隨著汽車輕量化進程的發(fā)展，越來越多的汽車部件開始使用高強鋼進行生產(chǎn)，高強產(chǎn)品的使用級別也逐漸升高，加上用戶對于車輛防腐要求的提高使得熱鍍鋅高強產(chǎn)品的使用量以及強度級別均有較大幅度的提升，目前汽車使用熱鍍鋅產(chǎn)品，DP780產(chǎn)品逐漸成為主流產(chǎn)品，DP590級別產(chǎn)品逐漸開始應(yīng)用于車門外板等重要部位。而熱鍍鋅由于鋅鍋限制，通過純冷卻的方式，大部分高級別高強產(chǎn)品無法直接生產(chǎn)，需要依據(jù)情況添加一定量的合金元素，配合機組冷卻工藝進行高強產(chǎn)品生產(chǎn)。

由于合金元素的添加，在熱鍍鋅生產(chǎn)過程中極易發(fā)生選擇性氧化，致使產(chǎn)品在生產(chǎn)后出現(xiàn)漏鍍、析出等缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品使用，鋼廠在生產(chǎn)此類產(chǎn)品時，通過控制生產(chǎn)過程中的氣氛，使其實現(xiàn)在爐內(nèi)發(fā)生內(nèi)氧化，用于抑制合金元素的析出，以達到控制產(chǎn)品表面質(zhì)量的目的。

1.   選擇性氧化帶來的問題

1.1   什么是選擇性氧化

由于熱鍍鋅機組整體生產(chǎn)工藝影響，導(dǎo)致無法像連續(xù)退火機組那樣完全通過較大的冷速達到相變的目的，從而獲得滿足強度級別的產(chǎn)品。所以熱鍍鋅機組在生產(chǎn)高強鋼時需要向鋼中加入一定量的合金元素來提高帶鋼的機械性能，隨著這些元素的加入，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了新的問題。

熱鍍鋅高強鋼目前的主要添加元素就是Mn、Si、Cr等，這些強化元素的添加對后續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響，特別是涂層的生產(chǎn)工藝。這三種元素在帶鋼生產(chǎn)過程中，盡管爐內(nèi)已經(jīng)將露點控制在−30 ℃以下，氧含量也小于100×10-6，但仍不可避免的造成這三種元素的氧化。這些元素的氧化物經(jīng)過退火爐后析出在金屬表面，對熱鍍鋅生產(chǎn)過程產(chǎn)生巨大的影響（圖1）。即合金元素的選擇性氧化。

1.2   針對選擇性氧化的措施

1.2.1   外氧化和內(nèi)氧化

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)選擇性氧化分為內(nèi)氧化和外氧化。鋼板表層以下發(fā)生的選擇性氧化稱為內(nèi)氧化；鋼板表層發(fā)生的選擇性氧化稱為外氧化。外氧化是造成鍍鋅鋅層附著性下降，甚至出現(xiàn)點狀脫鋅的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;。內(nèi)氧化才能夠有效保證在鍍鋅過程中帶鋼表面的清潔性。

1.2.2   實現(xiàn)內(nèi)氧化所采取的手段

在保證爐內(nèi)加熱保溫段露點在−45 ℃以下時，調(diào)整氧化室內(nèi)氣氛的露點，主要通過注入HNx和空氣的混合氣，再通過調(diào)節(jié)空氣流量，來控制氧化室內(nèi)的露點。目前國內(nèi)外為了實現(xiàn)內(nèi)氧化，采取了不同的控制措施，其目的均為提高爐內(nèi)特定區(qū)域的氧化性氣氛，使帶鋼發(fā)生內(nèi)氧化從而控制合金元素的析出。

