圖 1熱鍍鋅高強鋼強化元素的選擇性氧化
-
本鋼板材股份有限公司冷軋廠，遼寧 本溪 117000
-
摘要:為了研究熱鍍鋅高強鋼產品出現的表面質量問題，通過掃描電鏡分析合金元素在爐內退火過程中的選擇性氧化造成的熱鍍鋅產品表面質量缺陷。本文針對合金元素選擇性氧化，對爐內露點、氣氛以及氧含量等關鍵參數進行調整，控制親氧性元素的選擇性氧化發生，并且配合合理的機組其他工藝參數，使先進高強鋼產品生產過程中由外氧化轉變為內氧化，以達到抑制合金元素的目的，實現熱鍍鋅先進高強鋼產品表面質量提升。
-
隨著汽車輕量化進程的發展，越來越多的汽車部件開始使用高強鋼進行生產，高強產品的使用級別也逐漸升高，加上用戶對于車輛防腐要求的提高使得熱鍍鋅高強產品的使用量以及強度級別均有較大幅度的提升，目前汽車使用熱鍍鋅產品，DP780產品逐漸成為主流產品，DP590級別產品逐漸開始應用于車門外板等重要部位。而熱鍍鋅由于鋅鍋限制，通過純冷卻的方式，大部分高級別高強產品無法直接生產，需要依據情況添加一定量的合金元素，配合機組冷卻工藝進行高強產品生產。
由于合金元素的添加，在熱鍍鋅生產過程中極易發生選擇性氧化，致使產品在生產后出現漏鍍、析出等缺陷，嚴重影響產品使用，鋼廠在生產此類產品時，通過控制生產過程中的氣氛，使其實現在爐內發生內氧化，用于抑制合金元素的析出，以達到控制產品表面質量的目的。
1. 選擇性氧化帶來的問題
1.1 什么是選擇性氧化
由于熱鍍鋅機組整體生產工藝影響，導致無法像連續退火機組那樣完全通過較大的冷速達到相變的目的，從而獲得滿足強度級別的產品。所以熱鍍鋅機組在生產高強鋼時需要向鋼中加入一定量的合金元素來提高帶鋼的機械性能，隨著這些元素的加入，在生產過程中出現了新的問題。
熱鍍鋅高強鋼目前的主要添加元素就是Mn、Si、Cr等，這些強化元素的添加對后續生產產生不利影響，特別是涂層的生產工藝。這三種元素在帶鋼生產過程中，盡管爐內已經將露點控制在−30 ℃以下，氧含量也小于100×10-6，但仍不可避免的造成這三種元素的氧化。這些元素的氧化物經過退火爐后析出在金屬表面，對熱鍍鋅生產過程產生巨大的影響（圖1）。即合金元素的選擇性氧化。
1.2 針對選擇性氧化的措施
1.2.1 外氧化和內氧化
隨著研究的深入，人們發現選擇性氧化分為內氧化和外氧化。鋼板表層以下發生的選擇性氧化稱為內氧化；鋼板表層發生的選擇性氧化稱為外氧化。外氧化是造成鍍鋅鋅層附著性下降，甚至出現點狀脫鋅的“罪魁禍首”。內氧化才能夠有效保證在鍍鋅過程中帶鋼表面的清潔性。
1.2.2 實現內氧化所采取的手段
在保證爐內加熱保溫段露點在−45 ℃以下時，調整氧化室內氣氛的露點，主要通過注入HNx和空氣的混合氣，再通過調節空氣流量，來控制氧化室內的露點。目前國內外為了實現內氧化，采取了不同的控制措施，其目的均為提高爐內特定區域的氧化性氣氛，使帶鋼發生內氧化從而控制合金元素的析出。
國內主要的控制方式為直燃以及氧化室兩種模式。本鋼熱鍍鋅機組采用的是氧化室控制模式，在加熱中段增加了預氧化裝置，其位置位于加熱段中部偏后，將加熱段分割為加熱1與加熱2，其區域溫度在650~800 ℃之間。氧化室入口和出口均采用密封輥和N2密封相結合的形式，確保氧化室內部氣氛的穩定，同時避免氧化氣氛外溢到其他區域。氧化室內部采用獨立的氣氛循環模式，在加熱到合理溫度以后，通過將壓縮空氣混入循環氣體中，提高腔內氧化氣氛，同時增加氧化室內露點，通過單獨的氣氛分析系統對內部氣氛進行檢測，操作人員依據反饋的結果進行相關調整。
2. 預氧化工藝研究
2.1 氧化性氣氛對高強鋼表面質量的影響
通過控制初始的氧化室露點對不同高強鋼種帶鋼表面氧化程度進行測試，共進行了四組實驗，露點預設定為−10、−15、−20和−25 ℃，同時根據露點調整氧氣注入量，已達到露點相關要求和對表面進行微調，見表1。
表 1氧化室露點與氧流量配比對照表另外，記錄不同控制參數下帶鋼表面質量情況，針對表面質量進行分析，如表2所示，熱鍍鋅DP590和DP780的表面質量隨著露點的升高逐漸轉好，但轉變點不同，DP590在露點提高至−15 ℃時表面最好，但DP780在露點提高至−10 ℃表面才能達到最好狀態。
