热轧工艺参数对带钢酸洗行为的影响

孙 彬, 刘晓凤, 张连永, 于 茜, 王 皓, 刘懿萱

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044)



热轧工艺参数对带钢酸洗行为的影响

孙 彬, 刘晓凤, 张连永, 于 茜, 王 皓, 刘懿萱

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

通过模拟矫直和酸洗的方式研究了两种热轧工艺条件下带钢的酸洗行为.实验结果表明,当卷取温度为625 ℃时,A卷钢氧化铁皮层中四氧化三铁的含量较多,经拉矫后出现较多的微观裂纹,酸液通过宏观裂纹直接与内层氧化铁皮发生反应,加速了氧化铁皮的溶解过程.当卷取温度为562 ℃时,B卷钢氧化铁皮层中氧化亚铁含量较多,在拉矫过程中产生的微观裂纹较少,因此酸液先与最外层氧化铁皮优先发生反应,然后逐渐向内扩展.氧化铁皮的微观组织和厚度都是影响带钢酸洗行为的重要因素.

氧化铁皮; 热轧带钢; 酸洗; 四氧化三铁层

热轧带钢在高温下会形成一层氧化铁皮[1].在不同的热轧工艺条件下,氧化铁皮的结构和厚度会随之发生变化[2].根据Fe-O相图得知,氧化铁皮层中的氧化亚铁会发生先共析转变,形成先共析的四氧化三铁[3-5].当温度下降到共析转变温度时(纯铁表面生成的氧化亚铁共析转变的温度为570 ℃,钢铁材料中由于有合金元素,氧化铁皮的共析转变温度会降低),氧化亚铁会转变成四氧化三铁和铁[6-7].不同的氧化铁皮结构和氧化铁皮的厚度都会对后续的酸洗工艺过程产生影响.因此,弄清氧化铁皮的结构和厚度对带钢酸洗行为的影响是十分必要的.

1 实验方法

本实验采用的实验钢种为510 L,具体化学成分见表1,其热轧工艺参数见表2.在带钢宽度方向的边部、1/4处和中部分别取样,试样尺寸为10 mm×15 mm×8 mm,经热镶嵌、粗磨、精磨、抛光等步骤后,再用质量分数1%的盐酸酒精[8]腐蚀5 s后,观察不同位置的氧化铁皮的断面形貌.为了模拟工业酸洗前的矫直过程,分别从带钢宽度方向的边部、1/4处和中部取尺寸为10 mm×15 mm×8 mm的拉伸试样,进行1.5%的拉伸实验,观察经拉伸后氧化铁皮的破碎情况.为了模拟工业酸洗线的酸洗情况,本实验采用六槽酸洗模拟器,试样先用酒精清洗后,在预热水槽中预加热1 min使之达到预定的温度,然后依次从酸洗槽1～4的热酸中浸泡一段时间,最后在冲洗槽中用温水冲洗.4个酸洗槽的酸洗工艺参数见表3.对酸洗不同时间的试样进行微观形貌观察,并用电子天平称量试样酸洗前后的质量变化.

表1 实验钢化学成分

表2 热轧带钢工艺

表3 酸洗工艺参数

2 结果与讨论

2.1 金相显微组织分析

在试验用A卷钢625 ℃卷取钢带上的左端部、1/4部和中心部分别取样,A卷钢在光学显微镜下的断面形貌图如图1所示.从氧化铁皮的断面形貌中可以观察到氧化铁皮的组成结构及厚度比例.从图1a中氧化铁皮断面形貌可以观察到Fe3O4层较厚,占整个氧化铁皮层的比例较大.端部的卷钢在较高温度时接触氧气比内部丰富,生成高价氧化物Fe3O4较多.相比较图1c中心部分的氧化铁皮层断面形貌中可以看到FeO层较厚.图1中可以看出A卷钢从端部到中部均没有共析产物生成.

图1 A卷钢不同位置氧化铁皮的断面形貌

在试验用卷取温度为562 ℃的B卷钢钢带上的左端部、1/4部和中心部分别取样,B卷钢在光学显微镜下的断面形貌图如图2所示.图2a中可以看到以FeO为主,部分先共析Fe3O4,可见少数共析产物.图2b距端部1/4处的1/4部中可以观察到Fe3O4和FeO,其中Fe3O4较多.从图2c中可以发现FeO层,外层Fe3O4层很薄,整个氧化铁皮层中没有发生共析转变.与中部相比,端部的氧化铁皮整体厚度较厚.

