CN1121960A - 不锈钢板退火及去氧化皮的方法 - Google Patents
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Abstract
一种处理不锈钢带或板的方法,包括用从包括水、碱基和酸基化合物等中选出的溶液清理不锈钢表面,以使其在后续的用横向磁通感应加热方法加热至约2300℉的退火温度时氧化层的生成减少并且形成的氧化层更均匀,然后将不锈钢浸浴在保持在高于150℉的一种中性盐,优选地为硫酸钠的水溶液中进行去除氧化层的电解处理,使用每平方英寸0.1至1.0安培的低电流密度,以使氧化层完全去除之后进行水清洗和湿擦。
Description
本发明涉及一种对不锈钢板进行退火和去氧化皮同时还可省去后续酸洗的方法,具体讲,涉及一种确保生成一层均匀的薄氧化皮,以使其可在低电流密度的电解液中完全被去除的方法。
在生产压延不锈钢板及带的过程中,必须在冷轧操作后对该材料进行退火或软化处理。一种非常普通的退火方法是将不锈钢材在氧化性的炉内气氛中加热到某一温度,而在此温度下同时还导致表面氧化皮的生成。这种加热方法通常是根据所处理钢材的化学成分将温度加热到华氏1450度至2150度(摄氏788度至1177度),并且一般是在耐火材料衬里的燃气炉中氧化性气氛下进行,这样处理通常使不锈钢表面生成厚度范围在4000埃到几个微米的氧化皮。在不锈钢板带销售前,必须将氧化皮最终去除掉。根据现有技术,可以单独地或结合起来使用几种不同去除氧化皮的工艺,这些已知工艺包括:(1)喷丸后酸洗;(2)将不锈铜板带浸入熔融的盐中或经过电解处理,以对氧化皮进行预处理然后酸洗;(3)直接酸洗。酸洗过程中常用的酸包括硫酸、硝酸或硝酸-盐酸混合物。使用这些酸有很多缺点,并且费用高,这不仅是因为这些酸本身相对较贵,而且因为它们都是在使用前、使用中和使用后必须采用特殊处理技术的危险品。此外,由于环境要求的限制,处理废酸洗液带来耗费资金的一些问题。
现有技术中也包括专利号为No.4,363,709的美国专利,该专利公开了从不锈钢特别是300和400系列不锈钢,这类金属体表面去除氧化皮的方法,即在一含有15至25重量百分比硫酸纳的水溶液中,并且温度至少保持在华氏150度(摄氏65.5度)下,用高电流密度电解去氧化皮的方法。根据上述专利,不锈钢材料作为阳极至少要在每平方英寸3安培电流密度(46.5安/分米2)的直流电流中经受10秒钟的处理。对于高铬铁素体合金,建议在退火前必须进行全面彻底清理,以避免产生厚氧化皮,包括氧化铬。
美国专利No.4,415,415公开了一种控制氧化皮形成并去除不锈钢氧化层的方法。其中,氧化皮在控制了氧含量的氧化性炉内气氛中生成,之后,在0.1至1.0安培每平方英寸的低电流密度下进行电解处理。
此外,现有技术包括一系列关于通过电磁感应方法对金属板带材进行加热问题的专利。例如,该现有技术包括下述美国专利:No.4,054,770、No.4,585,916、No.3,444,346、No.2,902,572和No.4,678,883。这些专利可认为是与称作“横向磁通感应加热”(Transverse Flux Induction Heating简写为TFIH)的电磁感应技术有关。
现有技术也包括公开了一种对冷轧不锈钢带或板进行处理技术的美国专利No.4,824,536。该专利技术用感应加热法将不锈钢材加热到高达华氏2300度(摄氏1260度)的退火温度范围,这使得在不锈钢表面生成最厚达2000埃的氧化皮。退火处理之后,用重量百分比为15~25%、温度至少保持在华氏150度(66℃)的硫酸钠水溶液对不锈钢材进行大电流密度电解去除氧化皮的处理,处理时间要足够使氧化皮全部去除。在退火处理完成时,氧化皮厚度实际低于2000埃,具体地,大约处在700至1400埃厚度范围内,此厚度范围要求在去除氧化皮的电解处理中电流密度至少为每平方英寸3安培。这种感应退火处理后的电解处理法与典型燃气气氛下的退火处理法相比有显著进步。典型燃气气氛退火处理时,除非采取特殊措施以提供一惰性或还原性气氛,否则不锈钢板或带将发生严重氧化。
