冷轧不锈钢的退火及酸洗工艺

1冷轧不锈钢的退火及酸洗工艺不锈钢热轧带钢经热带退火酸洗后，为了达到一定的性能及厚度要求，需进行常温轧制处理，即冷轧。不锈钢冷轧时发生加工硬化，冷轧量越大，加工硬化的程度也越大，若将加工硬化的材料加热到200—400℃就可以消除变形应力，进一步提高温度则发生再结晶，使材料软化。冷轧后的退火按退火方式分为连续卧式退火和立式光亮退火；按退火工序分为中间退火和最终退火。顾名思义，中间退火是指中间轧制后的退火，而最终退火是指最终轧制后的退火，两者在工艺控制和退火目的上无根本区别，因此下文统称为冷轧退火或者退火。一、连续卧式退火（连退炉）连退炉是目前广为使用的退火设备，广泛用于带钢的热处理，其特点是带钢在炉内呈水平状态，边加热边前进。炉子的结构一般主要由预热段、加热段和冷却段组成。卧式退火炉通常与开卷机、焊机、酸洗线等组成一条连续退火酸洗机组。冷轧退火对不锈钢成品材料的机械性能有很大影响，如晶粒度、抗拉强度、硬度、延伸率和粗糙度等。其中退火温度和退火时间对冷轧材料再结晶后的晶粒度具有最直接的影响。10晶粒度（ASTM）502468退火时间（分）2图1.SUS304带钢1100℃时退火时间与晶粒度关系示意图如前所述，连退炉一般由预热、加热、冷却三大部分组成。预热段没有烧嘴燃烧，而是利用后面加热段的辐射热来加热带钢，这样可以有效的利用热能，节约能源成本。加热段利用燃料燃烧直接对带钢进行加热，该段一般分为若干各区，每个区都有高温计来控制和显示温度。燃烧后高达700多度的废气被废气风机抽出加热室后进入换热器，在换热器内将冷的燃烧空气进行加热（可加热到400多度），加热后的燃烧空气直接被送到各个烧嘴。换热器的目的在于有效回收废气热量。炉内燃烧条件的管理。燃料（液化石油气或天然气）在炉内的燃烧状况对质量、成本、热效率等都有很大影响。空燃比是燃烧管理的一个重要指标。空燃比越高，燃烧越充分，但是排废量也相应增加，炉内氧含量提高，增加了带钢的氧化程度。反之，空燃比偏低，则燃烧不充分，增加了燃料成本，而且容易引起煤气斑点等缺陷。炉内张力。张力的控制对于避免焊缝在炉内断带以及防止带钢擦划伤等很重要。通常以单位张力表示（kg/mm2）。张力一般控制在0.4-0.6kg/mm2。薄带通常稍大于厚带，以纠正带钢在炉内的跑偏现象。炉内压力。压力低于外界压力时，冷空气会进入炉内，增大热损失；而压力过高，会因高温气体排出炉外而造成热量浪费，并且损伤炉体设备。较理想的炉压为微正压（8-25Pa）。带钢达到目标温度后，随即进入冷却段进行冷却。冷却方式分为传统冷却和气垫冷却两种。传统冷却一般由空冷、雾冷和水冷组成。气垫冷3却是近年刚刚在国内兴起的一种冷却方式。它的主要优点在于高温加热后的带钢不与辊子接触，带钢由高压气体支撑悬浮在冷却室内。若干个大功率的风机负责从带钢的上下方输送空气。气垫冷却的关键在于合理的调节和控制气体的压力，以避免压力波动造成带钢擦划伤。由于气垫冷却室内没有辊子，避免了许多可能产生的缺陷，因此，它非常适合生产以薄带为主的机组。冷却段是带钢产生缺陷较为密集的地点。在控制上除了合理设定压力和带钢张力以避免擦划伤外，还应控制好带钢的冷却速率。对于奥氏体带钢来说（如SUS304），在850-500℃之间大冷却速率一般不得小于20℃/s，否则会发生碳化物析出，影响材料性能。但冷却速率也不宜过大，否则容易引起冷却皱纹等缺陷。二、立式光亮退火（光亮炉）光亮退火机组一般由开卷机、焊机、脱脂段、出入口活套、光亮退火炉和卷取机等组成。带钢在光亮炉内呈垂直状态，边加热边垂直运行。炉内以还原性气体H2作为保护气体，带钢在炉内几乎不产生氧化。光亮产品的“光亮”性并不是由于光亮退火本身产生的，退火炉本身只能尽量保证带钢在高温下不发生氧化，维持带钢的光亮特征。比较理想的退火效果在于退火炉出口带钢的光亮度与进口带钢大体相当。其实，对于奥氏体带钢（SUS304）来说，它的光亮度由轧机决定，而铁素体（SUS430）的光亮度由平整机获得。光亮处理的最重要部位在于炉子的冷却段。因为带钢冷却到950℃以下时极易发生氧化。4温度1100℃C950℃BDAE时间（秒）图2.带钢光亮退火的时间-温度曲线如图2所示，带钢在冷却过程的CD段（大于950℃）发生还原反应：Cr2O3→Cr；而在冷却过程的DE段（小于950℃）发生氧化反应：Cr→Cr2O3。由此可知，在DE段应该快速强制冷却，尽量减少氧化反应时间，这是避免带钢被氧化而发生着色现象的主要手段。