(1.賽迪熱環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122；2.鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021)

隨著連續(xù)退火技術(shù)的發(fā)展，如IF高強(qiáng)度鋼板、雙相鋼、殘留奧氏體鋼板等一批延伸性比過去優(yōu)良的高強(qiáng)度鋼板均已開發(fā)成功；強(qiáng)化帶鋼強(qiáng)度的有效方法主要是細(xì)晶強(qiáng)化和合金固溶強(qiáng)化。冷軋帶鋼再結(jié)晶退火冷卻速度的高低影響晶粒度的大小，正冷卻速度的大小影響晶相組織和結(jié)晶類型；隨著冷卻速度的增加，形核率的增加比晶核長大的速度更快從而可以獲得更細(xì)晶粒。

合金元素固溶于基體金屬中造成一定程度的晶格畸變，融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變?cè)龃罅宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使滑移難以進(jìn)行，從而使合金固溶體的強(qiáng)度與硬度增加。這種通過融入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬強(qiáng)化的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。在溶質(zhì)原子濃度適當(dāng)時(shí)，可提高材料的強(qiáng)度和硬度，而其韌性和塑性卻有所下降。

因此除了提高冷卻速度外，適當(dāng)和適量的合金元素對(duì)提高強(qiáng)度是十分必要的，強(qiáng)調(diào)形核率在IF鋼中加入Si、Mn、P等元素促使形核率提高。

但所加合金元素會(huì)影響到涂鍍工藝，由于鍍層表面質(zhì)量和深沖性能兼?zhèn)漭^難，加上屈服強(qiáng)度的上升會(huì)帶來的表面變形問題。因此高強(qiáng)汽車用鍍鋅板，就必須解決鍍層底層的緊密性和防止漏鍍等涂鍍質(zhì)量等問題。

1 合金元素的影響

1)國內(nèi)某企業(yè)的底材成分(見表1)

表1 底材成分 %

2)制程條件(見表2)

3)機(jī)械性質(zhì)(見表3)

從表1中可以看出，Mn、Si、Cr的加入會(huì)對(duì)帶鋼的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，尤其是Mn的含量為大于1.45%。

Mn、Si、Cr在帶鋼生產(chǎn)過程中，盡管爐內(nèi)已經(jīng)采用了還原氣氛，但仍不可避免的造成這三種元素的氧化[1]。帶鋼在鍍鋅退火爐內(nèi)時(shí)由于 Mn、Si、Al 等元素發(fā)生了氧化，從而生成了氧化錳(MnO)、二氧化硅(SiO2)、硅酸錳(MnSiO2)等氧化物，這些氧化物析出在鐵基表面，而它們與鋅的結(jié)合力很弱，這樣，鍍鋅以后在這些元素析出的區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)表面脫鋅的現(xiàn)象，為了消除此缺陷，在生產(chǎn)過程中需要盡可能將氧化物顆粒最小化和將氧化物移至帶鋼表面。

表2 制程條件

表3 機(jī)械性質(zhì)

2 預(yù)氧化再還原在熱鍍鋅生產(chǎn)中的工作原理

預(yù)氧化再還原技術(shù)就是要在帶鋼表面生成氧化鐵，然后再進(jìn)行還原。在弱的氧化氣氛下，F(xiàn)e 與 Si、Mn、Al 同時(shí)被氧化，合金元素的氧化物和氧化鐵被混合在一起，當(dāng)氧化鐵的量達(dá)到一定程度后，合金元素的氧化物就會(huì)被氧化鐵均勻混合，然后將這些氧化物進(jìn)行還原反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)的難易程度又有不同，總的來講，氧化亞鐵的還原相對(duì)容易，Si、Mn、Al的氧化物被還原后的鐵基表面也呈現(xiàn)不規(guī)則的蜂窩化組織，增加了鋅液的浸潤性，這樣再進(jìn)行鍍鋅生產(chǎn)就能避免由于合金元素氧化所導(dǎo)致的鋅層脫落的缺陷。

從圖1可以看出，不同金屬對(duì)于氧的結(jié)合進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的親和力是不同的，反應(yīng)的難易程度從Ni-Ca，從難到易，但反應(yīng)后的化合物的穩(wěn)定性也是穩(wěn)定性依次提高[2]。

