ 都保持在标准范 围内，另外 ，没有脆性问　

题。为了实现这一 目 ，样品必须采取冷却控制 。 标 　

４５ 氧 化铁 皮 的类 型　 。

可能取得较好的反应率（ 图略） 。 　 由于氢气还原气体 中氮气 降低了还原驱动力 ， 　

从而降低了还原率。如果氮含量低 ，受气体边界层　 传输性能上对流抗性 的降低影响， 动力学可稍做改　 进， 但这种积极影响由于化学动力的降低而被抵消　

了。 　

经过分析各种不 同的低碳钢氧化铁皮还原能　 力 ，考虑到的参数变化如下 ： 　

１氧化 铁 皮厚 度 。 ） 　

２锈蚀表面的存在 。 ） 　 ３深层腐蚀 的存在 。 ） 　 显然 ，氧化 铁皮 的厚度直接 与反应 时间成 比　 例。 含有［ｅ Ｈ ３或 Ｆ Ｏ Ｈ 的反应温度必须比普　 Ｆ（ ） Ｏ ｅＯ ］ 通氧化铁皮 的处理温度要高。最小值为 ７ ０ 。温　 ０￣ Ｃ

４３ 流体 动 力效应　 ．

气体流动速率的增加有助于氧化还原 。因素如　

下： 　

度若低于 ７０Ｃ ０ ￣就不能提供足够的动力 ，因为过多　

的氧化物会产生很强的扩散抗力 。由于材料具有极　 强的多孔性 ，化学反应后极易去除海绵铁。 　

１ ） 对反应物理步骤 的积极影响（ 降低 了对 流抗　

性） 。 　

２对化学步骤的积极影响（ ） 提高了气体纯度） 。 　 供 给于试样 表面 的还原气体几何学 的变化 可　 改变对流和扩散抗性的相关重力 。由于这一原因， 　 气体垂直注入试样表面与气体切线注入 同一表 面　 的反应效率存在很大差异。 　 气体垂直注入试样表面时的物理 、 化学抗性曲 　 线中（ 图略） ，化学抗性在反应初期就有体现 ，并且　

５ 结论　

以上所描述的 “ 无酸清洗”实验测试已经证 明 　 了动力学定律可为反应进行提供最好 的化学物理　

实验条件 。定律强调

，提供 的所有条件下 ，随反应　

时间变化韵 曲线 （ 对流 、扩散和化学 ） 。动力学表　 明：氢气的纯度会对反应速度产生重要影响 ，而处　

理过 的样 品冶金性 能 的变 化并 不重 要 。 　

由于试样加热的影响 ，随时间增加而不断降低 。反　

应最后所体现的抗性为扩散抗性 ，例如 ： 反应剂及　 其产物通过还原后的氧化铁皮而进行扩散 。这种抗　

从 理论上讲 ，“ 无酸清洗 ”适用 于各种钢种 ， 　

但实际上对于一些钢种并不经济实用。例如 ：由气　

体 需 要 的露点 和 高温 引起 的不锈 钢 氧化铁 皮 中 　

Ｃ２３ ｒ０ 的还原 。 　

性 的数量级为 １６ａ 　 ２ ｌ。 ０ｐ　ｍ 　 ～ 由于气一 固速率高 ， Ｓ ｍｏ 　

缩减了气体边界层 ，因此对流抗性影响不大。 　

气体切线注入试样时（ 图略） ，其化学抗性与先　 前 的一样 ，但 由于切线 流动而形成 宽的气 体边界　 层 ，所表现的抗性就变化为对流抗性。抗性数量级　 为 １　ａ 　 ２ ｌ ，比也先前的高一些。因此 ， ０Ｐ 　ｍ ｍｏ Ｓ ～ 这　 就表 明垂直气体注入 的结构在 降低 总反应 时间上　

更为有效 。 　

一

在试验工厂内对这种工艺进行研究确认后 ， 下　 步即将是工业工厂的设计 。以上所描述的实验已　

表 明： 氢气清洗工艺给我们提供了一种简单 、 环保　

的无酸去除氧化铁皮 的方法 。 　 不久的将来 ，无酸清洗一定会在很大程度上促　

进 工业 的发 展 。 　

付虹摘译 自 《 炼铁 与炼钢 》（ Ｐ ９ ～ ９　 英）２０ ２４