钢铁去氧化皮的机械工艺

钢材除锈的机械工艺

氧化皮是热轧过程中发生的氧化产物。钢的氧化和氧化皮是热轧过程中不可避免的现象，包括钢在加热炉中的再加热、多道次热轧以及道间延迟时间和轧后空冷。

钢在加热炉中加热到轧制温度时形成的氧化皮称为一次氧化皮。该初级氧化皮在热轧前被去除。它通常用于生产具有高表面质量的钢材和减少轧辊磨损。然而，在粗轧机和中轧机的道间延迟时间内，二次氧化皮继续在除氧化皮钢表面形成。初生氧化皮的颜色一般为蓝黑色，而次生氧化皮的颜色为蓝色。二级氧化皮使钢材具有类似于漆涂层的外观，经常被误认为是蓝色底漆。

初级规模由三个明确定义的氧化铁层组成。与钢相邻的是最厚的层，由具有近似 FeO 成分的方晶体组成。中间层由磁铁矿（Fe3O4）组成，最外层是赤铁矿（Fe2O3）。这些层的厚度取决于与钢的轧制和钢表面氧气可用性有关的几个因素。钢表面的层最富含氧气，占氧化皮厚度的 0.5% 到 2%。金属表面的层中铁含量最高，约占氧化皮厚度的 85%。中间层氧化皮约占氧化皮厚度的13%~14.5%。

如果氧化皮是一种均匀粘附在钢材上的覆盖物，那么它可以成为理想的保护屏障。不幸的是，规模并不统一，也没有得到很好的遵守。与下面的钢相比，水垢的反应性较低（更“高贵”），并且与两种不同金属接触时的行为一致。下面的钢是更具反应性的金属会氧化（生锈），但代价是水垢的反应性较低。水垢会从表面“弹出”，使涂层破裂并使水分渗入。这会导致发生电化学反应，从而导致基础钢出现点蚀（生锈）。

加工钢材时，水垢是一种麻烦。钢材冷加工前需要清洗。此外，涂在钢上的任何涂层都被浪费了，因为当充满水分的空气进入其下方时，它会与鳞片一起脱落。必须去除所有的氧化皮，以使基体钢表面均匀清洁，以便进一步加工或在钢上施加任何涂层。

用手去除水垢几乎是不可能的。使用电动工具清洁方法非常繁琐且耗时。这两种方法都没有为开始提供良好的基础。几种类型的除氧化皮工艺用于去除热轧钢表面的氧化皮。这些除垢过程通常分为四类。这些是 (i) 火焰清洁过程，(ii) 机械除垢过程，(iii) 液压除垢过程，和 (iv) 化学除垢过程。本文介绍了机械除垢过程。

机械除鳞工艺（图 1）通常包括 (i) 反向弯曲变形、(ii) 喷丸处理和 (iii) 反向弯曲和喷丸组合处理。这些工艺通常用于钢棒拉丝行业中钢棒的除垢。

  图 1 机械除垢过程 

反向弯曲变形过程

反向弯曲变形工艺是根据钢条的韧性和热轧氧化皮脆的原理。当棒材变形时，钢材弯曲，但热轧氧化皮断裂并从棒材表面脱落并脱落，只要氧化皮数量足够且有足够的变形。变形方式主要是弯曲，但也可以包括拉伸变形。反向弯曲变形工艺设备是利用反向弯曲的原理，以可控的方式，在不过度影响被除锈钢棒性能的情况下，达到一致的除锈效果。影响除锈过程的重要因素之一是钢棒的总变形量。

一般认为，完全破坏氧化皮所需的最佳杆变形量范围为 8% 至 10%。少于 8 % 会导致不完全的氧化皮断裂，留下附着的氧化皮斑块，而超过 10 % 通常不会完成任何额外的氧化皮断裂，同时在钢中增加了不希望的加工硬化量。严重变形（高于 10 %）的另一个不良影响是增加了杆线上的背张力，这会拉伸和收缩钢杆，影响杆的牵伸计划，并且需要来自第一个块的更多动力来将杆拉过除垢系统。 8%～10%的变形目标是由反向弯曲所用的滑轮尺寸与被加工钢棒尺寸之间的关系控制的。

