不同As含量的Ti微合金化IF鋼熱軋板酸洗行為研究

肖愛達，李光強，謝世正，鄧之勛

(1. 武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081；2. 湖南華菱漣源鋼鐵有限公司技術(shù)中心，湖南 婁底，417009)

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不同As含量的Ti微合金化IF鋼熱軋板酸洗行為研究

肖愛達，李光強，謝世正，鄧之勛

(1. 武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081；2. 湖南華菱漣源鋼鐵有限公司技術(shù)中心，湖南 婁底，417009)

借助XRD、OM、SEM及EDS等分析手段，對殘余元素As含量不同的Ti微合金化IF鋼熱軋板氧化鐵皮的表面形貌、結(jié)構(gòu)、厚度及微區(qū)成分進行表征，重點研究了As含量對熱軋板酸洗行為的影響。結(jié)果表明，As含量對該Ti微合金化IF鋼熱軋板表面氧化鐵皮形貌、組成及厚度影響較小；但相同酸洗條件下，熱軋板試樣酸洗速度隨鋼中As含量的增加而下降，這是因為高As含量熱軋板表面在酸洗時易形成絮狀物，進而降低了熱軋板酸洗效率。對于給定的熱軋板，建議在Ti微合金化鋼生產(chǎn)過程中，應(yīng)將As含量控制在0.0055%以內(nèi)，這將有利于提高其表面質(zhì)量。

氧化鐵皮；熱軋板；As含量；酸洗

在熱處理或熱加工過程中，熱軋板表面不可避免地會形成一層氧化鐵皮，其結(jié)構(gòu)與厚度直接決定了熱軋板的酸洗效果，進而影響熱軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量[1-3]。有鑒于此，國內(nèi)外冶金工作者針對熱軋板氧化鐵皮的形成條件、控制措施及相應(yīng)的酸洗機制等開展了大量研究，其成果已在熱軋帶鋼的生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用[4-10]。一般情況下，典型熱軋板氧化鐵皮由靠近基體側(cè)的FeO層、Fe3O4中間層及最外層的Fe2O3組成，有時還有析出的游離鐵[11]。

另一方面，由于富鐵礦資源的逐漸枯竭，大量低品位鐵礦石資源被投入使用，而廢鋼鐵也成為了鋼鐵生產(chǎn)的重要原料，這些因素均會導(dǎo)致某些鋼廠的鋼水中Cu、As、Sn、Pb等殘余元素含量過高。而鋼中的殘余元素，特別是As元素，多富集在熱軋板氧化鐵皮與基體的界面處，形成低熔點的富集相，且該富集相與基體的結(jié)合力大于氧化鐵皮與基體間的結(jié)合力，進而導(dǎo)致氧化鐵皮在酸洗過程中較難被清除干凈[12]。高鑫等[13]在研究德龍鋼鐵有限公司生產(chǎn)的含As的SPHC冷軋基板的酸洗行為時也發(fā)現(xiàn)，殘余元素As含量過高是導(dǎo)致該產(chǎn)品酸洗不凈的直接原因。然而，目前關(guān)于As含量對熱軋板酸洗行為影響規(guī)律的研究還較少。

湖南華菱漣源鋼鐵有限公司(以下簡稱漣鋼)由于受礦石來源及廢鋼結(jié)構(gòu)的限制，其鐵水與鋼水中As、Cu、Sn等殘余元素含量比較高。針對不同鋼種，漣鋼通常采用合理配礦及配加不同等級廢鋼的方式來滿足其對殘余元素含量的要求。然而漣鋼在生產(chǎn)熱軋板時，其產(chǎn)品表面常常會出現(xiàn)氧化鐵皮壓入、帶狀麻點及麻面等缺陷，進而影響帶鋼酸洗效果。為此，本文將漣鋼生產(chǎn)的對表面質(zhì)量要求較高的Ti微合金化IF鋼熱軋板作為研究對象，結(jié)合XRD、OM、SEM及EDS等分析，在對酸洗前后其氧化鐵皮的表面形貌、結(jié)構(gòu)、厚度及成分進行表征的基礎(chǔ)上，研究了As含量對熱軋板酸洗行為的影響。

1 試驗材料及方法

試驗所用材料為漣鋼生產(chǎn)的Ti微合金化IF鋼熱軋板，其化學(xué)成分及熱軋工藝參數(shù)如表1所示。由表1可知，5組試驗鋼除As含量有所不同外，其終軋溫度及卷取溫度分別控制在920 ℃和730 ℃左右。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分及熱軋工藝參數(shù)