圖1 反應(yīng)敏感度

帶鋼表面產(chǎn)生的少量氧化物可以在爐子后面部分利用調(diào)節(jié)氫氣量的還原性的保護(hù)氣體還原，而且采用鍍鋁鋅的技術(shù)，普遍都提高了爐內(nèi)氫氣含量，當(dāng)然對(duì)爐內(nèi)設(shè)備包括冷卻段的循環(huán)風(fēng)機(jī)等設(shè)備提出了新的要求，就是適應(yīng)高氫的環(huán)境，目前的應(yīng)對(duì)策略是采用插入式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，鍍后鍍層附著性能可以達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[3]。因此針對(duì)高強(qiáng)板的合金元素析出氧化還原的過程稱之為選擇性還原。

3 兩種不同的爐型如何采用預(yù)氧化再還原工藝

3.1 無氧化爐采用預(yù)氧化再還原

無氧化爐內(nèi)的預(yù)氧化是通過爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣含量實(shí)現(xiàn)的，通過調(diào)整無氧化爐段的助燃空氣比例來控制在此段的氧化程度，然后再通過后部的輻射管加熱段進(jìn)行還原，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)氧化的功能(見圖2)。

MeO + H2= Me + H20

(1)

MeO + CO= Me + CO2

(2)

K1(T) = PH2O / PH2

(3)

K2(T) = PCO / PCO2

(4)

式中：MeO為金屬氧化物。

圖2 無氧化爐實(shí)現(xiàn)預(yù)氧化再還原工藝

無氧化爐中采用控制空燃比，可以將燃燒產(chǎn)物中的含氧量控制到最低；同時(shí)，利用其他爐段流動(dòng)過來的H2來抑制爐氣中水蒸氣的氧化性。

而當(dāng)爐溫升高時(shí)，直接導(dǎo)致K1(T)、K2(T)的升高，同時(shí)氫氣作為雙原子氣體相比于水蒸氣的三原子氣體有著更大的膨脹率。

K1and K2=fct(metal)=K(Cu)>K(Fe)>K(Mn)>K(Al)

(5)

這就形成了一直采用相對(duì)較高的氫氣含量、較高的爐溫制度的控制方法。因此，無氧化爐的發(fā)展方向如下：當(dāng)保護(hù)氣體采用氮?dú)浠旌蠚鈺r(shí)，氫氣含量適當(dāng)提高為8%～35%；可以大幅度提高無氧化爐的溫度，對(duì)于生產(chǎn)深沖級(jí)鍍鋅板包括高強(qiáng)產(chǎn)品，無氧化爐的出爐溫度板溫可以達(dá)到750～770 ℃；意味著爐溫將達(dá)到1 280 ℃；同時(shí)補(bǔ)入保護(hù)氣體氫氣含量應(yīng)較高，要確保爐壓不低于160 Pa；這樣帶鋼在無氧化爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)選擇性氧化功能，然后在高氫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)表面還原及增加還原體浸潤性；結(jié)合高強(qiáng)快冷；是實(shí)現(xiàn)預(yù)氧化和高強(qiáng)產(chǎn)品的有效途徑。

但需要強(qiáng)調(diào)的是高強(qiáng)冷卻段實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的同時(shí)本身壓力控制就是難點(diǎn)，而無氧化爐的爐壓控制也不如全輻射管爐子的控制能力強(qiáng)，必要的壓力補(bǔ)入和輔助壓力控制手段等安全聯(lián)鎖是十分必要的。包括無氧化爐各段氮?dú)怆姶砰y補(bǔ)入自動(dòng)控制；在煙道布置后補(bǔ)燃系統(tǒng)而不是爐內(nèi)和爐壓擋板自動(dòng)控制程序等。

3.2 全輻射管爐采用預(yù)氧化再還原

全輻射管加熱過程中基本控制了氣氛的還原性，要在此段中使帶鋼表面的鐵完全氧化基本不太可能，另外由于鐵氧化也需要相對(duì)較高的溫度，所以大多數(shù)全輻射管鍍鋅線都沒有實(shí)現(xiàn)預(yù)氧化功能。

但根據(jù)無氧化爐預(yù)氧化的原理，在爐子的帶鋼相變點(diǎn)采用一段密封的小段爐體布置在退火爐內(nèi)，同時(shí)隔絕各爐段與該爐體內(nèi)的氣氛，這樣通過調(diào)整小型爐體內(nèi)的露點(diǎn)來控制帶鋼表面的氧化程度，以達(dá)到預(yù)氧化的作用。待帶鋼重新進(jìn)入退火爐內(nèi)后再進(jìn)行還原。

