钢厂库存环境对冷轧产品锈蚀的影响

江任之,郜 静,蔡运成,王 玲

(1. 华中科技大学 分析测试中心，武汉 430074； 2. 湖北省生态环境科学研究院，武汉 430074)

随着我国人民生活水平的不断提高，家电和汽车行业也得到了高速发展，而这两个行业都需要大量高质量的冷轧板。目前，关于冷轧板的研究较多集中于出厂后加工过程中的成形及连接性能，如冷轧板的冲压[1]、涂装[2-3]、焊接[4]和成形后的耐蚀性[5-6],而不关注其板料出厂前的耐蚀情况。钢厂因产生或使用各类煤气、酸、碱等物质，冶炼及加工过程中产生烟(粉)尘和二氧化硫[7]，环境较为恶劣，这不仅会影响从业者和周围居民的健康，造成环境污染，对厂区内库存冷轧产品的锈蚀保护也是很大的考验。在2020年6月至7月两个月内，某钢厂因冷轧钢卷在库存区锈蚀引起的质量异议就多达5起，经济损失近100万元。

研究表明[8]，当环境中Cl-质量分数达到0.003%时，钢板就易发生表面锈蚀。CASTANO等[9]研究发现，在工业环境中，碳钢更易发生大气腐蚀。碳钢在Cl-含量较高的环境中生成的腐蚀产物β-FeOOH 会加速Cl-的腐蚀作用[10-12]。另外，在冶炼中产生的SO2和固体尘粒也是厂区中重要的锈蚀来源。部分SO2在空气中直接氧化成SO3，造成钢件表面腐蚀[13]。大部分固体微粒杂质如碳酸盐、铵盐等溶于水后具有腐蚀性，金属表面缝隙吸收水分，固体微粒杂质溶于其中会形成局部腐蚀条件[14]。某钢厂库存区冷轧钢卷发生锈蚀，通过现场取样分析，初步判断大气腐蚀是引起库存区钢卷大面积锈蚀的原因。基于此，本工作在冷轧厂库区现场工业大气中进行挂片试验和能谱微区分析，同时对厂区锈蚀环境进行评价，分析锈蚀原因。

1 试验

1.1 挂片试验

试验材料为超低碳烘烤硬化钢板B180H，厚度0.7 mm，其化学成分(质量分数)为：<0.005% C，0.18% Mn，0.012% P，0.006% S，0.058% Al，0.062% Ti，<0.005% Nb，余量为Fe。将试验材料加工成50 mm×50 mm×0.7 mm的挂片试样，在试样正上方边缘处打孔，并对其进行脱脂处理。

在钢厂库区现场进行大气挂片试验。将挂片试样通过尼龙线分别悬挂于A和B两个不同的库区，考虑到空间可能对气体流动产生影响，故在库区内每隔20 m设立一个挂片测量点，每个库区均设立4个测量点(A库区4个测量点编号为1～4号，B库区4个测量点编号为5～8号)，每个挂片点有3个平行试样。

挂片试验共进行了2次。两次挂片试验的取样周期均为3，5，7，10 d。对经历不同时间大气腐蚀的挂片进行宏观观察，然后采用Quanta 400型扫描电镜对挂片表面锈层覆盖情况以及锈层成分进行微观分析。

第一次挂片试验是在未采取任何治理措施前，第二次挂片试验前采取以下措施：在库区和生产区中间设立隔绝装置，对库区定点通风，降低空气湿度；更改生产过程中的通风排酸线路，使其不再经过库区。

1.2 现场环境监测

挂片试验选择在8、9月间进行。试验期间对库区挂片点的环境参数(温度、湿度、HCl含量及SO2含量)进行监测，并根据时间对监测数据进行统计分析。使用SK-800-CH3BR型泵吸式手持HCl检测仪，对挂片库区环境中的HCl含量进行测量并记录。使用JZ-WS便携式温度、湿度检测仪，对挂片库区环境的温、湿度进行测量并记录。使用BX626-SO2型便携式SO2气体检测仪，对挂片库区环境中的SO2含量进行测量并记录。

2 结果与讨论

2.1 挂片试样宏观形貌

图1和图2分别为经不同时间大气腐蚀后A库区和B库区不同测量点挂片表面的宏观形貌。对比可知，在第一次挂片试验过程中，大气腐蚀5 d后，1号点和2号点挂片的锈蚀情况明显比其他测量点挂片的锈蚀情况严重，而其余6个测量点挂片的锈蚀程度大体相同；大气腐蚀10 d后，A库区4个测量点挂片的锈蚀颜色均为深棕色，甚至偏黑色，锈蚀程度明显高于B库区4个点测量点挂片。

