热轧过程中氧化铁皮的生成与控制

热轧过程中氧化铁皮的生成与控制摘要：热轧带钢厂生产计划编排中,大都仅考虑轧钢制周期的变化,而很少考虑钢坯在加热过程中的氧化烧损及加热炉的节能降耗,前者对轧机状况而言,增加了产量,后者是对加热炉而言,减少了能源的消耗,资源的浪费,是有利于子孙万代的事,又适应了当今社会和谐这个大潮流。

在轧制过程中氧化铁皮的产生严重的影响了带钢的质量，这对企业和用户都是不利的因素。

为了提高我国钢铁企业的国际竞争力，国家投入了大量的人力和物力。

一大批的科研单位和个人为此作出了巨大的贡献，今天我有幸对这个问题做了一些研究，仅供参考。

关键词：氧化铁皮；氧化性气氛；缺陷；表面质量；还原性气氛；加热制度一、前言钢在常温中的生锈就是氧化的结果,在现实生活中随处可见,常温环境中,氧化速度非常慢,当温度达到200℃~300℃时就会在钢的表面生成薄薄的一层氧化铁皮.温度继续升高氧化的速度也随之加快,当温度达到1000℃以上时,氧化开始剧烈进行,当温度达到1300℃以后时,氧化铁皮就开始熔化,这时的氧化速度更为剧烈.如果900℃时烧损量作为1,则1000℃时为2,1100时就为3.5,到1300℃时则为7。

鞍钢1780生产线大都采用冷热坯混装(冷料50%,温料40%,热料10%)且钢坯材质变换频繁,板坯宽度跳跃大,从而导致钢坯在加热过程中氧化烧损增加,均热段氧化铁皮脱落严重,需要频繁的停炉清渣,浪费时间影响了加热炉的正常生产,减少了产量。

轧制中的氧化铁皮严重的影响了质量，需要进行控制。

氧化是不可避免的，但可以控制它的生成量，来减少氧化烧损的损失。

二、热轧生产中钢的氧化过程（一）加热中的氧化初生氧化铁皮与板坯本体的界面结合力主要与板坯在炉时间、空燃比和出炉温度有关。

如板坯在炉时间长、空燃比高、出炉温度高，则氧化铁皮较厚，与板坯本体的界面结合力较强，不宜彻底清除。

且出炉温度高，相应板坯在粗轧机组和中间辊道时的温度高，容易形成较厚的、界面结合力较强的二次氧化铁皮，在精轧机组前除鳞时，亦不易彻底被清除。

此外，界面结合力还与钢种有关，对于容易产生氧化铁皮压入与细孔的钢种，应采取适当的措施，在板坯进入均热段之前及时进行调节，如降低加热炉的空燃比和板坯出炉温度、缩短板坯的在炉时间等。

（二）热轧生产中钢的氧化过程氧化铁皮是在高温下在金属表面形成的一层氧化物，由以下三种薄膜层组成：Feo、Fe3o4和Fe2o3（如图1所示）。

这些薄膜之间的界面结合比氧化铁图1 氧化铁皮结构图皮层和钢表面之间的界面结合更强，所以清除氧化铁皮过程的目的即是破坏钢与氧化铁皮的界面结合。

在热轧带钢的生产过程中，从板坯加热至卷成钢卷，在带钢表面会形成四种典型氧化铁皮：1、在加热炉内生成的初生氧化铁皮；2、在粗轧机组和中间辊道上生成的二次(再生)氧化铁皮；3、在精轧机组中生成的三次氧化铁皮；4、轧后生成的四次氧化物。

