樊海昇

（天津太鋼天管不銹鋼有限公司，天津 300461）

0 引言

依據(jù)鋼鐵產(chǎn)品的主要性能特征，將含鉻量大于10.5%，且以耐蝕性和不銹性為主要使用性能的一系列鐵基合金稱作不銹鋼。隨著國(guó)內(nèi)民眾生產(chǎn)生活水平的提高，從民用到工業(yè)，從保溫杯到建筑材料，不銹鋼的使用量逐步增大。不銹鋼板在熱軋生產(chǎn)過(guò)程時(shí)，其加熱過(guò)程產(chǎn)生的氧化皮隨軋制過(guò)程會(huì)生成鐵鱗，不同于普通碳鋼表面氧化層主要是氧化鐵，不銹鋼的氧化層主要含有Cr2O3和尖晶石（Fe?Cr2O4），呈現(xiàn)黑色或是藍(lán)綠色，因退火溫度不同、不銹鋼成分不同，氧化皮的成分組成也不完全一樣。不銹鋼表面因其氧化皮成分復(fù)雜、致密，更加難以清除。熱軋不銹鋼卷要想防止表層氧化物壓入帶鋼基體、提升表明潔凈度，就需要在退火酸洗機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)帶鋼進(jìn)行除鱗以及酸洗鈍化處理。

隨著國(guó)家環(huán)保管控水平的逐步提高，不銹鋼在生產(chǎn)過(guò)程中的污染物處理成本越來(lái)越高，傳統(tǒng)的除鱗方式一直都是不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)的痛點(diǎn)。因此研發(fā)更加安全、便捷、高效、低污染、低成本的不銹鋼表面除鱗的工程技術(shù)越來(lái)越顯重要[1]。本文系統(tǒng)分析熱軋不銹鋼板激光除鱗原理及其特點(diǎn)，介紹了不銹鋼熱軋卷退火酸洗生產(chǎn)線的激光除鱗工藝，對(duì)幾種激光除鱗工藝組合進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)激光除鱗技術(shù)應(yīng)用前景進(jìn)行了闡述。

1 傳統(tǒng)不銹鋼表面除鱗的方法介紹

1.1 機(jī)械除鱗

傳統(tǒng)的不銹鋼生產(chǎn)工藝采用機(jī)械除鱗，除鱗方式通常有3 種。第一種是破鱗輥，利用上三下二排列組成方式，作用原理與矯直輥相同，使得鋼帶呈S型反復(fù)彎曲，由于氧化層和基體的延伸率不同，使得鋼帶表面的鐵鱗龜裂脫落，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中采用3～5%延伸率可以使大片的氧化層快速脫落[2]。第二種是軋機(jī)除鱗，使用粗軋機(jī)將帶鋼進(jìn)行大幅度厚度變形，通常超過(guò)10%的軋制變形量，就可以將氧化層與基體快速脫離，但是由于帶鋼長(zhǎng)度增加較多，影響酸洗生產(chǎn)效率。第三種是拋丸機(jī)或是噴砂機(jī)裝置處理，使用離心力或是壓力，使小顆粒的鋼丸或是磨料以高速噴射到運(yùn)行的鋼帶表面進(jìn)行除鱗，拋丸機(jī)能有效的去處鋼帶表面的氧化皮，但是大量的粉塵和機(jī)械磨損以及火災(zāi)隱患是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程遇到的主要難題。

1.2 化學(xué)除鱗

使用酸或堿溶液，使氧化層與酸堿直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。部分氧化物直接溶解到溶液中；部分氧化物轉(zhuǎn)化為疏松組織；部分基體與化學(xué)溶液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣體，使氧化層體積膨脹，產(chǎn)生爆皮作用，氧化皮快速剝離，最終通過(guò)水洗后處理。酸洗過(guò)程中，設(shè)備防腐要求高，酸霧處理，酸液儲(chǔ)存、運(yùn)輸、排放、回收都非常復(fù)雜。同時(shí)由于大量氧化層脫落、溶液中金屬離子的增加，會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，鋼帶的酸損失較大，損失產(chǎn)品成材率；污泥的處理費(fèi)用也較高，增加能源環(huán)保成本。

在現(xiàn)有不銹鋼生產(chǎn)行業(yè)中，大部分企業(yè)仍在使用傳統(tǒng)的不銹鋼除鱗方式，生產(chǎn)線多是利用機(jī)械方法和化學(xué)溶液法一起進(jìn)行去除氧化層。在實(shí)際不銹鋼生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生大量污染物排放是無(wú)法避免，大量的粉塵、酸霧和化學(xué)廢液處理難度越來(lái)越大，生產(chǎn)成本、設(shè)備投資、能源消耗、環(huán)保費(fèi)用大幅度上升。

