热轧中厚板氧化铁皮控制技术

热轧中厚板氧化铁皮控制技术
陈永利;查显文;陈礼清
【摘要】Formation mechanism of iron oxide scales in hot-rolled heavy and medium plates was analyzed to explore the control method of oxide scales.The experimental and industrial results showed that the lower Si and Mn contents,the addition of Gr,the rapid heating with slight positive pressure and partial-pressure oxidization atmosphere,the descaling temperature above 1 173 ℃ and the reasonable equipment parameters of descaler can inhibit the formation of iron oxide scales.Adopting reasonable rolling parameters,high-temperature fast rolling and low-temperature finish rolling can also effectively reduce oxide scales.Rolling speed and reduction ratio can significantly affect the oxide scale thickness and surface roughness.The thickness and surface roughness of oxide scale decrease with the increase of reduction rate and rolling speed.%为了探究热轧中厚板氧化铁皮控制方法,分析了氧化铁皮的影响因素并提出相应的控制方法.试验及生产实践结果表明：降低Si和Mn含量,在成分中加入合金元素Gr可以有效抑制氧化铁皮;采用微正压、微氧化气氛快速加热对氧化铁皮有较好抑制作用;保证1 173℃以上的除鳞温度和合理除鳞设备参数,采用高温快轧、低温精轧的轧制节奏可以有效抑制中厚板氧化铁皮;轧制速度和压下率对氧化铁皮厚度和板面粗糙度有显著影响,压下率和轧制速度越大,氧化铁皮厚度和表面粗糙度越小.
【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(032)007
【总页数】5页(P960-963,980)
【关键词】热轧中厚板;组织;氧化铁皮;缺陷
【作者】陈永利;查显文;陈礼清
【作者单位】东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110819 ;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110819 ;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110819
【正文语种】中文
【中图分类】TG151.1
近年来钢铁工业迅猛发展,全国新上马宽厚板轧机生产线共计29条,产能达到11 539万吨,国内各大中厚板生产企业装备已具备较高水平,产品质量和品种结构得到较大提升和优化。

由于长期对产品表面质量缺乏关注,造成中厚板氧化铁皮不易去除、铁皮压入、表面红锈、带状“麻点”及“麻面”等问题 ,严重阻碍了产品档次的提升,质量异议不断。

中厚板氧化铁皮问题一直困扰着各个生产厂家,目前尚无彻底解决之道[1]。

因此对中厚板氧化铁皮控制技术的研究显得至关重要和迫切。

本文将对氧化铁皮成因、影响因素及其控制进行系统分析,并得出行之有效的控制技术。

1 中厚板氧化铁皮分类及成因
1.1 一次氧化铁皮成因
在加热炉内,由于高温长时间氧化,板坯表面生成1～3mm厚的一次鳞,也称为一次氧化铁皮。

一次鳞在高温时,鳞层表面碰到高压水后,因热应力作用铁皮表面形成热裂纹,当裂缝达到钢基界面后,高压水就会进入排列在钢基界面上的空穴,使沿钢基界
面的裂缝连续不断地产生、扩展,从而除去一次鳞。

1.2 二次氧化铁皮成因
精轧之前,温度在900～1 200℃之间时,钢板与空气接触表面迅速氧化,形成二次鳞,也称为二次氧化铁皮。

典型的二次氧化铁皮结构由最外层较薄的Fe2O3层、中间Fe3O4层和靠近基体侧的FeO层组成[2]。

一般在粗轧过程中机架前高压水除鳞
只能清除钢坯表面已生成的Fe3O4片状鳞层。

如果喷射高压水不能除去较厚的二次鳞,而残留在钢板表面上进入精轧,将迅速增加三次鳞形成,最终导致产品表面出现缺陷。

1.3 三次氧化铁皮成因
精轧过程中,残留的一次鳞和二次鳞被挤压破碎与水和大气直接接触,在钢板表面生
成一层薄薄的三次鳞,也称三次氧化铁皮。

在轧辊咬入和轧制下,金属相对流动,三次鳞开始破裂,并随金属一起迁移形成钢表面“犁沟”,沟中露出的新鲜表面在水和大
气中氧化而反复生成三次氧化铁皮。

在后续道次咬入初期,沟两边因先变形而破碎
的氧化铁皮部分落入沟中,与沟中生成的三次氧化铁皮一道在继续变形过程中被碾
入钢板表面,而形成“麻坑”状氧化铁皮缺陷,使成品钢板表面质量降低。

2 中厚板氧化铁皮的影响因素及控制方法
中厚板氧化铁皮按化学成分从外向内依次可划分为:三氧化二铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧化亚铁(FeO)[3-6]。

