湿热海洋大气环境下的厚板产品锈蚀行为

2020-08-03供稿王鹏建

金属世界 2020年4期

供稿|王鹏建

作者单位：宝山钢铁股份有限公司，上海 200940

内容导读

钢铁厚板产品表面锈蚀不仅影响产品的外观，严重的点蚀甚至会降低构件的有效承载成为应力集中点和断裂源，对构件的安全性能和使用构成潜在威胁。本文充分利用现有设备能力、厚板产品种类，通过湛江现场实地挂片实验，建立了湛江钢铁基地不同工艺的厚板产品的腐蚀实验方案。基于湛江具有代表性的不同生产工艺的试验钢种在湛江旱季、雨季气候条件下的均匀腐蚀和缝隙腐蚀规律，制定了相应的厚板产品存储防锈原则、厚板产品室外库堆垛技术规定、厚板产品生产工艺及库区管理优化等措施和对策。

锈蚀是指金属材料表面与环境介质接触发生化学和电化学反应使金属单质发生变化转变成新相，从而造成金属材料的破坏[1]。湛江钢铁工程地处东海岛，居粤、琼、桂三省(区)交汇点，为宝钢按照国家钢铁产业发展政策要求新建的千万吨钢铁基地项目。东海岛处于北回归线以南地区，属热带季风区，海洋性季风气候，太阳辐射强烈，蒸发旺盛，具有热量丰富、水气充足、高温高湿的气候特点，且湛江钢铁工程临靠海边，属于高湿度的近海氯盐环境，大气中含有对钢铁产品具有侵蚀性的Cl-。研究表明[2-5]，腐蚀环境中侵蚀性阴离子如Cl-和氧化剂共同存在，且腐蚀电位大于保护电位时，易发生锈蚀，随着Cl-的局部富集，加速纵深方向腐蚀形成点蚀，由点蚀而产生的应力集中效应，能够促进裂纹的萌生和扩展。厚板产品表面锈蚀不仅影响产品的外观，严重的点蚀甚至会降低构件的有效承载成为应力集中点和断裂源，对构件的安全性能和使用构成潜在威胁。

本文通过典型厚板产品在湛江旱季及雨季的实地挂片实验，重点分析了锈蚀行为的基本特征、发生规律和影响因素，并结合现场生产工艺，在避免大幅度增加成本、不增加专门工序环节的前提下，建立了湛江钢铁厚板产品使用的防锈管理技术。

厚板产品湛江实地挂片实验

实验材料选用典型厚板工艺的产品(成分见表1)，实验时间分湛江旱季和雨季两次开展，地点分别为湛江原料码头堆场和厚板厂库区内。每个地点均开展均匀锈蚀及缝隙锈蚀实验(试样挂片示意图见图1)。均匀锈蚀实验周期分30、60和90 d，缝隙锈蚀实验周期为90 d。

表1 典型厚板工艺的产品化学成分(质量分数，%)

图1 锈蚀试样挂片示意图

均匀锈蚀试样表面光洁无擦划伤，剪切成75 mm×75 mm×厚度的标准小样，并依次用丙酮、无水乙醇、蒸馏水清洗，冷风吹干进行表面除污清理。

缝隙腐蚀试样表面光洁无擦划伤，剪切成1000 mm×600 mm×厚度的标准试样，以5 mm为缝隙开口模拟厚板实际堆垛缝隙。另外，为了考察异种金属接触对缝隙腐蚀的影响，选取1 种常见的合金元素(Cu、Cr、Ni 等)含量高的样品和一种合金元素含量较低的样品叠放在一起进行实验。试样堆垛的3个侧面用防锈纸进行包裹，防止雨水进入，仅留1个迎风面。

结果与讨论

均匀锈蚀挂片实验

图2和图3分别为典型厚板产品在湛江旱季、雨季露天原料码头堆场环境中，分别挂片30、60和90 d后锈层的宏观形貌。由图可见，无论是旱季还是雨季，试样在挂片30 d后表面即形成致密的红褐色锈层，随着挂片周期的增加，锈层逐渐变厚，出现分层现象，除去部分橙红色锈层后，内部锈层呈现黑褐色，挂片90 d后，锈层出现剥落，出现不规则孔洞。

