免酸洗黑皮鋼TS700BL的開發實踐

閆 萍，趙建勇

（唐山不銹鋼有限責任公司，河北063105）

0 引言

在現代鋼鐵生產中，帶鋼酸洗過程主要用于去除帶鋼表面氧化鐵皮，改善鋼鐵產品的表面質量，但酸洗之后的酸液卻對環境產生了嚴重的影響。為適應我們“打贏藍天保衛戰”的環境保護政策，下游客戶迫切需要能適應“免酸洗”的鋼鐵產品，以緩解乃至消除廢酸對環境和生產成本造成的影響。目前國外一些國家已開發出了可帶氧化鐵皮進行深加工的“黑皮鋼”。這種熱軋鋼帶在后續深加工過程中，表面鐵皮可隨鋼板本體變形而同步發生變形并脫落，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合力，由此可見，合理控制氧化鐵皮組織結構及鐵皮厚度是達到“免酸洗”目的的關鍵技術。

唐山不銹鋼公司結合客戶需求，成功設計開發了700 MPa級別免酸洗黑皮鋼TS700BL，為公司擴大產品結構范圍，贏得了客戶好評。

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

隨著軋制過程進行，帶鋼溫度降低，其表面氧化物Fe1-yO中不斷析出Fe3O4，當帶鋼溫度低于570℃時，Fe1-yO將發生轉變: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: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的氧化鐵皮的結構。

氧化鐵皮的形態轉變是一種擴散型形態轉變，對于每個形態轉變過程都有一個轉變發展期。研究結果表明Fe1-yO的形態轉變過程也遵循類似的“C”曲線規律。對于同樣的卷取溫度，當帶鋼冷卻速率低的時，為氧化鐵皮形態轉變過程提供了較充足的時間，所以最終氧化鐵皮結構中共析組織含量高；當冷卻速率較高時，只有先共析Fe3O4出現在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，Fe1-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 軋制階段對氧化鐵皮的影響

板坯經過粗軋、除鱗，精軋前除鱗后，表面的氧化鐵皮可認為被清除干凈。但隨著軋制的進行，精軋機架間高溫鋼帶與空氣接觸，帶鋼表面又會重新生成氧化鐵皮，并隨帶鋼軋制同步發生變形。出精軋機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控制，包括帶鋼終軋溫度、機架間冷卻水狀態、進入精軋各架次溫度以及軋制潤滑投入狀態等。

1.3 層流冷卻階段對氧化鐵皮的影響

鋼帶出精軋后進入層流冷卻階段，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生成FeO，使得帶鋼表面的氧化鐵皮繼續生長、增厚，此時帶鋼表面氧化皮結構也會發生變化，與帶鋼本體接觸的最內層為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生收縮，但兩者收縮程度不同，導致氧化鐵皮與帶鋼本體之間產生熱應力，氧化鐵皮與鋼帶本體間的結合力減弱。因此在此階段應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氧化鐵皮的影響

帶鋼在卷取機成卷后，如果卷取溫度高于550℃，在鋼卷邊部的FeO會進一步衍變生成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，基體中的Fe向帶鋼表面擴散，并與氧化鐵皮中高價氧離子發生反應形成FeO，使得氧化鐵皮厚度增加[3]。

2 免酸洗TS700BL帶鋼生產工藝及氧化鐵皮的控制

2.1 生產工藝要求

2.1.1 物理性能要求

為滿足客戶需求，對免酸洗黑皮大梁鋼化學成分及生產工藝進行了設計。經過識別客戶需求，結合下游客戶對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鋼的強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化來提高鋼的強度，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粒度地析出，可有效地提高鋼的強度，保證產品的綜合機械性能。免酸洗黑皮大梁鋼的化學成分見表2。

表2 免酸洗黑皮TS700BL鋼帶的化學成分設計 /%

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間為180～240分鐘，加熱爐均熱段加熱溫度1 280～1 320℃，均熱時間35～48分鐘；

（2）精軋入口溫度1 030～1 100℃，終軋溫度830～880℃；

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

（4）再經層流后部精調段快冷到600～650℃進入卷取工序。

2.2 軋制工藝主要參數的確定

通過對不同鋼種的氧化鐵皮厚度和結構進行定量和定性梳理，總結出在冷取樣條件下最優氧化鐵皮的厚度、結構及各相比例，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 最優氧化鐵皮厚度、結構及軋制工藝

2.3 氧化鐵皮控制的主要措施

在生產過程中，帶鋼氧化鐵皮的結構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）通過精軋機組下游機架均勻竄輥減少軋輥磨損和合理調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帶鋼檢驗結果

當鋼卷冷卻至室溫后，在距離鋼卷尾部12米后進行通寬取樣。將樣板沿寬度方向分別在距邊部40mm處、板寬1/2處制樣進行檢測分析，顯微鏡下觀察氧化皮結構、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

如圖3、圖4所示，邊部與中間部氧化鐵皮結構基本相同，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。氧化鐵皮與基體結合性較好，平直度較高，裂紋數量較少。

圖3 邊部氧化鐵皮厚度

圖4 中間氧化鐵皮厚度

4 結語

唐山不銹鋼公司為了適應市場需求，結合客戶要求對免酸洗黑皮鋼的化學成分進行重新設計，并對1 580 mm產線加熱工藝、軋制工藝、冷卻制度等方面的工藝參數進行了優化，最終成功開發出了滿足用戶要求的700 MPa級免酸洗黑皮鋼TS700BL，實現了目標鋼種的氧化鐵皮結構和厚度的在線控制。目前TS700BL鋼帶已進行批量化生產，擴大了公司的產品范圍并贏得了客戶的好評。