杆的拉伸问题也是一个重要的考虑因素。弹性拉伸可以增加除垢过程的有效性，而过度的塑性拉伸也会产生类似的不良影响。

反向弯曲变形工艺设备虽然表面上看起来是一个非常简单、直接的设备，但实际上需要满足非常具体的设计参数，以达到平衡的除垢性能，在不造成氧化皮脱落的情况下不过度对钢棒的副作用。根据破鳞工艺的基本原理进行适当的设备设计是实现钢材成功除鳞的关键因素之一。

适当设计的反向弯曲变形工艺设备基本上可以使所有热轧氧化皮松脱。在此过程中，80 % 到 90 % 的粗垢会从棒上掉落并聚集在除垢器中。天平的 10 % 到 20 % 的水垢虽然松动，但仍会粘在钢棒的表面上。这是一种细小的粉末状残留鳞片，通过静电荷保持在棒的表面上。如果不去除，这种氧化皮会导致诸如污染润滑油箱、缩短模具寿命、快速拉块磨损、拉杆质量差以及拉丝单元的整体生产率下降等问题。

在反向弯曲工艺的开发过程中很早就已经认识到，在除鳞棒表面上留下细小的水垢残留物会产生不希望的结果。最初的去除方法相当粗糙，包括将抹布绑在钓竿线上，或在钓竿上套上沉重的麻绳等方法，这些方法几乎不能称为生产过程。另一种常用的方法是用刷子刷掉细小的水垢残留物。

近来，已开发出细水垢去除设备，用于从除垢棒表面去除细水垢残留物。这些设备适用于几个概念。一种经常用于清洁杆表面的概念是使用高速空气喷射，而另一种概念使用水洗/飞行中空气干燥方法。基于这两个概念的设备不仅可以去除水垢残留物，而且基本上可以控制水垢，因此细水垢不会在工作区域扩散。这也有助于其更轻松的后续处理。

精细除垢设备的主要目标是非侵蚀性清洁除垢棒上的水垢残留物，包括 (i) 使用工业技术去除残留物，(ii) 包含去除的材料，(iii) 具有最少的操作员的注意力，(iv) 运行维护最少，(v) 运行成本低。

抛丸处理

用于钢材去氧化皮的喷丸工艺（有时也称为喷砂工艺）是一种表面处理工艺，其中通过以干态或悬浮在液体介质中的磨料介质的强力方向进行清理，对着钢的表面。磨粒以受控方式高速（50 m/秒至110 m/秒）集中在钢材上。磨粒的磨蚀作用去除了水垢和其他表面污染物。

喷砂工艺始于 1904 年。它是当今钢棒拉拔装置中钢棒表面除锈最常用的工艺。这是一个经济的过程，是一个比酸洗除垢过程更快的过程。研磨介质或其中的大部分可以回收以供进一步使用。

通过喷丸处理，可以获得非常好的钢棒清洁和表面处理。这种除锈工艺通常用于 (i) 钢铁铸件和锻件表面的清洁，(ii) 钢板、棒材、线圈和线材的机械清洁，(iii) 喷丸以改变机械性能（增加弹簧和齿轮等的抗疲劳性），以及 (iv) 准备要涂漆或涂层的钢制物体的表面。抛丸除锈工艺是光亮棒生产过程中常用的除氧化皮方法。几乎所有使用钢材的行业都使用喷丸清理表面，例如汽车、建筑、铸造、锻造、造船、铁路等。