图4和图5分别为湛江旱季、雨季典型厚板产品分别挂片30、60和90 d后锈蚀深度随着时间的变化曲线。Ra为3 个测试点所得到的锈蚀深度均值，Rz为在3 个测试点所获得的最大深度峰值。从图中可知，锈蚀深度随着锈蚀时间的增加不断加深，60 d后锈蚀速率明显增大，这主要是因为钢板规格较厚，采用非连续轧制工艺生产，且冷却时间较长，钢板表面的氧化铁皮较厚且完整，对基体有一定的防护作用，但随周期的增加，原始氧化膜不断被破坏，加速了锈蚀介质对基体的锈蚀，使得锈蚀比较严重，表面出现麻坑，甚至形成大片容易剥落的锈蚀产物。

图2 湛江旱季均匀锈蚀试样锈层表面形貌：(a) 30 d；(b) 60 d；(c) 90 d；(d) 30 d(除锈后)；(e) 60 d(除锈后)；(f) 90 d(除锈后)

从表面形貌、锈蚀速率及锈蚀深度来看，湛江雨季的锈蚀程度较旱季严重，这是由于雨季时，阵雨与骄阳交替，形成干湿循环，从而在Cl-浓度较高的环境下发生(Fe2+，Fe3+)+Cl-+OH-→FeOCl+HCl↑(湿循环)，FeOCl→β-FeOOH(干循环)反应[6]，锈蚀产物为可加速Cl-注入的β-FeOOH，从而加速锈蚀。

缝隙锈蚀挂片实验

图6和图7分别为典型厚板产品在湛江旱季、雨季露天原料码头堆场环境中，挂片90 d后缝隙锈蚀锈层及除锈后的宏观形貌。由图可见，无论是旱季还是雨季，试样在挂片90 d后表面锈层较厚，出现分层现象，部分橙红色锈层剥落，呈现黑褐色锈层，局部出现蚀坑。相同实验周期下，雨季的蚀坑深度显著深于旱季。这主要是由于湛江在雨季时，其空气湿度均在80%以上；当大气中湿度达到60%时，其腐蚀速率相对缓慢；当湿度为80%～100%时，腐蚀速率会急剧增加。

图4 湛江旱季典型厚板产品均匀锈蚀样锈蚀深度与时间的变化关系：(a) 平均深度Ra；(b) 最大深度Rz

图5 湛江雨季典型厚板产品在干湿环境中均匀锈蚀样锈蚀深度与时间的变化关系：(a) 平均深度Ra；(b) 最大深度Rz

图6 湛江旱季缝隙锈蚀试样90 d锈层表面形貌：(a) 挂片1原始形貌；(b) 挂片1锈蚀形貌；(c) 挂片1除锈后形貌；(d) 挂片2原始形貌；(e) 挂片2锈蚀形貌；(f) 挂片2除锈后形貌；(g) 挂片3原始形貌；(h) 挂片3锈蚀形貌；(i) 挂片3除锈后形貌

图7 湛江雨季缝隙锈蚀试样90 d锈层表面形貌：(a) 上板除锈前形貌；(b) 上板除锈后形貌；(c) 下板除锈前形貌；(d) 下板除锈后形貌

图8和图9分别为湛江旱季、雨季典型厚板产品在露天原料码头堆场环境中，分别挂片90 d后锈蚀深度。Ra为3 个测试点所得到的锈蚀深度均值，Rz为在3 个测试点所获得的最大深度峰值。从图中可知，在旱季时缝尖处的Ra和Rz最大，缝口处缝隙面与缝隙反面的Ra、Rz板面未见明显蚀坑；90 d蚀坑峰值Rz≤50 μm。在雨季时缝尖处的Ra和Rz最大，下板的锈蚀深度明显大于上板，这是因为雨水或者潮气非常容易被吸入缝隙，缝隙口水汽容易挥发，而内部较窄的缝隙，形成了比较特殊的几何形态，非常容易滞留，发生不均匀的缝隙锈蚀，导致雨水停留的部位形成较深的蚀坑。

