王朋飛

（唐山不銹鋼有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063100）

我國“十一五”規(guī)劃《科技中長期發(fā)展綱要》提出“將單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%，主要污染物排放總量減少10%的目標(biāo)值”的約束政策，意味著加強(qiáng)了對(duì)鋼鐵制品生產(chǎn)酸液使用的限制，目的是發(fā)展低能耗、綠色加工型鋼鐵制品。基于緊跟時(shí)代政策的轉(zhuǎn)變，不斷促進(jìn)鋼鐵企業(yè)，汽車原料行業(yè)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，生產(chǎn)工藝調(diào)整，根據(jù)用戶需要，在熱軋過程中通過合理調(diào)整工藝參數(shù)以生成不同厚度不同結(jié)構(gòu)的氧化鐵皮，可達(dá)到“減酸洗”甚至“免酸洗”的目的。

免酸洗鋼主要特點(diǎn)是通過調(diào)整合金成分、控制軋制工藝，在減少酸洗環(huán)節(jié)的情況下，使得鋼鐵產(chǎn)品表面質(zhì)量提高，具體通過改善氧化鐵皮結(jié)構(gòu)，抑制紅色氧化鐵生成，促進(jìn)黑色氧化鐵皮。黑色氧化鐵皮可提高附著力、降低厚度，正價(jià)塑性、柔性，確保后續(xù)輥壓、沖壓過程中氧化鐵皮不脫落，保證產(chǎn)品表面質(zhì)量。因此大多數(shù)企業(yè)通過免酸洗鋼的開發(fā)逐步實(shí)現(xiàn)了汽車鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

唐鋼不銹鋼1 580 mm 線熱軋產(chǎn)線的產(chǎn)品多樣、用途廣泛，其中部分產(chǎn)品因使用原因需要進(jìn)行酸洗。熱軋產(chǎn)品均存在著表面氧化鐵皮，氧化鐵皮的厚度和結(jié)構(gòu)是影響后續(xù)酸洗工序的主要因素之一，在氧化鐵皮控制得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)表面要求較高的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)“減酸洗”，對(duì)表面要求相對(duì)低的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)“免酸洗”。為了降低全流程生產(chǎn)總成本，實(shí)現(xiàn)與客戶的利益共贏，唐鋼1 580 mm 熱軋線在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化。

1 氧化鐵皮的形成機(jī)理及主要影響因素

1.1 形成機(jī)理

熱軋鋼卷或鋼板表面冷卻過程會(huì)形成一層氧化鐵皮結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)分三部分，由內(nèi)到外依次是，相對(duì)致密紅色鐵皮，化學(xué)組成為Fe2O3；光滑無裂紋的黑色鐵皮，化學(xué)組成為Fe3O4，比較致密且不宜破壞；最里層是質(zhì)地松軟藍(lán)灰色鐵皮，外力作用下易碎易剝落的FeO，與基體相接觸。在熱軋產(chǎn)品在酸洗工序生產(chǎn)時(shí)，分解難易程度排序?yàn)椋篎e2O3→Fe3O4→FeO。因黑色鐵皮具有較好的附著力，在后續(xù)輥壓或沖壓過程中不易在外力作用下發(fā)生剝落而造成表面缺陷，一次希望控制較大比例的黑色鐵皮結(jié)構(gòu)，因此黑色鐵皮結(jié)構(gòu)熱軋板帶產(chǎn)品在使用過程中表面鐵皮不易變形、脫落，可省略酸洗工序，節(jié)省成本，提高效益，同時(shí)有助于提高鍍漆層的附著力。免酸洗鋼通常在氧化鐵皮結(jié)構(gòu)控制方面要求w（Fe3O4）達(dá)80%左右，氧化鐵皮厚度控制在12 μmm 以下[1]。

連鑄坯熱軋過程中氧化鐵皮形成及變化過程為在高溫狀態(tài)下，鋼帶表面氧化生產(chǎn)鐵氧化物，具體結(jié)合不同的加熱制度、水冷制度、冷卻制度及緩冷制度，綜合作用下氧化鐵皮形成長大最終穩(wěn)定存在于帶表面。熱軋過程鋼板鋼帶表面鐵皮的產(chǎn)生及發(fā)展如圖1。

