EPS鋼板切換熱軋帶鋼生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)研究

王學(xué)雙 董亞洲 黃娟 黃波 謝連慶 黃海玲

（一汽解放汽車有限公司商用車開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

在日益嚴(yán)苛的環(huán)境保護(hù)下，如何實(shí)現(xiàn)碳減排已經(jīng)是全球的共識(shí)。作為制造企業(yè)的主機(jī)廠，在雙碳戰(zhàn)略的要求下，需要努力尋求更好的解決方案，以滿足可持續(xù)發(fā)展的需要。目前主機(jī)廠生產(chǎn)的商用車梁類結(jié)構(gòu)件，原材料主要采用經(jīng)特殊工藝處理的熱軋帶鋼（鋼板表面是致密的黑色氧化鐵皮），零件成形后，采用拋丸的方法去除氧化皮。使用的熱軋帶鋼在輥壓以及拋丸的過(guò)程中，給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)以及操作人員帶來(lái)較大影響，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)抱怨較大。在此背景下，尋找一種新型的免酸洗綠色清潔表面處理鋼板替換現(xiàn)有鋼板，以解決生產(chǎn)停機(jī)問(wèn)題并減少生產(chǎn)過(guò)程的碳排放，有效促進(jìn)雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

本研究介紹了目前某主機(jī)廠熱軋帶鋼的使用現(xiàn)狀以及存在的主要問(wèn)題，分析了綠色清潔表面處理技術(shù)（Eco Pickled Surface，EPS）鋼板的優(yōu)劣勢(shì)以及切換過(guò)程中產(chǎn)生的一些技術(shù)問(wèn)題和解決方案，最終實(shí)現(xiàn)了EPS 梁類鋼板生產(chǎn)切換，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需求。

2 熱軋帶鋼目前存在的主要問(wèn)題

本研究中熱軋帶鋼是一種表面經(jīng)特殊工藝處理的鋼板，鋼板的表面是致密的黑色氧化鐵皮，主要成分以Fe3O4為主[1]，其含量目標(biāo)值為85%～95%，氧化層厚度為（10±2）μm。此種鋼板在零部件成形過(guò)程中，只有微少量的氧化皮脫落，可直接用于輥壓或沖壓。我國(guó)部分高校和鋼廠為了應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)需求，對(duì)熱軋帶鋼的處理工藝開(kāi)展了相關(guān)研究[2-5]，高強(qiáng)度的熱軋帶鋼在使用過(guò)程中，由于Fe3O4的含量以及致密度等原因存在氧化鐵皮脫落的問(wèn)題。

熱軋帶鋼氧化皮的脫落帶來(lái)了一系列問(wèn)題。

a.設(shè)備方面，脫落的氧化皮粘附在輥輪、模具以及絲杠、傳感器等設(shè)備表面，導(dǎo)致設(shè)備磨損出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象；

b.工序方面，在進(jìn)入涂裝生產(chǎn)線前，需要采用拋丸工序去除氧化鐵皮，拋丸工藝需要花費(fèi)大量的電力、人力；

c.環(huán)境影響方面，拋丸工藝產(chǎn)生很多粉塵，粉塵與某些可燃物會(huì)懸浮于空氣中，可能有爆炸的安全隱患；

d.人員健康方面，設(shè)備的停機(jī)以及拋丸產(chǎn)生的粉塵，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的健康產(chǎn)生較大影響。

由圖1 可以看到氧化皮脫落給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備帶來(lái)不良影響。

圖1 熱軋帶鋼存在的問(wèn)題

3 EPS鋼板的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

EPS 是將鋼砂和水的混合物，采用機(jī)械加壓的形式，均勻地噴射到目標(biāo)鋼板表面，以獲得滿足一定技術(shù)要求的鋼板，此種表面處理技術(shù)又被稱為“濕式拋丸”。

公開(kāi)資料介紹[6]，EPS 生產(chǎn)線相對(duì)于傳統(tǒng)的酸洗生產(chǎn)線占地面積小，同時(shí)EPS 生產(chǎn)線的投入約為酸洗生產(chǎn)線的20%，但是EPS 生產(chǎn)線的產(chǎn)能約為酸洗生產(chǎn)線的4 倍；EPS 處理單元采用水和鋼砂的混合物進(jìn)行噴射（直徑在0.30～0.71 mm），鋼砂可循環(huán)使用1 000 次，有利于節(jié)約成本。

主機(jī)廠采用EPS 梁類鋼板后，生產(chǎn)效率提升方面，成形過(guò)程中將會(huì)減少氧化皮脫落，進(jìn)而減少對(duì)模具和備件的污染，模具和備件的更換頻次將會(huì)降低，大幅提升生產(chǎn)效率；節(jié)約成本方面，取消主機(jī)廠零部件的拋丸工序后，可以將現(xiàn)有拋丸工藝設(shè)備拆除，節(jié)省空間作為它用，同時(shí)主機(jī)廠取消拋丸工序，將會(huì)大大節(jié)省人力和電力的投入，降低工序成本；環(huán)保方面，拋丸工序取消后，可以消除懸浮粉塵，實(shí)現(xiàn)綠色健康生產(chǎn)的目的，見(jiàn)圖2；友好的綠色生產(chǎn)環(huán)境，有利于保障現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的身心健康。

