免酸洗黑皮钢TS700BL的开发实践

闫 萍，赵建勇

（唐山不锈钢有限责任公司，河北063105）

0 引言

在现代钢铁生产中，带钢酸洗过程主要用于去除带钢表面氧化铁皮，改善钢铁产品的表面质量，但酸洗之后的酸液却对环境产生了严重的影响。为适应我们“打赢蓝天保卫战”的环境保护政策，下游客户迫切需要能适应“免酸洗”的钢铁产品，以缓解乃至消除废酸对环境和生产成本造成的影响。目前国外一些国家已开发出了可带氧化铁皮进行深加工的“黑皮钢”。这种热轧钢带在后续深加工过程中，表面铁皮可随钢板本体变形而同步发生变形并脱落，不需要通过酸洗等手段去除。一般钢带表面的氧化铁皮主要由Fe3O4组成，具有较高的塑性、较薄的铁皮厚度及与钢本体紧密的结合力，由此可见，合理控制氧化铁皮组织结构及铁皮厚度是达到“免酸洗”目的的关键技术。

唐山不锈钢公司结合客户需求，成功设计开发了700 MPa级别免酸洗黑皮钢TS700BL，为公司扩大产品结构范围，赢得了客户好评。

1 免酸洗黑皮钢氧化铁皮的形成及影响因素

1.1 “免酸洗”钢的氧化铁皮控制原理

随着轧制过程进行，带钢温度降低，其表面氧化物Fe1-yO中不断析出Fe3O4，当带钢温度低于570℃时，Fe1-yO将发生转变:4Fe1-yO→Fe3O4+（1-4y）Fe。最终带钢表面的氧化铁皮主要包括三种形态:Fe1-yO、Fe3O4和Fe3O4/Fe。图1为Fe-O二元相图以及在冷却过程中可能出现的氧化铁皮的结构。

氧化铁皮的形态转变是一种扩散型形态转变，对于每个形态转变过程都有一个转变发展期。研究结果表明Fe1-yO的形态转变过程也遵循类似的“C”曲线规律。对于同样的卷取温度，当带钢冷却速率低的时，为氧化铁皮形态转变过程提供了较充足的时间，所以最终氧化铁皮结构中共析组织含量高；当冷却速率较高时，只有先共析Fe3O4出现在Fe1-yO中，大量的Fe1-yO保留下来。Fe1-yO是一种阳离子不足的化合物。图2为Fe1-yO随温度的变化曲线[1]。从图2可以看出，不同温度条件下，Fe1-yO浓度存在较大的差异。

图1

图2 Fe1-yO随温度的变化曲线

1.2 轧制阶段对氧化铁皮的影响

板坯经过粗轧、除鳞，精轧前除鳞后，表面的氧化铁皮可认为被清除干净。但随着轧制的进行，精轧机架间高温钢带与空气接触，带钢表面又会重新生成氧化铁皮，并随带钢轧制同步发生变形。出精轧机组的钢板表面氧化铁皮的厚度主要取决于精轧过程的工艺参数控制，包括带钢终轧温度、机架间冷却水状态、进入精轧各架次温度以及轧制润滑投入状态等。

1.3 层流冷却阶段对氧化铁皮的影响

钢带出精轧后进入层流冷却阶段，带钢终轧温度基本在830～900℃之间，卷取温度基本控制在550～650℃。在层流冷却过程中，带钢接触空气和水反应生成FeO，使得带钢表面的氧化铁皮继续生长、增厚，此时带钢表面氧化皮结构也会发生变化，与带钢本体接触的最内层为FeO，最外层为Fe2O3、中间层为Fe3O4。由于层流冷却水的冷却作用使得表面氧化铁皮与钢带本体都发生收缩，但两者收缩程度不同，导致氧化铁皮与带钢本体之间产生热应力，氧化铁皮与钢带本体间的结合力减弱。因此在此阶段应着重控制层流冷却的冷却水量、冷却模式及层流冷却的水温[2]。

1.4 带钢成卷后的冷却阶段对氧化铁皮的影响

带钢在卷取机成卷后，如果卷取温度高于550℃，在钢卷边部的FeO会进一步衍变生成Fe2O3和Fe3O4。在带钢板宽中部，由于带钢凸度存在，钢卷成卷致密空气不能到达，基体中的Fe向带钢表面扩散，并与氧化铁皮中高价氧离子发生反应形成FeO，使得氧化铁皮厚度增加[3]。

