熱鍍鋅先進(jìn)高強(qiáng)鋼合金元素選擇性氧化控制

供稿|馬峰

作者單位：本鋼板材股份有限公司冷軋廠，遼寧 本溪 117000

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

為了研究熱鍍鋅高強(qiáng)鋼產(chǎn)品出現(xiàn)的表面質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)掃描電鏡分析合金元素在爐內(nèi)退火過(guò)程中的選擇性氧化造成的熱鍍鋅產(chǎn)品表面質(zhì)量缺陷。本文針對(duì)合金元素選擇性氧化，對(duì)爐內(nèi)露點(diǎn)、氣氛以及氧含量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，控制親氧性元素的選擇性氧化發(fā)生，并且配合合理的機(jī)組其他工藝參數(shù)，使先進(jìn)高強(qiáng)鋼產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中由外氧化轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)氧化，以達(dá)到抑制合金元素的目的，實(shí)現(xiàn)熱鍍鋅先進(jìn)高強(qiáng)鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量提升。

隨著汽車輕量化進(jìn)程的發(fā)展，越來(lái)越多的汽車部件開(kāi)始使用高強(qiáng)鋼進(jìn)行生產(chǎn)，高強(qiáng)產(chǎn)品的使用級(jí)別也逐漸升高，加上用戶對(duì)于車輛防腐要求的提高使得熱鍍鋅高強(qiáng)產(chǎn)品的使用量以及強(qiáng)度級(jí)別均有較大幅度的提升，目前汽車使用熱鍍鋅產(chǎn)品，DP780產(chǎn)品逐漸成為主流產(chǎn)品，DP590級(jí)別產(chǎn)品逐漸開(kāi)始應(yīng)用于車門外板等重要部位。而熱鍍鋅由于鋅鍋限制，通過(guò)純冷卻的方式，大部分高級(jí)別高強(qiáng)產(chǎn)品無(wú)法直接生產(chǎn)，需要依據(jù)情況添加一定量的合金元素，配合機(jī)組冷卻工藝進(jìn)行高強(qiáng)產(chǎn)品生產(chǎn)。

由于合金元素的添加，在熱鍍鋅生產(chǎn)過(guò)程中極易發(fā)生選擇性氧化，致使產(chǎn)品在生產(chǎn)后出現(xiàn)漏鍍、析出等缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品使用，鋼廠在生產(chǎn)此類產(chǎn)品時(shí)，通過(guò)控制生產(chǎn)過(guò)程中的氣氛，使其實(shí)現(xiàn)在爐內(nèi)發(fā)生內(nèi)氧化，用于抑制合金元素的析出，以達(dá)到控制產(chǎn)品表面質(zhì)量的目的。

選擇性氧化帶來(lái)的問(wèn)題

什么是選擇性氧化

由于熱鍍鋅機(jī)組整體生產(chǎn)工藝影響，導(dǎo)致無(wú)法像連續(xù)退火機(jī)組那樣完全通過(guò)較大的冷速達(dá)到相變的目的，從而獲得滿足強(qiáng)度級(jí)別的產(chǎn)品。所以熱鍍鋅機(jī)組在生產(chǎn)高強(qiáng)鋼時(shí)需要向鋼中加入一定量的合金元素來(lái)提高帶鋼的機(jī)械性能，隨著這些元素的加入，在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了新的問(wèn)題。

熱鍍鋅高強(qiáng)鋼目前的主要添加元素就是Mn、Si、Cr等，這些強(qiáng)化元素的添加對(duì)后續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響，特別是涂層的生產(chǎn)工藝。這三種元素在帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中，盡管爐內(nèi)已經(jīng)將露點(diǎn)控制在-30 ℃以下，氧含量也小于100×10-6，但仍不可避免的造成這三種元素的氧化。這些元素的氧化物經(jīng)過(guò)退火爐后析出在金屬表面，對(duì)熱鍍鋅生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生巨大的影響(圖1)。即合金元素的選擇性氧化。

