Cr20AIY连续酸洗工艺研究

Cr20AIY连续酸洗工艺研究摘要经过热连轧后，FeCrAl(3.3mmx1150mm)表面会产生氧化铁皮(Al2O3、CI2O3和Fe2O3)，在冷轧之前必须要将这层氧化皮从FeCrAl表面清除掉。本文主要针对FeCrAl在不锈钢连续酸洗机组进行酸洗的工艺进行研究。为了实现在不锈钢连续酸洗机组酸洗FeCrAl而不停机重新穿带，我们使用了一种特殊的方法将304和FeCrAl带钢连接起来。FeCrAl和不锈钢的酸洗工艺存在差别，本研究中FeCrAl的酸洗工艺为：电解硫酸钠+混酸酸洗(HNO3+HF)。经过酸洗后的FeCrAl带钢表面粗糙度达到使用要求。关键词Cr20AIY特殊不锈钢焊接酸洗前言FeCrAl带材主要用于电热、电阻元件，近年开始用于制作机动车尾气净化器载体，这要求FeCrAl必须满足各种表面质量要求。FeCrAl表面质量的控制方法可以采用多种方法，比如，喷丸或者酸洗之类的化学方法。鉴于FeCrAl的酸洗工艺和不锈钢产品有许多共同之处，因此本研究通过调整工艺，实现FeCrAl和特殊不锈钢板卷的共线连续生产。FeCrAl在热轧过程中，表面会形成一层非常致密的氧化层，主要由Al2O3、CI2O3和Fe2O3组成。为了进行后续加工，往往需要将这层氧化层加以去除。一、研究方案研究分为两个步骤。首先以特殊不锈钢连续酸洗工艺为依据，在实验室模拟FeCrAl在特殊不锈钢酸洗机组上的处理工艺，酸洗工艺条件尽量靠近特殊不锈钢酸洗工艺。由于特殊不锈钢连续酸洗机组处理冷轧特殊不锈钢时采用的是两段式酸洗，第一段为预酸洗段，酸洗介质为硫酸钠电解，第二段采用混酸酸洗，酸洗介质为HNO3+HF，因此，为了兼容机组的生产工艺，FeCrAl实验室酸洗实验工艺也采用硫酸钠电解和混酸酸洗的方式。然后，优选实验室模拟实验的结果作为FeCrAl在特殊钢CPL机组上酸洗的工艺基础进行生产实验。二、实验室试验1．材料与式样制备。焊接试验试验材料为热轧FeCrAl，用两块150x300mm试样研究（热轧温度：1160℃）。；酸洗实验试验材料为热轧FeCrAl，用若干40mmx60mm×3.3mm试样研究（热轧温度：1160C，保温2小时）。2．焊接试验。FeCrAl钢冷轧试制中采用MIG焊工艺完成板带连接过程。焊接参数匹配性调整是实现高质量MIG焊接接头的关键。异种合金焊接过程与同种钢焊接相比焊缝组织转变过程更为复杂。同时FeCrAl钢作为新开发产品，本身焊接过程中，会经历热影响区熔合部位组织焊接快速加热冷却作用，此区域组织转变过程直接影响接头性能。表1反映FeCrAl与FeCrAl以及304与FeCrAl的焊接试验。比较抗拉强度和冷弯性能，确定引带材料，再确定焊接工艺参数。确定引带为304后在拼卷机组上进行304和FeCrAl焊接试验，确定焊接工艺参数。试验如表2：3．酸洗试验。硫酸钠电解试验(1)模拟电解段：Na2SO4浓度为165，温度为75℃，电流密度为20A/dm2~30A/dm2，时间为O～9分钟。(2)混酸酸洗试验。混酸酸洗：HNO3浓度为150-180g/l，HF浓度为20-60g/l，温度为50℃。三、实验室试验结果与分析1．焊接试验结果分析。(1)MIG焊接头力学性能分析。采用不锈钢焊丝完成Fe-CrAl钢MIG焊，接头强度低于母材，如表3所示。其中一个强度低值为试样取样部位靠近收弧弧坑，弧坑裂纹延伸至拉伸试样焊缝位置，导致低应力断裂。FeCrAl钢MIG焊接头断裂于焊缝靠近母材熔合区处。FeCrAl钢与304不锈钢异种合金MIG焊接头拉伸试样断裂于FeCrAl钢侧母材。接头强度与FeCrAl钢母材强度接近，接头具有良好强度。FeCrAl钢同种材料MIG焊接头塑性较差，面弯及背弯试样在较小的弯曲角度下发生断裂，断裂集中于熔合区部位。对于FeCrAl钢异种材料MIG焊接头而言，由于304不锈钢塑性较好，接头塑性有所提高，其背弯试样未直接断裂，所以Fe-CrAl与304焊接性能更好。当电弧电压为25，坡口间隙为1.2时，面弯和背弯90。时，试样发生断裂，断裂在FeCrAl侧。当电弧电压为27，坡口间隙为1.4时，面弯和背弯90°，焊缝情况良好，焊缝未出现裂缝。选用后一组作为FeCrAl酸洗试制时的焊接参数。(2)MIG焊接头组织分析。