熱軋工藝參數(shù)對(duì)帶鋼酸洗行為的影響

孫 彬, 劉曉鳳, 張連永, 于 茜, 王 皓, 劉懿萱

(沈陽(yáng)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

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熱軋工藝參數(shù)對(duì)帶鋼酸洗行為的影響

孫 彬, 劉曉鳳, 張連永, 于 茜, 王 皓, 劉懿萱

(沈陽(yáng)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

通過(guò)模擬矯直和酸洗的方式研究了兩種熱軋工藝條件下帶鋼的酸洗行為.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)卷取溫度為625 ℃時(shí),A卷鋼氧化鐵皮層中四氧化三鐵的含量較多,經(jīng)拉矯后出現(xiàn)較多的微觀裂紋,酸液通過(guò)宏觀裂紋直接與內(nèi)層氧化鐵皮發(fā)生反應(yīng),加速了氧化鐵皮的溶解過(guò)程.當(dāng)卷取溫度為562 ℃時(shí),B卷鋼氧化鐵皮層中氧化亞鐵含量較多,在拉矯過(guò)程中產(chǎn)生的微觀裂紋較少,因此酸液先與最外層氧化鐵皮優(yōu)先發(fā)生反應(yīng),然后逐漸向內(nèi)擴(kuò)展.氧化鐵皮的微觀組織和厚度都是影響帶鋼酸洗行為的重要因素.

氧化鐵皮; 熱軋帶鋼; 酸洗; 四氧化三鐵層

熱軋帶鋼在高溫下會(huì)形成一層氧化鐵皮[1].在不同的熱軋工藝條件下,氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)和厚度會(huì)隨之發(fā)生變化[2].根據(jù)Fe-O相圖得知,氧化鐵皮層中的氧化亞鐵會(huì)發(fā)生先共析轉(zhuǎn)變,形成先共析的四氧化三鐵[3-5].當(dāng)溫度下降到共析轉(zhuǎn)變溫度時(shí)(純鐵表面生成的氧化亞鐵共析轉(zhuǎn)變的溫度為570 ℃,鋼鐵材料中由于有合金元素,氧化鐵皮的共析轉(zhuǎn)變溫度會(huì)降低),氧化亞鐵會(huì)轉(zhuǎn)變成四氧化三鐵和鐵[6-7].不同的氧化鐵皮結(jié)構(gòu)和氧化鐵皮的厚度都會(huì)對(duì)后續(xù)的酸洗工藝過(guò)程產(chǎn)生影響.因此,弄清氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)和厚度對(duì)帶鋼酸洗行為的影響是十分必要的.

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)鋼種為510 L,具體化學(xué)成分見(jiàn)表1,其熱軋工藝參數(shù)見(jiàn)表2.在帶鋼寬度方向的邊部、1/4處和中部分別取樣,試樣尺寸為10 mm×15 mm×8 mm,經(jīng)熱鑲嵌、粗磨、精磨、拋光等步驟后,再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的鹽酸酒精[8]腐蝕5 s后,觀察不同位置的氧化鐵皮的斷面形貌.為了模擬工業(yè)酸洗前的矯直過(guò)程,分別從帶鋼寬度方向的邊部、1/4處和中部取尺寸為10 mm×15 mm×8 mm的拉伸試樣,進(jìn)行1.5%的拉伸實(shí)驗(yàn),觀察經(jīng)拉伸后氧化鐵皮的破碎情況.為了模擬工業(yè)酸洗線的酸洗情況,本實(shí)驗(yàn)采用六槽酸洗模擬器,試樣先用酒精清洗后,在預(yù)熱水槽中預(yù)加熱1 min使之達(dá)到預(yù)定的溫度,然后依次從酸洗槽1～4的熱酸中浸泡一段時(shí)間,最后在沖洗槽中用溫水沖洗.4個(gè)酸洗槽的酸洗工藝參數(shù)見(jiàn)表3.對(duì)酸洗不同時(shí)間的試樣進(jìn)行微觀形貌觀察,并用電子天平稱(chēng)量試樣酸洗前后的質(zhì)量變化.

