冷彎免酸洗鋼LW235-TS氧化鐵皮控制技術研究

王朋飛

（唐山不銹鋼有限責任公司， 河北 唐山 063100）

我國“十一五”規劃《科技中長期發展綱要》提出“將單位國內生產總值能源消耗降低20%，主要污染物排放總量減少10%的目標值”的約束政策，意味著加強了對鋼鐵制品生產酸液使用的限制，目的是發展低能耗、綠色加工型鋼鐵制品。基于緊跟時代政策的轉變，不斷促進鋼鐵企業，汽車原料行業進行技術研發，生產工藝調整，根據用戶需要，在熱軋過程中通過合理調整工藝參數以生成不同厚度不同結構的氧化鐵皮，可達到“減酸洗”甚至“免酸洗”的目的。

免酸洗鋼主要特點是通過調整合金成分、控制軋制工藝，在減少酸洗環節的情況下，使得鋼鐵產品表面質量提高，具體通過改善氧化鐵皮結構，抑制紅色氧化鐵生成，促進黑色氧化鐵皮。黑色氧化鐵皮可提高附著力、降低厚度，正價塑性、柔性，確保后續輥壓、沖壓過程中氧化鐵皮不脫落，保證產品表面質量。因此大多數企業通過免酸洗鋼的開發逐步實現了汽車鋼產品結構的調整。

唐鋼不銹鋼1 580 mm 線熱軋產線的產品多樣、用途廣泛，其中部分產品因使用原因需要進行酸洗。熱軋產品均存在著表面氧化鐵皮，氧化鐵皮的厚度和結構是影響后續酸洗工序的主要因素之一，在氧化鐵皮控制得當的情況下，對表面要求較高的產品可以實現“減酸洗”，對表面要求相對低的產品可以實現“免酸洗”。為了降低全流程生產總成本，實現與客戶的利益共贏，唐鋼1 580 mm 熱軋線在現有產品的基礎上進行了調整和優化。

1 氧化鐵皮的形成機理及主要影響因素

1.1 形成機理

熱軋鋼卷或鋼板表面冷卻過程會形成一層氧化鐵皮結構，該結構分三部分，由內到外依次是，相對致密紅色鐵皮，化學組成為Fe2O3；光滑無裂紋的黑色鐵皮，化學組成為Fe3O4，比較致密且不宜破壞；最里層是質地松軟藍灰色鐵皮，外力作用下易碎易剝落的FeO，與基體相接觸。在熱軋產品在酸洗工序生產時，分解難易程度排序為：Fe2O3→Fe3O4→FeO。因黑色鐵皮具有較好的附著力，在后續輥壓或沖壓過程中不易在外力作用下發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構，因此黑色鐵皮結構熱軋板帶產品在使用過程中表面鐵皮不易變形、脫落，可省略酸洗工序，節省成本，提高效益，同時有助于提高鍍漆層的附著力。免酸洗鋼通常在氧化鐵皮結構控制方面要求w（Fe3O4）達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下，鋼帶表面氧化生產鐵氧化物，具體結合不同的加熱制度、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定存在于帶表面。熱軋過程鋼板鋼帶表面鐵皮的產生及發展如圖1。

圖1 表面氧化鐵皮的產生

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

氧化鐵皮的增長規律類似于拋物線模式。根據Kofstad 理論，建立氧化動力學的模型為：

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

根據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，8.314 J/(mol K)；T 為氧化溫度，K；A 為模型常數。

對上式等號兩邊取對數得：

根據上式對實驗所獲得的氧化增重曲線進行回歸，得到實驗鋼在特定溫度、特定氧化時間下的氧化速率常數Kp[2]。

1.2 主要影響因素

1.2.1 C 對鋼氧化層的影響

鋼液或鋼卷表面發生氧化反應時，碳不會固溶在氧化鐵皮中，而是在內層鐵皮與基體界面首先反應生成氣體CO，繼續氧化形成生成CO2。氣體可通過裂紋或疏松結構逸出表面。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險。

