冷軋帶鋼表面的欠酸洗缺陷分析與控制

供稿|徐軍，侯曉英，王碩 / XU Jun, HOU Xiao-ying, WANG Shuo

內(nèi)容導(dǎo)讀

對冷軋產(chǎn)品，尤其是應(yīng)用于汽車外板的深沖類、烘烤硬化類的超低碳高表面級別的帶鋼而言，不允許存在欠酸洗表面缺陷。使用箱線圖、控制圖等數(shù)據(jù)分析手段對酸軋機組出現(xiàn)的欠酸洗原因進行了調(diào)查研究。研究發(fā)現(xiàn)，再生酸濃度低、在線濃度測量裝置不準確、焊縫質(zhì)量差是導(dǎo)致欠酸洗發(fā)生的主要原因。通過定期校對流量表、增加再生酸濃度檢測頻次、修訂在線濃度控制要求、提高焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性等措施，降低了欠酸洗的發(fā)生量。

冷軋帶鋼產(chǎn)品因其具有較好的產(chǎn)品表面質(zhì)量和更薄的產(chǎn)品尺寸，備受用戶青睞。冷軋產(chǎn)品的主要工藝流程包括煉鐵、煉鋼、熱軋、酸軋和連退等。熱軋軋制過程中表面產(chǎn)生致密的氧化鐵皮層，若將帶有氧化鐵皮的熱軋帶鋼直接進行軋制，氧化鐵皮將會被軋入鋼板基體中，不僅對帶鋼表面造成破壞，還會對冷軋軋輥造成損傷。為了得到符合冷軋軋制要求的表面狀態(tài)，在冷軋軋制前需要將表面的氧化鐵皮去除。

在現(xiàn)代的工業(yè)化生產(chǎn)中，鐵皮去除工藝包括物理方法和化學(xué)方法。物理方法主要是通過拉伸矯直機彎曲和矯直延伸實現(xiàn)破鱗作業(yè)，其中彎曲功能是在一定張力作用下通過反復(fù)彎曲使帶鋼產(chǎn)生鐓粗和拉伸，與矯直延伸相比，彎曲有更為明顯的除磷效果[1]。而氧化鐵皮脆而硬，幾乎沒有延展性，鐓粗和拉伸導(dǎo)致氧化鐵皮碎裂，利于紊流態(tài)的酸液滲入，增大氧化鐵皮剝落溶解效果[1]?；瘜W(xué)方法通過鐵的氧化物、鐵基體與鹽酸反應(yīng)，在溶解和機械剝離作用下清除氧化鐵皮[2-4]。

但是帶鋼酸洗后，表面經(jīng)常殘留局部未洗掉的氧化鐵皮，形成欠酸洗。對于冷軋產(chǎn)品，尤其是應(yīng)用于汽車外板的深沖類、烘烤硬化類的超低碳高表面級別的帶鋼，不允許存在欠酸洗表面缺陷。

欠酸洗現(xiàn)狀

某冷軋廠采用“機械除鱗+鹽酸淺槽紊流酸洗”工藝去除帶鋼表面的氧化鐵皮，該工藝具有除鱗效果好、酸洗速度快、酸耗低、表面潔凈度高[5]、酸溫和酸濃度易于控制、排酸時間短等優(yōu)點，被國內(nèi)各知名鋼鐵廠家應(yīng)用。但在實際生產(chǎn)中，某冷軋廠仍有欠酸洗缺陷產(chǎn)生。

影響帶鋼酸洗質(zhì)量的因素很多，主要因素包括氧化鐵皮組成和鐵皮去除工藝兩大類。氧化鐵皮的組成、厚度對酸洗后效果有直接影響，組成相同的氧化鐵皮的厚度越薄，酸洗效率越高，越容易酸洗干凈[6]。氧化鐵皮一般由三層鐵的氧化物構(gòu)成[7-8]，分別是外層的Fe2O3、中間層Fe3O4和靠近鐵基體的FeO。三層氧化物、鐵基體與酸發(fā)生的反應(yīng)如下：

影響化學(xué)方法去除氧化鐵皮的因素主要包括酸液溫度、酸液濃度和酸洗速度。隨著酸液溫度的升高，加快了離子擴散速率，提升了酸洗效果，但是溫度達到90 ℃以上時，揮發(fā)量大大增加，增加了酸耗。在一定范圍內(nèi)增大酸液的濃度或降低帶鋼在酸液中的運行速度，有助于表面氧化鐵皮的去除，但要注意避免造成過酸洗，文獻[4]指出，當濃度提高到220 g/L或酸洗速度降至30 m/min，帶鋼表面粗糙度明顯增大，出現(xiàn)過酸洗。

主產(chǎn)線酸槽、酸罐內(nèi)的酸液濃度測量分為在線濃度測量和線下化驗測量兩種。在線濃度作為實時監(jiān)控手段，而線下化驗作為輔助驗證手段。但對再生酸檢測而言，只有線下化驗測量一種檢測方式。

