新型硼砂除氧化剂的研发与应用

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DOI:10.3969/j.issn.1006-110X.2020.02.007
新型硼砂除氧化剂的研发与应用
杨梁才，高建学，王君国
（天津钢管制造有限公司，天津300301）
[摘
要]热轧无缝钢管内结疤缺陷是无缝钢管生产过程中严重的缺陷之一，天津钢管制造有限公司460PQF
连轧管机组自投产以来，在生产薄壁钢管和高钢级品种时一直存在内结疤和内划道缺陷。

本文分析了内结疤及划道产生的原因，并通过研发新型硼砂除氧化剂，有效地消除了这一缺陷。

[关键词]无缝钢管；内结疤缺陷；新型除氧化剂
Development and application of new borax deoxidizer
YA NG Liang-cai,GA O Jian-xue and WANG Jun-guo
（Tianjin Steel Pipe Manufacturing Co.，Ltd.,TIANJIN 300301）
Abstract The crucible defects in hot-rolled seamless steel tubes are one of the serious defects in the production process of seamless steel tubes.Since the 460PQF continuous rolling mill units of Tianjin Steel Tube Manufacturing Co.Ltd.have been in production.In the production of thin-walled steel tubes and high-grade steel grades.there are internal scars and internal scribe defects.This paper analyzes the causes of internal crusting and slashing,and effectively eliminates this defect by developing new borax oxidizing agent.Key words seamless steel pipe,internal crucible defects,new deoxidizer
收稿日期：2020-02-24
作者简介：杨梁才（1983—），男，本科，工程师，主要从事热轧无缝钢管生产工艺研究和技术管理工作。

引言
天津钢管制造有限公司460连轧管机组（以下简称460机组），是于2007年1月投产的世界第一套大口径PQF （Premium Quality Finishing 高效、优质、精轧）限动芯棒连轧管机组，具有壁厚精度高、工具消耗低，可以轧制薄壁管和高钢级产品的优点。

自机组投产以来，所生产的薄壁管和高钢级产品内表面一直存在内结疤、内划道缺陷，严重影响了产品合格率和成材率指标。

热轧无缝钢管内结疤缺陷是无缝钢管生产过程中严重的缺陷之一，它存在于钢管内表面，大多数位于钢管头部，严重时通体出现，其形状类似于黄豆粒大小的凹坑[1]，有时周围还伴随内划道，硼砂作为无缝钢管生产过程中重要的除氧化剂，可有效的将毛管内表面的氧化铁皮熔融，不但能防止内结疤的产生，还能起到润滑作用，有效的保护芯棒外表面[2]。

460机组此前一直使用传统的普通硼砂，因该型硼砂本身的化学特性所
致，已经很难满足现场的需求了，对此460机组与某化工厂共同研发了一种新型硼砂除氧化剂。

1硼砂除氧化物剂的作用
硼砂除氧化物剂是无缝钢管生产过程中必不可少的熔融润滑材料。

轧管时，穿孔后毛管内表面会产生一层氧化铁皮（Fe 3O 4），熔点约1538℃，比重
5.18，硬且脆。

该层氧化铁皮的存在，不但增加了连
轧过程中的摩擦力，同时对芯棒表面和钢管内表面都产生了很大影响，
为提高芯棒使用寿命，提高钢管内表面质量，必须对固态氧化铁皮进行处理，即喷吹硼砂除氧化物剂。

在这里硼砂除氧化物剂有两个主要作用：1.1
直接作为熔融润滑剂
硼砂、硫酸钠在毛管内熔融，作为熔融润滑剂。

硼砂熔点：741℃硫酸钠熔点：884℃
1.2
产生化学反应通过化学反应，利用混合熔剂熔融，降低固体物质熔点，使固态氧化铁皮转化为液态四氧化三铁，熔点在1000℃。

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（1）硼砂除氧化物剂在氮气作用下，喷入高温毛管内部（毛管心部温度1290℃左右）。

（2）高温条件下硼砂失去结晶水。

（3）在表面活性剂作用下，硫酸钠、硼酸钠熔融。

（4）硼酸钠分解为偏硼酸钠，再转化为偏硼酸铁，偏硼酸铁又转化为偏硼酸钠，此反应是可逆反应。

（5）固态氧化铁皮转化为液态四氧化三铁。

这样一来，在硼砂除氧化物剂作用下，有害的氧化铁皮转化为有益的液态四氧化三铁参与熔融润滑。

2
内结疤和内划道产生的原因
热轧穿孔结束后，高温毛管内表面会产生一层
氧化铁皮（Fe 3O 4），该氧化铁皮硬且脆，摩擦系数
大，特别是薄壁管和高合金钢，不但氧化铁皮多还会产生铁氧锰、铁氧铬、铁氧钒、铁氧钼等物质，在连轧过程中，这些物质与氧化铁皮和硼砂熔融在一起，遇低温芯棒后极易冷凝形成一种坚硬的结晶体，最终在连轧辊和芯棒的挤压下造成钢管内表面结疤与划痕。

