板带热连轧中氧化铁皮的控制技术

2009年2月·第26卷·第1期
Feb. 2009　Vol.26　No.1 轧 钢STEEL ROLLING
·研究与开发·
板带热连轧中氧化铁皮的控制技术
刘振宇1,于　洋2,郭晓波2,关　菊2,王国栋1
(1.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　110004;
2.鞍山钢铁集团公司,辽宁　鞍山　114021)
摘　要:介绍了板带热连轧过程中表面氧化铁皮的结构、组成和演变规律,提出了有效抑制氧化铁皮生长、降
低红色氧化铁皮覆盖率的热轧、冷却和卷取技术路线。指出通过改变轧后卷取温度,可以控制FeO的共析反
应,从而获得“减酸洗”或“免酸洗”钢需要的氧化铁皮结构;层流冷却线增加前置超快冷装置是综合解决氧化
铁皮控制和产品力学性能保证的较佳途径。
关键词:板带热连轧;氧化铁皮;组成;结构;减免酸洗
中图分类号:TG335·55 文献标识码:A 文章编号:1003-9996(2009)01-0005-05
Techniques of Oxide Scales Control during Hot Strip Rolling
LIU Zhen-yu1,YU Yang2, GUO Xiao-bo2,GUAN Ju2, WANG Guo-dong1
(1·The State Key Lab. of Rolling and Automation,Northeastern University,Shenyang 110004,China;
2·Anshan Iron & Steel Group Co., Anshan 114021,China)
Abstract:The structure,evolution rules of oxide scales during hot strip rolling were discussed.The key points
for the control of oxide structures during hot rolling,cooling and coiling were demonstrated.The eutectic reac-
tion kinetics from FeO can be controlled by changing the coiling temperature,and the oxide structures of free
pickling can be obtained.Finally the author pointed out the super-ACC equipment setting in front of laminar
cooling line was the optimal measure to control oxide scales and mechanical properties of product.
Key words:hot strip rolling;oxide scale;composition;structure;free-pickling
收稿日期:2009-01-04
作者简介:刘振宇(1967-),男(汉族),内蒙古赤峰人,教授,博士生导师,东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点
实验室组织性能测试研究中心主任。
1　前言
随着我国国民经济的迅猛发展,我国钢铁工
业在设备条件方面已达到国际先进水平,同时也
开展了大量针对产品外形、力学性能和使用寿命
应求的情况下,一些企业忙于生产,忽视了引进技
术的消化和吸收,甚至有些花费巨资引进的高级
功能逐渐退化,最终丧失。因此,应利用目前生产
任务不紧、产量压力不大的时机,组织产学研结合
的队伍,花大力气进行引进技术的消化和吸收,破
解引进中的“黑箱”部分,不但要恢复原有的功能,
还要进行自主创新,并且根据产品开发的需要,开
发新的装备、工艺和技术,增添新的有特色的功
能,以利于今后激烈的市场竞争。
4　结语
面对即将来临的2009年,我国