影響因素

如圖1所示，欠酸洗形貌與軋制方向垂直，呈黑色條紋狀。對缺陷位置進行能譜分析，缺陷的成分主要為Fe和O兩種，說明表面存在鐵的氧化物殘留表面。欠酸洗的帶鋼表面氧化物顆粒附著力較弱，酸洗后觸碰即可剝離。

圖1 欠酸洗缺陷微觀形貌與能譜分析

酸洗速度、再生酸濃度

收集某月的酸洗速度、再生酸濃度數(shù)據(jù)，繪制箱線圖見圖2。

如圖2(a)所示，不發(fā)生欠酸洗的酸洗速度區(qū)間為155~240 m/min，發(fā)生欠酸洗的酸洗速度區(qū)間為160~240 m/min，可見酸洗速度與是否欠酸洗基本不相關(guān)。在設(shè)備允許的生產(chǎn)速度范圍內(nèi)，未發(fā)生欠酸洗缺陷。

圖2 酸洗速度、濃度對質(zhì)量的影響：(a)酸洗速度；(b)再生酸濃度

再生酸濃度在190~211 g/L時，未產(chǎn)生欠酸洗，再生酸濃度177~184 g/L時，產(chǎn)生欠酸洗，可見再生酸濃度與是否欠酸洗顯著相關(guān)。隨著再生酸濃度的降低，更容易發(fā)生欠酸洗缺陷。

不同酸液濃度下對各酸槽的酸洗效果對比如圖3所示。比較發(fā)現(xiàn)，發(fā)生欠酸洗和未發(fā)生欠酸洗時，1、2、3號酸槽的Fe2+離子濃度沒有明顯差異；而發(fā)生欠酸洗時，1、2、3號酸槽的自由酸濃度均低于未發(fā)生欠酸洗。

圖3 不同酸液濃度對酸洗質(zhì)量的影響：(a)Fe2+濃度；(b)自由酸濃度

通常情況下，采用自動控制進行排酸和補酸。排酸控制是通過設(shè)定1#酸槽的Fe2+離子濃度上限，當超過上限后自動啟動排酸泵進行排酸。補酸控制是通過設(shè)定3#循環(huán)罐的液位下限進行控制，當3#循環(huán)罐的液位低于某一值后，自動啟動補酸泵進行補酸。通過自動控制可以根據(jù)現(xiàn)場濃度測量裝置的測量值自動對酸液濃度進行調(diào)整，保證酸液濃度在可控的范圍內(nèi)。在再生酸濃度穩(wěn)定控制在目標范圍內(nèi)時，按照Fe2+離子濃度自動排酸可保證酸濃度受控。結(jié)合圖3的對比可知，當再生酸濃度偏低時，采取自動控制方法，各酸槽的自由酸濃度會減少，將會出現(xiàn)欠酸洗缺陷。

酸洗段的再生酸來自于酸再生機組再生酸罐，其來源包括酸再生機組生成的再生酸和新酸配制的再生酸兩部分。新酸配制采用新酸與循環(huán)水按比例配置。經(jīng)現(xiàn)場校對發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水進水儀表流量顯示不準確，導(dǎo)致配置再生酸的過程實際循環(huán)水打入量超過表顯值的10%，致使再生酸濃度的降低。

酸洗溫度

圖4為某冷軋廠酸洗質(zhì)量與溫度控制情況。從圖中可以看出，酸槽溫度穩(wěn)定控制在77~82 ℃的范圍內(nèi)。對3個酸槽溫度進行對數(shù)回歸分析，結(jié)果顯示3個酸槽溫度的P值均＞0.05，說明在這種幅度的波動范圍內(nèi)，溫度差異不是“發(fā)生欠酸洗”的顯著影響因素。這種幅度的溫度波動與帶鋼是否發(fā)生欠酸洗之間沒有相關(guān)性。

圖4 酸槽溫度隨時間變化趨勢

濃度測量裝置

在線酸液濃度測量裝置自投產(chǎn)以來，由于缺少相關(guān)維護技術(shù)，該裝置靈敏度不夠。在線測量濃度與化驗濃度間存在誤差：

式中， Δ為測量誤差，COL為在線測量濃度，Ct為化驗濃度。

通過MINITAB的I-MR控制圖工具對某月測量誤差進行分析(見圖5)，得到平均測量誤差、測量誤差上下限、誤差波動幅度值，見表1。

由圖5及表1可以看出，1號槽、3號槽Fe2+濃度的誤差波動幅度相對較小，說明1號槽和3號槽Fe2+濃度在一定程度上可信度更高。且1號、3號槽Fe2+濃度平均測量誤差分別為-0.14 g/L和5.44 g/L，可見1號槽Fe2+濃度測量基本不存在偏差，而3號槽Fe2+濃度測量存在較大偏差。

