冷轧黑斑工艺探讨.doc

泰钢950HC轧机板面清洁度工艺探讨
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摘要：轧机通过控制乳化性能，提高良好的冷却、润滑性能，有效的系统拦截及吹扫保证了表面清洁度，减少黑斑的产生，辅以对其他工艺优化及设备的精心维护，使得机组的板面质量不断提高。
关键词：乳化性能、工艺控制、黑斑
1引言
HC轧机轧辊冷却润滑系统主要有供给和排放设备组成，除油系统主要有两对除油辊和两道气道吹扫系统组成。
工艺系统主要设备有净油箱（30M3）、污油箱（30M3）、系统供给泵、箱体加热器、管道加热器、冷却器、磁棒过滤器、空气搅拌器、平床过滤器，由于工艺系统的不完善部分指标控制难度大导致板面清洁度差，所以有效的控制好工艺系统的稳定性，才能保证带钢的板面清洁度。
2提高冷轧板表面清洁度原则上有两种途径:
2.1冷轧和退火工序之间增加清洗工序,可以是单独的电解脱脂线(ECL),也可以是与连续退火相结合的清洗段；
2.2轧制清洁钢板,该方法经济可取但需要使用热挥发性能优良的轧制油.
3影响冷轧板表面清洁度的因素
清洁度分为:a、轧后表面清洁度b、退火后表面清洁度.其中退火后表面清洁度是指退火后板面:颜色是否一致、是否有黑斑/黑带/黑斑点、是否存在边缘碳(碳黑边/蛇形边)、反射率的高低。
冷轧板表面清洁度是一个多因素的变量,长期的实践及实验表明:表面清洁度与轧制油的特性和工艺条件有关.
4轧制油
通常使用的轧制油由基础油(矿物油和油脂类)和各种添加剂(挤压剂、抗氧化剂、乳化剂等)组成.
4.1润滑性能
2%－4%的乳化液,其润滑机理尚不完全清楚,通常认为是在流体润滑、边界润滑、挤压润滑的混合状态下进行.
4.2油膜强度不够.在轧制薄规格或变形量大的产品时,由于高压负荷会导致油膜破裂,使板面氧化变色且产生大量铁粉;
4.3热稳定性低.油品在变形区高温下会发生裂解,污染轧制和退火后的板面.
4.4化学稳定性差.会导致循环使用的乳化液快速变质最终导致乳化液与钢板表面发生化学反应,产生铁皂,使退火后板面清洁度恶化.
4.5乳化液液滴适当的离心展着性(plate-out)和极性对润滑性能是必要的,但过高的离心展着性和极性会使钢卷带出油量大,板面退火清洁度下降.
5热挥发性能
轧制油在退火过程中的热挥发性能对退火后板面的清洁度是至关重要的。实验室通常用TGA分析测量冷轧油的热挥发性能。
类型
最大挥发量温度(℃)
375℃时挥发量(%)
95%挥发量温度
终止挥发温度(℃)
500℃时残余量(%)
Ⅰ
322
75
405
450
0.42
Ⅱ
443
26
488
500
0.53
除油品残碳量和板面残留量外,优良的热挥发性能应该是:
5.1最大挥发量时温度低;
5.2 375℃时挥发量大;
5.3 95%的挥发量温度小于405℃;
5.4 终止挥发温度低;
5.5 500℃时残余量小。
6工况条件
冷轧油的专用性很强,即统一型号的冷轧油不同用户即使是同一类型的轧机,其冷轧板面表面清洁度也会有相当大差异。
6.1乳化液系统
a是否能保证乳化液的工艺温度和稳定性满足要求;
b是否能将铁屑、非磁性颗粒和杂油及时去除;
c乳化液的供给是否到位—喷嘴的形式、布置,乳化液的流量、压力等;
d轧机的出口、入口乳化液的拦截是否有效(气刀和除油辊);
e补充水水质(PH、电导率、CL－)和酸洗后板面的清洁程度(H＋、CL－、Fe2＋)等是否受控;
f乳化液的工艺参数是否得到有效的监视和测量。
6.2轧制
轧制工艺(轧制道次、道次压下量、轧制速度)的合理性及成品卷的卷温,轧辊的辊型、粗糙度(采用低粗糙度)和硬度。
6.3退火
退火类型(罩式/连退)和加热方式,退火工艺与油品的热挥发性能的适宜性,退火保护气体的种类(全氢/氨分解气)。
7 退火黑斑、黑带成分及成因
退火黑斑/黑带是指退火后钢卷(主要是薄规格≤0.5mm产品)上下面产生的无法擦除的黑斑。
7.1定性分析
将带有黑斑的钢板清洗干燥,进行水接触角测定(水接触角测定对判断固体表面性质---有机疏水/离子亲水是很灵敏的)。黑斑表面高的接触角说明它的表面有一层有机膜。用5%KOH溶液将黑斑钢板煮沸20分钟,在进行测定(黑斑未被除去)其接触角与无黑斑清洁表面相同。用xps(x光电子能谱分析)对带有退火黑斑钢板样与无黑斑清洁退火钢板样进行对照分析,结果表明:黑斑主要是铁的氧化物(Fe3O4),且被一层难除的有机膜覆盖。
7.2成原因分析
