不同As含量的Ti微合金化IF钢热轧板酸洗行为研究

肖爱达，李光强，谢世正，邓之勋

(1. 武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081；2. 湖南华菱涟源钢铁有限公司技术中心，湖南 娄底，417009)



不同As含量的Ti微合金化IF钢热轧板酸洗行为研究

肖爱达，李光强，谢世正，邓之勋

(1. 武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081；2. 湖南华菱涟源钢铁有限公司技术中心，湖南 娄底，417009)

借助XRD、OM、SEM及EDS等分析手段，对残余元素As含量不同的Ti微合金化IF钢热轧板氧化铁皮的表面形貌、结构、厚度及微区成分进行表征，重点研究了As含量对热轧板酸洗行为的影响。结果表明，As含量对该Ti微合金化IF钢热轧板表面氧化铁皮形貌、组成及厚度影响较小；但相同酸洗条件下，热轧板试样酸洗速度随钢中As含量的增加而下降，这是因为高As含量热轧板表面在酸洗时易形成絮状物，进而降低了热轧板酸洗效率。对于给定的热轧板，建议在Ti微合金化钢生产过程中，应将As含量控制在0.0055%以内，这将有利于提高其表面质量。

氧化铁皮；热轧板；As含量；酸洗

在热处理或热加工过程中，热轧板表面不可避免地会形成一层氧化铁皮，其结构与厚度直接决定了热轧板的酸洗效果，进而影响热轧产品的表面质量[1-3]。有鉴于此，国内外冶金工作者针对热轧板氧化铁皮的形成条件、控制措施及相应的酸洗机制等开展了大量研究，其成果已在热轧带钢的生产过程中得到了广泛应用[4-10]。一般情况下，典型热轧板氧化铁皮由靠近基体侧的FeO层、Fe3O4中间层及最外层的Fe2O3组成，有时还有析出的游离铁[11]。

另一方面，由于富铁矿资源的逐渐枯竭，大量低品位铁矿石资源被投入使用，而废钢铁也成为了钢铁生产的重要原料，这些因素均会导致某些钢厂的钢水中Cu、As、Sn、Pb等残余元素含量过高。而钢中的残余元素，特别是As元素，多富集在热轧板氧化铁皮与基体的界面处，形成低熔点的富集相，且该富集相与基体的结合力大于氧化铁皮与基体间的结合力，进而导致氧化铁皮在酸洗过程中较难被清除干净[12]。高鑫等[13]在研究德龙钢铁有限公司生产的含As的SPHC冷轧基板的酸洗行为时也发现，残余元素As含量过高是导致该产品酸洗不净的直接原因。然而，目前关于As含量对热轧板酸洗行为影响规律的研究还较少。

湖南华菱涟源钢铁有限公司(以下简称涟钢)由于受矿石来源及废钢结构的限制，其铁水与钢水中As、Cu、Sn等残余元素含量比较高。针对不同钢种，涟钢通常采用合理配矿及配加不同等级废钢的方式来满足其对残余元素含量的要求。然而涟钢在生产热轧板时，其产品表面常常会出现氧化铁皮压入、带状麻点及麻面等缺陷，进而影响带钢酸洗效果。为此，本文将涟钢生产的对表面质量要求较高的Ti微合金化IF钢热轧板作为研究对象，结合XRD、OM、SEM及EDS等分析，在对酸洗前后其氧化铁皮的表面形貌、结构、厚度及成分进行表征的基础上，研究了As含量对热轧板酸洗行为的影响。

1 试验材料及方法

试验所用材料为涟钢生产的Ti微合金化IF钢热轧板，其化学成分及热轧工艺参数如表1所示。由表1可知，5组试验钢除As含量有所不同外，其终轧温度及卷取温度分别控制在920 ℃和730 ℃左右。