轧钢行业必须
加强自主创新,不断提升企业的核心竞争力,贯彻
中央提出的“调结构、促内需、保增长”的方针。当
前应当抓紧做好:(1)加强产品结构的调整,开发
有特色的适销对路产品;(2)进行技术改造和开
发,放大原有投资、引进的效果;(3)延伸深加工链
条,提高产品的附加值;(4)加强绿色产品研发,促
进生态环境建设;(5)破解“黑箱”,在消化、吸收引
进技术的基础上创新。相信通过轧钢行业同仁们
的共同努力,一定可以化解危机,促进钢铁工业的
发展,为我国经济的可持续发展贡献一份力量。
·5·的攻关研究,使多数钢材产品的尺寸精度和性能
质量达到了国际先进水平。然而,由于长期对产
品表面质量缺乏关注,加之一些节能技术的使用
(高温热装和短时加热等),造成热轧带钢表面氧
化铁皮不易去除、带钢表面出现红锈、铁皮压入及
酸洗残留等问题,严重阻碍了产品档次的提升。
典型的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[1,2]。根据Fe-O平衡相图,在570~1371℃时,
FeO处于稳定状态;在570℃以下时,FeO发生共
析反应生成α-Fe+Fe3O4的混合物。酸洗去除氧
化铁皮过程中,FeO最容易被还原分解,Fe3O4次
之,Fe2O3最难被酸还原分解[3,4]。因此,控制热
轧板带的氧化铁皮结构是减少酸洗用酸量、提高
酸洗效率的重要途径。另外,对于某些热轧深冲
用钢如汽车大梁板等,为彻底摆脱酸洗带来的环
境负担,通过优化控制热轧过程中带钢表面氧化
铁皮的结构,目前日本等国已开发出可带氧化铁
皮进行深加工的“黑皮钢”[5,6]。这种钢表面氧化
铁皮主要由Fe3O4组成,具有较高的塑性、较薄
的厚度及与基体紧密的结合力,在深加工过程中
氧化铁皮可随基体发生变形,因此不需要通过酸
洗去除氧化铁皮。由此可见,根据用户需要,在热
轧过程中合理调整工艺参数以生成不同结构的氧
化铁皮,可达到“减酸洗”或“免酸洗”的目的。
随着我国《科技中长期发展纲要》的实施,对
冶金工业中的各生产流程提出了节能减排的严格
要求,对给环境造成根本性破坏的废酸排放的惩
治力度将空前加大,因此多数汽车等生产企业迫
切需要减酸洗和免酸洗原材料产品,即通过热轧
生产中控制钢材表面氧化铁皮的结构,使氧化铁
皮不仅在深加工变形过程中随基体发生塑性变形
而不发生剥落,同时还可以起到替代深加工过程
中润滑剂的作用。2006年前国内免酸洗钢生产
一直处于空白状态,为切实落实钢铁工业中的科
学发展观、解决一直困扰我国热轧产品的表面质
量和环境负担等问题,开发低成本、环保型减酸洗
和免酸洗钢的生产技术成为研

究热点。
2　红色氧化铁皮的生成机理及其解决方法
热轧过程中,板带表面基本形成以FeO为主
的氧化铁皮。FeO在较高温度条件下具有较高
的塑性,可以随基体发生变形而不破碎。但在低
温轧制时,FeO会发生破碎,使接触空气的比表
面积增大,从而被继续氧化成Fe2O3[7]。钢中含
Si量较高时,再加热过程中在氧化铁皮和基体之
间容易生成FeSi2O4,将铁皮牢固粘黏在基体上,
在后续热轧过程中容易被压入,还易导致热轧过
程中铁皮的破碎而形成红色铁皮。图1示出的是
高Si钢的典型氧化铁皮断面结构。因此,优化钢
中Si含量、优化除鳞工艺和热轧温度制度以防止
热轧过程中FeO破碎是消除带钢表面形成红色
氧化铁皮的关键。
图1　热轧集装箱板表面氧化铁皮的断面结构
研究还发现[8],热轧带钢成品表面红色氧化
铁皮的比例与进精轧时氧化铁皮厚度有直接关
系,如图2所示。可以看出,精轧前带钢表面氧化
铁皮厚度越薄,成品钢板出现红色氧化铁皮的几
率越低。因此,精轧前氧化铁皮厚度应控制在尽
可能薄的范围内,以消除红色氧化铁皮。采用
Liu等关于恒温氧化动力学估算复杂变温过程中
氧化动力学的数值模型[9],对不同热轧工艺制度
(见图3)的氧化铁皮生长情况进行了模拟计算,
如图4所示[10]。结果表明,提高终轧温度、缩短
道次间隔时间,可以使氧化铁皮厚度降低至8μm
以下,达到完全消除红色氧化铁皮的水平。
图2　低Si和高Si钢板精轧前表面氧化铁皮厚度
与成品红色氧化铁皮比例的关系
·6·轧 钢 2009年2月出版图3　不同的热轧工艺制度
1-常用工艺;2-生产SPA-H钢板的新工艺;3-生产
L360钢板的新工艺;4-生产Q235B钢板的新工艺
3　热轧过程中氧化铁皮结构的变化规律
板带热轧过程中氧化铁皮结构控制的目标在
于实现Fe3O4和FeO的含量和比例的控制。虽
然热轧过程中形成的氧化铁皮主要以FeO为主,
但Fe3O4含量随热轧工艺参数还是会发生一定
程度的变化。图5示出了采用热模拟实验模拟热
轧过程中开轧温度和终轧温度对Fe3O4含量的
影响规律[11]。可以看出,随轧制温度的提高,氧
化铁皮中Fe3O4相对含量会有所提高。
热轧带钢在卷取过程中氧化铁皮会发生共析
反应转变成α-Fe+Fe3O4混合物,氧化铁皮结
构控制的关键很大程度在于对FeO等温转变行
为的控制。到目前为止,关于热轧带钢表面FeO
在不同温度条件下的转变行为的系统研究还不
多,基于氧化铁皮结构控制工艺中关于卷取温度
的控制策略也无明确的理论依据。因此,弄清不
同温度和时间条件下FeO的转变行为,是制定以
氧化铁皮控制为目标的热轧工艺的关键环