圖1 表面氧化鐵皮的產(chǎn)生

熱軋鋼板及鋼帶熱軋工序中形成的表面鐵皮結(jié)構(gòu)為三層，由內(nèi)到外依次為：外層Fe2O3，特點(diǎn)是薄須狀紅色鐵皮；次外層Fe3O4，特點(diǎn)是致密塑性較好棱柱狀黑色鐵皮，最里層緊挨基體FeO，特點(diǎn)是蜂窩狀細(xì)晶鐵皮。

氧化鐵皮的增長規(guī)律類似于拋物線模式。根據(jù)Kofstad 理論，建立氧化動(dòng)力學(xué)的模型為：

式中：Kp為常數(shù)，表征氧化過程速率大小；t 為氧化時(shí)間，min；ΔW 為氧化增重量，mg；S 為試樣表面積，cm2。

根據(jù)Arrhenius 公式，Kp可用下式表示：

式中：Q 為鋼的氧化激活能，J/mol；R 為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol K)；T 為氧化溫度，K；A 為模型常數(shù)。

對(duì)上式等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)得：

根據(jù)上式對(duì)實(shí)驗(yàn)所獲得的氧化增重曲線進(jìn)行回歸，得到實(shí)驗(yàn)鋼在特定溫度、特定氧化時(shí)間下的氧化速率常數(shù)Kp[2]。

1.2 主要影響因素

1.2.1 C 對(duì)鋼氧化層的影響

鋼液或鋼卷表面發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)，碳不會(huì)固溶在氧化鐵皮中，而是在內(nèi)層鐵皮與基體界面首先反應(yīng)生成氣體CO，繼續(xù)氧化形成生成CO2。氣體可通過裂紋或疏松結(jié)構(gòu)逸出表面。如果不能順利逸出，壓力增加到臨界水平，就存在氧化層脹裂的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2 Cr 對(duì)鋼氧化層的影響

由元素周期表可得，Cr 金屬活性大于Fe，同時(shí)存在于鋼中時(shí)優(yōu)先形成Crd 的氧化物—Cr2O3、Fe-Cr2O4，二者為尖晶石結(jié)構(gòu)形式氧化物，組織致密，阻礙原子擴(kuò)散，從動(dòng)力學(xué)上降低了Fe 的氧化速度，間接提高含Cr 鋼的抗氧化性[1]，同時(shí)提高氧化鐵皮的黏附力。

1.2.3 Si 對(duì)鋼氧化層的影響

w（Si）0.2%以上，高溫平衡狀態(tài)組成為液態(tài)Fe2SiO4和FeO；軋制過程中，熱應(yīng)力裂紋延伸不到基體界面，剝離性較差。降低有效Si 成分含量是降低紅色氧化鐵皮比較有效的方法。具體表征為Si 含量較高（0.05%以上）的，對(duì)應(yīng)氧化鐵皮呈紅色，Si 含量較低（0.05%以上）時(shí)，對(duì)應(yīng)氧化鐵皮呈藍(lán)灰色。含Si低的鋼，形成鐵皮氣孔直徑較較，并且整體分布比較均勻，空冷引起的熱引力使氧化鐵皮產(chǎn)生裂紋，延伸到基體界面，除鱗時(shí)可整體剝離。

1.2.4 Al 對(duì)鋼氧化層的影響

Al 較Fe 活潑，可置換鋼種Fe 形成氧化物Al2O3。相對(duì)與Fe，Al 的氧化物的熔點(diǎn)高，電導(dǎo)小，形成阻力較大，因此可以防止Fe 的氧化提高鋼的抗氧化性。

熱軋終軋溫度通?？卦贏r3 和920 ℃之間，含Si 鋼在溫度為750～900 ℃氧化速度較快，不利于與減少氧化鐵皮厚度。而鋼中Al 通常在0.06%以下對(duì)鋼的氧化影響較小，而添加一定量的Cr 能夠減少免酸洗“黑皮鋼”氧化鐵皮厚度，并增加氧化鐵皮的附著能力。

1.2.5 軋制工藝

鋼板及熱卷的軋制工藝制度是控制氧化鐵皮厚度的關(guān)鍵因素。軋制過程的溫度制度是影響氧化鐵皮生成速度的主要因素，而軋制速度決定了鋼帶與空氣的接觸時(shí)間，即氧化鐵皮的生成時(shí)間。實(shí)際生產(chǎn)中，開軋溫度、終軋溫度及卷取溫度會(huì)影響軋制速度，合理的軋制工藝能夠控制氧化鐵皮的生成量。