图2 B卷钢不同位置氧化铁皮的断面形貌

2.2 酸洗动力学分析

从试样A酸洗动力学曲线(如图3所示)可知,边部最外层是四氧化三铁层,虽然四氧化三铁层的厚度较大,但经过拉矫后四氧化三铁层出现较大裂纹,酸液沿着裂纹穿过四氧化三铁层直接与氧化铁皮内部氧化亚铁层发生反应.因此在相同酸洗时间下,端部氧化铁皮的酸洗速率最快.在中部氧化铁皮层中同样发现拉矫的宏观裂纹,但裂纹密度没有端部裂纹密度大.因此中部氧化铁皮的酸洗速率较端部要慢.1/4处氧化铁皮层中有较多的氧化亚铁,在拉矫过程中氧化亚铁的酥松结构吸收了拉矫力的作用,因为宏观裂纹最少,所以1/4处的酸洗速率最慢.从图3可知,边部、1/4和中心处的氧化铁皮厚度相差不大,只有结构有较大不同,因此酸洗速率与氧化铁皮结构有直接关系.图4为B卷钢的酸洗动力学曲线,B卷钢的中心部位酸洗速率最快,1/4处次之,端部最慢.B卷钢试样较A卷钢试样在整体的氧化铁皮当中氧化亚铁的含量普遍较多,经过拉矫后不论是在中部,1/4或端部都没有出现明显宏观裂纹,因此酸液均是与最外层氧化铁皮优先发生反应,然后向内扩展.由于端部和1/4处氧化铁皮层中最外层的四氧化三铁层较厚,因此端部和1/4处的酸洗速率较中部要小,并且中部氧化铁皮的厚度15 μm左右,而端部和1/4处氧化铁皮的厚度均大于中部,因此影响酸洗速率的因素除了有氧化铁皮结构外还有氧化铁皮厚度.

图3 A卷钢酸洗动力学曲线

图4 B卷钢酸洗动力学曲线

2.3 酸洗微观形貌及酸洗机理

图5是A卷钢酸洗不同时间后氧化铁皮的微观表面形貌.从图5a中看出,在拉矫过程中,氧化铁皮层中产生较多的宏观裂纹.当酸液与氧化铁皮层相接触时,酸液沿着裂纹可直接与氧化铁皮内部的氧化亚铁发生反应[9].反应方程式是:

(1)

当酸洗一段时间后,在氧化铁皮层的某个位置处酸液将氧化铁皮消耗干净,并同时与基体发生反应[10].反应方程式是:

(2)

在酸液与基体反应过程中,由于有氢气不断生成,生成的氢气量不断增大,会促使在该处的氧化铁皮层发生破裂乃至脱落[11].由于氢气的作用使氧化铁皮层中出现裂纹及脱落,因此钢卷的酸洗速率较大.

图5 A卷钢中部酸洗不同时间后表面形貌

图6是B卷钢酸洗不同时间后氧化铁皮的微观表面形貌.从图6a中看出,在拉矫过程中,氧化铁皮层中没有较多的裂纹.因此当酸液与氧化铁皮层相接触时,酸液首先与最外层氧化铁皮发生反应,形成酸洗核[12],如6b所示.随着酸洗时间的延长,酸洗核不断增大,酸洗深度不断加大,是典型的由外向内逐层酸洗.酸洗的过程实际上也是一个酸洗核的形成和长大过程.

图6 B卷钢中部铁皮酸洗不同时间后的表面形貌

3 结 论

(1) 通过模拟酸洗实验,比较不同结构氧化铁皮的酸洗难易程度.氧化铁皮厚度和宏观裂纹都会影响酸洗速率.其中氧化铁皮厚度影响较大,氧化铁皮越厚,酸洗的时间越长.但是氧化铁皮厚度也与宏观裂纹有关,因为裂纹是由氧化铁皮结构决定的.

(2) 在拉矫过程中,即使只有1.5%的形变量也会使钢铁表面氧化铁皮出现裂纹,在后续的酸洗过程中使酸液沿着裂纹透过四氧化三铁直接与氧化亚铁反应,使酸洗加快,在一定程度上提高酸洗效率.

(3) 钢卷的生产过程中,经过热轧、卷取和冷却过程后生成的氧化铁皮结构根据位置的不同而不同.端部接触氧气较多,生成高价氧化物四氧化三铁.四氧化三铁较致密不容易酸洗,降低了酸洗效率.要通过工艺控制难酸洗组织的生成以提高酸洗效率.

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【责任编辑: 赵 炬】

Effect of Hot-Rolled Process Parameters on Pickling Behavior of Strip

SunBin,LiuXiaofeng,ZhangLianyong,YuQian,WangHao,LiuYixuan

(Mechanical Engineering Institute, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

The behavior of oxide scale of strips from two kinds of hot-rolled process is studied by straightening and pickling. The results show that, when the coiling temperature is 625 ℃, the content of Fe3O4in the oxide layer of A coil is higher. The micro-cracks appear after pulling and straightening, and the acid solution reacts directly with the inner oxide scale through the macroscopic crack, accelerating the dissolution process of the scale. When the coiling temperature is 562 ℃, the content of ferrous oxide in the oxide layer of B coil is higher. In the process of pulling and straightening, less micro-crack are produced, so the acid first reacts with the outermost layer of iron oxide skin priority, and then gradually inward expands. The structure and thickness of oxide scale are both important factors which influence the pickling behavior of strip.

oxide scale; hot-rolled strip; pickling; Fe3O4

2016-12-13

国家自然科学基金青年基金资助项目(51301111); 辽宁省自然科学基金资助项目(201602523).

孙 彬(1982-),女,辽宁锦州人,沈阳大学副教授,博士.

2095-5456(2017)02-0095-04

TG 172.3

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