國內(nèi)主要的控制方式為直燃以及氧化室兩種模式。本鋼熱鍍鋅機組采用的是氧化室控制模式，在加熱中段增加了預(yù)氧化裝置，其位置位于加熱段中部偏后，將加熱段分割為加熱1與加熱2，其區(qū)域溫度在650~800 ℃之間。氧化室入口和出口均采用密封輥和N2密封相結(jié)合的形式，確保氧化室內(nèi)部氣氛的穩(wěn)定，同時避免氧化氣氛外溢到其他區(qū)域。氧化室內(nèi)部采用獨立的氣氛循環(huán)模式，在加熱到合理溫度以后，通過將壓縮空氣混入循環(huán)氣體中，提高腔內(nèi)氧化氣氛，同時增加氧化室內(nèi)露點，通過單獨的氣氛分析系統(tǒng)對內(nèi)部氣氛進行檢測，操作人員依據(jù)反饋的結(jié)果進行相關(guān)調(diào)整。

2.   預(yù)氧化工藝研究

2.1   氧化性氣氛對高強鋼表面質(zhì)量的影響

通過控制初始的氧化室露點對不同高強鋼種帶鋼表面氧化程度進行測試，共進行了四組實驗，露點預(yù)設(shè)定為−10、−15、−20和−25 ℃，同時根據(jù)露點調(diào)整氧氣注入量，已達到露點相關(guān)要求和對表面進行微調(diào)，見表1。

另外，記錄不同控制參數(shù)下帶鋼表面質(zhì)量情況，針對表面質(zhì)量進行分析，如表2所示，熱鍍鋅DP590和DP780的表面質(zhì)量隨著露點的升高逐漸轉(zhuǎn)好，但轉(zhuǎn)變點不同，DP590在露點提高至−15 ℃時表面最好，但DP780在露點提高至−10 ℃表面才能達到最好狀態(tài)。

通過現(xiàn)場在線測試，生產(chǎn)過程中調(diào)整露點進行生產(chǎn)，同時對不同露點的DP780樣板取樣進行表面分析，發(fā)現(xiàn)在露點較低的−25 ℃時，帶鋼表面析出缺陷較為嚴(yán)重，且微觀成分檢測顯示仍存在一定量的Mn元素，如圖2所示。而露點較高（−10 ℃和−5 ℃）時，帶鋼中均無Mn元素的殘留（圖3和圖4）。對比分析圖3和圖4，發(fā)現(xiàn)露點為−5 ℃時帶鋼產(chǎn)品缺陷區(qū)域的氧含量較正常區(qū)域高，最高達到7.3%。綜合看，表面缺陷較重的帶鋼樣板中，均存在較為嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，且露點較低時為Mn元素的氧化，而露點高時則為鋼基的氧化。預(yù)氧化是通過帶鋼表面發(fā)生氧化/還原反應(yīng)來抑制合金元素的析出，氧化程度的多少直接決定這合金元素的抑制效果，氧化不足帶鋼中的合金元素依然會析出到帶鋼表面，而過多的氧化則可能在后續(xù)還原過程中無法完全還原。

當(dāng)采用氧化室控制模式后，所有產(chǎn)品的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于未使用氧化室的情況。產(chǎn)品在−15 ℃到−10 ℃之間時效果較好，DP590更趨向−15 ℃以下，而DP780更趨近于−10 ℃以上，整體表面效果均得到較大改善，但仍存在一定的析出缺陷。同時在氧化室露點繼續(xù)提高以后，表面缺陷處檢查存在氧含量的異常點，分析原因為氧化室進行預(yù)氧化后未能完全還原導(dǎo)致。下一步工作將在保證預(yù)氧化的前提下，適當(dāng)優(yōu)化氧化程度以及增強爐內(nèi)還原性方面開展。

2.2   先進高強鋼產(chǎn)品爐內(nèi)氣氛對表面質(zhì)量影響

根據(jù)前一步測試結(jié)果，部分表面呈現(xiàn)出過氧化情況，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不良，為了解決過氧化問題，計劃通過增加后期的氫氣濃度進行進一步改善。選定−15 ℃作為設(shè)定的原始露點，DP780產(chǎn)品增大到−13 ℃，DP590產(chǎn)品減小到−17 ℃。測試氫氣體積分?jǐn)?shù)為10%~20%情況下，帶鋼的表面效果及微觀組織結(jié)構(gòu)，如表3和圖5所示。

通過測試，適當(dāng)增加露點并提高氫氣含量，得到了表面質(zhì)量優(yōu)良的DP780產(chǎn)品，同時對于DP590在提高氫氣含量的情況下可適當(dāng)降低露點。選取露點為−13 ℃，氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為5%、15%的DP780產(chǎn)品進行分析。

