06Cr25Ni20不銹鋼表面氧化層去除方法的研究與應(yīng)用

周光明

（太鋼不銹冷軋廠技術(shù)科，山西 太原 030003）

耐熱鋼由于其含較高的鉻、鎳含量或加入一定量的硅、鋁合金元素，促使合金鋼在高溫作用下形成了致密的氧化膜，其中06Cr25Ni20（310S）如表1的鎳含量高，能夠形成高熱強(qiáng)性的奧氏體組織，其耐熱能力一般可達(dá)700～800℃，在高溫下能夠抗氧化、抗蠕變及抗破斷，并耐一定介質(zhì)腐蝕。

表1 06Cr25Ni20鋼的化學(xué)成分要求 %

06Cr25Ni20合金在700℃已經(jīng)開(kāi)始在表面形成金黃色和藍(lán)色的氧化膜，隨著加熱溫度達(dá)到1000℃的高溫狀態(tài)，其表面生成了致密的保護(hù)性黑色氧化膜。該鋼種中的Cr在高溫時(shí)易形成FeO·Cr2O3,FeO·Fe2O3和尖晶石結(jié)構(gòu)（FeCr2O4，NiCr2O4）等保護(hù)性氧化膜，是06Cr25Ni20具有良好的耐高溫氧化性能的重要原因。由于其表面在高溫狀態(tài)下生產(chǎn)的氧化膜致密難酸洗，在冷軋連續(xù)退火酸洗生產(chǎn)線上一次洗合率較低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和成本降低。本文從連續(xù)退火加熱爐中氧化層厚度控制、控制酸洗參數(shù)和刷洗工藝優(yōu)化方面進(jìn)行研究。

1 連續(xù)退火溫度對(duì)氧化層的影響與控制

06Cr25Ni20（310S）在不同加熱溫度下（700℃、800℃、900℃、1000℃）形成的氧化層形貌不同，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到700℃時(shí)在鋼帶表面生成了輕微金黃色和藍(lán)色的氧化層，當(dāng)退火爐內(nèi)溫度上升至1000℃時(shí)氧化加劇，鋼板表面氧化膜厚度增加，形成的表面氧化膜致密無(wú)開(kāi)裂色澤均勻、發(fā)黑。研究指出鋼帶的氧化時(shí)間和氧化溫度與表面氧化層的形成相關(guān)，隨著退火爐內(nèi)溫度的不斷升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，增加了鋼帶表面的氧化速率，使鋼板表面形成的氧化膜厚度增加。長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱后310S表面增厚致密氧化膜酸洗后不易去除，選擇一定的爐溫和加熱時(shí)間能夠提升后續(xù)的表面加工效果。

從生產(chǎn)實(shí)際和效果來(lái)看，由于不同鋼種、規(guī)格退火爐控制方法不同，在爐溫設(shè)置過(guò)程中應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏設(shè)定爐溫，降低310S通過(guò)時(shí)的加熱時(shí)間和溫度以減少氧化層的厚度。試驗(yàn)兩卷310S鋼種成分不變，厚度為3.0 mm，寬度為1500 mm的鋼卷如圖1，結(jié)果說(shuō)明經(jīng)過(guò)加熱時(shí)間在28.8 min從700～1100℃階梯組合升溫的鋼卷，經(jīng)過(guò)酸洗后仍能夠去除表面氧化層，鋼板在連續(xù)退火爐中運(yùn)行800℃加熱時(shí)間不超過(guò)19.2 min，900～1100℃加熱時(shí)間不超過(guò)9.6 min，在該范圍內(nèi)加熱退火后表面形成的氧化層能夠通過(guò)后續(xù)酸洗加工去除。

圖1 加熱爐溫時(shí)間曲線

2 控制酸洗過(guò)程參數(shù)

不銹鋼連續(xù)紊流酸洗方法是在硫酸鈉（Na2SO4）中性鹽溶液中把帶鋼作為陽(yáng)極進(jìn)行電解，電化學(xué)反應(yīng)如下：

從反應(yīng)式中可以看出，由于電解液中的電解質(zhì)不直接參與反應(yīng)，在酸洗過(guò)程中不產(chǎn)生消耗。通過(guò)電解后不銹鋼表面氧化鐵皮主要成分的氧化鉻在溶解后可以去除，但表面上以其他鐵氧化物為主要成分的鐵鱗則被殘留下來(lái)了。

連續(xù)運(yùn)行的鋼板經(jīng)過(guò)電解硫酸鈉處理后通過(guò)浸入硝酸（HNO3）和氫氟酸（HF）的混合溶液中繼續(xù)酸洗，當(dāng)不銹鋼板經(jīng)過(guò)混酸酸洗槽時(shí)，硝酸與其表面Fe2O3、Fe、Cr、Ni等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成各種溶解性的金屬鹽類：

3Ni（微量）+8H++2NO3-←→3Ni2+（微量）+2NO+4H2O而氫氟酸與溶液中的各種金屬離子發(fā)生反應(yīng)，生成一些可溶或難溶的金屬氟化物：

由此可知，在混酸酸洗工藝中，發(fā)揮主要作用的是硝酸，氫氟酸作為反應(yīng)過(guò)程中的促進(jìn)劑，能夠加快鋼板表面氧化反應(yīng)的進(jìn)行，而且硝酸與氫氟酸在酸洗中的比率是非常重要的參數(shù)，不同的鋼種采用的比率也不相同。