三、氧化铁皮的分类氧化铁皮通过颜色及形状和图案进行鉴别。

只有正确的鉴定氧化铁皮的类型，才能针对各种氧化铁皮的成因进行有效的控制。

(一) 炉生一次氧化氧化铁皮炉生与一次氧化铁皮都是在加热炉内形成的。

但是又稍有不同。

1、炉生氧化铁皮炉生氧化铁皮是一种特殊类型的、在氧化铁皮和钢之间具有很强晶面结合力的一次氧化铁皮。

通常是板坯过热的结果，特别是在均热区过热，板坯表面温度变得非常高，以致于氧化铁皮熔回到板坯中。

如图2所示。

轧入颗粒的形状可能是轻微的锯齿状，也可能是非常光滑的泪珠状。

在精轧后的热轧薄板上可以看到一簇缺陷。

2、一次氧化铁皮一次氧化铁皮是除鳞机清除的氧化铁皮飞溅到(弹回)板坯上表面，而被轧入钢板表面形成的。

在粗轧机组呈现为黑色颗粒，其形状如图3，在精轧后的热轧薄板上显现为一个或一组锯齿状水滴。

一次氧化铁皮只发生在上表面，且远离边部，在钢卷尾部更常见到。

（二）耐火物氧化铁皮耐火物氧化铁皮是耐火材料和炉生氧化铁皮的组合。

其产生的原因之一是熔点低的耐火材料滴到板坯表面形成的氧化物，一旦耐火物氧化铁皮在钢坯表面产生，它就阻止炉生氧化铁皮进一步氧化并将自身粘附在钢板上，如图4所示，在热轧板表面上耐火物氧化铁皮的颜色取决于所使用的耐火材料种类，可能是红的、桔红、紫色、棕色或黑色。

图4 耐火物氧化铁皮（三）二次氧化铁皮二次氧化铁皮是在板坯的第一次除鳞之后形成的。

它的厚度与板坯的化学成分、温度、前一次除鳞效率和除鳞后的氧化时间有关。

虽然二次氧化铁皮的单个晶粒尺寸很小，但它们通常是成组的，如图5，由二次氧化铁皮引起的表面缺陷在终轧后的热轧薄板上会呈现为轻度锯齿形的水滴a，波纹图案b，光滑的水滴c和流线型微粒或平滑的污斑区域d。

因为晶粒尺寸小，所以二次氧化铁皮的图案比一次氧化铁皮的图案窄得多。

（四）红色氧化铁皮红色氧化铁皮是一个用以定义与FeO有关的不同种类氧化铁皮的术语。

它们的颜色绝大多数呈铁锈红，但也呈现出从灰红到灰黑色各种各样的颜色，大致与温度有关。

化学成分是影响红色氧化物颜色的因素之一。

其中硅和铌对铁皮的颜色有一定的影响。

如果红色氧化铁皮在温度较高的粗轧发生，铁皮会有紫色或更深的颜色，如果是精轧发生，会有桔红色或铁锈红色。

红色氧化铁皮的形成产生于加热内，在一定的条件下，生成所谓的粘性氧化铁皮。

一次除鳞后，氧化铁皮在FeO和Fe3O4之间的中间膜破裂，因此以红色氧化物的形式残留在钢板表面上。

红色氧化物和板坯的粘结力非常强，以致于可经受多次除鳞操作。

1、水滴状红色氧化铁皮此缺陷出现在精轧后的热轧薄板上，水滴图6 水滴状红色氧化铁皮形状非常均匀，且表面缺陷的边缘非常光滑，颜色通常为铁锈红，如图6。

这种缺陷可以在薄板表面的不同部位看到，但主要出现在上表面。

经调查后发现，水滴状红色氧化铁皮起因为水滴飞溅到精轧机架之间被轧制的薄板上，特别是在F1、F2和F3轧机区内。

2、斑点状红色氧化铁皮斑点状红色氧化铁皮分为一次和二次氧化铁皮，形状如图7所示。

一次斑点状红色氧化铁皮发生在粗轧阶段，其图案常常包括几何角、锯齿形直线，图7 一次斑点氧化铁皮二次斑点状氧化铁皮边缘有任意形状的压痕或上表面以斑点出现。

二次斑点状红色氧化铁皮是在二次除之后形成的。

该铁皮起因于该处大多数是FeO的氧化物的激冷。

表面缺陷呈现为自由形式或斑点状图案，其侧边是非常光滑的，这种缺陷主要出现在轧后薄板的上表面。

3、直线型红色铁皮直线型红色氧化铁皮通常以非常精致的流线型图案出现在精轧后的热轧薄板上，看上去有点象铁锈红色的划痕。

如图8所示。

一般可能在距边部6-18mm内呈细线出现或距边部更远些扩展成更粗的线a，也可能处在带钢中部b，直线型红色氧化铁皮的另外形式看起来可能像沿边部涂上色的红色氧化物c。