2 免酸洗TS700BL带钢生产工艺及氧化铁皮的控制

2.1 生产工艺要求

2.1.1 物理性能要求

为满足客户需求，对免酸洗黑皮大梁钢化学成分及生产工艺进行了设计。经过识别客户需求，结合下游客户对免酸洗黑皮大梁钢的要求，确定免酸洗黑皮大梁钢物理性能，见表1。

表1 免酸洗黑皮大梁钢物理性能

2.1.2 化学成分要求

为了抑制氧化铁皮增厚，采用不同含量的Cr（0～0.60%）等量替代部分Mn，Cr元素能在钢表面形成致密的氧化膜提高钢的钝化能力；同时采用不同含量铌（Nb0～0.05%）等量替换Ti，铌（Nb）是可通过形成析出物对钢的强度具有显著影响的元素，钢中析出铌的碳氮化物引起钢带基体中的固溶强化来提高钢的强度，另外在钢坯再加热过程中，Nb基析出物溶解，在热轧过程中再次以微细粒度地析出，可有效地提高钢的强度，保证产品的综合机械性能。免酸洗黑皮大梁钢的化学成分见表2。

表2 免酸洗黑皮TS700BL钢带的化学成分设计 /%

2.1.3 加热工艺及轧制温度要求

（1）板坯在加热炉的总驻炉时间为180～240分钟，加热炉均热段加热温度1 280～1 320℃，均热时间35～48分钟；

（2）精轧入口温度1 030～1 100℃，终轧温度830～880℃；

（3）钢带经层流前部粗调段快冷到750～790℃，受层冷长度限制中间空冷时间为3～8秒；

（4）再经层流后部精调段快冷到600～650℃进入卷取工序。

2.2 轧制工艺主要参数的确定

通过对不同钢种的氧化铁皮厚度和结构进行定量和定性梳理，总结出在冷取样条件下最优氧化铁皮的厚度、结构及各相比例，确定了最佳精轧温度FET、终轧温度FDT、卷曲温度DCT及轧制速度，见表3。

表3 最优氧化铁皮厚度、结构及轧制工艺

2.3 氧化铁皮控制的主要措施

在生产过程中，带钢氧化铁皮的结构以及厚度受带钢宽度方向冷却效果的影响较大，因此可采取以下措施减少或消除影响。

（1）通过精轧机组下游机架均匀窜辊减少轧辊磨损和合理调整弯辊力来减少边降；

（2）采用带钢微中浪轧制的方式来控制带钢表面氧化铁皮一致性。

3 免酸洗TS700BL带钢检验结果

当钢卷冷却至室温后，在距离钢卷尾部12米后进行通宽取样。将样板沿宽度方向分别在距边部40mm处、板宽1/2处制样进行检测分析，显微镜下观察氧化皮结构、厚度和形貌。各部分的氧化皮形貌和厚度分布分别见图3、图4，钢板性能见表4。

表4 免酸洗黑皮TS700BL钢带物理性能指标

如图3、图4所示，边部与中间部氧化铁皮结构基本相同，最外层和靠近基体层均由Fe3O4组成，中间层则由大量的FeO和少量的先共析Fe3O4组成。不同的是，钢卷中间部氧化铁皮Fe3O4含量较边部多，边部FeO含量较中间部少。在氧化铁皮厚度方面，钢卷边部较厚，大约在10.9μm～11.8μm，中间部氧化铁皮厚度大约在9.8μm～10.5μm，均小于12 μm。氧化铁皮与基体结合性较好，平直度较高，裂纹数量较少。

图3 边部氧化铁皮厚度

图4 中间氧化铁皮厚度

4 结语

唐山不锈钢公司为了适应市场需求，结合客户要求对免酸洗黑皮钢的化学成分进行重新设计，并对1 580 mm产线加热工艺、轧制工艺、冷却制度等方面的工艺参数进行了优化，最终成功开发出了满足用户要求的700 MPa级免酸洗黑皮钢TS700BL，实现了目标钢种的氧化铁皮结构和厚度的在线控制。目前TS700BL钢带已进行批量化生产，扩大了公司的产品范围并赢得了客户的好评。