影響SPHC酸洗效率因素分析及解決措施

王 鵬，于 峰，徐小科，苗 龍，于 朋

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽122000）

冷軋低碳鋼（代表鋼種SPHC）產品作為一種普通冷軋原料，由于其市場需求大，流通性強，越來越受到各熱軋廠的青睞。由于下游冷軋用戶設備裝備水平參差不齊，對熱軋原料要求也不盡相同，為滿足用戶的差異化需求，提高原料酸洗效率成為各熱軋廠爭奪用戶的最有效手段之一。SPHC是鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司 （以下簡稱朝陽鋼鐵）的主要生產品種，占產品總量的60%左右，冷軋酸洗效率是反映熱軋帶鋼表面質量的核心指標之一。通常來講，酸洗效率與帶鋼表面氧化鐵皮息息相關，而影響鐵皮的關鍵因素便是溫度，因此大多熱軋廠在提高酸洗效率的問題上往往都側重于對溫度的調整，尤其是開軋溫度、終軋溫度和卷取溫度。然而冷軋酸洗效率不僅僅與熱軋溫度有關，還與熱軋的冷卻方式、冷卻速度、殘余元素、輥面以及與冷軋酸洗工序酸液的溫度、濃度、酸洗速度等因素相關。如何優化各個影響因素，同時使各影響因素相互聯動并有效配合成為提高酸洗效率的主要研究方向。

1 存在的問題

2015年底以來，華北地區冷軋直供客戶紛紛提出朝陽鋼鐵的SPHC產品（2.75 mm≤h≤3.0 mm）在其產線酸洗加工過程中，以正常速度 （100 m/s以上）酸洗，存在帶鋼中部酸洗不凈，即欠酸洗現象，放慢酸洗速度后，酸洗效果能夠改善，但存在作業率低的問題，會影響冷軋企業的產量。不同鋼廠產品在同等酸洗工藝條件下酸洗速度情況見表1。

表1 同等酸洗工藝條件下酸洗速度情況Table 1 Picking Speed by the Same Picking Process

從表1中可看出，在同樣的冷軋酸洗工藝條件下，朝陽鋼鐵產品的酸洗速度與其他鋼廠有較大差距。因此，既要在保證不提高酸液溫度及濃度的前提下，要提高酸洗速度，從而提高企業的產量和效益；又需要通過提高SPHC冷軋材表面質量，提升其品牌影響力，從而擴大市場占有率。綜合分析，提升SPHC熱軋原料酸洗效率迫在眉睫。

2 影響因素研究與分析

分析鋼中化學成分及氧化鐵皮結構對酸洗效率的影響，需要開展大量的研究和現場技術實踐來證明。為保證SPHC原料在酸洗速度達到100 m/min時,酸洗效果滿足客戶要求，組織開展了專項研究。

通過對可能影響酸洗效率的因素如除鱗壓力低、除鱗水嘴狀態、機架間漏水情況、殘余元素的影響、冷卻方式、溫度制度及鋼卷存放環境等進行綜合分析，確認除鱗壓力低、除鱗水嘴狀態、機架間漏水情況、鋼卷存放環境為非主要因素，而殘余元素的影響、冷卻方式、溫度制度設置為主要因素。

2.1 殘余元素影響

為確定鋼中殘余元素對酸洗效率的影響，從供貨商的產品中各取相同的試樣進行成分檢驗。不同產線鋼中殘余元素含量見表2。

表2 不同產線鋼中殘余元素含量（質量分數）Table 2 Content of Residual Elements in Steels Manufactured by Different Production Lines （Mass Fraction） %

從表2中可看出，朝陽鋼鐵產品中As、Si、Cu元素含量與其他鋼廠有一定區別，尤其是As含量，達到0.012 8%，接近是其他鋼廠的3～10倍。

通過對化學成分的研究，確定部分元素對氧化鐵皮酸洗效率有影響，影響程度依次為As、Cu、Ni［1］。殘余元素是氧化勢小于鐵，且在鋼水吹煉過程中不易被氧化除去的元素。生產中可能在鋼中凝固偏析，在晶界偏聚或者在鋼的基體與氧化層之間富集析出。鎳、砷、銅都屬于殘余元素，且不易與酸反應，尤其是砷元素。砷熔點為808℃［2］，在熱軋前加熱過程中，在鋼的基體層與氧化層界面形成較多的液態熔融相，液相不斷向晶界滲透，在后續的軋制過程中與空氣接觸后使殘余元素在氧化層和基體界面處富集明顯。低熔點殘余元素及其金屬間化合物偏聚在基體與氧化層界面的奧氏體晶界處形成富集相。因鐵的優先氧化速度明顯大于殘余元素向基體內擴散的速度，所以隨著鋼表面氧化過程的推進，部分晶界富集的殘余元素留在氧化層中，更多的殘余元素繼續在界面富集，鋼坯加熱時間越長，氧化層越厚，相應殘余元素在界面形成的富集相就越多。此類富集相吸附在基體表面甚至沿晶界向基體內滲透，在后續高壓水除鱗工序中很難去除，經軋機軋制后富集物隨氧化層推進分布在帶鋼基體與氧化層界面，且不易溶于酸，形成酸洗后的表面發烏缺陷［2-5］。

