濕平整工藝中帶鋼黃斑缺陷問(wèn)題分析及改進(jìn)措施

張婷

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司華南分公司

本文針對(duì)2020 年7 月份東北某大型鋼鐵企業(yè)的冷軋帶鋼平整后板面出現(xiàn)黃斑缺陷問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)掃描電子顯微鏡和能譜分析技術(shù)分析了黃斑缺陷的形貌和元素，并從現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、平整液性能、生產(chǎn)工藝特點(diǎn)等方面分析了導(dǎo)致黃斑產(chǎn)生的影響因素，有針對(duì)性地制定改進(jìn)方案并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，有效地控制了黃斑缺陷的產(chǎn)生，減少了客戶質(zhì)量異議。

平整工藝是提高冷軋帶鋼表面質(zhì)量的一道重要工序，是小壓下率下的冷精軋過(guò)程，對(duì)冷軋帶鋼成品的表面質(zhì)量、板材形狀、力學(xué)結(jié)構(gòu)等性能有重要意義。平整工藝按是否加平整液分為干平整和濕平整兩種工藝，濕平整工藝因具有軋制力低、帶鋼表面質(zhì)量高、防銹性能好等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛采用[1]。

東北某大型鋼鐵企業(yè)主要生產(chǎn)鍍鋅板、彩涂卷、冷軋板等產(chǎn)品，主要包括SPHC、SPHD、SPHE、Q195L、Q235 等材質(zhì)，三類產(chǎn)品年產(chǎn)量均為25 萬(wàn)t/a 左右，主要用于建材、輕工等行業(yè)。該企業(yè)現(xiàn)有一臺(tái)平整機(jī)用于平整工藝，平整機(jī)工藝參數(shù)如下：

◇設(shè)計(jì)產(chǎn)量：30 萬(wàn)t；

◇軋機(jī)形式：4 輥平整機(jī)；

◇機(jī)組速度：最大600 m/min；

◇鋼板產(chǎn)品規(guī)格：厚度0.20～1.50 mm，寬度700～1 350 mm；

◇鋼卷重量：18 t。

該生產(chǎn)線2019 年12 月調(diào)試完成并開(kāi)始投入生產(chǎn)，濕平整液使用基本正常，冷軋帶鋼黃斑發(fā)生率控制在3%以下。2020 年7 月，現(xiàn)場(chǎng)反饋冷軋帶鋼平整后板面出現(xiàn)大量黃斑缺陷，黃斑發(fā)生率超過(guò)20%。

在濕平整工藝中，黃斑缺陷的頻繁出現(xiàn)一直是國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)的一項(xiàng)難題，分析并解決黃斑缺陷對(duì)帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量提高具有重要意義。

黃斑缺陷的微區(qū)形貌和元素分析

冷軋帶鋼表面黃斑缺陷樣板為該鋼鐵企業(yè)自供冷軋帶鋼，黃斑缺陷外觀為條狀暗黃色或深棕色斑跡，如圖1 所示。

圖1 冷軋帶鋼表面平整黃斑缺陷

黃斑缺陷大部分是在濕平整工藝后鋼卷存放后一段時(shí)間產(chǎn)生，為分析其產(chǎn)生機(jī)制，采用美國(guó)FEI 有限公司Nova NanoSEM450 型掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）和美國(guó)EDAX公司APOLLO XP 型能量色散X 射線光譜儀（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy，EDS）分析冷軋帶鋼表面黃斑缺陷的表面形貌和微區(qū)元素，結(jié)果見(jiàn)圖2、表1。

表1 冷軋帶鋼表面平整黃斑缺陷和正常部位的元素分析

圖2 冷軋帶鋼表面平整黃斑缺陷和正常部位的表面形貌和EDS譜圖

供圖/張婷

從圖2（a）、（b）可以看出，冷軋帶鋼表面正常形貌是比較平整均一的，無(wú)明顯異狀物，而黃斑表面形貌為：有明顯的團(tuán)狀突出物不均勻地分布在黃斑缺陷處。圖2（c）、（d）的EDS 能譜及表1 元素分析結(jié)果表明，與鋼帶正常部分對(duì)比，黃斑缺陷部分有2.89%的Na 元素，0.81%的K 元素等，說(shuō)明黃斑缺陷部分可能存在殘留的濕平整液，同時(shí)黃斑缺陷部分O 元素含量大大增加，C 元素稍有升高，說(shuō)明有鐵氧化物生成，這也與其他文獻(xiàn)中的黃斑缺陷實(shí)際上是一種“銹蝕”的觀點(diǎn)一致[2]。銹蝕產(chǎn)生的原因主要是帶鋼經(jīng)平整后存在電位差，同時(shí)鋼板表面殘留了部分平整液，在高溫、高濕環(huán)境下帶鋼表面發(fā)生原電池反應(yīng)而形成黃斑，反應(yīng)機(jī)理如下[3]：