表1 试验钢的化学成分及热轧工艺参数

为模拟工业生产中的拉矫过程，特将热轧钢板进行0.8%的平整变形。利用SmartLab型X射线衍射仪(XRD)对热轧板试样氧化铁皮的物相组成进行表征；采用3%硝酸酒精或3.5%盐酸酒精对试样纵截面进行腐蚀，利用LEICA MEF4A型光学显微镜(OM)、FEI Quanta200型扫描电镜(SEM)并结合能谱仪(EDS)，对试样氧化铁皮的形貌、结构及成分进行观察与分析。

为考察As含量对热轧板酸洗行为的影响，特将每组热轧板加工成规格为20 mm×20 mm的方形试样(厚度为原热轧钢板厚度)，并各取7个样品。在进行表面清洁、干燥并镶样处理后，将每组样品依次浸入浓度为15 g/L、温度为85 ℃的盐酸溶液中，酸洗时间分别为8、15、20、30、40、60、120 s。结束后立即取出试样，利用微量天平称取并计算每组样品氧化铁皮的失重量，并结合SEM和EDS对酸洗后试样氧化铁皮的形貌及微区成分进行表征。

2 结果与分析

2.1 热轧板氧化铁皮的表征

未酸洗试样H1表面氧化铁皮的SEM照片和XRD图谱如图1所示。从图1(a)中可以看出，试样H1的氧化铁皮较为致密，在平整试验的作用下，部分区域出现了微小裂纹，这将有利于酸洗的进行[7]。结合图1(b)可知，该氧化铁皮由Fe2O3、Fe3O4和FeO组成，且以Fe3O4为主，其含量达40.30%；此外，衍射谱中还出现了较强的基体bcc-Fe的衍射峰，原因主要是该氧化铁皮的厚度较薄。

图2为试样H1氧化铁皮纵截面的OM、SEM照片及沿铁皮厚度方向元素的分布情况。由图2(a)可知，该氧化铁皮厚度约为13 μm。结合图2(b)和图2(c)可知，氧化铁皮由内至外方向上，Fe元素的原子百分比呈先增加后减小的趋势，这与文献[10]的研究结论基本相符。

基于上述分析方法，得其他试样的分析结果并列于表2中。由表2可知，不同As含量热轧板试样的氧化铁皮均呈致密状，厚度在10～14 μm范围内；对于氧化铁皮的组成而言，试样H8、H1和H4主要由Fe2O3、Fe3O4和FeO相组成，而试样H2和H6主要由Fe2O3和Fe3O4组成，且所有试样均以Fe3O4相为主。由此可见，As含量对Ti微合金IF钢热轧板氧化铁皮的形貌、组成及厚度影响较小。

(a)SEM

(b)XRD

Fig.1 SEM image and XRD pattern of the oxide scale of Sample H1

(a)OM

(b)SEM

(c)Fe、O元素分布

Fig.2 Cross-sectional OM, SEM images and EDS analysis of the oxide scale of Sample H1

表2 试样氧化铁皮的致密程度、厚度及物相组成

Table 2 Compact degrees, thicknesses and compositions of oxide scales of samples

试样致密程度厚度/μm体积分数/%bcc⁃FeFe2O3Fe3O4FeOH8较致密1045．28．542．93．3H1较致密1351．53．640．34．6H2非常致密1245．312．042．70H4较致密1450．76．241．91．2H6较致密1244．420．934．70

2.2 As含量对热轧板酸洗过程的影响

图3为试样表面氧化铁皮酸洗失重与酸洗时间的关系。由图3可知，试样H8、H1、H2、H4、H6的临界酸洗时间分别约为20、20、40、60、60 s。由此可见，相同酸洗条件下，随着As含量的增加，热轧板试样临界酸洗时间有所增加，酸洗速度则随之下降。酸洗速度的排序可表示为：H8(H1)>H2>H4(H6)，而相应的As含量排序为：H8