圖 1 熱鍍鋅高強(qiáng)鋼強(qiáng)化元素的選擇性氧化

針對(duì)選擇性氧化的措施

外氧化和內(nèi)氧化

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)選擇性氧化分為內(nèi)氧化和外氧化。鋼板表層以下發(fā)生的選擇性氧化稱為內(nèi)氧化；鋼板表層發(fā)生的選擇性氧化稱為外氧化。外氧化是造成鍍鋅鋅層附著性下降，甚至出現(xiàn)點(diǎn)狀脫鋅的“罪魁禍?zhǔn)住薄?nèi)氧化才能夠有效保證在鍍鋅過(guò)程中帶鋼表面的清潔性。

實(shí)現(xiàn)內(nèi)氧化所采取的手段

在保證爐內(nèi)加熱保溫段露點(diǎn)在-45 ℃以下時(shí)，調(diào)整氧化室內(nèi)氣氛的露點(diǎn)，主要通過(guò)注入HNx和空氣的混合氣，再通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流量，來(lái)控制氧化室內(nèi)的露點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)氧化，采取了不同的控制措施，其目的均為提高爐內(nèi)特定區(qū)域的氧化性氣氛，使帶鋼發(fā)生內(nèi)氧化從而控制合金元素的析出。

國(guó)內(nèi)主要的控制方式為直燃以及氧化室兩種模式。本鋼熱鍍鋅機(jī)組采用的是氧化室控制模式，在加熱中段增加了預(yù)氧化裝置，其位置位于加熱段中部偏后，將加熱段分割為加熱1與加熱2，其區(qū)域溫度在650～800 ℃之間。氧化室入口和出口均采用密封輥和N2密封相結(jié)合的形式，確保氧化室內(nèi)部氣氛的穩(wěn)定，同時(shí)避免氧化氣氛外溢到其他區(qū)域。氧化室內(nèi)部采用獨(dú)立的氣氛循環(huán)模式，在加熱到合理溫度以后，通過(guò)將壓縮空氣混入循環(huán)氣體中，提高腔內(nèi)氧化氣氛，同時(shí)增加氧化室內(nèi)露點(diǎn)，通過(guò)單獨(dú)的氣氛分析系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部氣氛進(jìn)行檢測(cè)，操作人員依據(jù)反饋的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。

預(yù)氧化工藝研究

氧化性氣氛對(duì)高強(qiáng)鋼表面質(zhì)量的影響

通過(guò)控制初始的氧化室露點(diǎn)對(duì)不同高強(qiáng)鋼種帶鋼表面氧化程度進(jìn)行測(cè)試，共進(jìn)行了四組實(shí)驗(yàn)，露點(diǎn)預(yù)設(shè)定為-10、-15、-20和-25 ℃，同時(shí)根據(jù)露點(diǎn)調(diào)整氧氣注入量，已達(dá)到露點(diǎn)相關(guān)要求和對(duì)表面進(jìn)行微調(diào)，見(jiàn)表1。

表 1 氧化室露點(diǎn)與氧流量配比對(duì)照表

另外，記錄不同控制參數(shù)下帶鋼表面質(zhì)量情況，針對(duì)表面質(zhì)量進(jìn)行分析，如表2所示，熱鍍鋅DP590和DP780的表面質(zhì)量隨著露點(diǎn)的升高逐漸轉(zhuǎn)好，但轉(zhuǎn)變點(diǎn)不同，DP590在露點(diǎn)提高至-15 ℃時(shí)表面最好，但DP780在露點(diǎn)提高至-10 ℃表面才能達(dá)到最好狀態(tài)。