圖2 EPS切換后現(xiàn)場(chǎng)清潔干凈的設(shè)備

4 鋼板切換技術(shù)問(wèn)題

EPS 梁類鋼板對(duì)于實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有一定優(yōu)勢(shì)，但是在切換過(guò)程中，亟需解決以下技術(shù)難點(diǎn)。

4.1 表面質(zhì)量控制要求

熱軋帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中，鋼卷表面會(huì)產(chǎn)生凹坑及麻點(diǎn)，見(jiàn)圖3a，雖經(jīng)過(guò)EPS 處理后（EPS 噴射過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力有利于消除凹坑棱角邊界以及提升零件的疲勞耐久性），凹坑邊界棱角變得圓潤(rùn)光滑，但是仍然殘存小的凹坑以及麻點(diǎn)。殘存的凹坑及麻點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致油脂堆積，不利于油脂徹底清除，進(jìn)而影響零部件的涂裝耐蝕性能。

圖3 凹坑宏觀形貌

圖3b、圖3c 為經(jīng)過(guò)EPS 處理后，鋼板表面凹坑的形貌，從圖片上可見(jiàn)凹坑呈不規(guī)則的分布在鋼板表面，圖4 為凹坑的顯微形貌，直徑約為2～3 mm，圖5 為帶有凹坑的樣板鹽霧后的形貌，可以在樣板上看到，凹坑位置出現(xiàn)擴(kuò)蝕現(xiàn)象，圖6 為擴(kuò)蝕后的凹坑形貌以及凹坑附近的腐蝕狀態(tài)。

圖4 凹坑顯微形貌

圖5 鹽霧后凹坑部位宏觀形貌

圖6 鹽霧后凹坑微觀形貌

經(jīng)過(guò)分析，凹坑產(chǎn)生的原因一方面是帶鋼與設(shè)備的接觸摩擦造成的，主要是指鋼卷在熱軋平整線開(kāi)卷穿帶過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦，另一方面是在開(kāi)卷時(shí)，外層鋼卷與內(nèi)層鋼卷之間摩擦產(chǎn)生的凹坑。麻點(diǎn)產(chǎn)生的原因主要是鋼卷出爐溫度與工藝水冷卻控制溫度不匹配，導(dǎo)致開(kāi)軋溫度高，軋輥表面氧化皮容易剝落造成的。

為了解決鋼板表面的凹坑以及麻點(diǎn)，制定了如下解決措施：

a.重點(diǎn)關(guān)注EPS 鋼板生產(chǎn)過(guò)程控制計(jì)劃、作業(yè)指導(dǎo)書，做到流程嚴(yán)控，質(zhì)量穩(wěn)定。

b.針對(duì)凹坑，改進(jìn)設(shè)備，減少帶鋼表面與設(shè)備摩擦損傷；提高熱軋線卷曲張力，避免鋼卷松卷。

c.針對(duì)麻點(diǎn)，優(yōu)化粗軋除鱗水道次，降低開(kāi)軋溫度；優(yōu)化精軋工藝水控制參數(shù)，降低軋輥氧化皮剝落概率。

經(jīng)過(guò)上述改善后，得到了表面質(zhì)量滿足使用要求的零件，見(jiàn)圖7。

圖7 改善后的EPS鋼板大梁

4.2 涂油質(zhì)量控制要求

EPS 梁類鋼板需要在原材料廠家進(jìn)行EPS 處理，為了防止運(yùn)輸過(guò)程中生銹，需要進(jìn)行涂油處理，此過(guò)程所涂油脂在涂裝前需要進(jìn)行清洗。在切換過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，所涂油脂的多少以及成分會(huì)對(duì)涂裝耐腐蝕性產(chǎn)生影響。

由于在生產(chǎn)零部件的過(guò)程中，輥壓后的零部件需要采用等離子切割才能滿足零部件的外形尺寸要求。等離子切割過(guò)程中產(chǎn)生的高溫使油脂燃燒形成煙塵，煙塵覆蓋在鋼板表面，導(dǎo)致后續(xù)油脂去除不完全，進(jìn)而降低零部件的耐蝕性能。圖8 為等離子切割斷面示意，從圖9 中，可以看到，在切割后的鋼板表面，存在一定厚度的煙塵反應(yīng)產(chǎn)物。

圖8 等離子切割斷面示意

圖9 切割后產(chǎn)生的煙塵

圖9 產(chǎn)生的煙塵附著在鋼板表面很難在涂裝工序的前處理工序中去除掉，無(wú)法去除的煙塵會(huì)導(dǎo)致零部件的耐腐蝕性能降低。圖10 為帶有切割煙塵的腐蝕試驗(yàn)樣品形貌。

