Einfluss von Inhibitoren beim Beizen von warmgewalzten niedriglegierten Stählen

Abstract

In der großindustriellen Stahlherstellung ist der Beizprozess unter anderem von großer Bedeutung für die Oberflächenqualität. Durch das Beizen mit Mineralsäuren wird der beim Warmwalzen entstandene Zunder von der Bandoberfläche entfernt und für die weitere Verarbeitung wie das Kaltwalzen und Verzinken eine möglichst gleichmäßige metallische Oberfläche hergestellt. Um unerwünschten Stahlabtrag durch Säureangriff möglichst gering zu halten, werden Beizinhibitoren zugesetzt, die den Korrosionsangriff verringern sollen. Unter bestimmten Bedingungen kann es dadurch jedoch zur Ausbildung von unerwünschten Oberflächenmorphologien kommen.<br />Für diese Arbeit wurden ausgewählte organische Substanzen bezüglich ihrer inhibierenden Wirkung auf die Stahlauflösung untersucht. Dafür wurden elektrochemische Untersuchungsmethoden, wie die Aufnahme und Interpretation von Stromdichte-Potentialkurven und Impedanzspektren angewendet, sowie gravimetrische und optische Messungen durchgeführt.<br />Dabei zeigen vor allem mehrfach ungesättigte Kohlenwasserstoffe gut inhibierende Wirkung. Es konnte gezeigt werden, dass kathodisch wirksame Inhibitoren, ähnlich wie eine kathodische Polarisierung, eine gewisse Schutzwirkung in Spalten ausüben, während dies bei rein anodisch wirksamen Inhibitoren nicht ausgeprägt ist.<br />Neben Tests zum Einfluss von bestimmten Beizparametern, wie der Beiztemperatur und dem Oxidationszustand der Beizlösung auf die Inhibitorwirkung, beschäftigt sich ein Teil dieser Arbeit mit der Interaktion von Inhibitormolekülen mit der Eisenoberfläche.<br />Quantenchemische Berechnungen zeigen eine chemische Bindung zwischen ungesättigten Kohlenwasserstoffen und der Eisenoberfläche. Die Ausbildung einer Adsorptionsschicht konnte durch thermische Analyse mit gekoppelter massenspektrometrischer Detektion nachgewiesen werden.<br />Darüber hinaus wurde das Beizergebnis unterschiedlicher Stahlsorten, insbesondere bei Si/Al-, Mn/P-, Mn/Si/Al- und Mn/Cr/Si-legiertem Stahl, unter dem Einsatz von verschiedenen Inhibitoren untersucht. Es zeigte sich, dass bei geeigneter Wahl der Beizparameter und des Inhibitors die Ausbildung von unerwünschten Oberflächenmorphologien verhindert werden kann. Die genaue Wahl der Beizparameter stellt jedoch durch die Anforderungen an den kontinuierlichen Betrieb und der Vielzahl an unterschiedlichen Stahlsorten eine Herausforderung dar.<br />

Acid pickling is a step in the steel sheet production process with significant impact on the surface quality. It is used to remove the oxidic layer on the surface formed during hot rolling in air. As an unwelcome side effect, metallic substrate material is also being dissolved due to the acidic attack. To reduce substrate material loss, inhibitors are added to the pickling solution. However, experience shows that inhibited pickling can lead to the formation of undesired surface morphologies under certain conditions.<br />For this work, several organic substances were studied concerning their inhibitive effect on steel dissolution. Electrochemical methods were adapted to measure and interpret current density versus potential (i-E)-plots to characterize inhibitor substances. Inhibitor efficiency was determined by gravimetric measurements and impedance spectroscopy.<br />It could be shown that polyunsaturated carbohydrates inhibit steel dissolution especially well.<br />The performance of electrochemically different commercially available inhibitors was studied at crevice configuration. Only substances also inhibiting the cathodic partial reaction were found to provide protection in crevices, while purely anodic inhibitors did not. Cathodic polarization showed the same effect as cathodic inhibition.<br />Several factors influencing inhibitor performance were studied, including pickling temperature and the state of oxidation of the pickling solution. The effects of pickling temperature on the rate of scale removal in the presence of inhibitors were also investigated. Even though the results show that substances inhibiting iron dissolution also hinder scale removal, this can be neglected at standard process temperatures.<br />Quantum chemical calculations predict chemical bonding between unsaturated hydrocarbons and iron surfaces. The formation of an adsorption layer could be experimentally verified through thermal analysis coupled with mass spectrometry. Pickling of steels with oxidized grain boundaries near the surface is of high interest. It was investigated whether inhibited pickling influences the surface quality of several types of steels including Si/Al-, Mn/P-, Mn/Si/Al-, and Mn/Cr/Si-alloyed steel. It could be shown that the formation of undesired surface morphologies can be prevented by optimizing pickling conditions, especially by avoiding overpickling.