表 2 不同露點(diǎn)情況下帶鋼表面質(zhì)量

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)試，生產(chǎn)過(guò)程中調(diào)整露點(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)不同露點(diǎn)的DP780樣板取樣進(jìn)行表面分析，發(fā)現(xiàn)在露點(diǎn)較低的-25 ℃時(shí)，帶鋼表面析出缺陷較為嚴(yán)重，且微觀成分檢測(cè)顯示仍存在一定量的Mn元素，如圖2所示。而露點(diǎn)較高(-10 ℃和-5 ℃)時(shí)，帶鋼中均無(wú)Mn元素的殘留(圖3和圖4)。對(duì)比分析圖3和圖4，發(fā)現(xiàn)露點(diǎn)為-5 ℃時(shí)帶鋼產(chǎn)品缺陷區(qū)域的氧含量較正常區(qū)域高，最高達(dá)到7.3%。綜合看，表面缺陷較重的帶鋼樣板中，均存在較為嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，且露點(diǎn)較低時(shí)為Mn元素的氧化，而露點(diǎn)高時(shí)則為鋼基的氧化。預(yù)氧化是通過(guò)帶鋼表面發(fā)生氧化/還原反應(yīng)來(lái)抑制合金元素的析出，氧化程度的多少直接決定這合金元素的抑制效果，氧化不足帶鋼中的合金元素依然會(huì)析出到帶鋼表面，而過(guò)多的氧化則可能在后續(xù)還原過(guò)程中無(wú)法完全還原。

圖 2 DP780產(chǎn)品-25 °C時(shí)表面缺陷分析

圖 3 DP780產(chǎn)品-10 °C時(shí)表面缺陷分析

當(dāng)采用氧化室控制模式后，所有產(chǎn)品的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于未使用氧化室的情況。產(chǎn)品在-15 ℃到-10 ℃之間時(shí)效果較好，DP590更趨向-15 ℃以下，而DP780更趨近于-10 ℃以上，整體表面效果均得到較大改善，但仍存在一定的析出缺陷。同時(shí)在氧化室露點(diǎn)繼續(xù)提高以后，表面缺陷處檢查存在氧含量的異常點(diǎn)，分析原因?yàn)檠趸疫M(jìn)行預(yù)氧化后未能完全還原導(dǎo)致。下一步工作將在保證預(yù)氧化的前提下，適當(dāng)優(yōu)化氧化程度以及增強(qiáng)爐內(nèi)還原性方面開(kāi)展。

先進(jìn)高強(qiáng)鋼產(chǎn)品爐內(nèi)氣氛對(duì)表面質(zhì)量影響

根據(jù)前一步測(cè)試結(jié)果，部分表面呈現(xiàn)出過(guò)氧化情況，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不良，為了解決過(guò)氧化問(wèn)題，計(jì)劃通過(guò)增加后期的氫氣濃度進(jìn)行進(jìn)一步改善。選定-15 ℃作為設(shè)定的原始露點(diǎn)，DP780產(chǎn)品增大到-13 ℃，DP590產(chǎn)品減小到-17 ℃。測(cè)試氫氣體積分?jǐn)?shù)為10%～20%情況下，帶鋼的表面效果及微觀組織結(jié)構(gòu)，如表3和圖5所示。

圖 4 DP590產(chǎn)品-5 °C時(shí)表面缺陷分析

表 3 不同氫氣含量下帶鋼表面質(zhì)量

通過(guò)測(cè)試，適當(dāng)增加露點(diǎn)并提高氫氣含量，得到了表面質(zhì)量?jī)?yōu)良的DP780產(chǎn)品，同時(shí)對(duì)于DP590在提高氫氣含量的情況下可適當(dāng)降低露點(diǎn)。選取露點(diǎn)為-13 ℃，氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為5%、15%的DP780產(chǎn)品進(jìn)行分析。

通過(guò)分析可得出，在-13 ℃進(jìn)行氧化，后續(xù)采取不同H2體積分?jǐn)?shù)對(duì)其進(jìn)行還原，當(dāng)后續(xù)氫氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到15%后，表面質(zhì)量改善效果較為明顯，增加的氫氣含量，其還原介質(zhì)也就得到了提高，使得在后部還原性更強(qiáng)。結(jié)合圖5和圖6中斷面分析，當(dāng)氫氣含量較低時(shí)，鋅層中氧元素含量較高，而氫氣含量提升后，氧元素含量逐步降低，特別是接近鋼基附近的氧含量。這就說(shuō)明了通過(guò)提高氫氣含量，使得帶鋼在后續(xù)過(guò)程中得到了較好的還原，從而使鋅層中的氧含量下降，增加了鋅層的可鍍性。

