鋼廠庫存環境對冷軋產品銹蝕的影響

江任之,郜 靜,蔡運成,王 玲

(1. 華中科技大學 分析測試中心，武漢 430074； 2. 湖北省生態環境科學研究院，武漢 430074)

隨著我國人民生活水平的不斷提高，家電和汽車行業也得到了高速發展，而這兩個行業都需要大量高質量的冷軋板。目前，關于冷軋板的研究較多集中于出廠后加工過程中的成形及連接性能，如冷軋板的沖壓[1]、涂裝[2-3]、焊接[4]和成形后的耐蝕性[5-6],而不關注其板料出廠前的耐蝕情況。鋼廠因產生或使用各類煤氣、酸、堿等物質，冶煉及加工過程中產生煙(粉)塵和二氧化硫[7]，環境較為惡劣，這不僅會影響從業者和周圍居民的健康，造成環境污染，對廠區內庫存冷軋產品的銹蝕保護也是很大的考驗。在2020年6月至7月兩個月內，某鋼廠因冷軋鋼卷在庫存區銹蝕引起的質量異議就多達5起，經濟損失近100萬元。

研究表明[8]，當環境中Cl-質量分數達到0.003%時，鋼板就易發生表面銹蝕。CASTANO等[9]研究發現，在工業環境中，碳鋼更易發生大氣腐蝕。碳鋼在Cl-含量較高的環境中生成的腐蝕產物β-FeOOH 會加速Cl-的腐蝕作用[10-12]。另外，在冶煉中產生的SO2和固體塵粒也是廠區中重要的銹蝕來源。部分SO2在空氣中直接氧化成SO3，造成鋼件表面腐蝕[13]。大部分固體微粒雜質如碳酸鹽、銨鹽等溶于水后具有腐蝕性，金屬表面縫隙吸收水分，固體微粒雜質溶于其中會形成局部腐蝕條件[14]。某鋼廠庫存區冷軋鋼卷發生銹蝕，通過現場取樣分析，初步判斷大氣腐蝕是引起庫存區鋼卷大面積銹蝕的原因?；诖?，本工作在冷軋廠庫區現場工業大氣中進行掛片試驗和能譜微區分析，同時對廠區銹蝕環境進行評價，分析銹蝕原因。

1 試驗

1.1 掛片試驗

試驗材料為超低碳烘烤硬化鋼板B180H，厚度0.7 mm，其化學成分(質量分數)為：<0.005% C，0.18% Mn，0.012% P，0.006% S，0.058% Al，0.062% Ti，<0.005% Nb，余量為Fe。將試驗材料加工成50 mm×50 mm×0.7 mm的掛片試樣，在試樣正上方邊緣處打孔，并對其進行脫脂處理。

在鋼廠庫區現場進行大氣掛片試驗。將掛片試樣通過尼龍線分別懸掛于A和B兩個不同的庫區，考慮到空間可能對氣體流動產生影響，故在庫區內每隔20 m設立一個掛片測量點，每個庫區均設立4個測量點(A庫區4個測量點編號為1～4號，B庫區4個測量點編號為5～8號)，每個掛片點有3個平行試樣。

掛片試驗共進行了2次。兩次掛片試驗的取樣周期均為3，5，7，10 d。對經歷不同時間大氣腐蝕的掛片進行宏觀觀察，然后采用Quanta 400型掃描電鏡對掛片表面銹層覆蓋情況以及銹層成分進行微觀分析。

第一次掛片試驗是在未采取任何治理措施前，第二次掛片試驗前采取以下措施：在庫區和生產區中間設立隔絕裝置，對庫區定點通風，降低空氣濕度；更改生產過程中的通風排酸線路，使其不再經過庫區。

1.2 現場環境監測

掛片試驗選擇在8、9月間進行。試驗期間對庫區掛片點的環境參數(溫度、濕度、HCl含量及SO2含量)進行監測，并根據時間對監測數據進行統計分析。使用SK-800-CH3BR型泵吸式手持HCl檢測儀，對掛片庫區環境中的HCl含量進行測量并記錄。使用JZ-WS便攜式溫度、濕度檢測儀，對掛片庫區環境的溫、濕度進行測量并記錄。使用BX626-SO2型便攜式SO2氣體檢測儀，對掛片庫區環境中的SO2含量進行測量并記錄。

2 結果與討論

2.1 掛片試樣宏觀形貌

圖1和圖2分別為經不同時間大氣腐蝕后A庫區和B庫區不同測量點掛片表面的宏觀形貌。對比可知，在第一次掛片試驗過程中，大氣腐蝕5 d后，1號點和2號點掛片的銹蝕情況明顯比其他測量點掛片的銹蝕情況嚴重，而其余6個測量點掛片的銹蝕程度大體相同；大氣腐蝕10 d后，A庫區4個測量點掛片的銹蝕顏色均為深棕色，甚至偏黑色，銹蝕程度明顯高于B庫區4個點測量點掛片。

