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

內容導讀

對冷軋產品，尤其是應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、控制圖等數據分析手段對酸軋機組出現的欠酸洗原因進行了調查研究。研究發現，再生酸濃度低、在線濃度測量裝置不準確、焊縫質量差是導致欠酸洗發生的主要原因。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、提高焊縫質量穩定性等措施，降低了欠酸洗的發生量。

冷軋帶鋼產品因其具有較好的產品表面質量和更薄的產品尺寸，備受用戶青睞。冷軋產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，在冷軋軋制前需要將表面的氧化鐵皮去除。

在現代的工業化生產中，鐵皮去除工藝包括物理方法和化學方法。物理方法主要是通過拉伸矯直機彎曲和矯直延伸實現破鱗作業，其中彎曲功能是在一定張力作用下通過反復彎曲使帶鋼產生鐓粗和拉伸，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，鐓粗和拉伸導致氧化鐵皮碎裂，利于紊流態的酸液滲入，增大氧化鐵皮剝落溶解效果[1]?；瘜W方法通過鐵的氧化物、鐵基體與鹽酸反應，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，表面經常殘留局部未洗掉的氧化鐵皮，形成欠酸洗。對于冷軋產品，尤其是應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、排酸時間短等優點，被國內各知名鋼鐵廠家應用。但在實際生產中，某冷軋廠仍有欠酸洗缺陷產生。

影響帶鋼酸洗質量的因素很多，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、鐵基體與酸發生的反應如下：

影響化學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，揮發量大大增加，增加了酸耗。在一定范圍內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，出現過酸洗。

主產線酸槽、酸罐內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、再生酸濃度數據，繪制箱線圖見圖2。

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

圖2 酸洗速度、濃度對質量的影響：(a)酸洗速度；(b)再生酸濃度

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

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

圖3 不同酸液濃度對酸洗質量的影響：(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。補酸控制是通過設定3#循環罐的液位下限進行控制，當3#循環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現場濃度測量裝置的測量值自動對酸液濃度進行調整，保證酸液濃度在可控的范圍內。在再生酸濃度穩定控制在目標范圍內時，按照Fe2+離子濃度自動排酸可保證酸濃度受控。結合圖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水按比例配置。經現場校對發現，循環水進水儀表流量顯示不準確，導致配置再生酸的過程實際循環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為某冷軋廠酸洗質量與溫度控制情況。從圖中可以看出，酸槽溫度穩定控制在77~82 ℃的范圍內。對3個酸槽溫度進行對數回歸分析，結果顯示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，溫度差異不是“發生欠酸洗”的顯著影響因素。這種幅度的溫度波動與帶鋼是否發生欠酸洗之間沒有相關性。

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以來，由于缺少相關維護技術，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1號槽的Fe2+濃度是否超過上限設定值來判斷是否排酸。通常設定上限值為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，測量結果可信，推斷產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。

焊縫質量

焊縫質量的影響因素主要包括兩方面：一是生產計劃中遇緊急訂單且庫區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、焊輪結渣、氣嘴堵塞等問題導致的。

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

為保證緊急訂單及時交付，在遇到焊縫質量不合格且重焊后焊縫質量提升仍不明顯時，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層，導致酸洗效率變差，易發生欠酸洗現象。這一類欠酸洗主要發生在帶鋼頭尾區域。

改進措施與結果

對欠酸洗缺陷的原因和影響因素進行分析，確定了相應的改進措施。

(1)再生酸濃度不應低于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，開展日常焊輪清渣、氣嘴清堵，提高焊縫質量，保證帶鋼焊縫區域的通過性。

(4)確定鋼卷生產順序時，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，酸軋機組欠酸洗發生量由42.2 t/月降至12.4 t/月，帶鋼酸洗后的表面質量得到顯著提升。

結束語

欠酸洗對汽車外板的表面質量產生不利影響。本文通過箱線圖、控制圖等數據分析手段對酸軋機組出現的欠酸洗缺陷情況進行分析，發現在一定范圍內酸洗速度、酸洗溫度對酸洗質量影響不顯著，再生酸濃度、在線濃度測量裝置、焊縫質量會對酸洗表面質量有明顯的影響。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、提高焊縫質量穩定性等措施可以降低欠酸洗的發生。