無硝化酸洗工藝下的SUS430砂金缺陷形成機(jī)理及控制

劉益龍，魏文杰，周磊磊

(寶鋼不銹鋼有限公司，上海 200431)

1 引言

SUS430 BA表面的不銹鋼因其出色的表面光亮效果有著廣泛的用途，多用于洗衣機(jī)滾筒、衛(wèi)浴用品、微波爐、手表外殼、醫(yī)療器械等[1]。一般生產(chǎn)中，SUS430熱軋卷經(jīng)過退火酸洗、軋制和光亮退火后產(chǎn)出滿足使用要求的BA表面不銹鋼，目前某鋼廠熱帶退火酸洗機(jī)組在一種新的無硝化酸洗工藝下生產(chǎn)的SUS430表面易出現(xiàn)砂金缺陷，嚴(yán)重影響了帶鋼表面的光亮度。本文結(jié)合該鋼廠熱帶退火酸洗機(jī)組的生產(chǎn)實(shí)例，對(duì)SUS430不銹鋼在無硝化酸洗工藝中產(chǎn)生砂金缺陷的重要影響因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的工藝控制措施。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為表面存在砂金缺陷的SUS430不銹鋼試樣，主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

將酸洗后存在砂金缺陷但還未軋制退火的No.1表面樣板用切割機(jī)切成50mm×50mm×0.5mm大小做出試樣1，將存在砂金缺陷的SUS430 BA表面的樣板用切割機(jī)切成50mm×50mm×0.5mm大小做出試樣2，使用掃描電鏡放大500倍率觀察試樣2上砂金缺陷的微觀形貌和顯微組織。通過檢測分析，確認(rèn)砂金缺陷的產(chǎn)生原因，然后在生產(chǎn)過程中調(diào)整對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)，根據(jù)帶鋼表面的質(zhì)量變化情況進(jìn)行驗(yàn)證，從而確定最佳的生產(chǎn)工藝參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 砂金缺陷分析

3.1.1 砂金缺陷的形貌

SUS430熱軋酸洗卷表面目測不能看出砂金缺陷(圖1所示)，經(jīng)過軋制、光亮退火后，用保護(hù)膜貼在帶鋼表面上，當(dāng)撕下保護(hù)膜時(shí)會(huì)看到帶鋼表面會(huì)出現(xiàn)閃閃發(fā)亮的金屬顆粒(圖2所示)，保護(hù)膜上也粘附著同樣的金屬顆粒，這就是砂金缺陷[2]，程度較重時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響帶鋼表面的光亮度。

圖1 SUS430 No.1表面的砂金宏觀形貌

圖2 SUS430 BA板上的砂金缺陷宏觀形貌

3.1.2 砂金缺陷的微觀分析

對(duì)SUS430 BA表面試樣2上的砂金缺陷進(jìn)行微觀形貌觀察，如圖3、圖4所示：

圖3 BA板上砂金缺陷的微觀形貌

圖4 BA板砂金缺陷區(qū)域的金相

由圖3中砂金缺陷的微觀形貌可以看出，該缺陷主要沿軋線零星分布，分布不均勻，類似片狀翹皮，部分與基體相連，其余翹起或粘附在基體上，在該區(qū)域貼上膠帶，當(dāng)撕下膠帶時(shí)，該缺陷會(huì)粘在膠帶上完全剝落，造成帶鋼表面和膠帶上都會(huì)有發(fā)亮的金屬顆粒。從缺陷的微觀形貌分析，產(chǎn)生該缺陷的可能原因有三個(gè)方面：一是板面存在夾雜類缺陷，軋制后剝落造成；二是430在罩式退火過程中發(fā)生敏化現(xiàn)象，碳氮元素以Cr23C6和Cr2N的形式從過飽和的基體中沿晶界析出，引起晶界貧鉻，從而在酸洗過程中導(dǎo)致晶間腐蝕，軋制退火后產(chǎn)生該缺陷；三是在酸洗工序生產(chǎn)過程中破壞了帶鋼表面狀態(tài)，產(chǎn)生凹坑等微觀缺陷，軋制退火后出現(xiàn)砂金缺陷。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的檢測分析，從酸洗后尚未軋制的試樣表面(圖1)可以看出，表面無夾雜類缺陷，觀察BA板面上砂金缺陷的顯微組織(圖4)并無明顯的晶界，沒有晶間腐蝕的痕跡，從而得出，該砂金缺陷可能是在酸洗工序中產(chǎn)生。通過大量的驗(yàn)證分析和跟蹤調(diào)整，發(fā)現(xiàn)酸洗工序中的拋丸、酸洗工藝及帶鋼速度對(duì)帶鋼表面狀態(tài)都有著顯著的影響。

