閆 萍，趙建勇

（唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北063105）

0 引言

在現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)中，帶鋼酸洗過程主要用于去除帶鋼表面氧化鐵皮，改善鋼鐵產(chǎn)品的表面質(zhì)量，但酸洗之后的酸液卻對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。為適應(yīng)我們“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的環(huán)境保護(hù)政策，下游客戶迫切需要能適應(yīng)“免酸洗”的鋼鐵產(chǎn)品，以緩解乃至消除廢酸對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)成本造成的影響。目前國(guó)外一些國(guó)家已開發(fā)出了可帶氧化鐵皮進(jìn)行深加工的“黑皮鋼”。這種熱軋鋼帶在后續(xù)深加工過程中，表面鐵皮可隨鋼板本體變形而同步發(fā)生變形并脫落，不需要通過酸洗等手段去除。一般鋼帶表面的氧化鐵皮主要由Fe3O4組成，具有較高的塑性、較薄的鐵皮厚度及與鋼本體緊密的結(jié)合力，由此可見，合理控制氧化鐵皮組織結(jié)構(gòu)及鐵皮厚度是達(dá)到“免酸洗”目的的關(guān)鍵技術(shù)。

唐山不銹鋼公司結(jié)合客戶需求，成功設(shè)計(jì)開發(fā)了700 MPa級(jí)別免酸洗黑皮鋼TS700BL，為公司擴(kuò)大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)范圍，贏得了客戶好評(píng)。

1 免酸洗黑皮鋼氧化鐵皮的形成及影響因素

1.1 “免酸洗”鋼的氧化鐵皮控制原理

隨著軋制過程進(jìn)行，帶鋼溫度降低，其表面氧化物Fe1-yO中不斷析出Fe3O4，當(dāng)帶鋼溫度低于570℃時(shí)，F(xiàn)e1-yO將發(fā)生轉(zhuǎn)變:4Fe1-yO→Fe3O4+（1-4y）Fe。最終帶鋼表面的氧化鐵皮主要包括三種形態(tài):Fe1-yO、Fe3O4和Fe3O4/Fe。圖1為Fe-O二元相圖以及在冷卻過程中可能出現(xiàn)的氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)。

氧化鐵皮的形態(tài)轉(zhuǎn)變是一種擴(kuò)散型形態(tài)轉(zhuǎn)變，對(duì)于每個(gè)形態(tài)轉(zhuǎn)變過程都有一個(gè)轉(zhuǎn)變發(fā)展期。研究結(jié)果表明Fe1-yO的形態(tài)轉(zhuǎn)變過程也遵循類似的“C”曲線規(guī)律。對(duì)于同樣的卷取溫度，當(dāng)帶鋼冷卻速率低的時(shí)，為氧化鐵皮形態(tài)轉(zhuǎn)變過程提供了較充足的時(shí)間，所以最終氧化鐵皮結(jié)構(gòu)中共析組織含量高；當(dāng)冷卻速率較高時(shí)，只有先共析Fe3O4出現(xiàn)在Fe1-yO中，大量的Fe1-yO保留下來。Fe1-yO是一種陽離子不足的化合物。圖2為Fe1-yO隨溫度的變化曲線[1]。從圖2可以看出，不同溫度條件下，F(xiàn)e1-yO濃度存在較大的差異。

圖1

圖2 Fe1-yO隨溫度的變化曲線

1.2 軋制階段對(duì)氧化鐵皮的影響

板坯經(jīng)過粗軋、除鱗，精軋前除鱗后，表面的氧化鐵皮可認(rèn)為被清除干凈。但隨著軋制的進(jìn)行，精軋機(jī)架間高溫鋼帶與空氣接觸，帶鋼表面又會(huì)重新生成氧化鐵皮，并隨帶鋼軋制同步發(fā)生變形。出精軋機(jī)組的鋼板表面氧化鐵皮的厚度主要取決于精軋過程的工藝參數(shù)控制，包括帶鋼終軋溫度、機(jī)架間冷卻水狀態(tài)、進(jìn)入精軋各架次溫度以及軋制潤(rùn)滑投入狀態(tài)等。

1.3 層流冷卻階段對(duì)氧化鐵皮的影響

鋼帶出精軋后進(jìn)入層流冷卻階段，帶鋼終軋溫度基本在830～900℃之間，卷取溫度基本控制在550～650℃。在層流冷卻過程中，帶鋼接觸空氣和水反應(yīng)生成FeO，使得帶鋼表面的氧化鐵皮繼續(xù)生長(zhǎng)、增厚，此時(shí)帶鋼表面氧化皮結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，與帶鋼本體接觸的最內(nèi)層為FeO，最外層為Fe2O3、中間層為Fe3O4。由于層流冷卻水的冷卻作用使得表面氧化鐵皮與鋼帶本體都發(fā)生收縮，但兩者收縮程度不同，導(dǎo)致氧化鐵皮與帶鋼本體之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，氧化鐵皮與鋼帶本體間的結(jié)合力減弱。因此在此階段應(yīng)著重控制層流冷卻的冷卻水量、冷卻模式及層流冷卻的水溫[2]。