為模擬工業(yè)生產(chǎn)中的拉矯過程，特將熱軋鋼板進行0.8%的平整變形。利用SmartLab型X射線衍射儀(XRD)對熱軋板試樣氧化鐵皮的物相組成進行表征；采用3%硝酸酒精或3.5%鹽酸酒精對試樣縱截面進行腐蝕，利用LEICA MEF4A型光學(xué)顯微鏡(OM)、FEI Quanta200型掃描電鏡(SEM)并結(jié)合能譜儀(EDS)，對試樣氧化鐵皮的形貌、結(jié)構(gòu)及成分進行觀察與分析。

為考察As含量對熱軋板酸洗行為的影響，特將每組熱軋板加工成規(guī)格為20 mm×20 mm的方形試樣(厚度為原熱軋鋼板厚度)，并各取7個樣品。在進行表面清潔、干燥并鑲樣處理后，將每組樣品依次浸入濃度為15 g/L、溫度為85 ℃的鹽酸溶液中，酸洗時間分別為8、15、20、30、40、60、120 s。結(jié)束后立即取出試樣，利用微量天平稱取并計算每組樣品氧化鐵皮的失重量，并結(jié)合SEM和EDS對酸洗后試樣氧化鐵皮的形貌及微區(qū)成分進行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱軋板氧化鐵皮的表征

未酸洗試樣H1表面氧化鐵皮的SEM照片和XRD圖譜如圖1所示。從圖1(a)中可以看出，試樣H1的氧化鐵皮較為致密，在平整試驗的作用下，部分區(qū)域出現(xiàn)了微小裂紋，這將有利于酸洗的進行[7]。結(jié)合圖1(b)可知，該氧化鐵皮由Fe2O3、Fe3O4和FeO組成，且以Fe3O4為主，其含量達40.30%；此外，衍射譜中還出現(xiàn)了較強的基體bcc-Fe的衍射峰，原因主要是該氧化鐵皮的厚度較薄。

圖2為試樣H1氧化鐵皮縱截面的OM、SEM照片及沿鐵皮厚度方向元素的分布情況。由圖2(a)可知，該氧化鐵皮厚度約為13 μm。結(jié)合圖2(b)和圖2(c)可知，氧化鐵皮由內(nèi)至外方向上，F(xiàn)e元素的原子百分比呈先增加后減小的趨勢，這與文獻[10]的研究結(jié)論基本相符。

基于上述分析方法，得其他試樣的分析結(jié)果并列于表2中。由表2可知，不同As含量熱軋板試樣的氧化鐵皮均呈致密狀，厚度在10～14 μm范圍內(nèi)；對于氧化鐵皮的組成而言，試樣H8、H1和H4主要由Fe2O3、Fe3O4和FeO相組成，而試樣H2和H6主要由Fe2O3和Fe3O4組成，且所有試樣均以Fe3O4相為主。由此可見，As含量對Ti微合金IF鋼熱軋板氧化鐵皮的形貌、組成及厚度影響較小。

(a)SEM

(b)XRD

Fig.1 SEM image and XRD pattern of the oxide scale of Sample H1

(a)OM

(b)SEM

(c)Fe、O元素分布

Fig.2 Cross-sectional OM, SEM images and EDS analysis of the oxide scale of Sample H1

表2 試樣氧化鐵皮的致密程度、厚度及物相組成

Table 2 Compact degrees, thicknesses and compositions of oxide scales of samples

試樣致密程度厚度/μm體積分?jǐn)?shù)/%bcc?FeFe2O3Fe3O4FeOH8較致密1045．28．542．93．3H1較致密1351．53．640．34．6H2非常致密1245．312．042．70H4較致密1450．76．241．91．2H6較致密1244．420．934．70

2.2 As含量對熱軋板酸洗過程的影響

圖3為試樣表面氧化鐵皮酸洗失重與酸洗時間的關(guān)系。由圖3可知，試樣H8、H1、H2、H4、H6的臨界酸洗時間分別約為20、20、40、60、60 s。由此可見，相同酸洗條件下，隨著As含量的增加，熱軋板試樣臨界酸洗時間有所增加，酸洗速度則隨之下降。酸洗速度的排序可表示為：H8(H1)>H2>H4(H6)，而相應(yīng)的As含量排序為：H8