3.2 砂金缺陷在酸洗工序中的關(guān)鍵影響因素分析

3.2.1 拋丸工藝

拋丸機(jī)利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，將鋼丸擊打在帶鋼表面用以破碎和清除氧化鐵皮，當(dāng)拋丸速度太小時(shí)，丸粒沖擊力小，帶鋼表面的氧化鐵皮破碎效果不好；當(dāng)拋丸速度太大時(shí)，動(dòng)能太大的丸粒容易在帶鋼表面留下彈痕，彈痕嚴(yán)重時(shí)會(huì)在帶鋼表面形成凹坑，該凹坑在酸洗后會(huì)被放大，經(jīng)軋制后凹坑被周圍的基體母材填充，但與基體的結(jié)合力很小，該區(qū)域的金屬很容易從基體間脫落，形成砂金缺陷[3]，如圖5所示。

圖5 拋丸彈痕軋制后的微觀形貌

因此可通過降低拋丸速度來減小丸粒對(duì)帶鋼表面的沖擊力，降低板面上的砂金缺陷程度，但在降低拋丸速度時(shí)要注意破碎帶鋼表面氧化鐵皮的效果。

3.2.2 酸洗工藝

在目前環(huán)保要求下，該鋼廠的熱帶退火酸洗機(jī)組采用了一種由漢高公司開發(fā)的Cleanox無硝化酸洗的新工藝替代傳統(tǒng)的混酸工藝[4]對(duì)帶鋼進(jìn)行酸洗處理。該工藝采用富含F(xiàn)e3+的H2SO4溶液為主要酸洗介質(zhì)，通過添加一定量的Cleanox B(HF+添加劑)和Cleanox Z(H2O2+添加劑)[5]，實(shí)現(xiàn)完全替代傳統(tǒng)混酸(HF+HNO3)工藝，消除了含酸廢水中的NO3-，達(dá)到國家環(huán)保要求。在Cleanox工藝中，傳統(tǒng)混酸中HNO3的氧化功能由Fe3+替代，強(qiáng)酸功能由H2SO4替代，帶鋼在酸液中的反應(yīng)原理如下：

H2SO4+Fe2+→FeSO4+2H+

3HF+Fe3+→FeF3+3H

H2SO4+Ni2+→NiSO4+2H+

3HF+Cr3+→CrF3+3H+

2Fe3++Fe0→3Fe2+

從以上反應(yīng)公式可以看出，酸液中的硫酸、氫氟酸分別和氧化鐵皮中的Fe2+、Ni2+、Fe3+、Cr3+形成Fe2SO4、NiSO4、FeF3、CrF溶解了帶鋼表面的氧化鐵皮,酸液中富含的F3+強(qiáng)氧化作用在帶鋼基體上形成一層致密的氧化膜，起到鈍化保護(hù)作用，同時(shí)生產(chǎn)過程中不斷向酸液中添加Cleanox Z(H2O2+添加劑)，將酸洗產(chǎn)生的Fe2+氧化成Fe3+，確保酸液中的Fe3+濃度和氧化功能。但該工藝下酸洗段均為硫酸酸洗，且預(yù)酸洗段酸液中無Fe3+對(duì)帶鋼基體的鈍化保護(hù)作用，硫酸濃度過高時(shí)容易腐蝕到帶鋼基體，存在輕微凹坑的表面容易被預(yù)酸洗段腐蝕放大，更加容易產(chǎn)生砂金缺陷。因此降低預(yù)酸洗段的酸洗能力能減弱帶鋼表面的腐蝕程度，同時(shí)在降低預(yù)酸洗段能力時(shí)適當(dāng)提高混酸段的能力，確保有效去除表面氧化鐵皮。

3.2.3 帶鋼速度

帶鋼速度太低時(shí)，在同樣的拋丸工藝下會(huì)導(dǎo)致?lián)舸虻綆т摫砻娴耐枇Ａ髁看蟠笤黾?，也可能?huì)造成同一位置的帶鋼表面會(huì)受到多次擊打，帶鋼表面容易造成彈痕凹坑，同時(shí)帶鋼在酸液中浸泡時(shí)間較長，容易造成表面的腐蝕，最終產(chǎn)生砂金缺陷。而帶鋼速度太高時(shí)在表面的氧化鐵皮可能清洗不徹底，造成氧殘缺陷。為驗(yàn)證效果，組織SUS430在相同的拋丸、酸洗工藝條件下，分別用35 m/min、39 m/min、45 m/min三種速度進(jìn)行生產(chǎn)，結(jié)果獲得了不同的表面質(zhì)量，如圖6所示：

因此在相同的拋丸、酸洗工藝條件下，帶鋼速度對(duì)板面質(zhì)量的影響尤為重要。

3.3 工藝改進(jìn)