1.4 帶鋼成卷后的冷卻階段對(duì)氧化鐵皮的影響

帶鋼在卷取機(jī)成卷后，如果卷取溫度高于550℃，在鋼卷邊部的FeO會(huì)進(jìn)一步衍變生成Fe2O3和Fe3O4。在帶鋼板寬中部，由于帶鋼凸度存在，鋼卷成卷致密空氣不能到達(dá)，基體中的Fe向帶鋼表面擴(kuò)散，并與氧化鐵皮中高價(jià)氧離子發(fā)生反應(yīng)形成FeO，使得氧化鐵皮厚度增加[3]。

2 免酸洗TS700BL帶鋼生產(chǎn)工藝及氧化鐵皮的控制

2.1 生產(chǎn)工藝要求

2.1.1 物理性能要求

為滿足客戶需求，對(duì)免酸洗黑皮大梁鋼化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)過識(shí)別客戶需求，結(jié)合下游客戶對(duì)免酸洗黑皮大梁鋼的要求，確定免酸洗黑皮大梁鋼物理性能，見表1。

表1 免酸洗黑皮大梁鋼物理性能

2.1.2 化學(xué)成分要求

為了抑制氧化鐵皮增厚，采用不同含量的Cr（0～0.60%）等量替代部分Mn，Cr元素能在鋼表面形成致密的氧化膜提高鋼的鈍化能力；同時(shí)采用不同含量鈮（Nb0～0.05%）等量替換Ti，鈮（Nb）是可通過形成析出物對(duì)鋼的強(qiáng)度具有顯著影響的元素，鋼中析出鈮的碳氮化物引起鋼帶基體中的固溶強(qiáng)化來提高鋼的強(qiáng)度，另外在鋼坯再加熱過程中，Nb基析出物溶解，在熱軋過程中再次以微細(xì)粒度地析出，可有效地提高鋼的強(qiáng)度，保證產(chǎn)品的綜合機(jī)械性能。免酸洗黑皮大梁鋼的化學(xué)成分見表2。

表2 免酸洗黑皮TS700BL鋼帶的化學(xué)成分設(shè)計(jì) /%

2.1.3 加熱工藝及軋制溫度要求

（1）板坯在加熱爐的總駐爐時(shí)間為180～240分鐘，加熱爐均熱段加熱溫度1 280～1 320℃，均熱時(shí)間35～48分鐘；

（2）精軋入口溫度1 030～1 100℃，終軋溫度830～880℃；

（3）鋼帶經(jīng)層流前部粗調(diào)段快冷到750～790℃，受層冷長(zhǎng)度限制中間空冷時(shí)間為3～8秒；

（4）再經(jīng)層流后部精調(diào)段快冷到600～650℃進(jìn)入卷取工序。

2.2 軋制工藝主要參數(shù)的確定

通過對(duì)不同鋼種的氧化鐵皮厚度和結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量和定性梳理，總結(jié)出在冷取樣條件下最優(yōu)氧化鐵皮的厚度、結(jié)構(gòu)及各相比例，確定了最佳精軋溫度FET、終軋溫度FDT、卷曲溫度DCT及軋制速度，見表3。

表3 最優(yōu)氧化鐵皮厚度、結(jié)構(gòu)及軋制工藝

2.3 氧化鐵皮控制的主要措施

在生產(chǎn)過程中，帶鋼氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)以及厚度受帶鋼寬度方向冷卻效果的影響較大，因此可采取以下措施減少或消除影響。

（1）通過精軋機(jī)組下游機(jī)架均勻竄輥減少軋輥磨損和合理調(diào)整彎輥力來減少邊降；

（2）采用帶鋼微中浪軋制的方式來控制帶鋼表面氧化鐵皮一致性。

3 免酸洗TS700BL帶鋼檢驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)鋼卷冷卻至室溫后，在距離鋼卷尾部12米后進(jìn)行通寬取樣。將樣板沿寬度方向分別在距邊部40mm處、板寬1/2處制樣進(jìn)行檢測(cè)分析，顯微鏡下觀察氧化皮結(jié)構(gòu)、厚度和形貌。各部分的氧化皮形貌和厚度分布分別見圖3、圖4，鋼板性能見表4。

表4 免酸洗黑皮TS700BL鋼帶物理性能指標(biāo)

如圖3、圖4所示，邊部與中間部氧化鐵皮結(jié)構(gòu)基本相同，最外層和靠近基體層均由Fe3O4組成，中間層則由大量的FeO和少量的先共析Fe3O4組成。不同的是，鋼卷中間部氧化鐵皮Fe3O4含量較邊部多，邊部FeO含量較中間部少。在氧化鐵皮厚度方面，鋼卷邊部較厚，大約在10.9μm～11.8μm，中間部氧化鐵皮厚度大約在9.8μm～10.5μm，均小于12 μm。氧化鐵皮與基體結(jié)合性較好，平直度較高，裂紋數(shù)量較少。

圖3 邊部氧化鐵皮厚度

圖4 中間氧化鐵皮厚度

4 結(jié)語

唐山不銹鋼公司為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，結(jié)合客戶要求對(duì)免酸洗黑皮鋼的化學(xué)成分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并對(duì)1 580 mm產(chǎn)線加熱工藝、軋制工藝、冷卻制度等方面的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最終成功開發(fā)出了滿足用戶要求的700 MPa級(jí)免酸洗黑皮鋼TS700BL，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)鋼種的氧化鐵皮結(jié)構(gòu)和厚度的在線控制。目前TS700BL鋼帶已進(jìn)行批量化生產(chǎn)，擴(kuò)大了公司的產(chǎn)品范圍并贏得了客戶的好評(píng)。