在带钢中部的划痕图案大多数在上表面出现，而其它形式在上下表面都能看到。

图8 直线型氧化铁皮图9 尾端红色氧化铁皮4、尾端红色氧化铁皮尾端红色氧化铁皮发生在钢卷的尾端。

它看起来像沿着尾端轮廓50-125mm宽的一条红色氧化物带，如图9。

这种表面缺陷在切除端部的卷材上看不到。

但它经常出现在尾端弯曲的带钢上。

（五） 喷嘴堵塞氧化铁皮此种铁皮是一种轧入的一次，二次氧化铁皮或者甚至是红色氧化铁皮，在轧制方向上呈现为条纹图案，如图10所示。

一般是由遗漏除鳞喷嘴(a)或喷嘴堵塞(b)造成的。

（六） 回跳氧化铁皮回跳氧化铁皮是一种特殊类型的二次氧化铁皮。

二次除鳞后，氧化铁皮被破裂成非常小的微粒，这些微粒会飞向F1轧机并掉进水里或落在带钢上面。

然后这些微粒被咬入轧机并轧入带钢。

表面缺陷出现在精轧的热轧薄板上，像一个中间带坑的短流线无光泽区(图11)。

（七）轧辊磨损氧化铁皮与轧辊磨损有关的氧化铁皮主要包括盐和胡椒状氧化铁皮、热图案氧化铁皮和缠辊造成的氧化铁皮。

盐和胡椒状铁皮(图12)及热图案状铁皮(图13)得名于在热轧板上的形状，二者由相同的现象引起，但后者常发生在较厚的薄板上。

一般认为，由于前几架轧机是在较高的轧制温度和较低的速度下轧制的，所以在F2机架的入口前氧化物生长的速率增加，在F2机架工作辊磨损引起精轧氧化铁皮破碎时，这些破碎了的微粒由轧辊带进并在第二个旋转周图10 堵塞喷嘴氧化ab图11 回跳氧化铁皮图12 盐和胡椒状氧化铁图13 热图案氧化铁期嵌入带钢。

工作辊的剥落和缠辊都是轧辊表面损坏的结果。

轧辊破坏后的粗糙表面把氧化膜从带钢表面撕下来，氧化膜就缠绕在轧辊上，在下一个旋转周期被嵌回到带钢表面，通常最厚的氧化铁皮微粒位于剥落区周围(图14)。

盐和胡椒氧化铁皮在这个图案的边界内侧可以看到。

当一个轧辊在缠绕它的圆周内被完全削落时，表面开始自行抛光，氧化铁皮会消失图14 轧辊磨损氧化铁皮（（八）氧化铁皮细孔氧化铁皮细孔是三次氧化铁皮压入钢板表面造成的，在热轧板上一般观察不到，用手触摸时略有凸凹感，但经冷轧酸冼后，可以见到微小的芒刺状的表面。

此现象是较严重的表面缺陷之一。

四、炉生氧化铁皮（一）钢的氧化钢的氧化是炉中的氧化性气体,如O2,CO2,H2O,SO2与钢进行化学反应的结果,根据氧化程度的不同,氧化时生成了几种不同程度的铁氧化物—Fe2O3、Fe3O4、FeO。

钢的氧化过程不仅是化学过程,而且还是物理过程(即扩散过程).首先是炉气中的氧在钢的表面被吹附后便发生以上的化学反应.而开始生成一层氧化铁皮层,以后继续氧化,则是铁和氧原素透过生成的氧化铁皮薄层向相反方向相互扩散,首先是化学反应的结果,在一个方向与氧化素透过生成氧化铁皮向钢的内部扩散,在另一个方向上,则是铁的离子也向氧化铁皮内部扩散.当两种元素在相互扩散中相遇时,便发生相应的化学反应而生成铁的氧化物,内层因为铁离子浓度大于氧原子浓度因而生成低价氧化铁皮,最外层为高价氧化铁Fe2O3,图15表明了氧化铁皮结构分层情况。

由示意图中可以大致看出各层占的比例,实验结果指出：一般认为,钢的氧化受加热温度,加热时间,炉气成分,钢的成分影响较大。

总而言之,钢的氧化就是钢在高温炉内进行加热时,由于炉气中有大量的氧化性的氧气,二氧化碳,水使钢的表面氧化,氧化不仅造成钢的直接烧损,而且使氧化铁皮堆积在炉底上,不仅使耐火材料受到损坏，而且有时由于炉子积渣过多使加热炉被迫停产。

（二）影响氧化的因素影响氧化的因素有：加热温度，炉气成份，钢的成份，这些因素中炉气成份，加热温度，钢的成份，坯料的尺寸，对氧化的速度有较大的影响，而加热时间主要影响钢的烧损量。

1、加热时间的影响在同样的条件下，加热时间越长，钢的氧化烧损量就越来越多。

开始时氧化铁皮随时间的增长比较快，而后渐渐减缓。

这里是因为形成氧化铁皮后，阻碍了扩散，但是氧化铁皮并不是很致密的，不能完全继续氧化，因此还是应当尽可能缩短加热的时间。

例如焊高炉温可能会使氧化增加，但如果能实现快速加热，反而可能使烧损由于加热时间缩短而减少，又如钢的相对表面越大,烧损也越大，但如果由于受热面积增大使加热时间缩短，也可能反而使氧化铁皮减少。