2 改善熱軋產(chǎn)品氧化鐵皮的主要措施

2.1 優(yōu)化成分設(shè)計(jì)

在成分設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)成分對(duì)氧化層的影響進(jìn)行成分調(diào)整。通過研究分析1 580 mm 熱軋各階段氧化鐵皮存在的形態(tài)和生長規(guī)律及各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)對(duì)氧化鐵皮厚度及結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，提出在現(xiàn)有LW235-TS產(chǎn)品成分的基礎(chǔ)上加入0.25%的Cr 并適當(dāng)降低C含量，以確保“免酸洗”LW235-TS 的折彎掉粉性能及表面質(zhì)量，試制“免酸洗”LW235-TS，成分設(shè)計(jì)見表1。

表1 典型成分控制 %

2.2 軋制工藝調(diào)整

氧化鐵皮越薄，脆性越小，與基體的結(jié)合能力越強(qiáng)，控制鐵皮厚度的主要措施為降低鋼板及鋼帶與空氣的接觸溫度、接觸面積及接觸時(shí)間。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程可知，帶鋼軋制過程中規(guī)格限定了接觸面積，而接觸溫度可以通過降低精軋入口溫度、增加冷卻水以降低鐵皮生長速度進(jìn)行控制；同時(shí)可以通過提高終軋溫度、提高冷卻強(qiáng)度以提高鋼帶軋制速度降低接觸時(shí)間，從而降低氧化鐵皮厚度[2]。

另一方面結(jié)合鋼板及鋼帶軋后緩冷過程中的緩冷模式及堆放方式，對(duì)軋制鋼板及鋼帶的表面鐵皮結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及厚度增長幅度具有較大的影響，結(jié)合軋制工藝，卷取溫度的會(huì)影響氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)，即影響FeO、Fe3O4、Fe2O3在氧化鐵皮中的占比。

在現(xiàn)有LW235-TS 軋制工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)軋制工藝進(jìn)行調(diào)整，降低精軋入口溫度，提高終軋溫度、卷取溫度，設(shè)定軋制速度，氧化鐵皮數(shù)量能夠得到有效控制，典型工藝見下頁表2。

表2 典型工藝控制

3 效果驗(yàn)證

3.1 力學(xué)性能

產(chǎn)品實(shí)際性能控制如表3 所示。

表3 物理性能

3.2 表面質(zhì)量

通過酸洗減重法對(duì)比，常規(guī)LW235-TS 氧化鐵皮厚度控制水平為4.40～5.25 mg/cm2相比，工藝調(diào)整后氧化鐵皮厚度控制水平為2.60～4.40 mg/cm2，見表4，實(shí)物見圖2 和圖3。工藝調(diào)整后氧化鐵皮厚度在10 μm 以內(nèi)。90°折彎無明顯“掉粉”現(xiàn)象。

表4 酸洗減重法測(cè)定氧化鐵皮掉粉程度

酸洗減重法測(cè)試結(jié)果表明免酸洗工藝LW235-TS 氧化鐵皮厚度控制水平2.60～4.40 mg/cm2，常規(guī)工藝氧化鐵皮厚度控制水平4.40～5.250 mg/cm2。

圖2 工藝調(diào)整后氧化鐵皮厚度金相

圖3 90°折彎氧化鐵皮掉落情況

免酸洗工藝LW235-TS 氧化鐵皮厚度7 μm，常規(guī)工藝鐵皮厚度厚度10 μm。

免酸洗工藝LW235-TS90°折彎存在輕微氧化鐵皮掉粉，常規(guī)工藝掉粉比較嚴(yán)重。

4 結(jié)語

通過成分調(diào)整和軋制工藝調(diào)整，唐鋼1 580 mm熱軋帶鋼生產(chǎn)線成功開發(fā)高表面質(zhì)量控制的LW235-TS 產(chǎn)品，通過采用優(yōu)化成分設(shè)計(jì)加入Cr 成分、調(diào)整精軋入口溫度、終軋溫度、提高軋制速度，使氧化鐵皮以Fe3O4+FeO 結(jié)構(gòu)為主，厚度控制在10 μm以下，90°折彎掉粉控制在4.40 mg/cm2以下。本產(chǎn)品可替代表面要求相對(duì)較低的酸洗產(chǎn)品，可以省略酸洗工序，有效降低生產(chǎn)成本，降低環(huán)境污染，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。