表1 實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分

表2 熱軋帶鋼工藝

表3 酸洗工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 金相顯微組織分析

在試驗(yàn)用A卷鋼625 ℃卷取鋼帶上的左端部、1/4部和中心部分別取樣,A卷鋼在光學(xué)顯微鏡下的斷面形貌圖如圖1所示.從氧化鐵皮的斷面形貌中可以觀察到氧化鐵皮的組成結(jié)構(gòu)及厚度比例.從圖1a中氧化鐵皮斷面形貌可以觀察到Fe3O4層較厚,占整個(gè)氧化鐵皮層的比例較大.端部的卷鋼在較高溫度時(shí)接觸氧氣比內(nèi)部豐富,生成高價(jià)氧化物Fe3O4較多.相比較圖1c中心部分的氧化鐵皮層斷面形貌中可以看到FeO層較厚.圖1中可以看出A卷鋼從端部到中部均沒(méi)有共析產(chǎn)物生成.

圖1 A卷鋼不同位置氧化鐵皮的斷面形貌

在試驗(yàn)用卷取溫度為562 ℃的B卷鋼鋼帶上的左端部、1/4部和中心部分別取樣,B卷鋼在光學(xué)顯微鏡下的斷面形貌圖如圖2所示.圖2a中可以看到以FeO為主,部分先共析Fe3O4,可見(jiàn)少數(shù)共析產(chǎn)物.圖2b距端部1/4處的1/4部中可以觀察到Fe3O4和FeO,其中Fe3O4較多.從圖2c中可以發(fā)現(xiàn)FeO層,外層Fe3O4層很薄,整個(gè)氧化鐵皮層中沒(méi)有發(fā)生共析轉(zhuǎn)變.與中部相比,端部的氧化鐵皮整體厚度較厚.

圖2 B卷鋼不同位置氧化鐵皮的斷面形貌

2.2 酸洗動(dòng)力學(xué)分析

從試樣A酸洗動(dòng)力學(xué)曲線(如圖3所示)可知,邊部最外層是四氧化三鐵層,雖然四氧化三鐵層的厚度較大,但經(jīng)過(guò)拉矯后四氧化三鐵層出現(xiàn)較大裂紋,酸液沿著裂紋穿過(guò)四氧化三鐵層直接與氧化鐵皮內(nèi)部氧化亞鐵層發(fā)生反應(yīng).因此在相同酸洗時(shí)間下,端部氧化鐵皮的酸洗速率最快.在中部氧化鐵皮層中同樣發(fā)現(xiàn)拉矯的宏觀裂紋,但裂紋密度沒(méi)有端部裂紋密度大.因此中部氧化鐵皮的酸洗速率較端部要慢.1/4處氧化鐵皮層中有較多的氧化亞鐵,在拉矯過(guò)程中氧化亞鐵的酥松結(jié)構(gòu)吸收了拉矯力的作用,因?yàn)楹暧^裂紋最少,所以1/4處的酸洗速率最慢.從圖3可知,邊部、1/4和中心處的氧化鐵皮厚度相差不大,只有結(jié)構(gòu)有較大不同,因此酸洗速率與氧化鐵皮結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系.圖4為B卷鋼的酸洗動(dòng)力學(xué)曲線,B卷鋼的中心部位酸洗速率最快,1/4處次之,端部最慢.B卷鋼試樣較A卷鋼試樣在整體的氧化鐵皮當(dāng)中氧化亞鐵的含量普遍較多,經(jīng)過(guò)拉矯后不論是在中部,1/4或端部都沒(méi)有出現(xiàn)明顯宏觀裂紋,因此酸液均是與最外層氧化鐵皮優(yōu)先發(fā)生反應(yīng),然后向內(nèi)擴(kuò)展.由于端部和1/4處氧化鐵皮層中最外層的四氧化三鐵層較厚,因此端部和1/4處的酸洗速率較中部要小,并且中部氧化鐵皮的厚度15 μm左右,而端部和1/4處氧化鐵皮的厚度均大于中部,因此影響酸洗速率的因素除了有氧化鐵皮結(jié)構(gòu)外還有氧化鐵皮厚度.