已经发现,感应加热产生一层成分相对稳定、厚度均匀的氧化膜。此外还发现这样的氧化膜可以通过电解处理方法非常有效地去除。例如美国专利No.4,824.536表明,在较低退火温度下,如华氏1850度(1010℃)时生成厚度如700埃的较薄氧化膜,而在较高退火温度下,如华氏2057度(1125℃)时生成厚度如1400埃的较厚氧化皮。这种大幅度的厚度变化造成电解处理过程中作为退火温度函数的过程变量产生相应的大幅度变化。在传统燃气退火处理工艺中使用的退火温度大约在华氏1950-2100度范围(摄氏1066-1149度)。
可以相信采用横向磁通感应加热方法,需要升至较高的退火温度,以满足不锈钢冶金学上时间-温度关系要求。这些温度范围可能是从对于铁素体不锈钢的华氏1700度和对于奥氏体不锈钢的华氏1900度直到华氏2300度,更有可能地是华氏2000至2300度范围。
因此需要有一种可以通过电解处理去除感应退火产生的氧化皮的方法,而感应退火只生成均匀的薄层氧化皮,因此电解处理时可以使用与前述所要求的每平方英寸3安培电流密度相比低得多的电流密度,从而实现节能。
本发明的方法还寻求取消后续酸洗的方法。
因此,本发明的目的在于提供一种在横向磁通感应加热退火之前首先处理不锈钢板或带表面的处理方法。
根据本发明,提供一种处理冷轧不锈钢带或板的方法。该方法包括用水及从一组碱基和酸基化合物水溶液中选出的一种足量的溶液清理不锈钢的表面,以助于在后续退火过程中减少氧化皮的生成并使氧化皮厚度更均匀。退火采用横向磁通电磁感应加热方法加热,会使不锈钢宽度上升温均匀,退火温度范围可高达华氏2300度,最佳是在1700至2300度,以在钢表面生成厚度相对均匀的约为1200埃或更小、最好是小于900埃的氧化皮,然后将不锈铜浸浴在一种电解液浴液中进行去除氧化皮处理,该电解液是从一组含有碱金属或铵的盐酸、硫酸和硝酸盐中选出的至少一种中性盐的水溶液,该溶液保持在高于华氏150度的温度,处理中使用低达每平方英寸0.1安培的电流密度,且处理时间充分的长以便完全去除氧化皮。
参阅以下说明和附图,可以更全面地理解本发明的上述这些以及其它一些特征和优点。其中:
图1是根据本发明处理方法的流程框图;
图2和图3是二种不同不锈钢样品氧化皮的表层深度一化学元素浓度曲线图;
图4至图7是本发明方法处理的不同不锈钢材料去掉氧化皮后沿试样表面深度变化的化学元素浓度曲线图。
参见图1,根据本发明的处理方法所实施的对象是以一种共知的生产冷轧不锈铜带或板的方法加工出的不锈钢产品。这些不锈钢可以是铁素体不锈钢,如AISI430型,或奥氏体不锈钢,如AISI304型。根据本发明,所获得的用于处理的铜板或带已经过冷轧,用参考标号1表示,其厚度为适合于该不锈钢的最终用途。为展示本发明的效用,选择厚度为0.003和0.007英寸(0.076和0.178毫米)的AISI304型不锈钢带卷样品。
根据本发明,通过下文所描述的在退火之前清理不锈钢表面的连续处理会带来附加效果。该清理处理过程不仅有助于减少在后续退火过程中氧化皮的生成,而且还使得在用感应加热技术的退火过程产生的氧化皮厚度更均匀。标号2表示用从一组包括水及碱基和酸基化合物水溶液中选用的清理溶液清理的不锈钢表面。处理不锈钢表面的清理过程选择为最适合于清理带钢,该清理过程为通过从一开卷机中向一清理站输送钢带,清理站中供有足量清理溶液,以清除钢表面的沾染物,这些沾染物如不清除,将在不锈钢带加热到退火温度时加剧氧化皮的形成。如果是钢板,则使该钢材通过辊道或输送机送往清理站,与处理不锈钢带一样使用足量清洗物从钢材表面清除沾染物。
清理操作之后,通过擦净机或用其它方法清除不锈钢表面的残留清理溶液并除去沾染物。然后对不锈钢进行感应退火,用数字3表示。不锈钢样品包括经过热水清理的0.003英寸规格带材和经过碱的水溶液清理的0.007英寸带材,然后二种样品经横向磁通感应加热至华氏2150度(摄氏1177度)退火,该退火过程远低于10秒种的时间-温度速率,约为3秒钟的时间-温度速率。退火后,经观察二卷带材表面外观很均匀。