表1 在線酸液濃度測量裝置比對化驗濃度誤差表

圖5 酸槽離子濃度的I-MR控制圖：(a)1號槽自由酸濃度；(b)1號槽Fe2+濃度；(c)3號槽自由酸濃度；(d)3號槽Fe2+濃度

酸洗段自動排酸控制是根據(jù)1號槽的Fe2+濃度是否超過上限設(shè)定值來判斷是否排酸。通常設(shè)定上限值為110 g/L，當1號酸槽的Fe2+濃度的超過這個值時，排酸閥自動開啟排酸。由于1號槽Fe2+濃度測量誤差小，且不存在偏差，測量結(jié)果可信，推斷產(chǎn)生欠酸洗的原因并非自動排酸失控引起。

由表1還可以看出，1號槽和3號槽自由酸濃度的誤差波動幅度大，可信度低。

焊縫質(zhì)量

焊縫質(zhì)量的影響因素主要包括兩方面：一是生產(chǎn)計劃中遇緊急訂單且?guī)靺^(qū)沒有合適的過渡料時，過渡帶鋼的厚度差值過大，超過焊機的焊接能力上限，一般要求厚度差不大于1 mm；二是帶鋼焊接過程中，焊機的焊機剪平行度不均勻、間隙過寬或過窄、焊輪結(jié)渣、氣嘴堵塞等問題導(dǎo)致的。

如圖6(a)所示，當焊縫質(zhì)量合格時，焊縫經(jīng)過拉伸矯直機時投入彎曲功能，焊縫與基體發(fā)生相同的拉伸作用，可以順利通過拉伸矯直機。當焊縫質(zhì)量不合格時，焊縫經(jīng)過拉伸矯直機時投入彎曲功能，焊縫會被拉伸、變薄、撕裂，進而發(fā)生斷帶，這將嚴重影響連續(xù)化生產(chǎn)作業(yè)，如圖6(b)和6(c)。

圖6 拉矯機彎曲變形條件下焊縫變形示意圖：(a)焊縫質(zhì)量合格；(b)(c)焊縫質(zhì)量不合格

為保證緊急訂單及時交付，在遇到焊縫質(zhì)量不合格且重焊后焊縫質(zhì)量提升仍不明顯時，有時會采用不投入彎曲輥的方法，降低焊縫被彎曲時撕裂的風(fēng)險，使焊縫可以順利通過拉伸矯直機。而此時由于頭尾缺少彎曲作用，破鱗效果減弱，不利于酸液充分滲入氧化鐵皮內(nèi)層，導(dǎo)致酸洗效率變差，易發(fā)生欠酸洗現(xiàn)象。這一類欠酸洗主要發(fā)生在帶鋼頭尾區(qū)域。

改進措施與結(jié)果

對欠酸洗缺陷的原因和影響因素進行分析，確定了相應(yīng)的改進措施。

(1)再生酸濃度不應(yīng)低于190 g/L。增加對再生酸罐的再生酸的測量頻次，當其再生酸濃度靠近下限值190 g/L時，根據(jù)再生酸罐液位，按比例適度添加新酸；更換并定期校對再生酸罐的進水計量儀表，確保儀表準確。

(2)對自由酸濃度平均測量誤差偏差較小(3號槽1.64 g/L)，但是誤差波動幅度大，達到37.53 g/L的情況，按照誤差上限，對自由酸控制濃度進行補償，可以減小甚至避免誤差影響。

當自由酸在線測量濃度滿足式(6)時，要對再生酸濃度和進排酸量進行調(diào)整，對實際酸濃度進行化驗確認。

式中，COA為 自由酸在線測量濃度，CBA為自由酸基準要求濃度。

(3)開展激光焊機周期性維護工作。正確安裝焊機剪刃，按周期進行焊機維護保養(yǎng)，開展日常焊輪清渣、氣嘴清堵，提高焊縫質(zhì)量，保證帶鋼焊縫區(qū)域的通過性。

(4)確定鋼卷生產(chǎn)順序時，要保證銜接過渡的前后鋼卷厚度差不大于1 mm。

通過采取措施，酸軋機組欠酸洗發(fā)生量由42.2 t/月降至12.4 t/月，帶鋼酸洗后的表面質(zhì)量得到顯著提升。

結(jié)束語

欠酸洗對汽車外板的表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。本文通過箱線圖、控制圖等數(shù)據(jù)分析手段對酸軋機組出現(xiàn)的欠酸洗缺陷情況進行分析，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)酸洗速度、酸洗溫度對酸洗質(zhì)量影響不顯著，再生酸濃度、在線濃度測量裝置、焊縫質(zhì)量會對酸洗表面質(zhì)量有明顯的影響。對這些因素進行詳細的討論并提出定期校對流量表、增加再生酸濃度檢測頻次、修訂在線濃度控制要求、提高焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性等措施可以降低欠酸洗的發(fā)生。