一般来说，要获得良好质量的光亮产品，在工艺控制和设备管理方面应从以下几方面着手：1、严格管理和控制退火温度、速度。以SUS304和SUS430两个钢种为例，SUS304的温度大约控制在1060-1110℃，SUS430的退火温度控制在860-900℃，退火速度为TV值/板厚。严格控制温度和速度，才是获得合格产品的基本前提。2、良好的脱脂效果。脱脂后带钢的油含量一般小于5mg/m2。若脱脂效果不佳，带钢表面的油膜在炉内高温气化后在冷却段凝结成粉末并吊落在带钢上，极易形成点状缺陷。3、良好的炉内气氛。还原性气体H2的纯度应大于99.99%，露点应小于负55℃，氧含量必须小于10PPM。只有这样，才能使带钢在炉内5不被氧化。炉内的气体压力保持微正压，气体密封良好。4、严格控制来料质量，如含油量、板形等。带钢从连退炉退火、冷却出来后，要进入酸洗段进行酸洗处理，酸洗处理的目的在于：1）去除表面的氧化物，这些氧化物包括铁氧化物、铬氧化物、镍氧化物等2）去除贫铬层，并在带钢基体表面形成钝化膜。酸洗工艺主要分为预酸洗和酸洗两个部分，不同于热轧带钢的退火酸洗，冷轧带钢退火酸洗线上一般不用机械方式（拉矫破鳞机、抛丸机）进行酸洗前的破鳞处理，原因在于冷轧带钢经退火后表面的氧化物较薄，而且使用机械方式破鳞会影响产品表面的质量（如粗糙度、光洁度等）。预酸洗主要是指用Na2SO4或H2SO4作为介质的电解处理段，对于冷带退火酸洗线而言，通常使用中性盐Na2SO4为电解介质，以H2SO4作为介质的酸洗段一般只在热带退火酸洗线上使用，见图3。氧化物溶解（g/dm2）H2SO4BNa2SO4A0100400C/dm2（C=电流*时间）图3.中性盐Na2SO4电解过程中的氧化物溶解趋势在中性盐电解过程中，Na2SO4只起到一个媒介作用，它负责转移溶6液中的电荷离子，本身并不参与反应，只是随着氧化物沉淀以及淤泥被排废处理而产生消耗。带钢在通直流电源的中性盐溶液中发生的电化学/化学反应如下：Fe2O3–6e-=2Fe3++3/2O2Cr2O3–6e-=2Cr3++3/2O2NiO–2e-=Ni2++1/2O2Fe3++3H2O=Fe（OH）3+3H+Cr3++3H2O=Cr（OH）3+3H+Ni2++2H2O=Ni（OH）2+2H+带钢经中性盐电解处理后，表面的部分氧化物特别是极难除去的铬氧化层已基本被疏松甚至被溶解，这就使得后面的电化学处理和混酸处理变得为容易。电化学处理段一般是用HNO3作为酸洗介质，由于HNO3本身对带钢表面坚硬的氧化层并不具有强烈的“攻击”作用，因此一般向HNO3溶液中通直流电源，以达到除“鳞”的目的。带钢从电化段出来后，表面的氧化层依然不能完全出去，特别对于奥氏体钢种，其复杂而致密的氧化层需要用具有很强侵蚀能力的混酸来处理。混酸一般是由HNO3和HF按一定比例混合而成。HF酸的侵蚀能力极强，它能深入穿透到氧化层甚至基体内部，因此混酸的浓度不宜过高，否则F-会侵入到基体内部产生腐蚀作用。在中性盐电解段和混酸段的出口一般都由刷洗处理设备，用于去除残留在带钢表面的介质溶液。在带钢离开酸洗段之前还要经干燥器干燥处理。7氧化物溶解（g/dm2）混酸处理铁素体材料（SUS430）混酸处理奥氏体材料（SUS304）时间（秒）图4.混酸酸洗（HNO3+HF）过程中的氧化物溶解趋势不同钢种的化学成分和材料性能不同，因此它们对于酸洗工艺的选择也不尽相同。例如，对于奥氏体钢种（例如SUS304），由于其表面的氧化层组成较为复杂，一般使用电解段+混酸段或者电解段+电化段+混酸段。而对于铁素体钢种（例如SUS430）而言，一般只使用电解段和电化段，较少使用或者不用混酸段，原因在于铁素体钢种对于混酸尤其是HF的强侵蚀作用非常敏感，F-很容易对不锈钢基体产生腐蚀作用，如图4所示。由此可以看出，对于铁素体钢种而言，中性盐电解处理段显得至关重要。而对于奥氏体钢种来说，除了中性盐段以外，混酸段也很重要。目前世界上的设备设计厂家对于酸洗段的布置各有侧重，在本着尽量缩短处理线长度、节约设备成本的前提下，有的侧重设计较长的电解段，有的侧重设计较长的混酸段。因此对于不锈钢的生产厂家而言，应考虑到如何根据自身产品种类的分布选择合适的设备。一般来说，生产铁素体钢种为主的机组应具有较长的电解段。目前，有不少连续退火酸洗线上带有在线平整机，一般设在酸洗段8的后面。这种将传统退火酸洗线和离线平整机合二为一的设计方法能够节省设备投资成本和设备占地空间，并且节省了钢卷在各工序间的周转时间，从而提高了工厂的整体生产效率。