第二次掛片試驗時，A庫區1號點和2號點掛片的銹蝕速率比其他6個測量點掛片的銹蝕速率快，大氣腐蝕3 d后，掛片表面已經出現了較明顯黃色銹蝕層，但與第一次掛片試驗同期相比，掛片的銹蝕程度也已明顯降低，銹層顏色為淺褐色。A庫區3號點和4號點掛片的銹蝕狀況已非常輕微；3號點掛片在大氣腐蝕10 d后表面也僅出現了一層浮銹，不存在明顯銹蝕；4號點掛片經大氣腐蝕3 d后，表面甚至沒有銹蝕產生，大氣腐蝕10 d后，仍可以看出鋼板本身的光澤。

(a) 1號點 (b) 2號點

(c) 3號點 (d) 4號點圖1 經不同時間大氣腐蝕后A庫區4個測量點掛片表面的宏觀形貌Fig. 1 Macrographs of coupon surfaces corroded in atmosphere for different periods of time at measuring points No. 1 to No. 4 (a-d) in warehouse A

(a) 5號點 (b) 6號點

(c) 7號點 (d) 8號點圖2 經不同時間大氣腐蝕后B庫區4個測量點掛片表面的宏觀形貌Fig. 2 Macrographs of coupon surfaces corroded in atmosphere for different periods of time at measuring points No. 5 to No. 8 (a-d) in warehouse B

2.2 掛片試樣微觀形貌和銹層成分

對第一次掛片大氣腐蝕10 d后的掛片試樣表面進行微觀觀察及成分分析，其結果如圖3和圖4所示(以A庫區2號點和B庫區5號點掛片為例)。由圖3和圖4可以看出：第一次掛片試驗期間，大氣腐蝕10 d后，兩庫區掛片試樣的微觀形貌大致相同，但通過能譜分析發現，A庫區掛片表面銹層中的Cl元素含量(4.81%)明顯高于B庫區掛片表面銹層(0.83%)，且兩掛片的銹蝕產物均不含S元素。由此可以看出，A庫區的銹蝕狀況較B庫區嚴重，這與A庫區大氣環境中的HCl含量較高有關。

2.3 環境數據對比分析

圖5為掛片試驗期間庫區環境參數變化曲線。從圖2可以看出，第一次掛片試驗期間，無論溫度、濕度、HCl含量及SO2含量都處于一個比較高的狀態。比較兩個庫區的環境參數可知：B庫區各測量點的溫度明顯高于A庫區各測量點的溫度，而濕度又低于A庫區各測量點的濕度，這表明B庫區的溫度和濕度條件更易使掛片試樣發生銹蝕；A庫區各測量點的HCl含量極高，變化范圍較寬，而B庫區各測量點的SO2含量極高，變化范圍較寬，這表明即使掛片試樣在兩個庫區都發生銹蝕，但引發銹蝕的原因有所不同。

(a) 微觀形貌

(b) EDS分析結果圖3 第一次掛片試驗大氣腐蝕10 d后2號點掛片試樣表面微觀形貌和EDS分析結果Fig. 3 Micro morphology (a) and EDS analysis result (b) of coupon surface corroded in atmosphere for 10 d at measuring point No. 2 during the first coupon test

(a) 微觀形貌

(b) EDS分析結果圖4 第一次掛片試驗大氣腐蝕10 d后5號點掛片試樣表面微觀形貌和EDS分析結果Fig. 4 Micro morphology (a) and EDS analysis result (b) of coupon surface corroded in atmosphere for 10 d at measuring point No. 5 during the first coupon test

第二次掛片試驗期間，溫度、濕度、HCl含量、SO2含量都比第一次掛片試驗期間顯著下降。由此可以看出，針對性的治理措施能明顯改善庫區的大氣環境。

3 改進措施

基于以上試驗結果，為防止冷軋鋼卷在庫存區發生銹蝕，鋼廠做了如下改進措施：

(1) 由于庫區里生產區域距離較近，為盡量減少生產過程中產生的HCl對庫存冷軋板的銹蝕影響，中間設立隔絕裝置，且生產過程中的通風排酸路線不再經過庫存區域，同時對庫區每天要定點通風，降低空氣濕度；

(2) 加強對庫區內HCl、SO2等腐蝕性氣體的監控，設立報警閾值，一旦超過，迅速轉移庫區產品；

(3) 對庫區存放的冷軋產品，嚴格及時涂油預包裝，盡量減少鋼卷接觸酸性腐蝕環境的時間。

通過改進措施，在后繼的幾個月，庫區冷軋板銹蝕現象明顯減少，未發生一起因銹蝕問題引起的質量異議。

4 結論

(1)通過對已銹蝕樣品的分析，判斷庫區內引起大面積銹蝕的原因是腐蝕性空氣。

(a) 濕度 (b) 溫度

(c) HCl含量 (d) SO2含量圖5 掛片試驗期間庫區環境參數隨時間的變化曲線Fig. 5 Curves of environmental parameters in warehouse with time during coupon test

(2) 利用掛片試驗和微觀分析相結合，發現溫濕的環境和較高的HCl含量是引發冷軋板銹蝕的主要原因。

(3) 通過針對性的整改措施，明顯改善了庫區冷軋板的銹蝕狀況，避免了進一步的經濟損失。