圖10 帶有煙塵的鹽霧試驗(yàn)樣品

為了解決等離子切割過(guò)程產(chǎn)生的煙塵對(duì)零部件耐腐蝕性能的影響，在試制過(guò)程中，調(diào)整了涂油量以及油脂的成分，使涂油量和油脂的化學(xué)成分能夠很好的匹配涂裝前處理工序，改善后的耐腐蝕試驗(yàn)樣品如圖11 所示。圖11a 為涂覆強(qiáng)化油C671 采用等離子切割后的鹽霧試驗(yàn)樣品，圖11b為涂覆常規(guī)防銹油550HNCT 采用等離子切割后的試驗(yàn)樣品。從形貌分析，經(jīng)過(guò)涂覆強(qiáng)化油C671 的鋼板樣品滿足耐腐蝕性要求。

圖11 改善后的鹽霧樣品形貌

4.3 運(yùn)輸過(guò)程中原材料產(chǎn)品質(zhì)量控制要求

經(jīng)過(guò)EPS 機(jī)械噴丸處理的鋼板表面除涂油進(jìn)行防護(hù)外，還需要加強(qiáng)包裝以及運(yùn)輸過(guò)程的質(zhì)量控制，防止生銹以及劃傷。一般要求EPS 鋼卷（板）包裝過(guò)程中應(yīng)帶有防銹紙、護(hù)角、鎖扣等，避免防護(hù)包裝材料對(duì)鋼板表面產(chǎn)生劃傷以及包裝材料本身產(chǎn)生損壞；同時(shí)要求鋼卷（板）包裝具有防水、防潮功能，須保證自發(fā)貨之日起在包裝、運(yùn)輸、裝卸及存儲(chǔ)條件下6 個(gè)月內(nèi)不生銹，同時(shí)保證在拆除防水包裝，正常使用情況下，2個(gè)月內(nèi)不發(fā)生銹蝕。

4.4 材料性能控制要求

經(jīng)過(guò)EPS 機(jī)械噴丸處理的鋼板表面由于受到高速鋼砂+水的混合物的噴射，會(huì)在表面形成殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力有利于提升零件的可靠耐久性，但是殘余應(yīng)力的釋放/波動(dòng)同材料的性能波動(dòng)相疊加，會(huì)影響工藝生產(chǎn)的穩(wěn)定性。為了保證零部件的生產(chǎn)穩(wěn)定性，需對(duì)材料的性能參數(shù)進(jìn)行限定。

用于梁類鋼板的材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要求為C≤0.12%，Si≤0.50%，Mn≤1.70%，P≤0.030%，S≤0.025%，Ti≤0.22%，Nb≤0.09%，Al≥0.015%；經(jīng)過(guò)EPS 處理的鋼板屈服強(qiáng)度為530~560 MPa，抗拉強(qiáng)度為600~630 MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥22%，同時(shí)需要滿足d=a的冷彎性能要求；鋼板經(jīng)過(guò)EPS 處理后的表面平均粗糙度Ra≤5.0 μm。

4.5 生產(chǎn)過(guò)程切換跟蹤要求

在前期切換過(guò)程中，解決了存在的主要技術(shù)難點(diǎn)，為了更好地完成EPS 梁類鋼板零部件應(yīng)用技術(shù)切換，需要針對(duì)切換過(guò)程的工藝過(guò)程流程圖、控制計(jì)劃、作業(yè)指導(dǎo)書等進(jìn)行分析，確認(rèn)工藝評(píng)價(jià)重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)，其中，在沖壓/輥壓工序重點(diǎn)關(guān)注剪切質(zhì)量、零件尺寸、沖孔質(zhì)量、切邊質(zhì)量、涂油量適應(yīng)性等，在涂裝工序中重點(diǎn)關(guān)注前處理、磷化適應(yīng)能力、附著力、耐鹽霧等，在零部件裝配工序重點(diǎn)關(guān)注總成尺寸精度是否滿足要求。

經(jīng)過(guò)上述重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)的解決，實(shí)現(xiàn)了EPS 梁類鋼板切換“熱軋帶鋼”的技術(shù)應(yīng)用，取消了主機(jī)廠原有拋丸工序，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，滿足了目前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需求，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)論

本研究介紹了“熱軋帶鋼”的使用現(xiàn)狀以及存在的主要問(wèn)題，分析了EPS 鋼板的優(yōu)劣勢(shì)以及切換過(guò)程中產(chǎn)生的一些技術(shù)問(wèn)題和解決方案，最終實(shí)現(xiàn)了EPS 梁類鋼板生產(chǎn)切換，滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需求。

a.經(jīng)過(guò)EPS 技術(shù)處理的梁類鋼板在使用過(guò)程中，不再產(chǎn)生“熱軋帶鋼”的氧化皮脫落現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了綠色清潔生產(chǎn)，同時(shí)EPS 鋼板的應(yīng)用，取消了主機(jī)廠生產(chǎn)車間的拋丸工序，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，滿足目前的“雙碳”戰(zhàn)略需求。

b.在EPS 梁類鋼板切換過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注表面質(zhì)量控制、防銹油以及生產(chǎn)切換過(guò)程中產(chǎn)生的零部件尺寸精度偏差等，以順利的完成生產(chǎn)切換。