陽(yáng)極反應(yīng)：

陰極反應(yīng)：

電池反應(yīng)：

Fe（OH）2被空氣中氧氣氧化生成FeOOH（黃褐色）Fe（OH）2+1/4O2→FeOOH+1/2H2O

導(dǎo)致黃斑缺陷產(chǎn)生的影響因素分析

根據(jù)黃斑微區(qū)形貌分析結(jié)果可知，濕平整工藝黃斑缺陷是一種“銹蝕”，產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，與平整液自身抗黃斑性能和現(xiàn)場(chǎng)工藝條件及環(huán)境等因素都有關(guān)。下面將結(jié)合濕平整工藝的特點(diǎn)從外部環(huán)境、平整液性能、生產(chǎn)工藝特點(diǎn)等3 方面著重對(duì)其進(jìn)行分析。

環(huán)境

現(xiàn)場(chǎng)反饋平整后板面出現(xiàn)大量黃斑缺陷的時(shí)間是在7 月份，其他月份也有偶發(fā)，但不嚴(yán)重，黃斑發(fā)生率控制在3%以下。7 月至8 月處于夏季，是北方一年中溫度較高、濕度較大的時(shí)間段，高溫高濕環(huán)境會(huì)加重黃斑缺陷的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致黃斑大面積爆發(fā)。

平整液性能

為滿足濕平整工藝的要求，濕平整液配方研制時(shí)必須考慮到要同時(shí)具備較好的清洗性能、防銹性能和適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑性能。其中，濕平整液的清洗性能和防銹性能對(duì)帶鋼表面質(zhì)量的控制有較大的影響。

清洗性能

平整液的清洗性能可通過(guò)JB/T 4323—2018《水基金屬清洗劑》中洗油能力（重量法）試驗(yàn)方法來(lái)判定。對(duì)于濕平整工藝來(lái)說(shuō)，如果噴淋在輥縫的平整液清洗性不好，帶鋼表面的軋制后形成的鐵粉和殘?zhí)烤筒荒鼙患皶r(shí)清除掉。當(dāng)平整后的帶鋼表面殘留較多的鐵粉雜質(zhì)時(shí)，將削弱帶鋼表面的平整液工序間防銹能力，進(jìn)一步造成銹蝕缺陷。提高平整液的清洗性能有利于改善銹蝕缺陷。一般通過(guò)添加清洗劑來(lái)增強(qiáng)濕平整液的清洗性能，濕平整液的水基清洗劑是由表面活性劑和清洗助劑組成，其中表面活性劑作為清洗劑的主要成分，一般以具有較強(qiáng)的清洗能力的非離子表面活性劑為主，如常見(jiàn)的醚、酯、酰胺、聚醚等[4]。

防銹性能

平整液的防銹性能可通過(guò)鐵屑濾紙法（參考IP287 測(cè)試）和GB/T 6144—2010《合成切削液》中單片、疊片防銹性試驗(yàn)來(lái)判定。在濕平整工藝中，濕平整液一般要加水稀釋至一定的濃度后進(jìn)行使用，而水的存在是造成金屬表面銹蝕的原因之一。為滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的工序間防銹要求，濕平整液濃縮液中要添加足量的水基防銹劑。

生產(chǎn)工藝特點(diǎn)

濕平整工藝條件較為復(fù)雜，主要有三個(gè)因素對(duì)帶鋼表面黃斑缺陷的形成有影響。

平整前板面清潔度

平整前兩道工序分別為冷軋和罩式退火。冷軋后帶鋼的表面清潔度和退火后帶鋼表面清潔度對(duì)平整后帶鋼表面質(zhì)量都有影響。帶鋼清潔度不高的情況下，經(jīng)濕平整工藝后會(huì)有較多的濕平整液殘留，進(jìn)一步導(dǎo)致黃斑缺陷形成[5]。一般建議帶鋼在軋制后進(jìn)行清洗脫脂工序，提高帶鋼表面清潔度。

平整液的溫度、濃度和流量

平整液使用過(guò)程中，需要確定使用的溫度、濃度和流量。根據(jù)平整液的特性一般建議平整液的使用濃度4%～6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），使用溫度一般是常溫，但冬季溫度低時(shí)應(yīng)提高溫度使用，以增強(qiáng)濕平整液的揮發(fā)性。同時(shí)濕平整液應(yīng)有適宜的噴射流量，流量過(guò)低時(shí)，無(wú)法將混合了鐵粉的平整液及時(shí)排出，影響帶鋼表面質(zhì)量。當(dāng)平整后板面出現(xiàn)黃斑缺陷時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高平整液濃度，增強(qiáng)防銹性，同時(shí)調(diào)整噴射的流量，起到有效清除帶鋼表面的鐵粉作用。

平整機(jī)吹掃系統(tǒng)工藝參數(shù)