这正是本发明的范围所提供的,即,钢材被加热到一适当退火温度,例如至少华氏1450度直至华氏2300度(摄氏788度至1260度),具体温度取决于被处理不锈钢的化学成分。在本发明的范围中,对于奥氏体不锈钢,可以加热至最低华氏1900度,对于铁素体不锈钢,可以加热至最低华氏1700度。
本发明的范围还包括采用美国专利No.4,054,770、No.4.585,916、No.3,444,346、No.2,902,572、No.4,678,88 3和No.4,824,536所公开的,对此领域熟悉的技术人员所知晓的横向磁通感应加热方法进行退火。为实现本发明所公开内容的目的,选择一适当外加频率和功率组合以及适当地使用极靴屏蔽和形状,以在满意的产出率条件下对不锈钢板或带获得满意的加热,同时避免能导致钢材产生弯斜和瓢曲的不均匀温度出现,这些都属于本技术领域范围。
经过清理和所述加热的不锈钢板在此之后可进行水冷或空冷。经横向磁通感应退火处理后,不锈钢板氧化皮厚度不超过约1200埃,最好不超过900埃,最理想是不超过800埃。所得氧化皮厚度小于已知的对未清理钢材表面进行横向磁通感应退火处理所得的氧化皮厚度,那些未进行过表面清理的钢材退火后氧化皮厚度范围一般在700埃(在华氏1850度下退火)至1400埃(在华氏2057度下退火)之间。
图2和图3显示了试样表面氧化皮的厚度和成分。更具体讲,图2和图3分别显示了经横向磁通感应加热(TFIH)华氏2150度退火处理后俄歇电子探针扫描仪(SAM)测出的304型不锈钢0.003英寸和0.007英寸厚样品元素浓度-深度曲线。正如所看到的,图2和图3中显示的二条元素浓度-深度曲线几乎完全一样,因而表明无论使用热水或用碱,清理过程都造成后续退火过程中产生的氧化膜厚度减小,而且清理方法对氧化层元素浓度-深度曲线影响不大。氧化层的外层三分之二趋于富铬,而邻接氧化层-金属界面的内层三分之一趋向于富铁。直至氧化层的外层三分之一处均可观察到锰的富集,而在这一段距离中镍含量几乎为零。
横向磁通感应加热退火后,不锈钢浸浴在一电解水溶液中,该电解水溶液选自盐酸、硫酸和硝酸的碱金属或铵的中性盐中至少一种的电解水溶液。该电解液最好为重量比7-25%的硫酸钠水溶液,更好是为15-20重量百分比。根据本发明,在温度保持为华氏150度(66℃)的15-25重量百分比硫酸钠水溶液中进行电解处理,该步骤以图1中的标号4表示。试验带钢卷的退火处理完成后,可明显看出带钢表面生成的氧化皮非常均匀。本发明使得电解处理能够在比乞今为止已知的方法中低得多的电流密度下进行,例如美国专利No.4,824,836所公开的至少每平方英寸3安培。
惊人的发现是,清理带钢的附加操作使得能将电流密度降至每平方英寸0.1至1.0安培范围,最佳地为每平方英寸0.2至0.5安培。还发现在每平方英寸0.2安培时,完全去除横向磁通感应加热退火材料的氧化皮需要进行10秒钟的处理。对厚度0.003和0.007英寸的横向磁通感应加热退火样品进行去除氧化皮试验,使用保持在华氏160度的20%重量比硫酸钠水溶液。当使用的电流密度为每平方英寸1安培和0.5安培时10秒钟的处理也可成功地去除氧化皮。这些是传统硫酸钠电解液处理方法典型的上限和下限。
本发明的方法除了可使用较低电流密度外,尽管最佳电解浴液pH值为2.0至4.0,但pH值可在2.0至7.0范围内。相信这是因为使用本发明的方法所形成的氧化皮较薄且较为均匀,所以才可能有这样宽的pH值范围。先有的方法一般要求pH值较低的,如2.0至3.5的酸性电解液。
电解液温度范围为华氏150度至185度(66至85℃),最佳为华氏160度至180度(71至82℃)。
