低碳鋼罩式爐退火白邊缺陷形成機(jī)理研究

供稿|孔祥華, 李山桐, 張傳偉, 陳 祥, 王更超 / KONG Xiang-hua, LI Shan-tong, ZHANG Chuan-wei,CHEN Xiang, WANG Geng-chao

低碳鋼冷軋后不經(jīng)脫脂處理的鋼卷要進(jìn)行退火，以消除帶鋼在軋制過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，改善冷軋板的機(jī)械性能，滿(mǎn)足對(duì)冷軋板進(jìn)行深加工的表面質(zhì)量和機(jī)械性能要求，其中罩式爐再結(jié)晶光亮退火是冷軋鋼卷經(jīng)常采用的退火方式。由于工藝不當(dāng)或者設(shè)備故障可能造成退火鋼卷存在自邊部向中部逐漸變淡的黃褐色、藍(lán)色、白色等氧化色缺陷，氧化色缺陷的存在會(huì)使冷軋鋼卷表面存在色差，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生光亮度下降，粗糙度上升，表面質(zhì)量降組等缺陷，影響用戶(hù)的噴、涂、鍍及沖壓等進(jìn)一步深加工，嚴(yán)重的表面氧化甚至可以使鋼卷報(bào)廢[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)，黃褐色、藍(lán)色等氧化色缺陷為鐵的氧化膜，多數(shù)是由于生產(chǎn)過(guò)程中存在氧化性氣氛造成的，可以通過(guò)降低出爐溫度、強(qiáng)化氫氣吹掃、減少爐內(nèi)漏氣等措施降低氧化色[4-12]。但白色氧化色是很多企業(yè)感到非常棘手的一種氧化色缺陷，由于該氧化色缺陷多生成于鋼卷的側(cè)邊，因此又被稱(chēng)為白邊型氧化色，從目前的研究結(jié)果看，白邊氧化色與出爐溫度、爐內(nèi)漏氣與否、氫氣的吹掃強(qiáng)度等因素沒(méi)有關(guān)聯(lián)。本文針對(duì)氧化色缺陷的微觀組織和成分進(jìn)行了分析研究，探討了白邊型氧化色缺陷的形成機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用原材料

實(shí)驗(yàn)材料為國(guó)內(nèi)某冷軋廠(chǎng)生產(chǎn)的st37-2G冷軋鋼板，具體化學(xué)成分見(jiàn)表1。廠(chǎng)家的退火工藝如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用st16、st37冷軋板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表征方法

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(QUANTA 600)對(duì)氧化色微觀形貌及元素進(jìn)行了分析。采用輝光放電原子發(fā)射光譜儀(JY Profiler)分析了氧化色膜層中元素隨深度變化的規(guī)律性。

表2 低碳鋼冷軋卷罩式退火工藝

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

典型罩式退火白邊缺陷外觀

圖1所示為低碳鋼罩式退火白邊缺陷外觀。由圖1可見(jiàn)，在鋼卷的邊部形成了一層灰白色的氧化色缺陷。氧化色沿著鋼板縫隙向內(nèi)擴(kuò)展，擴(kuò)展深度為2～5 cm。

圖1 低碳鋼罩式退火白邊缺陷外觀

白邊缺陷微觀組織表征

圖2所示為低碳鋼St-37罩式退火白邊缺陷SEM。從圖2所示結(jié)果，顏色正常與白邊氧化色缺陷部位在掃描電鏡下幾乎看不出差別。表3所示為低碳鋼St-37罩式退火白邊缺陷EDS結(jié)果。由表3可見(jiàn)，退火后鋼板表面的Mn含量顯著高于表1所示的基體Mn含量，顯示在退火過(guò)程中存在Mn向鋼板表面富集的行為。對(duì)比表3中正常顏色部位和白邊缺陷的EDS結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者在成分上也差別不大。

表3 低碳鋼St-37罩式退火白邊缺陷EDS結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

GD-OES能譜分析

圖3所示為st37退火板GD-OES分析結(jié)果，GDOES揭示的是由表面沿深度方向各種成分的分布規(guī)律。由圖3 (a)及(b)可以看出st37板在退火之后表面除了Mn的含量偏高之外，還富集了比基體含量高出很多的Al和Cr元素，相比正常部位，白邊缺陷部位Al、Cr等活性元素的富集更加明顯，大約是正常部位的3倍。這兩者都是比較活潑的金屬，容易吸附更多的氧元素，形成非常薄的氧化膜，因此在光譜分析結(jié)果中看不到氧元素。正是由于這層非常薄的氧化膜，導(dǎo)致表面部位與其他部位氧化膜成分存在顯著差別，最終對(duì)外顯示不同的顏色。即在st37退火板表面除了有鐵的氧化物之外，還含有鋁和鉻的氧化物。這三者的復(fù)合氧化物，附著于鋼板表面，區(qū)別于以鐵的氧化物為主的紅褐色氧化色及藍(lán)色氧化色，表現(xiàn)為無(wú)光澤的白色氧化色。

