熱軋不銹鋼帶鋼表面激光除鱗原理及應(yīng)用

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)過程時，其加熱過程產(chǎn)生的氧化皮隨軋制過程會生成鐵鱗，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組生產(chǎn)過程中，對帶鋼進行除鱗以及酸洗鈍化處理。

隨著國家環(huán)保管控水平的逐步提高，不銹鋼在生產(chǎn)過程中的污染物處理成本越來越高，傳統(tǒng)的除鱗方式一直都是不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)的痛點。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，介紹了不銹鋼熱軋卷退火酸洗生產(chǎn)線的激光除鱗工藝，對幾種激光除鱗工藝組合進行了對比分析，并對激光除鱗技術(shù)應(yīng)用前景進行了闡述。

1 傳統(tǒng)不銹鋼表面除鱗的方法介紹

1.1 機械除鱗

傳統(tǒng)的不銹鋼生產(chǎn)工藝采用機械除鱗，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]。第二種是軋機除鱗，使用粗軋機將帶鋼進行大幅度厚度變形，通常超過10%的軋制變形量，就可以將氧化層與基體快速脫離，但是由于帶鋼長度增加較多，影響酸洗生產(chǎn)效率。第三種是拋丸機或是噴砂機裝置處理，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行的鋼帶表面進行除鱗，拋丸機能有效的去處鋼帶表面的氧化皮，但是大量的粉塵和機械磨損以及火災隱患是實際生產(chǎn)過程遇到的主要難題。

1.2 化學除鱗

使用酸或堿溶液，使氧化層與酸堿直接發(fā)生化學反應(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，最終通過水洗后處理。酸洗過程中，設(shè)備防腐要求高，酸霧處理，酸液儲存、運輸、排放、回收都非常復雜。同時由于大量氧化層脫落、溶液中金屬離子的增加，會產(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)線多是利用機械方法和化學溶液法一起進行去除氧化層。在實際不銹鋼生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生大量污染物排放是無法避免，大量的粉塵、酸霧和化學廢液處理難度越來越大，生產(chǎn)成本、設(shè)備投資、能源消耗、環(huán)保費用大幅度上升。

在我國環(huán)境保護法規(guī)要求越來越嚴格、人們環(huán)保和安全意識日益增強的背景條件下，工業(yè)生產(chǎn)在城市中越來越受到排斥。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代背景下應(yīng)運而生的技術(shù)手段，具有干凈、清潔、綠色的除鱗特點，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前“綠色、低碳、環(huán)保”的技術(shù)特征，可以克服傳統(tǒng)除鱗的固有的各種缺點，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，無污染，具有重要的實用價值。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。通過控制激光的強度和頻率以及時間，可以連續(xù)去除氧化層。

2.2 熱效應(yīng)

在激光除鱗過程中，由于局部高能量照射，脈沖激光作用時間極短，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，鐵鱗和基體就會分離，從而導致鐵鱗快速脫落。

2.3 氣流振動

在實驗過程中，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，當激光除鱗時，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，同時激光作用點小，帶鋼表面的粗糙度也低。激光除鱗不需使用任何化學溶液和清洗液，清洗下來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，可以輕易解決機械和化學除鱗帶來的環(huán)境污染以及火災風險等問題。

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，每個激光點可以去除一定厚度的氧化層。由于激光是點的能量束，采用高頻擺動電機控制反射鏡快速移動，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)線布置多個多排激光發(fā)射器[3]。激光點在鋼帶表面的實際軌跡如圖2、圖3 所示，通過快速移動擺動電機，提高頻率使激光點產(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，除鱗工藝會衍生出不同的組合方式。

圖2 低頻激光點實際軌跡圖

圖3 高頻激光點實際軌跡圖

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大功率激光發(fā)射器直接去除氧化層，通過多個激光頭的并排布置，覆蓋整個鋼帶表面，也可以通過垂直于鋼帶運行方向一個夾角，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。脫落的鐵鱗通過除塵裝置進行收集處理。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，一般來說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，達到我們所需的除鱗深度。脈沖的輸出功率和波長都是可以控制的，可以精準的控制除鱗的深度，對熱量輸入也可以更好地控制，防止基體溫度過高產(chǎn)生微熔或重熔。連續(xù)激光器價格相對脈沖激光器比較便宜，可以通過使用高功率激光器來提高除鱗的效率，但是高功率的熱輸入更大，對基體的損傷程度也會增加。在實際生產(chǎn)過程中，要根據(jù)現(xiàn)場條件，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、強度相匹配，產(chǎn)生最佳的除鱗效果，對基體的損失最小。

3.2 破鱗機+拋丸機+激光+酸洗

傳統(tǒng)的熱軋不銹鋼退火酸洗線是利用破鱗機、拋丸機、酸洗等工藝進行除鱗，可以在原有的生產(chǎn)線快速靈活布置多個激光設(shè)備進行輔助除鱗（見圖5），降低原有的機械除鱗和酸洗除鱗的負荷，減少粉塵和廢酸溶液的排污。通過各種工藝參數(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，由于局部產(chǎn)生高溫，在基體表面會產(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行吹掃保護，一方面防止氧化層的產(chǎn)生，另一方面對產(chǎn)生的粉塵煙霧進行吹掃。由于需要持續(xù)的對帶鋼進行吹掃，需要大量的惰性保護氣體，生產(chǎn)成本較高，不易推行。

3.4 激光+酸洗

在激光除鱗后，對鋼帶表面進行酸洗鈍化。由于激光除鱗后，帶鋼基體暴露在空氣中，會產(chǎn)生微小的氧化層，通過浸泡酸洗，使帶鋼表面發(fā)生化學反應(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，會破壞不銹鋼的鈍化膜，容易產(chǎn)生點蝕等問題[4]。

4 結(jié)語

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)除鱗方法無法比擬的優(yōu)點，該除鱗方法占地小、非接觸、布置簡單、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、技術(shù)及社會效益，越來越得到廣大用戶的重視。本文通過對幾種激光除鱗工藝組合方案對比分析，認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激光設(shè)備進行輔助除鱗。

由于目前激光除鱗設(shè)備價格高昂、功率小，需要多臺激光設(shè)備并聯(lián)和串聯(lián)疊加使用，性價比較低，還不能形成大規(guī)模的實際應(yīng)用。但隨著激光技術(shù)不斷完善和激光設(shè)備在國內(nèi)的批量化生產(chǎn)，激光產(chǎn)品生產(chǎn)成本和運行的穩(wěn)定性都會大幅度改善，將來一定會大批量應(yīng)用在不銹鋼除鱗領(lǐng)域。