通過分析可得出，在−13 ℃進行氧化，后續(xù)采取不同H2體積分?jǐn)?shù)對其進行還原，當(dāng)后續(xù)氫氣體積分?jǐn)?shù)達到15%后，表面質(zhì)量改善效果較為明顯，增加的氫氣含量，其還原介質(zhì)也就得到了提高，使得在后部還原性更強。結(jié)合圖5和圖6中斷面分析，當(dāng)氫氣含量較低時，鋅層中氧元素含量較高，而氫氣含量提升后，氧元素含量逐步降低，特別是接近鋼基附近的氧含量。這就說明了通過提高氫氣含量，使得帶鋼在后續(xù)過程中得到了較好的還原，從而使鋅層中的氧含量下降，增加了鋅層的可鍍性。

測試氧化后帶鋼的吹氫制度可得出結(jié)論，隨著氫氣含量的提高，帶鋼表面的還原程度得到了較大的提升，使得帶鋼在后部生產(chǎn)時，表面鐵能夠完全被還原，而不發(fā)生氧化后不能還原的情況。當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)達到15%以后，即可滿足后續(xù)還原的需要。

2.3   產(chǎn)品規(guī)格與預(yù)氧化控制的分析

由于退火爐設(shè)計的瓶頸，不同規(guī)格產(chǎn)品所能達到的速度是不同的。隨著產(chǎn)品規(guī)格的增加，其工藝速度也是不同的。隨著規(guī)格的變化，其表面的質(zhì)量也不盡相同，在之前的測試過程中得到，產(chǎn)品在爐內(nèi)運行速度越快，其表面析出程度越輕，這是由于產(chǎn)品在爐內(nèi)時間越長，在爐內(nèi)發(fā)生選擇性氧化的程度越高。為了保證產(chǎn)品在預(yù)氧化后不再出現(xiàn)再次選擇性氧化的情況，對應(yīng)的控制露點也是需要進行重新調(diào)整的。

機組依據(jù)之前的測試結(jié)果，針對不同規(guī)格產(chǎn)品對參數(shù)進行調(diào)整測試（見表4），選取表面質(zhì)量較好的樣品進行分析，最終選定表面控制最好的參數(shù)作為產(chǎn)品批量測試的設(shè)定值。

當(dāng)機組速度降低后，帶鋼在爐內(nèi)發(fā)生合金元素選擇性氧化的程度增大較多，需要通過調(diào)整預(yù)氧化工藝，使其預(yù)氧化程度加大，增大其抑制效果，從而保證板面質(zhì)量的穩(wěn)定。但當(dāng)產(chǎn)品厚度較薄的情況下，機組運行速度會上升，帶鋼在爐內(nèi)時間變短，發(fā)生元素氧化析出的概率和總量也隨之降低，整個板面質(zhì)量自然提升，此時就不需要太多的氧化氣氛進行氧化，可降低露點和氧含量進行控制，這樣也會使機組氧化室參數(shù)更加穩(wěn)定，同時也為其他沒有氧化室設(shè)備的產(chǎn)線生產(chǎn)普通級別的雙相高強鋼提供了有利的支持。

3.   結(jié)束語

(1) 在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)過程中，預(yù)氧化工藝變化對材料力學(xué)性能基本無影響，但考慮到預(yù)氧化室位置的特殊性，預(yù)氧化室溫度應(yīng)至少控制在700 ℃以上。

(2) 在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)過程中，預(yù)氧化參數(shù)主要通過露點進行控制，對于合金元素高的產(chǎn)品露點相應(yīng)增加，一般露點控制在−20 ℃到−10 ℃之間，通過氧氣注入量對露點進行控制以及對產(chǎn)品進行微調(diào)。

(3) 在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)過程中，通過調(diào)整氧化后還原區(qū)域的氫氣含量，有利于產(chǎn)品表面質(zhì)量控制，一般出于安全以及節(jié)能考慮，氫氣體積分?jǐn)?shù)達到15%可得到最理想的產(chǎn)品。

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文章來源——金屬世界