圖3 A卷鋼酸洗動(dòng)力學(xué)曲線

圖4 B卷鋼酸洗動(dòng)力學(xué)曲線

2.3 酸洗微觀形貌及酸洗機(jī)理

圖5是A卷鋼酸洗不同時(shí)間后氧化鐵皮的微觀表面形貌.從圖5a中看出,在拉矯過(guò)程中,氧化鐵皮層中產(chǎn)生較多的宏觀裂紋.當(dāng)酸液與氧化鐵皮層相接觸時(shí),酸液沿著裂紋可直接與氧化鐵皮內(nèi)部的氧化亞鐵發(fā)生反應(yīng)[9].反應(yīng)方程式是:

(1)

當(dāng)酸洗一段時(shí)間后,在氧化鐵皮層的某個(gè)位置處酸液將氧化鐵皮消耗干凈,并同時(shí)與基體發(fā)生反應(yīng)[10].反應(yīng)方程式是:

(2)

在酸液與基體反應(yīng)過(guò)程中,由于有氫氣不斷生成,生成的氫氣量不斷增大,會(huì)促使在該處的氧化鐵皮層發(fā)生破裂乃至脫落[11].由于氫氣的作用使氧化鐵皮層中出現(xiàn)裂紋及脫落,因此鋼卷的酸洗速率較大.

圖5 A卷鋼中部酸洗不同時(shí)間后表面形貌

圖6是B卷鋼酸洗不同時(shí)間后氧化鐵皮的微觀表面形貌.從圖6a中看出,在拉矯過(guò)程中,氧化鐵皮層中沒(méi)有較多的裂紋.因此當(dāng)酸液與氧化鐵皮層相接觸時(shí),酸液首先與最外層氧化鐵皮發(fā)生反應(yīng),形成酸洗核[12],如6b所示.隨著酸洗時(shí)間的延長(zhǎng),酸洗核不斷增大,酸洗深度不斷加大,是典型的由外向內(nèi)逐層酸洗.酸洗的過(guò)程實(shí)際上也是一個(gè)酸洗核的形成和長(zhǎng)大過(guò)程.

圖6 B卷鋼中部鐵皮酸洗不同時(shí)間后的表面形貌

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)模擬酸洗實(shí)驗(yàn),比較不同結(jié)構(gòu)氧化鐵皮的酸洗難易程度.氧化鐵皮厚度和宏觀裂紋都會(huì)影響酸洗速率.其中氧化鐵皮厚度影響較大,氧化鐵皮越厚,酸洗的時(shí)間越長(zhǎng).但是氧化鐵皮厚度也與宏觀裂紋有關(guān),因?yàn)榱鸭y是由氧化鐵皮結(jié)構(gòu)決定的.

(2) 在拉矯過(guò)程中,即使只有1.5%的形變量也會(huì)使鋼鐵表面氧化鐵皮出現(xiàn)裂紋,在后續(xù)的酸洗過(guò)程中使酸液沿著裂紋透過(guò)四氧化三鐵直接與氧化亞鐵反應(yīng),使酸洗加快,在一定程度上提高酸洗效率.

(3) 鋼卷的生產(chǎn)過(guò)程中,經(jīng)過(guò)熱軋、卷取和冷卻過(guò)程后生成的氧化鐵皮結(jié)構(gòu)根據(jù)位置的不同而不同.端部接觸氧氣較多,生成高價(jià)氧化物四氧化三鐵.四氧化三鐵較致密不容易酸洗,降低了酸洗效率.要通過(guò)工藝控制難酸洗組織的生成以提高酸洗效率.

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【責(zé)任編輯: 趙 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

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51301111); 遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201602523).

孫 彬(1982-),女,遼寧錦州人,沈陽(yáng)大學(xué)副教授,博士.

2095-5456(2017)02-0095-04

TG 172.3

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