在我國(guó)環(huán)境保護(hù)法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)格、人們環(huán)保和安全意識(shí)日益增強(qiáng)的背景條件下，工業(yè)生產(chǎn)在城市中越來(lái)越受到排斥。如何尋找更清潔的除鱗方式是不銹鋼行業(yè)不得不考慮的問題。激光除鱗工藝是新時(shí)代背景下應(yīng)運(yùn)而生的技術(shù)手段，具有干凈、清潔、綠色的除鱗特點(diǎn)，是最新型的除鱗解決方案。

2 激光除鱗原理

熱軋不銹鋼板使用激光除鱗處理方式符合當(dāng)前“綠色、低碳、環(huán)?！钡募夹g(shù)特征，可以克服傳統(tǒng)除鱗的固有的各種缺點(diǎn)，能快速清除基體表面的鐵鱗，而不破壞基體。激光設(shè)備占地小，布置靈活，無(wú)污染，具有重要的實(shí)用價(jià)值。不銹鋼表面的鐵鱗，在激光的照射下，吸收能量，發(fā)生氣化、熱膨脹等作用而快速脫落，因此激光除鱗成為不銹鋼領(lǐng)域一種新型的除鱗技術(shù)。激光除鱗的主要工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 激光除鱗工作示意圖

2.1 燃燒氣化

在激光除鱗的過(guò)程中，可以明顯觀察到不銹鋼表面產(chǎn)生的煙霧和火花。在高能量激光的照射下，不銹鋼表面的氧化層轉(zhuǎn)化為等離子體，直接氣化。通過(guò)控制激光的強(qiáng)度和頻率以及時(shí)間，可以連續(xù)去除氧化層。

2.2 熱效應(yīng)

在激光除鱗過(guò)程中，由于局部高能量照射，脈沖激光作用時(shí)間極短，產(chǎn)生的熱沖擊較大，不銹鋼表面的氧化層鐵鱗和基體的成分不同，膨脹系數(shù)不一致，局部溫度發(fā)生快速變化，鐵鱗和基體就會(huì)分離，從而導(dǎo)致鐵鱗快速脫落。

2.3 氣流振動(dòng)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們還能聽到連續(xù)的氣流聲，是由于激光除鱗采用的是高頻脈沖激光，當(dāng)激光除鱗時(shí)，一部分產(chǎn)生了熱量，一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡?，沿著氧化層方向傳播，局部形成了微小“氣浪”，產(chǎn)生了“爆破”的效果，推動(dòng)了鐵鱗從基體快速的脫落。

3 熱軋卷退火酸洗生產(chǎn)線激光除鱗技術(shù)方案

由于激光作用的頻率、強(qiáng)度、深度均可調(diào)節(jié)，可以有效的清除不銹鋼基體的鐵鱗，而不損傷基體，同時(shí)激光作用點(diǎn)小，帶鋼表面的粗糙度也低。激光除鱗不需使用任何化學(xué)溶液和清洗液，清洗下來(lái)的鐵鱗基本上都是固體粉末，具有體積小，易于存放，可回收，不可燃的特點(diǎn)，可以輕易解決機(jī)械和化學(xué)除鱗帶來(lái)的環(huán)境污染以及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等問題。

激光照射氧化層產(chǎn)生離子體只在能量密度較高的情況下產(chǎn)生，每個(gè)激光點(diǎn)可以去除一定厚度的氧化層。由于激光是點(diǎn)的能量束，采用高頻擺動(dòng)電機(jī)控制反射鏡快速移動(dòng)，可以形成一條激光線，如果氧化層較厚，可以在連續(xù)生產(chǎn)線布置多個(gè)多排激光發(fā)射器[3]。激光點(diǎn)在鋼帶表面的實(shí)際軌跡如圖2、圖3 所示，通過(guò)快速移動(dòng)擺動(dòng)電機(jī)，提高頻率使激光點(diǎn)產(chǎn)生更加均勻的除鱗效果，頻率越高處理效果越好。激光除鱗與傳統(tǒng)生產(chǎn)線結(jié)合，除鱗工藝會(huì)衍生出不同的組合方式。

圖2 低頻激光點(diǎn)實(shí)際軌跡圖

圖3 高頻激光點(diǎn)實(shí)際軌跡圖

3.1 直接激光除鱗法

目前激光頭掃描寬度在1～15cm，可以在不銹鋼生產(chǎn)線上下表面布置多個(gè)大功率激光發(fā)射器直接去除氧化層，通過(guò)多個(gè)激光頭的并排布置，覆蓋整個(gè)鋼帶表面，也可以通過(guò)垂直于鋼帶運(yùn)行方向一個(gè)夾角，增加激光發(fā)射器數(shù)量，以提高激光在鋼帶表面除鱗效果。脫落的鐵鱗通過(guò)除塵裝置進(jìn)行收集處理。直接激光去除法原理圖如圖4 所示。