針對酸洗后鋼板表面發暗區域和正常區域，選取有代表性的試樣進行能譜分析。發暗區域和正常區域能譜分析結果分別見圖1和圖2。

從圖1可以看出，酸洗后表面發暗的區域在微觀下較為平整，且該區域表面有As、O元素殘留。從圖2可以看出，酸洗后表面正常的區域呈溝壑狀，所含元素僅為Fe和C，無As、O等元素。通過表面形貌檢測發現酸洗發暗處與顏色正常處表面顯微形貌存在較大差別，在酸洗發黑處表面檢測到As和O元素殘留，說明，冷軋基料中的殘余元素偏高，尤其是砷含量過高是導致產品酸洗不凈的直接原因。

現場自開工以來，全鐵冶煉SPHC鋼種成品殘余元素呈上升趨勢，目前殘余元素照比2013年增加0.036 5%，增幅比例達到68.35%。部分殘余元素的變化與客戶反饋酸洗效率低在時間上存在吻合，可確定其為主因。

圖1 發暗區域能譜分析Fig.1 Analysis on Energy Spectrum in Dark Area

圖2 正常區域能譜分析Fig.2 Analysis on Energy Spectrum in Normal Area

2.2 冷卻方式的影響

酸洗后表面狀態與鋼板原表面氧化層的均勻性以及氧化層和鋼基體的結合緊密程度有很大關系。如果酸洗前熱軋板氧化層沿板寬方向厚度不均，或者部分氧化層與鋼基體結合過于緊密，酸洗時氧化層呈條紋式溶解，為使氧化層完全洗凈，部分鋼基體會出現過酸洗，造成局部粗糙度較大，顏色就會發暗發黑［3］。針對酸洗板表面發暗的情況，在發暗區域與正常區域分別取樣，用電子探針觀察分析表面形貌如圖3所示。

從圖3中對比發現，酸洗發暗處與顏色正常處表面顯微形貌存在較大差別。酸洗發暗處表面致密平整，沒有明顯的凹坑；而顏色正常處鋼板表面呈溝壑狀，比較毛糙。

氧化鐵皮分為三層，最內層為Fe與Fe3O4共析組織，中間為較厚的Fe3O4，最外層為較薄的Fe2O3。精軋出口高溫狀態下氧化鐵皮的主要成分為FeO。其中，FeO是氯化鈉型離子晶體，具有天然的最大空隙率；Fe3O4是具磁性的黑色晶體，離子間的排列結構與尖晶石相仿，較致密，相比FeO難溶于酸；Fe2O3的晶體結構為剛玉型，相比FeO也難溶于酸。

目前，各熱軋廠都是從降低Fe3O4物相比例和厚度方面來解決酸洗困難,而降低物相比例和厚度的方式截然不同。帶鋼熱軋經水幕層流冷卻后，在開卷狀態下于空氣中快速冷卻時，氧化鐵皮容易形成明顯的雙層結構，即內層是FeO、外層主要是Fe3O4，盡管外層Fe3O4難酸洗，但由于這種顯微結構的氧化鐵皮更容易形成裂紋。試驗表明快速冷卻酸洗特征是剝落式酸洗，酸洗速度較快。當水幕層流冷卻后的帶鋼在卷曲狀態下于空氣中緩慢冷卻時，氧化鐵皮中發生4FeO—Fe3O4+Fe的相變析出反應，導致Fe3O4含量增加，同時游離的Fe析出后增加了氧化鐵皮中各物相間的粘附性，緩慢冷卻酸洗特征是彌散溶解式，酸洗速度比雙層結構的氧化鐵皮要慢。

圖3 酸洗正常與發暗處表面形貌對比（500×）Fig.3 Comparison of Surface Morphology between Normal Picking and Dark Picking（500×）