图8 湛江旱季缝隙锈蚀试样90 d后锈蚀深度

图9 湛江雨季缝隙锈蚀试样90 d后锈蚀深度

减轻锈蚀的措施和对策

厚板产品存储防锈原则

基于湛江旱季、雨季均匀腐蚀、缝隙腐蚀实验分析，制定厚板产品存储防锈原则：

(1) 根据高、中、低端锈蚀要求用户分类，高端要求用户尽量室内堆垛，存储周期控制在30 d内，雨天禁止转库出厂；中端要求用户室内外堆垛比例为3∶7，存储周期控制在60 d内，室外堆垛如为雨季，则需加盖防雨布；低端要求用户优先室外库堆垛，存储周期控制在90 d内(雨季60 d)。

(2) 根据厚板品种分类，高等级船板、管线及不含Cu、Cr合金的高等级厚板尽量室内堆垛，存储周期控制在30 d。其他厚板品种优先室外库堆垛，存储周期控制在90 d内(雨季60 d)。

厚板产品室外库堆垛技术规定

基于湛江旱季、雨季均匀腐蚀、缝隙腐蚀、加速腐蚀实验分析，制定厚板产品室外库堆垛技术规定：

(1) 检查电磁吸盘的模块(表面是否有铁屑、油污等杂物)；

(2) 检查场地及积水情况(场地是否平整；铺设的混凝土垫块上是否有杂物，如石子等杂物，必须清理后再进行堆放；排水是否畅通等)；

(3) 厚板堆放高度不超过1.5 m(含底层垫块)，严禁在钢板表面堆放其他货物或吊具；

(4) 钢板堆垛时，若钢板之间采用垫木进行衬垫隔离的应使用实木，钢板长度方向垫木间距为1.5～2 m，上下垫木必须要对齐；

(5) 钢板长度或宽度错差较大，长度下挠度若超过20 cm，宽度下挠度若超过10 cm，必须用垫木衬平，防止产品变形；

(6) 钢板堆垛时，按堆垛记号勾连的垛位进行堆放(堆垛记号包含港口、交货期、规格区分、分段号、船名)，钢板表面的唛头和侧喷标签位置要朝同一方向；

(7) 堆垛的间距纵向不少于0.5 m，横向间距不少于1 m，便于理货人员核对产品标识；主通道距离不少于1 m，堆垛不能超过安全通道。

厚板产品生产工艺及库区管理优化

基于湛江旱季、雨季均匀腐蚀、缝隙腐蚀、加速腐蚀实验分析，制定厚板产品生产工艺及库区管理优化：

(1) 针对抛丸或涂漆工艺厚板产品，仓储时间<10 d，遵循先进先出原则。在距交期小于20 d时，精整分厂按交期控制转库节奏，并制定45 d目标码头库集批天数。雨天禁止转库出厂。堆放条件：放置于枕木之上，水泥枕木上铺垫柔性材料；堆放要求：平直，钢板长度存在较大差异时使用垫木垫平；吊运：电磁铁，磁块上用尼龙带包裹，减少钢板表面划伤；配山：严格按照交货期、合约号、长度堆放，便于生产组织和库存周期控制生产组织，按交货期组织，兼顾库存周期。

(2) 基于厚板产品经冷矫或压平后锈蚀加剧的情况，开展工艺优化，降低薄规格厚板产品的冷矫压平比率，从而减少钢板发生锈蚀的机会。

(3) 库区管理优化：根据湛江当地的气候条件在工厂设计中对门窗合适选型：均选用0.86 kN/m2风压值门窗；车间大门均采用抗风卷帘大门，车间大门除成品库采用卷帘门外装以外，其余均采用卷帘门内装；沿主车间外墙下不间断设置组合立转窗，立转窗选型为LC-806；立转窗扇有可靠的限位能力或限位器，立转窗自带上下窗框；门窗的抗风性、气密性、水密性、隔声性等物理指标均满足“门窗设计统一技术规定”(QZJ-018-2014)的相关要求；门窗在雨天关闭防雨，晴时打开通风。