从图 1a氧化铁皮扫描照片可以看出,外层三氧化二铁较薄,而四氧化三铁和氧化亚铁层较厚;从图1b～图1d可以发现外层
Fe2O3呈褶皱状,部分块状鼓起;中层Fe3O4呈现颗粒蜂窝状;内层FeO呈现细小
颗粒状,附着在基体上,根据基体晶界可以明显地发现其呈族状。

图1 氧化铁皮扫描图片Fig.1 SEM images of oxide scales(a)—氧化铁皮线扫描
图片;(b)—三氧化二铁扫描照片;(c)—四氧化三铁扫描照片;(d)—氧化亚铁扫描照片。

氧化铁皮控制集中表现在控制3类氧化物含量及相对含量。

根据Fe-O平衡相图,
在570℃以下时,FeO发生共析反应生成2αFe+Fe3O4的混合物。

考虑到矫直和
板型,中厚板终冷温度一般在600℃以上,所以经ACC层流冷却以后,氧化亚铁向四
氧化三铁分解的转变在矫直机和冷床之间进行,其过程一般很难控制。

基于以上分析,中厚板氧化铁皮控制手段集中表现为以下几方面:①优化成分设计;②优化炉内加热规程;③保证除鳞效果;④轧制参数优化。

2.1 成分对铁皮的影响
文献[7-9]研究表明,Si和Mn对一次鳞影响较为明显,当Si质量分数大于0.2%时,
在1 220℃以上容易形成平衡状态的FeO+液态Fe2SiO4(硅橄榄石),液态
Fe2SiO4将FeO晶粒包围而形成FeO/Fe2SiO4的共析产物。

而在1 173℃以下
时Fe2SiO4凝固后形成类似锚状形貌,将FeO层钉扎住,钉扎住的FeO很难在除鳞中完全被除掉。

Mn含量偏高时,由于氧化物迁移易生成(FeMn)2SiO4(锰橄榄石),
使铁皮与钢的基体界面凹凸化更加严重,除鳞性能进一步降低。

考虑到炉内伤损和
奥氏体粗大的影响,除鳞温度保证在1173～1 250℃为宜。

合金元素Gr在起到提高淬透性和增加强度的同时,对氧化铁皮具有一定抑制作用。

如图2所示,在相同轧制工艺条件下,经对比试验,发现加Gr钢板表面较为暗黑、光亮,氧化铁皮厚度(30 μm)较不加Gr钢板氧化铁皮(48μm)薄,这主要是因为微量合
金元素Gr可以抑制一次和二次氧化铁皮的形成,其详细的抑制机理有待进一步研究。

对表面质量要求较高的普碳钢板加入成本相对低廉的合金元素Gr,不仅可以起到固溶强化作用,而且还可以有效提高表面质量,是改善中厚板表面质量控制有效途径之一。

图2 Gr对氧化铁皮的影响Fig.2 The influence of Gr on oxide scales(a)—Q460不加Gr的氧化铁皮;(b)—Q460加0.02%Gr的氧化铁皮。

2.2 炉内加热规程对氧化铁皮的影响
炉内各加热段温度和加热时间、炉内气氛、出钢到除鳞设备之间传送时间等因素对
一次氧化铁皮影响较大。

Sun认为,长时间炉内加热会显著增加一次鳞厚度、最终氧化铁皮厚度和表面粗糙度[10],所以控制加热时间对中厚板氧化铁皮控制技术至关重要。

各段加热温度会显著影响板坯内部温度梯度分布、合金元素固溶速度、奥氏体尺寸大小等参数。

高温加热(均热段1 350℃左右)可以增加一次鳞厚度,改善一次鳞除鳞效果,但是钢板烧损严重,奥氏体粗大,会影响产品力学性能;而低温加热(均热1 150℃)容易造成在炉时间增加,最终成品氧化铁皮厚度将增加。

所以根据不同钢种,综合考虑力学性能和表面质量要求,合理选择加热温度显得至关重要。

炉内空燃比对板坯影响较为明显,但由于很难跟踪炉内气氛数据,具体氧化机理尚不清楚。

然而,长期实践表明,炉内微正压、微氧化加热气氛,可以增强一次鳞的除鳞效果。

还发现,减少板坯在出钢轨道上的运行时间,尽快进入除鳞箱,对一次鳞除鳞效果非常有益。

2.3 除鳞效果对氧化铁皮的影响
除鳞箱除鳞主要除去一次鳞,粗轧和精轧机架前除鳞主要去除二次和三次鳞。

如果除鳞压力过低、喷嘴倾斜角度不当、喷嘴距板坯距离过高等因素都将造成除鳞压力降低。

高压水喷射形成一个“铲射力”,喷嘴角度将影响水平分力和垂直分力大小,一般除鳞喷嘴垂直倾斜角度θ1为15°左右,喷嘴水平倾斜角度θ2为45°左右;同时喷嘴之间间距和高度将影响喷射高压水打击面积和重叠度。