圖3 氧化鐵皮酸洗失重與酸洗時間的關(guān)系

Fig.3 Relationship between weight loss and acid pickling time of oxide scales

2.3 As含量對熱軋板酸洗行為的影響

試樣H8、H2、H6在臨界酸洗工況下的SEM照片和典型區(qū)域的EDS分析如圖4所示，試樣H8、H2、H4在過酸洗工況下的SEM照片和EDS分析如圖5所示。

由圖4和圖5可見，所有試樣的晶界處均存在As元素富集現(xiàn)象。結(jié)合圖3可知，在臨界酸洗時間下，試樣H8和H6表面氧化鐵皮都基本消失，但均存有難以酸洗的且疏松多孔的絮狀物，其主要由鐵的氧化物及含少量As、Cu、Sn、Ni等殘余元素組成的復(fù)合化合物構(gòu)成；在過酸洗工況下，試樣H8表面幾乎無絮狀物存在，僅在晶界處有少量As元素的富集，而試樣H2和H4的表面仍存在含As、Cu、Sn、Ni等殘余元素的絮狀物。此外，與其它殘余元素相比，臨界酸洗和過酸洗工況下，不同試樣表面絮狀物內(nèi)As含量均相對較高。

(a) H8，酸洗時間為20 s

(b) H2，酸洗時間為40 s

(c) H6，酸洗時間為60 s

(a) H8，酸洗時間為40s

(c) H4，酸洗時間為120s

基于上述分析方法，得其他試樣在臨界酸洗及過酸洗工況下晶界處及絮狀物的化學(xué)成分，結(jié)果如表3所示，除試樣H8外，其他試樣的過酸洗時間均為120 s。由表3可知，臨界酸洗工況下，試樣表面均存有少量鐵的氧化物及少量的As、Cu、Sn、Ni等殘余元素；過酸洗工況下，對于As元素含量較低的試樣(H8和H1)，其表面絮狀物基本消失，而對于As含量較高的試樣(H2、H4和H6)，其表面仍有絮狀物的存在。結(jié)合圖4和圖5可知，Ti微合金IF熱軋鋼板中由于As含量的增加而形成的絮狀物，是降低其酸洗效率的主要因素。結(jié)合表1可知，為提高該Ti微合金熱軋板的表面質(zhì)量，應(yīng)盡量將As含量控制在0.0055%以內(nèi)。

表3 試樣臨界酸洗和過酸洗工況下試樣表面晶界和絮狀物的成分組成

3 結(jié)論

(1)As含量對Ti微合金化IF熱軋板表面氧化鐵皮的物相組成、形貌及厚度影響較小，其氧化鐵皮均呈致密狀，厚度范圍為10～14 μm，主要由Fe3O4相組成。

(2)相同酸洗條件下，隨著As含量的增加，熱軋板試樣的臨界酸洗時間增加，且酸洗速度隨之下降。

(3)對于As元素含量較高的Ti微合金化IF鋼熱軋板，酸洗后其表面形成的由鐵的氧化物及以As為主的復(fù)合物所組成的絮狀物，是降低其酸洗效率的主要原因。

(4)為提高Ti微合金化IF鋼熱軋板表面質(zhì)量，實際生產(chǎn)過程中宜將As含量控制在0.0055%以內(nèi)。

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[責(zé)任編輯 董 貞]

Acid pickling behavior of hot rolled Ti-microalloyed IF steel plate with different As contents

XiaoAida1,2，LiGuangqiang1，XieShizheng2，DengZhixun2

(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China；2. Technology center of HunanValin Lianyuan Iron and Steel Co., Ltd., Loudi 417009, China)

The morphology, structure, thickness and micro-area composition of the oxide scale of hot rolled Ti-microalloyed IF steel plate with different As contents were characterized by means of XRD, OM, SEM and EDS. Based on those observations, the effects of As content on the acid pickling behavior of the investigated steels were studied. The results show that As content has little influence on the morphology, structure and thickness of the oxide scale of the investigated plates. However, under the same pickling conditions, the acid pickling rate decreases with the increase of As content in steel. The reason is that floccules are easily formed on the surface of hot rolled plate with high As content, thereby reducing its acid pickling efficiency. For a given hot-rolled plate, it is recommended that the As content should be controlled below 0.0055% during the production of Ti microalloyed steel, which will contribute to the improvement of surface quality.

oxide scale; hot rolled plate; As content; acid pickling

2016-07-21

肖愛達(1977-)，男，武漢科技大學(xué)博士生，湖南華菱漣源鋼鐵有限公司工程師．E-mail：xiaoaida@163.com

李光強(1963-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師．E-mail：liguangqiang@wust.edu.cn

TG142.1+3

A

1674-3644(2016)06-0406-06