a、轧制过程中,润滑失效是黑斑/黑带形成的主要原因。在水和氧气存在的条件下,润滑失效局部发生化学腐蚀,温度高会加速这种反应。在轧制过程中,通常这种化学腐蚀处于微观不可见状态,而一些润滑性能明显不足的轧制油,在第二道次、第三道次就会出现肉眼可见的斑迹(氧化变色)，这是由于润滑油膜破裂,基板新生表面暴露在空气中急剧氧化所致,而且这种氧化斑迹会在后续轧制过程中逐渐扩大、延伸、颜色也会加深,有的资料称之为“油烧”(oil-burn),氧化物是Fe3O4还是Fe2O3,很大程度上取决于油膜破裂的状况。
b、发生在冷轧后退火前的储存过程(可逆轧机在轧制卷取过程中也会发生)。由于轧机进、出口吹扫失控,乳化液会夹带进入钢卷内。另外,成品卷温偏低也会造成乳化液的夹带。生产薄规格产品时,钢卷缠绕很紧,板间隙很小和在一定温度下(70℃-90℃),夹带的乳化液会使钢板表面发生电化学腐蚀(金属表面与离子导电的介质因发生电化学作用而产生的破坏)。乳化液中CL－和电导率高会加速这种反应过程。该反应过程是一个随时间的渐进过程,产物可能是FeO(黄色)、Fe2O3(红色)、Fe3O4(黑色)。在被油膜覆盖的夹缝中,由于氧气不充分其氧化物往往是黑色的Fe3O4。需要指出的是:1、2两种板面氧化过程发生的同时,在水和氧气存在的条件下,特别是在润滑失效产生的大量铁粉及铁的氧化物的催化作用下,冷轧油的活性组分(主要是不饱和链、脂肪酸和一些化学活性强的添加剂)会发生氧化变质,而且会最终导致与钢板表面发生化学反应,生成铁皂等氧化产物。经分析,在进入退火前被氧化的钢板表面状况大致如下:
1、油膜
2、铁粉/铁皂/油品的氧化物
3、Fe2O3 /Fe3O4
4、铁基体

在退火条件下,即使在贫氢(3%)罩式炉退火,相当部分的铁的氧化物,特别有非润滑失效产生的铁的氧化物会在退火条件下去除:
FeO(s)+H2(g)=Fe(s)+ H2O(g)
未除去的部分主要是润滑失效产生的铁的氧化物,会在退火条件下转化成黑斑,黑斑表面的有机膜的形成可能与不饱和基础油和有机酸的存在相关;
i. 钢卷夹带乳化液进入退火炉可能会直接产生黑斑:
在乳化液较多的相对隔离区域内,种种原因使水挥发受阻,导致局部露点过高,在高温条件下,水与板面发生反应生成黑斑:
Fe(s)+ H2O(g)= Fe3O4(s)+ H2(g)
ii. 有关资料介绍:有的冷轧油残留物,在退火加热挥发时,会在板面上留下棕色斑点,在某一规定的温度下,斑点的颜色随残留物链长增加而加深。
c、边缘碳的组成及成因
钢板表面边部或紧靠边部连续的窄条状黑色斑迹,和间断的月牙形黑色斑迹(蛇形边),用3M胶带可大部分贴除,其主要成分是积碳。有关资料介绍:边缘碳的形成是由于钢板表面脱碳,即钢板内部的碳化物(Fe3C)分解并扩散致表面所致。将带有边缘碳的带钢与无边缘碳的带钢进行金相分析,结果是:两者金相组织无明显差异,即:低碳钢在退火条件下表面无脱碳现象。
由于边缘碳的产生与退火工况有关,因此对退火炉进行检查、维护、清理维护通风管道，并适当调整退火工艺(依据使用油品的TGA曲线增设退火平台)，均无根本改善,为此在退火过程分析的基础上,决定选用热挥发性能优良的轧制油,进行生产性实验,以消除边缘碳。板面残留物在退火炉内的挥发过程要比实验室内TGA油品挥发实验复杂的多,除油品外,还有水、铁粉、油品的氧化物(包括铁皂)及杂油等。
全氢炉:氢气具有很高的热传导能力和钢卷板与板之间极强的渗透能力,很快的速度使板面上残留的不易挥发的成分氢化,降低其沸点,使之及时挥发,有效的防止和减少了残留物在退火条件下对钢板的腐蚀和积碳的生成。即使产生积碳,氢气也可渗入到钢卷内与积碳反应而除去。
C+2H2(g)=CH4(g)
极低的露点(在保温段后期)可加速上述反应。
贫氢炉:氮气的热传导能力差,只有氢气的1/7,而且渗透能力也远远低于氢气,致使在加热过程中出现局部过热现象,另外,由于氢气的含量较低,不足以有效帮助沸点高的残留物及时挥发和将生成的积碳去除。
实践证明:使用挥发性能差的轧制油,未及时挥发的残留物就会在钢卷边部高温热聚缩碳化,积聚在板面的边缘产生边缘碳,最终形成碳黑边或蛇形边,在一定程度上与退火炉内的气流状况相关。
8 结论:影响冷轧板表面清洁度的主要原因
冷轧的工艺条件和轧制油本身的特性,而主要体现的产品缺陷是黑斑/黑带和边缘碳,在乳化液系统受控,乳化液拦截有效和相同的退火制度下,使用热挥发性能优良的轧制油可以根除边缘碳,说明只要在适当提高润滑性能的前提下,大幅提高油品的热挥发性能,就能有效改善冷轧板的表面清洁度。