表 2不同露點情況下帶鋼表面質量通過現場在線測試，生產過程中調整露點進行生產，同時對不同露點的DP780樣板取樣進行表面分析，發現在露點較低的−25 ℃時，帶鋼表面析出缺陷較為嚴重，且微觀成分檢測顯示仍存在一定量的Mn元素，如圖2所示。而露點較高（−10 ℃和−5 ℃）時，帶鋼中均無Mn元素的殘留（圖3和圖4）。對比分析圖3和圖4，發現露點為−5 ℃時帶鋼產品缺陷區域的氧含量較正常區域高，最高達到7.3%。綜合看，表面缺陷較重的帶鋼樣板中，均存在較為嚴重的氧化現象，且露點較低時為Mn元素的氧化，而露點高時則為鋼基的氧化。預氧化是通過帶鋼表面發生氧化/還原反應來抑制合金元素的析出，氧化程度的多少直接決定這合金元素的抑制效果，氧化不足帶鋼中的合金元素依然會析出到帶鋼表面，而過多的氧化則可能在后續還原過程中無法完全還原。
當采用氧化室控制模式后，所有產品的表面質量明顯優于未使用氧化室的情況。產品在−15 ℃到−10 ℃之間時效果較好，DP590更趨向−15 ℃以下，而DP780更趨近于−10 ℃以上，整體表面效果均得到較大改善，但仍存在一定的析出缺陷。同時在氧化室露點繼續提高以后，表面缺陷處檢查存在氧含量的異常點，分析原因為氧化室進行預氧化后未能完全還原導致。下一步工作將在保證預氧化的前提下，適當優化氧化程度以及增強爐內還原性方面開展。
2.2 先進高強鋼產品爐內氣氛對表面質量影響
根據前一步測試結果，部分表面呈現出過氧化情況，從而導致產品質量不良，為了解決過氧化問題，計劃通過增加后期的氫氣濃度進行進一步改善。選定−15 ℃作為設定的原始露點，DP780產品增大到−13 ℃，DP590產品減小到−17 ℃。測試氫氣體積分數為10%~20%情況下，帶鋼的表面效果及微觀組織結構，如表3和圖5所示。
表 3不同氫氣含量下帶鋼表面質量通過測試，適當增加露點并提高氫氣含量，得到了表面質量優良的DP780產品，同時對于DP590在提高氫氣含量的情況下可適當降低露點。選取露點為−13 ℃，氫氣體積分數分別為5%、15%的DP780產品進行分析。
通過分析可得出，在−13 ℃進行氧化，后續采取不同H2體積分數對其進行還原，當后續氫氣體積分數達到15%后，表面質量改善效果較為明顯，增加的氫氣含量，其還原介質也就得到了提高，使得在后部還原性更強。結合圖5和圖6中斷面分析，當氫氣含量較低時，鋅層中氧元素含量較高，而氫氣含量提升后，氧元素含量逐步降低，特別是接近鋼基附近的氧含量。這就說明了通過提高氫氣含量，使得帶鋼在后續過程中得到了較好的還原，從而使鋅層中的氧含量下降，增加了鋅層的可鍍性。
測試氧化后帶鋼的吹氫制度可得出結論，隨著氫氣含量的提高，帶鋼表面的還原程度得到了較大的提升，使得帶鋼在后部生產時，表面鐵能夠完全被還原，而不發生氧化后不能還原的情況。當氫氣體積分數達到15%以后，即可滿足后續還原的需要。
2.3 產品規格與預氧化控制的分析
由于退火爐設計的瓶頸，不同規格產品所能達到的速度是不同的。隨著產品規格的增加，其工藝速度也是不同的。隨著規格的變化，其表面的質量也不盡相同，在之前的測試過程中得到，產品在爐內運行速度越快，其表面析出程度越輕，這是由于產品在爐內時間越長，在爐內發生選擇性氧化的程度越高。為了保證產品在預氧化后不再出現再次選擇性氧化的情況，對應的控制露點也是需要進行重新調整的。
機組依據之前的測試結果，針對不同規格產品對參數進行調整測試（見表4），選取表面質量較好的樣品進行分析，最終選定表面控制最好的參數作為產品批量測試的設定值。
表 4不同厚度露點控制情況當機組速度降低后，帶鋼在爐內發生合金元素選擇性氧化的程度增大較多，需要通過調整預氧化工藝，使其預氧化程度加大，增大其抑制效果，從而保證板面質量的穩定。但當產品厚度較薄的情況下，機組運行速度會上升，帶鋼在爐內時間變短，發生元素氧化析出的概率和總量也隨之降低，整個板面質量自然提升，此時就不需要太多的氧化氣氛進行氧化，可降低露點和氧含量進行控制，這樣也會使機組氧化室參數更加穩定，同時也為其他沒有氧化室設備的產線生產普通級別的雙相高強鋼提供了有利的支持。
3. 結束語
(1) 在連續熱鍍鋅生產過程中，預氧化工藝變化對材料力學性能基本無影響，但考慮到預氧化室位置的特殊性，預氧化室溫度應至少控制在700 ℃以上。
(2) 在連續熱鍍鋅生產過程中，預氧化參數主要通過露點進行控制，對于合金元素高的產品露點相應增加，一般露點控制在−20 ℃到−10 ℃之間，通過氧氣注入量對露點進行控制以及對產品進行微調。
(3) 在連續熱鍍鋅生產過程中，通過調整氧化后還原區域的氫氣含量，有利于產品表面質量控制，一般出于安全以及節能考慮，氫氣體積分數達到15%可得到最理想的產品。
-
來源：金屬世界