图4至图7显示了0.003英寸规格和0.007英寸规格试样在每平方英寸0.2和0.5安培电流密度下硫酸钠电解液中去氧化层处理后样品的俄歇电子探针扫描(SAM)元素浓度-深度曲线。这些样品氧化膜厚度范围为70至130埃,与通常在经酸洗或光亮退火后不锈钢带表面测得的厚度大致相同。
在去氧化皮处理之后,试样经过水洗及湿擦后处理步骤,该步骤在图1中以标号5表示。非常重要的是在成功地去除冷轧不锈钢样品氧化皮的处理过程中,不需要且完全排除了酸洗介质,从而消除了前述讨论的在使用该种酸洗技术时所带来的问题。
作为目的,本发明提供一种产生较薄且较为均匀氧化皮的退火方法。该方法的优点在于电解处理过程较为平缓,即在处理过程中电流密度较小、pH值范围较宽。这种较薄且较为均匀的氧化层甚至可在加热温度高于传统退火的横向磁通感应退火处理后获得。
虽然结合各种优选实施例对本发明进行了描述,应该认为,使用其它的类似实施例或对上述实施例进行的修改和补充都应属于本发明保护的范畴。
Claims (10)
1、处理冷轧不锈钢带或板的方法,该方法包括步骤:
用从一组水及碱性和酸基化合物水溶液中选出的一种足量的溶液清理所述不锈钢表面,以使在后续退火过程中减少氧化皮的形成且使形成的氧化皮厚度更均匀;
沿所述不锈钢宽度方向进行均匀地横向磁通电磁感应退火加热,加热温度最高达华氏2300度,从而使所述钢材表面生成厚度相对均匀、约1200埃或更小的氧化皮;
将所述不锈钢浸浴在一种电解液中以对其进行去除氧化层的电解处理,该电解液是从一组主要包括碱金属或铵的盐酸、硫酸和硝酸盐中选出的至少一种中性盐的水溶液,该溶液保持在高于华氏150度的温度,电解处理中电流密度约为每平方英寸0.1至1.0安培,并且处理时间长至足以完全去除氧化皮。
2、根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,还包括对经过去除氧化层的电解处理的不锈钢带进行水清洗和湿擦的步骤,处理经过退火和去氧化皮处理的不锈钢产品。
3、根据权利要求2所述的处理方法,其特征在于,所述退火和去除氧化皮的不锈钢产品在冷轧后的处理完全不需使用酸洗处理法。
4、根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,所述电解液是重量比7-25%的硫酸钠水溶液。
5、根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,所述电解液温度最高可达华氏185度。
6、根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,所述钢材退火温度为华氏1700至2300度。
7、根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,所述钢材退火温度为华氏1900至2300度。
8、根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,电流密度为每平方英寸0.2安培至0.5安培。
9、根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,所述电解液的pH值范围为2.0至7.0。
10、一种处理冷轧不锈钢带或板的方法,该方法包括步骤:
用从一组水及碱性和酸基化合物水溶液中选出的一种足量的溶液清理所述不锈钢表面,以使在后续退火过程中减少氧化皮的形成并使其更均匀;
沿所述不锈钢宽度方向进行均匀地横向磁通电磁感应退火加热,加热温度为华氏1700至2300度,进行约10秒钟的时间-温度退火处理。
将所述不锈钢浸浴在一种基本成分是重量比15-20%硫酸钠的水溶液中进行去除氧化皮的电解处理,电解液保持在华氏160至180度的温度,电解处理中电流密度为每平方英寸0.2至0.5安培,并处理时间长至足以完全去除氧化皮;
对所述经过去除氧化皮电解处理的不锈钢进行水清洗和湿擦。
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