图3 氧化铁皮酸洗失重与酸洗时间的关系

Fig.3 Relationship between weight loss and acid pickling time of oxide scales

2.3 As含量对热轧板酸洗行为的影响

试样H8、H2、H6在临界酸洗工况下的SEM照片和典型区域的EDS分析如图4所示，试样H8、H2、H4在过酸洗工况下的SEM照片和EDS分析如图5所示。

由图4和图5可见，所有试样的晶界处均存在As元素富集现象。结合图3可知，在临界酸洗时间下，试样H8和H6表面氧化铁皮都基本消失，但均存有难以酸洗的且疏松多孔的絮状物，其主要由铁的氧化物及含少量As、Cu、Sn、Ni等残余元素组成的复合化合物构成；在过酸洗工况下，试样H8表面几乎无絮状物存在，仅在晶界处有少量As元素的富集，而试样H2和H4的表面仍存在含As、Cu、Sn、Ni等残余元素的絮状物。此外，与其它残余元素相比，临界酸洗和过酸洗工况下，不同试样表面絮状物内As含量均相对较高。

(a) H8，酸洗时间为20 s

(b) H2，酸洗时间为40 s

(c) H6，酸洗时间为60 s

(a) H8，酸洗时间为40s

(c) H4，酸洗时间为120s

基于上述分析方法，得其他试样在临界酸洗及过酸洗工况下晶界处及絮状物的化学成分，结果如表3所示，除试样H8外，其他试样的过酸洗时间均为120 s。由表3可知，临界酸洗工况下，试样表面均存有少量铁的氧化物及少量的As、Cu、Sn、Ni等残余元素；过酸洗工况下，对于As元素含量较低的试样(H8和H1)，其表面絮状物基本消失，而对于As含量较高的试样(H2、H4和H6)，其表面仍有絮状物的存在。结合图4和图5可知，Ti微合金IF热轧钢板中由于As含量的增加而形成的絮状物，是降低其酸洗效率的主要因素。结合表1可知，为提高该Ti微合金热轧板的表面质量，应尽量将As含量控制在0.0055%以内。

表3 试样临界酸洗和过酸洗工况下试样表面晶界和絮状物的成分组成

3 结论

(1)As含量对Ti微合金化IF热轧板表面氧化铁皮的物相组成、形貌及厚度影响较小，其氧化铁皮均呈致密状，厚度范围为10～14 μm，主要由Fe3O4相组成。

(2)相同酸洗条件下，随着As含量的增加，热轧板试样的临界酸洗时间增加，且酸洗速度随之下降。

(3)对于As元素含量较高的Ti微合金化IF钢热轧板，酸洗后其表面形成的由铁的氧化物及以As为主的复合物所组成的絮状物，是降低其酸洗效率的主要原因。

(4)为提高Ti微合金化IF钢热轧板表面质量，实际生产过程中宜将As含量控制在0.0055%以内。

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[责任编辑 董 贞]

Acid pickling behavior of hot rolled Ti-microalloyed IF steel plate with different As contents

XiaoAida1,2，LiGuangqiang1，XieShizheng2，DengZhixun2

(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China；2. Technology center of HunanValin Lianyuan Iron and Steel Co., Ltd., Loudi 417009, China)

The morphology, structure, thickness and micro-area composition of the oxide scale of hot rolled Ti-microalloyed IF steel plate with different As contents were characterized by means of XRD, OM, SEM and EDS. Based on those observations, the effects of As content on the acid pickling behavior of the investigated steels were studied. The results show that As content has little influence on the morphology, structure and thickness of the oxide scale of the investigated plates. However, under the same pickling conditions, the acid pickling rate decreases with the increase of As content in steel. The reason is that floccules are easily formed on the surface of hot rolled plate with high As content, thereby reducing its acid pickling efficiency. For a given hot-rolled plate, it is recommended that the As content should be controlled below 0.0055% during the production of Ti microalloyed steel, which will contribute to the improvement of surface quality.

oxide scale; hot rolled plate; As content; acid pickling

2016-07-21

肖爱达(1977-)，男，武汉科技大学博士生，湖南华菱涟源钢铁有限公司工程师．E-mail：xiaoaida@163.com

李光强(1963-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师．E-mail：liguangqiang@wust.edu.cn

TG142.1+3

A

1674-3644(2016)06-0406-06