1.2.2 Cr 對鋼氧化層的影響

由元素周期表可得，Cr 金屬活性大于Fe，同時存在于鋼中時優先形成Crd 的氧化物—Cr2O3、Fe-Cr2O4，二者為尖晶石結構形式氧化物，組織致密，阻礙原子擴散，從動力學上降低了Fe 的氧化速度，間接提高含Cr 鋼的抗氧化性[1]，同時提高氧化鐵皮的黏附力。

1.2.3 Si 對鋼氧化層的影響

w（Si）0.2%以上，高溫平衡狀態組成為液態Fe2SiO4和FeO；軋制過程中，熱應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，對應氧化鐵皮呈紅色，Si 含量較低（0.05%以上）時，對應氧化鐵皮呈藍灰色。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生裂紋，延伸到基體界面，除鱗時可整體剝離。

1.2.4 Al 對鋼氧化層的影響

Al 較Fe 活潑，可置換鋼種Fe 形成氧化物Al2O3。相對與Fe，Al 的氧化物的熔點高，電導小，形成阻力較大，因此可以防止Fe 的氧化提高鋼的抗氧化性。

熱軋終軋溫度通常控在Ar3 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間，即氧化鐵皮的生成時間。實際生產中，開軋溫度、終軋溫度及卷取溫度會影響軋制速度，合理的軋制工藝能夠控制氧化鐵皮的生成量。

2 改善熱軋產品氧化鐵皮的主要措施

2.1 優化成分設計

在成分設計時，根據成分對氧化層的影響進行成分調整。通過研究分析1 580 mm 熱軋各階段氧化鐵皮存在的形態和生長規律及各項技術參數對氧化鐵皮厚度及結構的影響規律，提出在現有LW235-TS產品成分的基礎上加入0.25%的Cr 并適當降低C含量，以確保“免酸洗”LW235-TS 的折彎掉粉性能及表面質量，試制“免酸洗”LW235-TS，成分設計見表1。

表1 典型成分控制 %

2.2 軋制工藝調整

氧化鐵皮越薄，脆性越小，與基體的結合能力越強，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、接觸面積及接觸時間。結合實際生產過程可知，帶鋼軋制過程中規格限定了接觸面積，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行控制；同時可以通過提高終軋溫度、提高冷卻強度以提高鋼帶軋制速度降低接觸時間，從而降低氧化鐵皮厚度[2]。

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

在現有LW235-TS 軋制工藝的基礎上，結合經驗公式對軋制工藝進行調整，降低精軋入口溫度，提高終軋溫度、卷取溫度，設定軋制速度，氧化鐵皮數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 效果驗證

3.1 力學性能

產品實際性能控制如表3 所示。

表3 物理性能

3.2 表面質量

通過酸洗減重法對比，常規LW235-TS 氧化鐵皮厚度控制水平為4.40～5.25 mg/cm2相比，工藝調整后氧化鐵皮厚度控制水平為2.60～4.40 mg/cm2，見表4，實物見圖2 和圖3。工藝調整后氧化鐵皮厚度在10 μm 以內。90°折彎無明顯“掉粉”現象。

表4 酸洗減重法測定氧化鐵皮掉粉程度

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

圖2 工藝調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，常規工藝掉粉比較嚴重。

4 結語

通過成分調整和軋制工藝調整，唐鋼1 580 mm熱軋帶鋼生產線成功開發高表面質量控制的LW235-TS 產品，通過采用優化成分設計加入Cr 成分、調整精軋入口溫度、終軋溫度、提高軋制速度，使氧化鐵皮以Fe3O4+FeO 結構為主，厚度控制在10 μm以下，90°折彎掉粉控制在4.40 mg/cm2以下。本產品可替代表面要求相對較低的酸洗產品，可以省略酸洗工序，有效降低生產成本，降低環境污染，提高了產品的市場競爭力。