2.3 溫度制度的影響

根據經驗，低的精軋開軋溫度更有利于帶鋼表面平滑，減少帶鋼表面麻坑和氧化鐵皮的壓入幾率。根據生產大數據分析的結果，精軋開軋溫度控制在1 000℃附近較好。根據中間輥道熱損失大數據統計，不考慮中間坯擺動，飛剪、熱卷箱故障燈因素影響，中間輥道溫度損失約為50℃，粗軋出口溫度（RDT）應控制在1 050℃。富氧或570℃附近緩慢冷卻易發生4FeO—Fe3O4+Fe的相變析出反應，導致Fe3O4含量增加。為避開或降低富氧和570℃兩個條件的影響，通常要降低卷取溫度（CT）目標溫度。

3 解決措施

3.1 嚴格控制殘余含量

通過與其他產線對標及實際生產情況對比分析，采取以下兩個措施：

（1）調整采購系統中廢鋼采購途徑，控制全鐵殘余元素在0.05%以下。

（2）嚴格控制As元素含量在0.002%以下。

3.2 改進冷卻方式

根據現場生產實際數據，不同冷卻制度下的產品性能指標差距不大，具體情況見表3。從表3中可見，在急冷的條件下，屈服強度、屈強比略有提高，經過實踐檢驗，對下游冷軋用戶使用并無較大影響。經采用不同冷卻方式對比可知，采用急冷冷卻方式的氧化鐵皮酸洗特征為剝落式酸洗，更容易洗凈。而前部急冷比后部急冷更容易將氧化鐵皮洗凈，更利于提高下游冷軋酸洗效率，同時也有利于提高帶鋼的表面質量。

表3 不同冷卻方式下的產品性能Table 3 Product Performance by Different Cooling Modes

3.3 優化溫度制度

為了獲得更精準的溫度工藝制度，針對不同規格制定了不同的工藝制度，具體如表4所示。根據表4所示，在RDT、精軋出口溫度（FDT）確定的條件下，在爐時間的影響可忽略不計，而CT的影響較大，為關鍵因素。現將特征溫度620℃和680℃下的不同樣品進行SEM斷面形貌分析，620℃和680℃時的試樣斷面形貌分別見圖4和圖5。觀察圖4，發現該氧化層厚度不均勻，氧化層與基體結合處凹凸不平，氧化層整體厚度約為8.88～9.77 μm。氧化鐵皮結構由共析組織 （Fe3O4+Fe）和原始Fe3O4組成，共析組織主要分布在靠近鋼基體的內層，而原始Fe3O4組織分布在外層，Fe3O4+Fe共析組織與原始Fe3O4的厚度之比約為1.2:1。

表4 不同規格、溫度制度下的試驗情況Table 4 Test Results with Different Specifications and Different Temperature Systems

圖4 620℃試樣掃描倍數1μm斷面形貌Fig.4 Cross-sectional Morphology of Sample with Scanning Multiple of 1μm at 620 ℃

圖5 680℃試樣掃描倍數1μm斷面形貌Fig.5 Cross-sectional Morphology of Sample with Scanning Multiple of 1μm at 680 ℃

通過觀察圖5，發現基體與氧化層的界面凹凸不平，導致氧化層厚度不均勻，氧化層整體厚度約為10.31～14.31 μm。該氧化層為兩層結構，由基體向外依次為FeO和Fe3O4層，在原始FeO層發生了大量的共析反應，生成了共析組織（Fe3O4+Fe），其中圖5中的白色物質為單質Fe。兩層結構FeO、Fe3O4的厚度之比約為1.53：1。

綜上分析，不同的卷取溫度對氧化鐵皮的結構及厚度影響較大，可確定主要因素，并非溫度越低越好，CT低，帶鋼屈服強度會增大，加大了下游冷軋機組的軋制負荷。經過試驗確定CT控制在630～660℃較好，此時產生的氧化鐵皮厚度可控，酸洗工藝容易將其去除。

3.4 應用工藝潤滑技術

熱軋工藝潤滑技術是在軋制過程中向軋輥表面噴灑潤滑劑，通過軋輥的旋轉，將潤滑劑帶入變形區，在軋輥與帶鋼表面形成一層極薄的油膜。這層油膜能改變塑性變形區的變形條件，降低變形區接觸弧表面上的摩擦系數和摩擦力，大幅度降低軋輥磨損，減少軋輥消耗，提高軋機作業率和產量；同時還能降低軋制力，節省電能等。這些都符合當前冶金企業節能降耗、清潔生產及保護環境的發展方向［6］。

3.4.1 流量控制

根據帶鋼材質、規格的不同及軋機對軋制穩定性的要求，熱軋油流量應有所不同。熱軋油流量越大，其潤滑效果越好，但在實際使用過程中，并非流量越大越好。如F1機架在保證工作輥輥面良好的前提下，為防止咬鋼時打滑，應盡可能選擇小的流量。為保證軋制的穩定性，末機架也不宜使用大的流量，甚至可以不使用熱軋油。