圖4 直接激光去除法原理圖

在相同功率條件下，一般來(lái)說(shuō)脈沖激光器除鱗的效率要高于連續(xù)激光器，脈沖激光器的激光束可以在帶鋼表面產(chǎn)生脈沖，照射并沖擊鋼帶表層，達(dá)到我們所需的除鱗深度。脈沖的輸出功率和波長(zhǎng)都是可以控制的，可以精準(zhǔn)的控制除鱗的深度，對(duì)熱量輸入也可以更好地控制，防止基體溫度過(guò)高產(chǎn)生微熔或重熔。連續(xù)激光器價(jià)格相對(duì)脈沖激光器比較便宜，可以通過(guò)使用高功率激光器來(lái)提高除鱗的效率，但是高功率的熱輸入更大，對(duì)基體的損傷程度也會(huì)增加。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，調(diào)試優(yōu)化工藝參數(shù)使生產(chǎn)線的速度和激光器的功率、頻率、強(qiáng)度相匹配，產(chǎn)生最佳的除鱗效果，對(duì)基體的損失最小。

3.2 破鱗機(jī)+拋丸機(jī)+激光+酸洗

傳統(tǒng)的熱軋不銹鋼退火酸洗線是利用破鱗機(jī)、拋丸機(jī)、酸洗等工藝進(jìn)行除鱗，可以在原有的生產(chǎn)線快速靈活布置多個(gè)激光設(shè)備進(jìn)行輔助除鱗（見圖5），降低原有的機(jī)械除鱗和酸洗除鱗的負(fù)荷，減少粉塵和廢酸溶液的排污。通過(guò)各種工藝參數(shù)的調(diào)整，可以快速的改造原有的生產(chǎn)線，在激光除鱗工藝沒有完全成熟應(yīng)用以前，這樣是安全性和穩(wěn)定比較好的改造方案。

圖5 傳統(tǒng)生產(chǎn)線新增激光除鱗設(shè)備布置圖

3.3 激光+惰性氣體

激光在清除鋼帶表面的鐵鱗時(shí)，由于局部產(chǎn)生高溫，在基體表面會(huì)產(chǎn)生新的氧化層，為了防止新的氧化物產(chǎn)生，可以使用惰性氣體進(jìn)行吹掃保護(hù)，一方面防止氧化層的產(chǎn)生，另一方面對(duì)產(chǎn)生的粉塵煙霧進(jìn)行吹掃。由于需要持續(xù)的對(duì)帶鋼進(jìn)行吹掃，需要大量的惰性保護(hù)氣體，生產(chǎn)成本較高，不易推行。

3.4 激光+酸洗

在激光除鱗后，對(duì)鋼帶表面進(jìn)行酸洗鈍化。由于激光除鱗后，帶鋼基體暴露在空氣中，會(huì)產(chǎn)生微小的氧化層，通過(guò)浸泡酸洗，使帶鋼表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，處理后帶鋼表面變成均勻銀白色，在表面形成一層致密的鈍化膜，從而有效提高帶鋼表面的防銹性能與耐腐蝕性能。不銹鋼生產(chǎn)過(guò)程中通常采用硝酸與氫氟酸的混合液作為最終的表面酸洗和鈍化液。一般不使用鹽酸，鹽酸含有氯離子，會(huì)破壞不銹鋼的鈍化膜，容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕等問題[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

不銹鋼熱軋卷退火酸洗生產(chǎn)線激光除鱗技術(shù)具有傳統(tǒng)除鱗方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，該除鱗方法占地小、非接觸、布置簡(jiǎn)單、控制方式靈活、能耗低、零排放，是完全環(huán)保的新工藝、新技術(shù)，可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及社會(huì)效益，越來(lái)越得到廣大用戶的重視。本文通過(guò)對(duì)幾種激光除鱗工藝組合方案對(duì)比分析，認(rèn)為在激光除鱗工藝沒有完全成熟應(yīng)用以前，推薦在原有的除鱗生產(chǎn)線快速靈活布置多個(gè)激光設(shè)備進(jìn)行輔助除鱗。

由于目前激光除鱗設(shè)備價(jià)格高昂、功率小，需要多臺(tái)激光設(shè)備并聯(lián)和串聯(lián)疊加使用，性價(jià)比較低，還不能形成大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。但隨著激光技術(shù)不斷完善和激光設(shè)備在國(guó)內(nèi)的批量化生產(chǎn)，激光產(chǎn)品生產(chǎn)成本和運(yùn)行的穩(wěn)定性都會(huì)大幅度改善，將來(lái)一定會(huì)大批量應(yīng)用在不銹鋼除鱗領(lǐng)域。