如图1为熔融物冷凝后的结晶体，图2为钢管内表面结疤缺陷。

在缺陷处取样进行观
察，发现缺陷处无异常夹杂物，组织正常。

经能谱分析，缺陷周边的残留物中含有Na 元素，而Na 元素的大量出现更加说明了内结疤缺陷是硼砂除氧化所致。

图1熔融物冷凝后的结晶体图2钢管内结疤缺陷
3传统型硼砂除氧化剂存在的局限性
（1）液态四氧化三铁与固态四氧化三铁转化点
在1000℃左右，接触芯棒后，由于芯棒温度较低（80℃~100℃左右），造成熔融物温度降低，当温度低于1000℃后，熔融物重新固化，形成硬度很高的固态四氧化三铁，特别是锰铬合金较高时形成的Fe-Mn-O 及Fe-Cr-O 结晶硬度更高。

若少量固化则形成钢管内结疤，若大量固化则形成大面积钢管
内划道。

（2）传统型除氧化剂只是硼砂（Na 2BO 4.10H 2O ）、
酸钠（Na 2SO 4）、硬脂酸钠（C 17H 35COONa ）的简单物混合物，只具有宏观相对均匀性，每个颗粒成份为单一组份，由于各物质比重不同、颗粒大小不、反应及熔化速度不同，所以飞行速度、飞行距离降落速度各不相同，造成管坯内表面硫酸钠、硼钠均匀性很差[3-4]。

（3）存在大量水份（30%左右），高温下水与铁反
形成四氧化三铁，增加了毛管内表面氧化铁皮，反应式如下：
3Fe+4H 2O=Fe 3O 4+4H 2↑
又因460机组的轧机为PQF 三辊式，与普通的
MPM 两辊轧机相比孔型封闭性要好，这样会
造成
较
多的
熔融物聚集在辊缝处，大大增加了内结疤和划道出现的几率。

4新型硼砂除氧化剂的研发特性
为解决传统型硼砂的传统局限性，460机组与某化工厂共同研发出了新型硼砂除氧化物剂。

新型硼砂除氧化物剂粘度高、熔点低、不易结晶、耐候性好、保质期长，可有效抑制钢管内表面结疤及划道产生。

大大提高了高钢级钢管生产质量，其具体的优点如下，表1为两种硼砂技术参数对比情况。

（1）添加新型低熔点助熔剂，提高对Fe 3O 4熔化能力。

（2）添加与硼砂除氧化物剂完全相容的金属氧化物，阻碍Fe-Mn-O 、Fe-Cr-O 及Fe-O 结晶体形成，降低Fe-Mn-O 、Fe-Cr-O 及Fe-O 结晶体硬度。

（3）新型硼砂熔融体粘度高于传统型，可有效防止熔融体聚集。

（4）新型硼砂水份低于传统型，有效成分提高。

（5）还原剂碱含量低，更利于Fe 3O 4熔融。

（6）不易吸潮结块，干粉流动性好，可满足全天候使用要求。

5新型除氧化剂的使用情况
使用前检查新型除氧化剂无结块、受潮，用DIN 〈〉
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象，喷吹过程中硼砂能够均匀喷出，毛管尾部火焰强劲有力，毛管头部无大量硼砂堆积，硼砂燃烧充
分，图3、图4为两种除氧化物剂分别喷吹入毛管内，冷却后内表面状况的对比，使用新型的分布均
连轧机各机架扭矩值还略有降低，这充分证明了新型硼砂良好的润滑效果。

表2为使用两种硼砂时连轧机各架扭矩值对比情况（以Φ325mm ×10mm 规格钢管为例）。

表1两种硼砂技术参数对比
硼砂种类外观形状综合熔点/℃颗粒度/目
硼酸钠/%硫酸/%硬脂酸钠/%助熔剂/%含水量/%稳定性传统型白色粉末固体851≤1630~3520~2510~15无≤30三个月不结块新型
灰色粉末固体
780
≤16
20~30
10~20
10~15
20~30
≤25
两年内不结块
为了充分验证新型除氧化的稳定性和其良好
的使用效果，在首次使用过后，我们又在460机组进行了长达3个月的试用，试用过程中主要以各孔
管和气瓶管，从试用的结果来看，效果十分突出，试用批次没有出现一起内结疤缺陷，完全达到了研发的目的。

表3为试用阶段钢管质量跟踪情况。

于其本身粘度相对较高，熔点相对较低，既可使熔融体不易聚集，又大大降低了熔融体冷凝结晶的几率。

如能在使用过程中合理的设置硼砂喷吹量和喷吹压力，就可彻底解决薄壁钢管和高钢级品种的内结疤和内划道问题。

[2]赵彩霞.热轧毛管内壁脱氧化物剂（硼砂）的研究[J].天津冶金，
1996（1）：13-15.
[3]曾朝晖.除氧化剂影响钢管内结疤的实验研究[J].新技术新工艺，
2001（11）：27-28.
[4]曾良平.毛管吹氮喷硼砂装置的技术关键[J].钢铁技术，2005（4）：
12-13.
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