圖 5 DP780產(chǎn)品表面成分(-13 °C；H2體積分?jǐn)?shù)15%)

圖 6 DP780產(chǎn)品表面成分(-13 °C；H2體積分?jǐn)?shù)5%)

測(cè)試氧化后帶鋼的吹氫制度可得出結(jié)論，隨著氫氣含量的提高，帶鋼表面的還原程度得到了較大的提升，使得帶鋼在后部生產(chǎn)時(shí)，表面鐵能夠完全被還原，而不發(fā)生氧化后不能還原的情況。當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到15%以后，即可滿足后續(xù)還原的需要。

產(chǎn)品規(guī)格與預(yù)氧化控制的分析

由于退火爐設(shè)計(jì)的瓶頸，不同規(guī)格產(chǎn)品所能達(dá)到的速度是不同的。隨著產(chǎn)品規(guī)格的增加，其工藝速度也是不同的。隨著規(guī)格的變化，其表面的質(zhì)量也不盡相同，在之前的測(cè)試過(guò)程中得到，產(chǎn)品在爐內(nèi)運(yùn)行速度越快，其表面析出程度越輕，這是由于產(chǎn)品在爐內(nèi)時(shí)間越長(zhǎng)，在爐內(nèi)發(fā)生選擇性氧化的程度越高。為了保證產(chǎn)品在預(yù)氧化后不再出現(xiàn)再次選擇性氧化的情況，對(duì)應(yīng)的控制露點(diǎn)也是需要進(jìn)行重新調(diào)整的。

機(jī)組依據(jù)之前的測(cè)試結(jié)果，針對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整測(cè)試(見(jiàn)表4)，選取表面質(zhì)量較好的樣品進(jìn)行分析，最終選定表面控制最好的參數(shù)作為產(chǎn)品批量測(cè)試的設(shè)定值。

表 4 不同厚度露點(diǎn)控制情況

當(dāng)機(jī)組速度降低后，帶鋼在爐內(nèi)發(fā)生合金元素選擇性氧化的程度增大較多，需要通過(guò)調(diào)整預(yù)氧化工藝，使其預(yù)氧化程度加大，增大其抑制效果，從而保證板面質(zhì)量的穩(wěn)定。但當(dāng)產(chǎn)品厚度較薄的情況下，機(jī)組運(yùn)行速度會(huì)上升，帶鋼在爐內(nèi)時(shí)間變短，發(fā)生元素氧化析出的概率和總量也隨之降低，整個(gè)板面質(zhì)量自然提升，此時(shí)就不需要太多的氧化氣氛進(jìn)行氧化，可降低露點(diǎn)和氧含量進(jìn)行控制，這樣也會(huì)使機(jī)組氧化室參數(shù)更加穩(wěn)定，同時(shí)也為其他沒(méi)有氧化室設(shè)備的產(chǎn)線生產(chǎn)普通級(jí)別的雙相高強(qiáng)鋼提供了有利的支持。

結(jié)束語(yǔ)

(1) 在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)過(guò)程中，預(yù)氧化工藝變化對(duì)材料力學(xué)性能基本無(wú)影響，但考慮到預(yù)氧化室位置的特殊性，預(yù)氧化室溫度應(yīng)至少控制在700 ℃以上。

(2) 在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)過(guò)程中，預(yù)氧化參數(shù)主要通過(guò)露點(diǎn)進(jìn)行控制，對(duì)于合金元素高的產(chǎn)品露點(diǎn)相應(yīng)增加，一般露點(diǎn)控制在-20 ℃到-10 ℃之間，通過(guò)氧氣注入量對(duì)露點(diǎn)進(jìn)行控制以及對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行微調(diào)。

(3) 在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整氧化后還原區(qū)域的氫氣含量，有利于產(chǎn)品表面質(zhì)量控制，一般出于安全以及節(jié)能考慮，氫氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到15%可得到最理想的產(chǎn)品。