圖2 低碳鋼St-37罩式退火白邊缺陷SEM(a)正常顏色(b)氧化色白邊

圖3 st37退火板GD-OES分析結(jié)果 (a)正常部位；(b)白色氧化色

白邊缺陷的形成機(jī)理

圖4所示為我們建立的低碳鋼罩式退火白邊缺陷形成機(jī)理模型。如圖4所示，鋼卷的每層之間在卷曲張力的作用下會(huì)緊緊連在一起，但在鋼卷的外側(cè)總會(huì)有縫隙，爐內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的氫氣不斷通過(guò)鋼板的縫隙進(jìn)入鋼板的層間。雖然氫氣的純度已經(jīng)很高，但其中總會(huì)有微量的氧氣存在，氫氣中微量的氧形成的氧分壓雖然不能氧化鐵，但根據(jù)氧勢(shì)圖可知，此時(shí)鋼卷的Al、Cr、Ti等活性元素會(huì)發(fā)生選擇性的氧化，形成選擇性的氧化膜。氧化膜的形成造成表面活性元素貧化，吸引內(nèi)部的Al、Cr、Ti擴(kuò)散到表面，形成活性元素的富集區(qū)。這些活性元素形成的氧化膜雖然非常薄，但卻非常致密，阻止了鐵的氧化，因而不能顯示正常部位的鐵的氧化色，而顯示氧化鋁、氧化鈦等復(fù)合氧化膜的灰白色。

圖4 低碳鋼罩式退火白邊缺陷形成機(jī)理模型

結(jié) 論

罩式爐退火過(guò)程中，氫氣中微量的氧形成的氧分壓雖然不能氧化鐵，但鋼卷中的Al、Cr、Ti等活性元素會(huì)發(fā)生選擇性的氧化，形成選擇性的氧化膜。氧化膜的形成造成表面活性元素貧化，吸引內(nèi)部的Al、Cr、Ti擴(kuò)散到表面，形成活性元素的富集區(qū)。這些活性元素形成的氧化膜雖然非常薄，但非常致密，阻止了鐵的氧化，因而不能顯示正常部位的鐵的氧化色，而顯示以氧化鋁、氧化鈦等復(fù)合氧化膜的灰白色，形成了所謂的白邊缺陷。

■ 攝影 王耀東 北京交通大學(xué)

[1] 張勇, 韓平, 王銳. LOI退火爐退火過(guò)程中氧化色缺陷的形成與控制. 中國(guó)科協(xié)年會(huì)論文集，2008,(4): 1189-1192

[2] 謝振亞. 純鐵帶鋼退火后表面碳黑和氧化色的防止. 軋鋼,2010,28(1): 67-69

[3] 張選峰, 關(guān)淑巧. 冷軋板退火過(guò)程中的相關(guān)缺陷及解決. //中國(guó)金屬學(xué)會(huì). 第七屆(2009)中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集, 北京: 冶金工業(yè)出版社,2009: 121-123

[4] 鐘聲. 冷軋薄板表面缺陷產(chǎn)生原因綜述. 四川冶金, 2007, 29(3):23-27[5] 張勇, 蔣光煒. 冷軋帶鋼表面斑跡的產(chǎn)生原因和控制方法. 上海金屬, 2007, 29(5):82-86

[6] 史曉強(qiáng). 冷軋帶鋼表面清潔度與氧化色現(xiàn)象的探討. 沈陽(yáng): 東北大學(xué), 2009

[7] 李峰, 葉學(xué)衛(wèi), 姜正連, 等. 冷軋帶鋼表面缺陷識(shí)別與控制. 冶金設(shè)備, 2010,(2):65-69

[8] 胡樂(lè)康, 謝應(yīng)明. 冷軋罩式爐退火卷黑帶產(chǎn)生的原因及防范措施.新疆鋼鐵, 2006,(3):39-40

[9] 王德宇. 罩式爐退火鋼卷氧化色成因的分析及預(yù)防. 金屬熱處理,2010, 35(12):137-139

[10] 吳一, 周正友, 余小靜, 等. 罩式爐再結(jié)晶退火鋼卷氧化的分析及預(yù)防. 鋼鐵研究, 2002(8):18-21

[11] 劉麗. 冷軋帶鋼表面氧化缺陷的控制實(shí)踐. 金屬世界, 2010(6):45-47

[12] 羅誠(chéng). 連退產(chǎn)品氧化色原因分析及對(duì)策//中國(guó)金屬學(xué)會(huì). 第八屆(2011)中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集, 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2011: 404-406