在連續(xù)酸洗生產(chǎn)過(guò)程中，電解硫酸鈉酸耗成本少但經(jīng)過(guò)電解酸洗后的表面氧化層沒(méi)有得到完全的去除，并且由于當(dāng)w（Cr）達(dá)到25%時(shí)，在氧化后所生成的氧化層成分和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變化，使得生成的氧化層更加的致密難酸洗。在不同的鋼種銜接生產(chǎn)過(guò)程中，使用酸洗相對(duì)低的鉻鎳不銹鋼硝酸、氫氟酸濃度來(lái)酸洗06Cr25Ni20（310S）時(shí)，鋼板表面氧化鐵皮清洗不盡，只有通過(guò)增加硝酸濃度達(dá)到180 g/L、氫氟酸濃度達(dá)到30 g/L使硝酸與氫氟酸的比率達(dá)到1∶6，經(jīng)過(guò)40～80 min的酸洗時(shí)間后表面氧化層才能得到完全清除，但由于各鋼種使用的酸濃度不一致并且酸耗的使用成本與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著直接的關(guān)系，使得在酸洗06Cr25Ni20前常常不能夠達(dá)到要求的濃度和混酸配比。

3 提高酸洗效率的方式

06Cr25Ni20（310S）表面氧化層的厚度緊密度內(nèi)應(yīng)力以及基體鐵的附著力強(qiáng)等原因使僅通過(guò)酸洗來(lái)達(dá)到表面合格要求比較困難，本文所述310S酸洗氧化層清除困難主要在冷軋后連續(xù)退火酸洗線上較為突出，根據(jù)冷板連退酸洗線設(shè)備布置特點(diǎn)，改進(jìn)機(jī)械刷洗機(jī)刷輥的材質(zhì)和參數(shù)能夠提升耐熱鋼表面氧化層的去除效率。

不銹鋼刷洗裝置主要有刷輥、軸承座、聯(lián)軸器、電機(jī)、噴淋裝置等組成。由于不銹鋼表面電解硫酸鈉酸洗后的殘留物與鋼板基體附著力高，僅通過(guò)噴淋裝置無(wú)法完全去除酸洗后殘留物，影響后續(xù)混酸酸洗時(shí)的酸洗效率。在刷洗過(guò)程中主要是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)刷輥旋轉(zhuǎn)，使刷毛在鋼板上表面進(jìn)行清掃，并在刷洗后進(jìn)行水噴淋去除表面殘留物。刷洗機(jī)配置有位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)刷輥上下位置的調(diào)節(jié)控制刷毛與板面的接觸幅度，調(diào)整清掃力并對(duì)刷毛磨損進(jìn)行補(bǔ)償。

310S不銹鋼表面刷輥的選用從刷絲材質(zhì)、刷絲直徑、磨料目數(shù)和刷毛相對(duì)密度等幾個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行，刷絲材質(zhì)的基本材料是聚酰胺，并在其中加入了30%～40%的碳化硅或氧化鋁磨料。刷絲直徑主要有Φ0.8 mm、Φ1.0 mm和Φ1.2 mm等,根據(jù)表面需要去除的缺陷類型和所要達(dá)到的粗糙度來(lái)進(jìn)行選用。在冷板酸洗過(guò)程中使用混酸酸洗前刷輥以提升酸洗效率，通過(guò)增加刷洗電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到12%～18%來(lái)提升碳化硅硬尼龍毛刷輥對(duì)鋼板的磨刷力度，使刷磨后的鋼板能夠更完全的清除電解硫酸鈉酸洗后的殘留物，這樣可以提升混酸酸洗時(shí)酸液浸入鋼板表面的有效酸洗面積，通過(guò)增加酸洗時(shí)酸液與帶鋼接觸表面積來(lái)提升酸洗效率并達(dá)到最終的表面質(zhì)量。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于冷板表面質(zhì)量要求高且酸洗減薄量較小，使用碳化硅粗粒刷毛如Φ1.0 mm、Φ1.2 mm容易產(chǎn)生鋼板劃痕且酸洗后無(wú)法消失，選用Φ0.8 mm碳化硅細(xì)粒度刷毛刷洗能夠在提高酸洗效率的同時(shí)避免刷洗時(shí)產(chǎn)生刷毛劃痕等次生缺陷。

4 應(yīng)用效果

在生產(chǎn)過(guò)程中具體參數(shù)如下頁(yè)表2所示，控制鋼板加熱時(shí)間在要求范圍內(nèi)，在硝酸質(zhì)量濃度未達(dá)到170 g/L，氫氟酸質(zhì)量濃度達(dá)到26 g/L時(shí)，通過(guò)加大刷輥壓下量提高酸洗效率，表面能夠達(dá)到成品要求；在硝酸質(zhì)量濃度達(dá)到180 g/L，氫氟酸質(zhì)量濃度達(dá)到28 g/L后，減小刷輥壓下量同樣能夠達(dá)到表面質(zhì)量要求。

表2 06Cr25Ni20不銹鋼具體參數(shù)

5 結(jié)論

1）加熱時(shí)間和加熱溫度影響06Cr25Ni20的氧化層的形成，控制鋼板在連續(xù)退火爐內(nèi)各加熱區(qū)間的最高溫度和加熱時(shí)間，降低后續(xù)表面氧化層的致密難酸洗程度。

2）硝酸和氫氟酸的酸濃度是06Cr25Ni20氧化層去除的重要條件，提升混酸質(zhì)量濃度至180 g/L，氫氟酸質(zhì)量濃度提升至28 g/L后能夠較好的去除310S表面氧化層。

3）使用碳化硅刷輥對(duì)鋼板表面進(jìn)行刷磨后能夠提高酸洗效率，在硝酸質(zhì)量濃度170 g/L，氫氟酸質(zhì)量濃度達(dá)到26 g/L后，可以和碳化硅刷輥組合使用，提高酸洗效率和表面質(zhì)量。