第二次挂片试验时，A库区1号点和2号点挂片的锈蚀速率比其他6个测量点挂片的锈蚀速率快，大气腐蚀3 d后，挂片表面已经出现了较明显黄色锈蚀层，但与第一次挂片试验同期相比，挂片的锈蚀程度也已明显降低，锈层颜色为浅褐色。A库区3号点和4号点挂片的锈蚀状况已非常轻微；3号点挂片在大气腐蚀10 d后表面也仅出现了一层浮锈，不存在明显锈蚀；4号点挂片经大气腐蚀3 d后，表面甚至没有锈蚀产生，大气腐蚀10 d后，仍可以看出钢板本身的光泽。

(a) 1号点 (b) 2号点

(c) 3号点 (d) 4号点图1 经不同时间大气腐蚀后A库区4个测量点挂片表面的宏观形貌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号点 (b) 6号点

(c) 7号点 (d) 8号点图2 经不同时间大气腐蚀后B库区4个测量点挂片表面的宏观形貌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 挂片试样微观形貌和锈层成分

对第一次挂片大气腐蚀10 d后的挂片试样表面进行微观观察及成分分析，其结果如图3和图4所示(以A库区2号点和B库区5号点挂片为例)。由图3和图4可以看出：第一次挂片试验期间，大气腐蚀10 d后，两库区挂片试样的微观形貌大致相同，但通过能谱分析发现，A库区挂片表面锈层中的Cl元素含量(4.81%)明显高于B库区挂片表面锈层(0.83%)，且两挂片的锈蚀产物均不含S元素。由此可以看出，A库区的锈蚀状况较B库区严重，这与A库区大气环境中的HCl含量较高有关。

2.3 环境数据对比分析

图5为挂片试验期间库区环境参数变化曲线。从图2可以看出，第一次挂片试验期间，无论温度、湿度、HCl含量及SO2含量都处于一个比较高的状态。比较两个库区的环境参数可知：B库区各测量点的温度明显高于A库区各测量点的温度，而湿度又低于A库区各测量点的湿度，这表明B库区的温度和湿度条件更易使挂片试样发生锈蚀；A库区各测量点的HCl含量极高，变化范围较宽，而B库区各测量点的SO2含量极高，变化范围较宽，这表明即使挂片试样在两个库区都发生锈蚀，但引发锈蚀的原因有所不同。

(a) 微观形貌

(b) EDS分析结果图3 第一次挂片试验大气腐蚀10 d后2号点挂片试样表面微观形貌和EDS分析结果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) 微观形貌

(b) EDS分析结果图4 第一次挂片试验大气腐蚀10 d后5号点挂片试样表面微观形貌和EDS分析结果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

第二次挂片试验期间，温度、湿度、HCl含量、SO2含量都比第一次挂片试验期间显著下降。由此可以看出，针对性的治理措施能明显改善库区的大气环境。

3 改进措施

基于以上试验结果，为防止冷轧钢卷在库存区发生锈蚀，钢厂做了如下改进措施：

(1) 由于库区里生产区域距离较近，为尽量减少生产过程中产生的HCl对库存冷轧板的锈蚀影响，中间设立隔绝装置，且生产过程中的通风排酸路线不再经过库存区域，同时对库区每天要定点通风，降低空气湿度；

(2) 加强对库区内HCl、SO2等腐蚀性气体的监控，设立报警阈值，一旦超过，迅速转移库区产品；

(3) 对库区存放的冷轧产品，严格及时涂油预包装，尽量减少钢卷接触酸性腐蚀环境的时间。

通过改进措施，在后继的几个月，库区冷轧板锈蚀现象明显减少，未发生一起因锈蚀问题引起的质量异议。

4 结论

(1)通过对已锈蚀样品的分析，判断库区内引起大面积锈蚀的原因是腐蚀性空气。

(a) 湿度 (b) 温度

(c) HCl含量 (d) SO2含量图5 挂片试验期间库区环境参数随时间的变化曲线Fig. 5 Curves of environmental parameters in warehouse with time during coupon test

(2) 利用挂片试验和微观分析相结合，发现温湿的环境和较高的HCl含量是引发冷轧板锈蚀的主要原因。

(3) 通过针对性的整改措施，明显改善了库区冷轧板的锈蚀状况，避免了进一步的经济损失。