FeCrAl钢合金板母材表层至板材中心组织具有明显差异，表面快冷形成的等轴晶，下部轧制形成的大晶粒，以及板厚中心部位形成的轧制流线、析出带，如图1所示。母材组织的分化，在MIG焊过程中直接影响热影响区组织转变过程，导致热影响区在板厚方向组织特征形成明显差异，如图2所示。焊接热影响区铁素体晶粒的明显粗化会影响接头性能，尤其是熔合区热影响区晶粒严重粗化明显降低了接头塑性，如图3所示。同时由于填充焊材成分与FeCrAl钢具有显著差异，组织为奥氏体。这种异种钢焊接熔合区元素扩散导致其成分会与母材存在较大差异，进一步影响接头性能。FeCrAl钢同种材料MIG焊接头焊缝区组织为典型胞晶铸态组织，但在靠近熔化区部位，晶界处存在明显先析出铁素体，如图4所示。而观察FeCrAl钢异种材料MIG焊接头304不锈钢侧焊缝组织可以发现，其形成了典型树枝晶结构，如图5所示。焊缝区组织差异也会影响FeCrAl钢MIG焊接头性能。2．酸洗试验分析。NaZS04电解：(1)电流密度的影响。在硫酸钠电解过程中，无论阴极反应过程还是阳极反应过程试样表面均有大量气泡产生；当试样作为阳极时，氧化层颜色变浅，而作为阴极时，氧化层颜色基本无变化。随着电流密度增大，氧化皮去除的效果越好。如图6所示。(2)电流时间的影响。带钢作阳极进行电解，1min后，试样表面颜色明显变浅，无氧化皮剥落；3mm后，试样边部部分氧化皮剥落；6mm后，氧化皮大面积剥落。HN03/HF混酸酸洗：(1)HNO3浓度的影响。HNO3浓度对酸洗效果的影响见图7，左图试样电解效果要优于右图，但是从酸洗后宏观形貌看右图试样要优于左图试样。(2)HF浓度的影响。HF浓度对酸洗效果的影响见图8。试样经30A/dm2条件电解，再经150g/IHNO3+20g/IHF酸洗1min后，表面氧化皮小部分被去除，酸洗6mm后，仍然残留较多氧化皮，见左图；再将此试样浸入150g/IHNO3+60g/IHF酸洗1min后，试样表面氧化皮大部分洗尽。(3)酸洗时间的影响。混酸酸洗时间对酸洗效果的影响见图9。(4)其他因素的影响图10为试样不经电解，直接混酸酸洗所获得的宏观形貌，左、右图分别为该试样的正反面。3．酸洗试验结论。(1)利用“Na2S04电解+HN03/HF混酸酸洗”除磷工艺可以去除热轧Cr20AIY不锈钢表面的氧化皮。Na2S04电解段：Na2SO4浓度160g/I～180g/I，温度70°C～80°C，电流密度15A/dm2～20A/dmz，电解时间2mm～4mm；HN03/HF混酸酸洗段：HN03浓度150g/I～180g/I，HF浓度40g/I～60g/I，温度50℃～54℃，酸洗时间3min～5min。(2)不经电解前处理，直接混酸酸洗也可以去除带钢表面的氧化皮。条件为在50℃，180g/IHNO3+60g/IHF酸洗时间大于8min。四、FeCrAl现场试制1．现场试制工艺。抛丸机抛丸，硫酸钠电解作为预酸洗，而二段式混酸(HN03+HF)作为化学酸洗。承担本研究现场是试制的特殊不锈钢酸洗机组酸洗段总长140m，机组是连续式酸洗机组，机组入口处设置有一台MIG焊机。根据3号试样的酸洗时间计算，酸洗工艺段速度为140/(9+9)=7.8m/min．考虑到实验室的酸洗条件和生产线之间的差异，将FeCrAl在不锈钢酸洗机组上的工艺速度设定为5m/min.工艺流程：抛丸一中性盐电解一混酸酸洗酸洗工艺参数：抛丸机参数设置：丸流量：783kg/h抛丸速度：72m/s张力：工艺段：50kN其他段如下表所示：2．现场试制结果与分析。现场共酸洗了1卷FeCrAl，规格为3.3x1150xL。混酸段温度基本保持在45。C不变。现场采集的酸洗工艺参数见下表FeCrAl现场试制实际酸洗参数，机组酸洗工艺段速度稳定在8m/min。酸洗后，整个FeCrAl板卷宏观表面质量表面质量较好，带头、带中、带尾氧化皮均被完全去除。五、结论1．试验室最佳试验方案及参数与现场试制的方案及参数基本一致。2.FeCrAl试制表明，FeCrAl在“抛丸+硫酸钠电解+混酸酸洗”的酸洗条件下连续处理是可行的。3．对“抛丸+硫酸钠电解+HN03/HF混酸酸洗”工艺进行适当调整，可以很好地实现热轧FeCrAl的氧化皮去除处理。参考文献[1]李美栓，金属的高温腐蚀[M]．北京：冶金工业出版社，2001．[2]SMS．酸洗机组技术附件．