在喷丸除锈过程中，应用研磨材料的方法可以分为两种不同的程序，即（i）干法和（ii）湿法。

干法 研磨材料的应用包括（i）机械喷砂法和（ii）气压喷砂法。

机械爆破 最常使用柜式设备。它有批处理、半自动或自动版本。通常，柜子装有一个或多个抛丸器，它们通过离心力将磨料引导到钢表面。砂轮的定位可确保钢表面上喷砂模式的最大覆盖范围和高效率。干净的磨料，通常是风洗和分级的，储存在料斗中。磨料通过重力从料斗流到进料漏斗和铲斗阀，后者计量流向叶轮的磨料流量。叶轮将离心速度赋予磨料，然后将其引导通过控制笼。控制笼决定了喷砂图案在钢表面上的传递方向和形状。砂轮通​​常被封闭在一个保护外壳中，以防止杂散磨料的排放。

由于此类机器磨损严重，尤其是车轮部件和机器内部，因此在许多情况下，零件由高合金耐磨铸铁制成，并且易于更换。工作台上经常使用重型橡胶垫来缓冲磨料的冲击冲击。可以使用不同类型的轮子，以提高操作效率。一般来说，磨料速度（大约每秒 50 米）和磨料介质的体积使得机械系统在单位时间内提供高水平的工作能力。因此，机械喷砂柜设备可适用于中高产量应用。

气压爆破 方法使用压缩空气将磨料施加到表面上。有三种基本的气压爆破方法，即（i）吸力、（ii）重力和（iii）直接压力。

在抽吸系统中，压缩空气被空气喷射器引导到喷嘴中，从而在通向喷枪的抽吸管线中产生低压、高速气流。这条生产线以气动方式将磨料从磨料收集料斗输送到喷枪，在那里它与高速气流汇合。用过的磨料落入收集料斗，由抽吸管吸走并通过喷枪再循环。

重力进料系统使用类似于吸枪的磨料枪，但磨料是通过重力从高架料斗送入枪中的。这消除了抽吸系统效率较低的气动输送，并用更有效的磨料计量进料取而代之。与抽吸系统相比，重力系统的主要问题（以及不经常使用的原因）是需要磨料提升系统将用过的磨料从收集料斗返回到喷枪进料斗进行再循环。

在直接压力系统中，磨料在压力容器中处于压力下，并被计量进入到喷嘴的压缩空气管线中。该系统还需要某种类型的用于磨料再循环的提升系统。就每单位重量磨料所需的空气量而言，这是最有效的系统，并且还产生最高的磨料速度和强度。它是唯一可以通过长喷枪和侧射喷嘴移动磨料以有效除锈的系统。

气压爆破法使用直接压力或感应法，可以使用虹吸法或重力法。下面介绍这些方法。

在直接气压喷砂法中，磨料从加压容器（压力容器）送入喷砂软管。压缩空气管线通过管道连接到喷射软管和压力容器的上部。由于软管和压力容器的气压（通常约为 6 kg/sq cm）是相等的，它允许磨料通过压力容器底部的孔（进料点）自由下落。当磨料落下时，它被压缩空气带走并输送到操作点。为了保持气压，在机器的填充点安装了一个阀门，并通过气压保持紧密关闭。在进料点安装一个计量阀，用于调节磨料流量，流量适合喷嘴孔径和气压。

在感应虹吸法的情况下，喷枪连接到压缩空气管和输送磨料的柔性软管。磨料软管在机器料斗底部附近对大气开放。因此，压缩空气通过喷枪和磨料软管的通道在软管中产生部分真空，这反过来又将磨料吸入或引导到喷枪中，在喷枪的作用下，磨料被压缩空气射流通过喷嘴推进.料斗和喷枪之间的橡胶磨料进料软管通常长约 2 m 至 2.5 m。磨料在通过喷嘴时被气流加速，但没有达到压缩气流的全速。磨料离开喷嘴的速度约为直接压力机的 40%。基于感应虹吸的设备广泛用于手动喷砂柜。虽然它们用于连续运行的自动化设备，但它们的使用一般仅限于轻磨料的应用。

基于感应重力的设备与感应虹吸设备非常相似，因为设备用于混合空气和研磨介质。然而，对于感应重力设备，磨料介质是从高架存储中重力供给的。空气供应在部分真空加上重力作用下夹带磨料的位置进入喷枪。压缩空气从喷枪中喷出时的快速膨胀为磨料提供了最终加速。基于感应重力的系统并未广泛使用。虽然它们可以用于连续运行，但它们通常只用于专门的应用。