图3为轧制过程中由于主电机跳闸的钢板照片,其中图3a为机架除鳞喷嘴高压水喷射打击斑点图。

对比图3b不难发现,由于喷射重叠度不够,容易造成带状氧化铁皮。

部分中厚板企业采用例行打靶试验检测射流重叠度,这是有效减少因设备原因造成带状板面氧化铁皮条纹的有效方法。

图3 除鳞对氧化铁皮的影响Fig.3 The influence of descale on oxide
scales(a)—除鳞打击斑点;(b)—带状氧化铁皮
2.4 轧制参数对氧化铁皮的影响
2.4.1 轧制温度对氧化铁皮的影响
在轧制降温过程中各类氧化铁皮转变分数如图4a所示[10],从图中可以看出:在1 000～900℃温度区间,FeO含量显著增加,Fe3O4和Fe2O3含量减少,说明在此温度期间FeO生长较为迅速,较Fe3O4和Fe2O3增长更快;在900～750℃温度区间,氧化铁皮基本停止增长,各层氧化铁皮较为稳定;750～680℃温度区间,FeO含量显著减少,Fe3O4增加,Fe2O3微量增加;500～680℃以下Fe3O4含量较Fe2O3多,各成分含量基本稳定。

图4 轧制温度与氧化铁皮的关系Fig.4 Relationship between rolling temperature and oxide scales(a)—温度与氧化铁皮含量之间的关系;(b)—精轧开轧温度890℃板面图。

从以上结果可知,在传统 TMCP轧制过程中,粗轧和待温过程中二次鳞成长较快,其主要成分是FeO,这个过程的氧化是不可避免的,所以采取“高温快轧”可以有效抑制氧化铁皮,但当精轧段温度较高时,具备三次鳞反复生成条件,三次鳞多而且被压入钢板,高压水除不干净,使钢板表面出现麻坑和红色铁皮等缺陷。

一般FeO的破坏应力约为0.4 MPa,Fe3O4约为40 MPa,Fe2O3约为10MPa[8],所以合理安排机架前除鳞顺序和次数显得至关重要。

同时利用“900～750℃温度区间,氧化铁皮基本停止增长,各层氧化铁皮较为稳定的特点”,采用低温开轧,结果发现对板面氧化铁皮和麻点能起到有效抑制。

从图4b可以看出板面氧化铁皮麻坑已经压平,板面表面较为光亮,粗糙度较小。

这主要是由于当精轧段温度较低时,钢板表面已不再生成或少量生成三次氧化铁皮,而先前生成的二次鳞较容易在高压水和轧制的过程中清洗干净,反复生成三次氧化铁皮条件不具备。

因此,低温精轧是清除钢板表面麻点的又一有效途径。

2.4.2 轧制速度和压下率对氧化铁皮的影响
经有关试验表明,轧制速度和压下率对氧化铁皮厚度和板面粗糙度有显著影响[10]。

从图5a,图5b可以看出:随压下率的增加一次氧化铁皮厚度明显减低,二次氧化铁皮基本保持不变;随轧制速度的增加,一次氧化铁皮厚度显著减低,二次氧化铁皮厚度基本不变;从图5c,图5d可以看出:在使用除鳞设备时,较大压下率依然可以显著降低
氧化铁皮表面粗糙度,随轧制速度增加,表面粗糙度先增加后减低,当轧制速度大于
0.3 m/s时,轧制速度越快,表面粗糙度越低;从中还发现加热时间对钢板表面粗糙度
影响较大,在炉时间越长,表面粗糙度越高,即使提高轧制速度也很难改善其表面粗糙度。

图5 轧制参数与氧化铁皮的关系Fig.5 Relationship between rolling parameters and oxide scales(a)—压下率与氧化铁皮厚度的关系;(b)—轧制速度
与氧化铁皮厚度的关系;(c)—压下率与表面粗糙度的关系;(d)—轧制速度与表面粗
糙度的关系。

3 结论
1)为了除去一次鳞,板坯经除鳞箱除鳞,温度应该保证在1 173℃以上。

2)炉内加热气氛对一次氧化铁皮有一定影响,采用微正压微氧化加热气氛,对除去一
次氧化铁皮有利;加热时间越长,成品板表面粗糙度越大。

3)机架前除鳞喷嘴和射流分布,对带状氧化铁皮影响明显。

合理地调整喷射角度和
定期打靶试验,可以有效预防因设备原因造成的表面缺陷。

4)降低Si和Mn含量,在成分中加入合金元素Gr可以有效抑制氧化铁皮。

5)低温精轧可以有效抑制三次氧化铁皮,可以显著改善表面质量。

6)压下率和轧制速度越大,氧化铁皮厚度和表面粗糙度越小。

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