平整機(jī)組出口的壓縮空氣濕度、吹掃壓力對(duì)帶鋼表面質(zhì)量的控制也至關(guān)重要[6，7]。當(dāng)出口處壓縮空氣溫度較低、吹掃壓力不足時(shí)，造成多余的平整液吹掃不充分，不能被有效地去除，容易導(dǎo)致平整成品卷板面黃斑的形成。

改進(jìn)方案

大多數(shù)使用濕平整液的鋼鐵企業(yè)都會(huì)將改進(jìn)方案寄希望于濕平整液廠家改進(jìn)配方，實(shí)際上濕平整工藝板面黃斑缺陷的產(chǎn)生與外部環(huán)境、平整液性能、生產(chǎn)工藝特點(diǎn)都有關(guān)，其中外部環(huán)境隨季節(jié)更替突然改變極大地導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)黃斑發(fā)生率的升高，但季節(jié)更替屬于客觀事實(shí)無(wú)法改變。下面將從濕平整液配方改進(jìn)、現(xiàn)場(chǎng)工藝改進(jìn)兩方面來(lái)制定改進(jìn)方案。

濕平整液配方改進(jìn)

根據(jù)對(duì)黃斑缺陷產(chǎn)生影響因素的分析，濕平整液的清洗性能和防銹性能對(duì)黃斑缺陷的產(chǎn)生有一定的影響。為改善帶鋼平整后表面質(zhì)量，減少黃斑缺陷的產(chǎn)生，技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)原有配方進(jìn)行優(yōu)化，引入提高清洗性能的非離子型表面活性劑，同時(shí)調(diào)整了不同有機(jī)防銹劑的配比。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，改變各組分配比，最終得到抗黃斑性能良好的濕平整液配方。改進(jìn)后配方與原配方相比清洗性能、防銹性能均有提升，數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2、表3。

表2 平整液改進(jìn)后配方與原配方清洗性能對(duì)比

表3 平整液改進(jìn)后配方與原配方防銹性能對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)工藝條件改進(jìn)

根據(jù)濕平整工藝特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)濕平整工藝前來(lái)料清潔度、平整液使用及平整機(jī)工藝參數(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研。濕平整工藝前來(lái)料清潔度在80%左右，清潔度處于較好的水平，而現(xiàn)場(chǎng)平整液的使用及平整機(jī)工藝參數(shù)方面存在導(dǎo)致黃斑發(fā)生的因素，對(duì)其中相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

調(diào)整吹掃系統(tǒng)工藝

現(xiàn)場(chǎng)吹掃系統(tǒng)吹掃壓力為0.2 MPa，吹掃壓縮空氣相對(duì)濕度為30%～40%，存在吹掃壓力不足、吹掃空氣濕度較大導(dǎo)致多余平整液殘留在帶鋼表面的情況，增大了黃斑發(fā)生率。建議現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整吹掃壓力不為0.5 MPa，增加壓縮空氣干燥設(shè)備將空氣濕度控制在10%以下。

規(guī)范平整液的使用

基于成本控制，現(xiàn)場(chǎng)平整液的使用濃度低于廠家建議使用濃度4%～6%。濃度過(guò)低，濕平整液防銹性能會(huì)下降。建議現(xiàn)場(chǎng)按實(shí)際情況嘗試提高濃度使用，避免因平整液防銹性能不足導(dǎo)致黃斑大面積發(fā)生的情況。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2020 年11 月將改進(jìn)后的平整液配方應(yīng)用到該東北大型鋼鐵企業(yè)濕平整工藝現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)溝通生產(chǎn)工藝改進(jìn)，調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)、平整液濃度等。經(jīng)過(guò)連續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果較為顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年1 月的黃斑發(fā)生率同比降低了80%，而在2021 年7 月，屬于北方一年中高溫高濕的月份，黃斑發(fā)生率同比也降低了65%。由此說(shuō)明，此次黃斑缺陷改進(jìn)方案有效地控制了黃斑缺陷的產(chǎn)生，減少了客戶質(zhì)量異議。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)平整后黃斑缺陷進(jìn)行掃描電子顯微鏡和能譜分析，驗(yàn)證了黃斑缺陷實(shí)際上是一種“銹蝕”。從外部環(huán)境、平整液性能、生產(chǎn)工藝特點(diǎn)3 方面分析了導(dǎo)致黃斑產(chǎn)生的影響因素，并著重在濕平整液配方、現(xiàn)場(chǎng)工藝兩方面制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施。其中，濕平整液配方改進(jìn)了防銹性能和清洗性能，現(xiàn)場(chǎng)工藝調(diào)整方面包括調(diào)整吹掃系統(tǒng)工藝、規(guī)范平整液的使用?，F(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)后，應(yīng)用效果較為顯著，黃斑發(fā)生率較改進(jìn)前大大降低。