机械干式喷砂设备越来越受欢迎。可以通过增加磨料颗粒速度和每单位时间的磨料输入量来提高除垢速度。可以以相对较小的难度进行半自动或全自动安装。当预期生产要求低或间歇性操作时，使用气压爆破。

湿法 对于研磨材料的应用，涉及将浆液高速压缩空气推进到钢上。浆料通常由悬浮在经过化学处理的水中的细磨料组成。它通常保持连续搅拌以防止磨料沉降。与直接压力干式喷射装置一样，压缩空气以与送入喷射软管的压力相等的压力送入装有混合物的容器。平衡压力可使磨料混合物通过混合阀进入空气管路。磨料流量由位于料斗和混合室之间的全流量阀控制。

大多数湿喷砂方法的设备通常是安装在柜子上的，并且通常通过辅助剥离器、起飞输送机和洗涤-漂洗干燥站进行修改。基本设计包括垂直轮、水平平面转盘、带轨道或汽车延伸的穿梭机、链式或带式输送机、专为轴和管状零件设计的独立转动机构，以及组合式翻转柜机器。可以通过以下三种不同方法中的任何一种将浆料推向表面。

• 通过压缩空气流，通过虹吸作用使浆料上升，然后通过适当设计的喷嘴喷射。
• 通过压缩空气将重力供给的浆料推进到喷枪中。
• 使用高压离心泵产生所需的浆液喷射速度。

用于特殊工艺的湿喷砂方法有多种变体。其中一些工艺产生了新的工艺名称，尽管这些工艺可以归类为湿喷砂法。所有的湿喷砂方法都可以分为以下两类。

• 水力喷射过程 - 在这个过程中，沙子与水混合并由水压推动。
• 蒸汽喷射工艺 - 在此工艺中，磨料悬浮在由压缩空气喷射高速喷射的液体中。

反向弯曲与抛丸法相结合

在此除氧化皮过程中，在拉棒生产线上串联使用了反向弯曲和抛丸两种除氧化皮方法。一般先用反弯法，再用抛丸法。

研磨材料的种类

多种不同的研磨材料是常用的。特定类型的选择主要取决于经济、冶金和实际工程因素。常用的磨料有砂、钢丸、钢砂、铝、燧石/石榴石、玻璃珠、碳化物、矿渣和有机材料。

钢丸是由液态钢通过雾化（粒化）工艺制成的球形颗粒。这些铸钢丸有不同的尺寸和硬度。通常钢丸是在电弧炉或感应炉中由废钢制成的。废钢在炉内熔化，然后钢水通过水射流雾化成钢丸。钢丸制造过程的步骤是 (i) 废钢熔化，(ii) 通过高压水射流雾化钢水，(iii) 钢丸干燥，(iv) 筛选（分离 SAE 钢丸尺寸来自用于砂粒生产的超大丸粒颗粒），（v）螺旋（去除不规则形状的丸粒），（vi）淬火（用于生产具有最小应力裂纹的卓越颗粒完整性），（vii）回火，（viii）筛选，以及 (ix) 包装。

将最大直径状态的丸粒分裂成棱角钢砂，用作喷丸处理的磨料。钢丸通常是耐用的，因为它的脆性低。由于爆破的影响，镜头会回火。它的硬度随着时间的推移而增加，使介质能够在数千次循环中提供一致、可重复的性能。所生产的钢丸通常具有 40 HRC 至 60HRC 的洛氏硬度。钢丸的击穿率极低，几乎不产生粉尘。由于钢丸具有高冲击能量和快速清洁速度，因此可用于重度冲刷并产生非常明亮的饰面。

这种磨料是根据所要进行的工作来选择的，不仅是颗粒的大小在所有这些中大多是均匀的，而且是在一定范围内的硬度。根据所用磨料的直径、类型和硬度，颗粒可喷射700至5000次，易于回收。