3.4.2 時序控制

熱軋油的噴射時序非常重要，不宜過早也不宜過晚，應恰到好處。如果噴射過早或關閉過晚，則軋件在咬鋼時易打滑而卡鋼；如果噴射過晚或關閉過早，則不能充分發揮熱軋油的功效。

朝陽1700ASP工藝潤滑系統噴油時序采用精軋機F1-F7咬鋼加延時，關油時序采用精軋入口溫度（FET）檢失加延時，采用此種噴射時序可以最大限度地延長熱軋油投入時間，保證熱軋油系統功效。

3.4.3 溫度控制

1700ASP工藝潤滑系統的供水溫度控制在35℃左右，供油溫度控制在40℃左右，天氣寒冷時更應關注供水溫度和供油溫度。

3.4.4 支承輥熱軋油切水板擋水效果

由于下工作輥冷卻水會淌到下支承輥上，因此下支承輥熱軋油切水板擋水效果要好，否則會因熱軋油在支承輥表面的附著量增多而影響潤滑效果。

3.4.5 集管及噴嘴的維護

如果集管彎曲變形、噴嘴角度不佳，熱軋油噴射扇面間會因相互干涉而影響噴射效果。因此，要根據實際情況對集管的位置及噴嘴的角度進行調整。應經常檢測集管和噴嘴的狀態，由于噴嘴易堵塞，在檢修時應把噴嘴拆下，用高壓蒸氣吹掃噴射集管，減少噴嘴堵塞現象發生的幾率，以保證熱軋油的連續正常使用。

熱軋油投入使用后，軋輥表面質量明顯好轉，相同公里數情況下，使用熱軋油前后F7工作輥輥面狀態如圖6所示。通過對比可看出，使用熱軋油后，在支撐輥表面形成均勻油膜，通過軋輥旋轉將油膜傳遞給工作輥，將工作輥和帶鋼分開，對工作輥形成保護，從而減少壓入性氧化鐵皮缺陷，軋輥表面質量明顯改善，提升了下游冷軋酸洗效率。

圖6 使用熱軋油前后工作輥輥面對比Fig.6 Roll Surface Contrast before and after Hot Rolled Oil Applied

4 效果評價

通過嚴格控制殘余元素，尤其是As含量控制在0.002%以內,層流冷卻采用前部急冷，嚴控燒鋼溫度、開軋溫度及卷取目標溫度，采用工藝潤滑技術，改進后在實際生產中，獲得良好的氧化層結構，提高了表面質量，提升了冷軋酸洗效率。在下游冷軋企業實際使用過程中，表現出良好的表面酸洗質量，提高了酸洗速度，某冷軋用戶統計的朝陽鋼鐵SPHC酸洗速度如表5所示，實際酸洗效果如圖7所示。經統計，酸洗速度較比改進前提升了50%，1 000 mm熱軋原料酸洗速度可達120 m/min，1 200 mm熱軋原料酸洗速度可達到100 m/min。用戶日產量大幅提升，贏得用戶認可，維護了朝陽鋼鐵熱軋產品的品牌形象。

表5 朝陽鋼鐵SPHC酸洗速度Table 5 Pickling Speed of SPHC in Chaoyang

圖7 酸洗和冷軋后表面情況Fig.7 Surface Conditions after Pickling and Cold Rolling

5 結論

（1）通過對高爐入料結構的變化，及不同時期鐵水殘余元素與冷軋酸洗實際情況確定As元素含量與酸洗效率具有反相關性。通過調整廢鋼采購途徑，能夠保證全鐵殘余元素在0.05%以下，As含量在0.002%以下。

（2）冷卻方式是影響氧化鐵皮結構最大因素，采用前部急冷模式，酸洗特生為剝落式酸洗更容易洗凈。

（3）合適的溫度設置對表面氧化層結構影響較大，精軋開軋溫度控制在1 000℃附近，卷取溫度控制在630～660℃時，產生的氧化鐵皮厚度可控，酸洗工藝容易將其去除。

（4）工藝潤滑技術可大幅提高輥面質量，降低三次氧化鐵皮壓入缺陷，有利于提高帶鋼表面質量。

（5）采取措施后，有效地提高了帶鋼表面質量，酸洗速度較比改進前提升了50%，1 000 mm熱軋原料酸洗速度可達120 m/min，1 200 mm熱軋原料酸洗速度可達100 m/min。酸洗不凈質量異議率降為0，有效提升了朝陽鋼鐵產品品牌形象。