根據(jù)圖3所示，在全輻射管退火爐增加預(yù)氧化功能的實(shí)施方案如下：在帶鋼相變點(diǎn)設(shè)置單獨(dú)的上下2個(gè)道次，并采用4輥密封室隔開該爐段和其他爐室，這樣保護(hù)氣體就分為預(yù)氧化室前、預(yù)氧化室、預(yù)氧化室后3部分，其中預(yù)氧化室后的保護(hù)氣體為高氫和加熱的、預(yù)氧化室的爐氣是有氮?dú)庀到y(tǒng)補(bǔ)入氧氣和露點(diǎn)控制的功能。

圖3 全輻射管退火爐增加預(yù)氧化室的示意圖

需要強(qiáng)調(diào)的是該設(shè)備還具有450 ℃保護(hù)氣體加熱功能。詳見圖4。

圖4 保護(hù)氣體前處理系統(tǒng)

該爐型的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)爐氣的氣氛分為3段，互相不受干擾，爐壓控制相當(dāng)靈活，安全系數(shù)高；

(2)預(yù)氧化室的氣氛控制相對(duì)獨(dú)立，無論露點(diǎn)控制、氧氣控制都不會(huì)影響其他爐段；

(3)預(yù)氧化室的高度不影響全爐的張力控制；

(4)預(yù)氧化室在不使用的前提下，只需要關(guān)閉保護(hù)氣體的加濕、加氧功能。

采用圖3所示的保護(hù)氣體最高氣體溫度為600 ℃，而且不受氫含量的限制。

4 鍍鋅機(jī)組高強(qiáng)快冷

讓奧氏體組織更加徹底的轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，進(jìn)一步提高帶鋼的強(qiáng)度。鍍鋅退火爐工藝段產(chǎn)生一種新的工藝深冷再加熱工藝。深度冷卻技術(shù)的基本原理是：帶鋼從緩冷段出來700～720 ℃，在快冷段內(nèi)快速降溫至270 ℃，完全形成鐵素體和馬氏體，以 270 ℃的溫度進(jìn)入(補(bǔ)熱段)均衡段，通過由感應(yīng)加熱快速提升到460 ℃(按照180 m/min 的速度計(jì)算，在感應(yīng)加熱器內(nèi)的溫升190 ℃。 在最短的時(shí)間內(nèi)穿越貝氏體形成區(qū)域，避免晶相組織的大量改變。[4]

但采用感應(yīng)加熱需要慎重，尤其是受到鋅蒸汽影響感應(yīng)加熱還沒有徹底解決的前提下；可以考慮多道次電熱補(bǔ)熱方式，安全可靠，缺點(diǎn)是道次較多，占地面積大。

所以在圖2所示的退火爐中采用高強(qiáng)快冷，采用了國外某廠商的差分冷卻器，冷卻速度己經(jīng)達(dá)到極限的91.6 ℃/s，針對(duì)1.16 mm的板厚，完全實(shí)現(xiàn)快速溫降，組織完全形成鐵素體和馬氏體(見圖5)。

同時(shí)根據(jù)圖4所示，為避免生成貝氏體，冷卻終了溫度為270 ℃，但這一溫度距離鍍鋅溫度的460 ℃還有距離，不建議采用感應(yīng)加熱，仍可以通過足夠的均衡段實(shí)現(xiàn)。

圖5 冷卻速度和組織晶相的關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)預(yù)氧化工藝是應(yīng)對(duì)高強(qiáng)鋼合金析出氧化影響鍍層質(zhì)量的有效手段；

(2)高溫?zé)o氧化爐結(jié)合高氫還原是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼預(yù)氧化工藝的有效手段；但控制難度較大；全輻射管爐通過獨(dú)立爐室結(jié)合保護(hù)氣體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的帶鋼預(yù)氧化功能；

(3)無論哪種工藝，精確控制爐內(nèi)露點(diǎn)、殘氧難度都是控制帶鋼預(yù)氧化的關(guān)鍵；

(4)為強(qiáng)調(diào)還原性，爐區(qū)尤其是冷卻設(shè)備適應(yīng)高氫，對(duì)冷卻段風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)帶來難度；

(5)高強(qiáng)快冷受鍍鋅影響必須采用深冷再加熱，但再加熱的方式值得慎重推敲。