從上述分析中可以看出，拋丸、酸洗能力較強(qiáng)生產(chǎn)速度較慢時(shí)，容易產(chǎn)生砂金缺陷，拋丸、酸洗能力較弱生產(chǎn)速度較快時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生氧殘等其他缺陷。正常生產(chǎn)中需設(shè)定適合的拋丸速度，確保良好的除鱗效果但不會(huì)在帶鋼表面留下彈痕凹坑，在此基礎(chǔ)上通過調(diào)整酸濃度、酸溫及鐵離子濃度優(yōu)化無硝化酸溶液的酸洗鈍化能力，確保能充分溶解氧化鐵皮但不會(huì)腐蝕帶鋼基體，而拋丸及酸洗能力均需在合適的帶鋼速度范圍內(nèi)才能起到最好的效果，如果帶鋼速度受設(shè)備能力限制不能達(dá)到要求時(shí)，也可以同時(shí)調(diào)整拋丸及酸洗能力適應(yīng)生產(chǎn)速度，取得最佳的表面質(zhì)量。結(jié)合該鋼廠機(jī)組的設(shè)備能力，經(jīng)過大量的生產(chǎn)試驗(yàn)和調(diào)整，工藝優(yōu)化如下：

圖6 相同工藝參數(shù)下不同生產(chǎn)速度的板面質(zhì)量

3.3.1 優(yōu)化拋丸機(jī)工藝

生產(chǎn)過程中仍然投用五臺(tái)拋丸機(jī)，使用S110丸粒，將拋丸速度在之前的基礎(chǔ)上平均降低3-4 m/s，拋丸速度依次設(shè)置為70-60 m/s(1-5#拋丸機(jī)依次減少2-3 m/s)，單個(gè)拋頭流量不低于14 kg/m2，丸粒不會(huì)破壞表面狀態(tài)影響酸洗后的質(zhì)量，且可獲得較好的除鱗效果。

3.3.2 優(yōu)化酸洗工藝參數(shù)

無硝化酸洗溶液是以硫酸和氫氟酸為主的酸洗液，不含硝酸，故酸液的腐蝕能力較強(qiáng)而鈍化能力較弱，需均衡各段酸液的酸洗能力，混酸段通過添加Cleanox Z(H2O2+添加劑)將Fe3+濃度提高一定水平保證酸液的鈍化能力，避免某一段酸洗能力太強(qiáng)對(duì)帶鋼基體造成腐蝕。

配合優(yōu)化后的拋丸機(jī)工藝參數(shù)，調(diào)整各段的酸洗能力，經(jīng)過調(diào)整跟蹤和生產(chǎn)驗(yàn)證，將預(yù)酸洗酸溫從74 ℃降低到70 ℃左右，硫酸濃度從200 g/L降低到170 g/L，將混酸二段的CleanoxB(HF+添加劑)濃度從7 g/L提高15 g/L左右，酸洗后的表面質(zhì)量正常。

3.3.3 帶鋼速度調(diào)整

根據(jù)多次試驗(yàn)和最終的表面質(zhì)量得出，無硝化酸洗工藝下工藝速度太高時(shí)板面上的氧化鐵皮無法徹底清除，太低則砂金缺陷程度明顯，當(dāng)生產(chǎn)工藝速度控制在38-42 m/min左右時(shí)，帶鋼表面的狀態(tài)最佳。

3.4 效果

通過降低拋丸速度、提高生產(chǎn)工藝速度、降低預(yù)酸洗濃度和溫度、提高混酸二段CleanoxB(HF+添加劑)濃度后，該鋼廠的熱帶退火酸洗機(jī)組生產(chǎn)SUS430期間帶鋼表面的砂金缺陷得到有效控制，且未發(fā)生氧殘、臟污等其他缺陷，連續(xù)組織多次生產(chǎn)，質(zhì)量正常，取得了良好的效果，工藝參數(shù)對(duì)比見表2。

表2 砂金卷和正常卷的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

(1)熱帶退火酸洗機(jī)組的拋丸速度太快、酸洗能力太強(qiáng)時(shí)，丸粒容易在帶鋼表面留下彈痕甚至出現(xiàn)凹坑形貌，經(jīng)酸洗后程度加重，軋制退火后，凹坑區(qū)域的金屬容易從基體間脫落，造成砂金缺陷。

(2)無硝化酸洗工藝下，酸液容易腐蝕拋丸彈痕使其程度加重，通過降低拋丸速度、降低預(yù)酸洗濃度、提高混酸段的酸洗及鈍化能力、提高帶鋼速度這幾項(xiàng)工藝措施可有效減輕砂金缺陷程度。