节
之一。
图4　采用新的轧制工艺后,氧化铁皮厚度在不同阶段演变情况的模拟计算结果
a)粗轧阶段;b)精轧阶段;c)卷取阶段
图5　轧制温度对氧化铁皮中Fe3O4含量的影响
a)开轧温度对Fe3O4含量的影响;b)终轧温度对Fe3O4含量的影响
图6示出了SPHC钢板表面形成的FeO在空
气条件下等温转变的温度-时间“C”曲线关系。可
以看出,在650℃以上等温保持时,FeO基本不发
生先共析和共析反应,因此在这一温度下进行轧后
卷取对于生产氧化铁皮中FeO含量较多的“减酸
洗”钢是有利的;而在450~550℃进行等温保持
时,处于FeO向Fe3O4转变的“鼻尖”温度范围,对
于生产氧化铁皮中Fe3O4含量较高的“免酸洗”钢
是有利的。FeO发生共析反应时,还会生成一定
量的α-Fe,典型的FeO共析产物如图7所示。氧
化铁皮中存在单质Fe会一定程度上降低钢材的
耐候性,因此在“免酸洗”钢的生产和运输过程中
·7·第26卷·第1期 刘振宇等:板带热连轧中氧化铁皮的控制技术应注意保护产品表面不受雨水等的浸湿。
图6　空气条件下SPHC钢板表面FeO
等温转变的温度-时间关系
图7　典型FeO共析产物(Fe3O4+α-Fe)
的断面形貌
4　热轧板带氧化铁皮控制技术及发展方向
根据热轧过程中氧化铁皮的演变特点,氧化
铁皮控制技术的主要技术路线是:在热轧过程中,
优化除鳞工艺以彻底去除炉生和二次氧化铁皮、优
化热轧温度制度以避免FeO的破碎、优化轧制节
奏以降低氧化铁皮厚度;在卷取过程中,根据实际
需要设定卷取温度,以控制FeO的共析反应
(4FeO→Fe+Fe3O4),即:需要减酸洗冷轧供料
(FeO含量较高)时,卷取过程中应制定抑制共析
反应的卷取工艺;需要免酸洗结构钢热轧板带
(Fe3O4含量较高)时,卷取过程中应制定促进共析
反应的相应工艺,如图8所示。采用氧化铁皮控制
技术,在不增加成本的前提下可消除红色氧化铁
皮,降低铁皮厚度至6~8μm。氧化铁皮控制前后
铁皮结构及组成的对比如图9所示。冷轧原料钢
板氧化铁皮结构改变、厚度减薄之后,冷轧酸洗机
组酸洗速度可提高20%。
图8　氧化铁皮控制工艺与常规工艺的比较
图9　传统工艺与氧化铁皮控制技术生产的SPCC钢表面氧化铁皮结构对比
a)传统工艺;b)采用氧化铁皮控制技术后
采用氧化铁皮控制技术开发出主要含Fe3O4
氧化铁皮的直接冲压用免酸洗汽车结构用钢已在
卡车生产中大量使用,取消了酸洗工序,推进了汽
车生产的节能减排。冲压成汽车梁后,“黑皮钢”
表面均匀一致,涂漆后的盐雾腐蚀试验表明,使用
寿命远超过日本标准(200h)。而传统510L大梁
板由于其表面氧化铁皮结构不均匀,经酸洗后易
出现“斑秃”

现象,不利于涂漆的均匀性。以氧化
铁皮控制技术为基础生产出来的免酸洗和减酸洗
结构钢今后有望进一步扩大应用到其他车型生产
线,那样环保效果将会更加明显,对我国钢铁工业
可持续健康发展起到积极的促进作用,符合国家
对冶金企业走绿色环保、可持续发展的要求。目
前,全国共有卡车制造厂20多家,年产量175万
辆,如果所有卡车生产厂家都取消酸洗工序,每年
可以少排放废酸达5万t以上。
目前我国自主研发的氧化铁皮控制技术与日
本等国家同类技术相比,基本处于相同水平,例如
在氧化铁皮厚度控制方面,完全可以达到6~
8μm的水平;在氧化铁皮结构控制方面,生产免
酸洗钢时,Fe3O4含量可以达到80%以上,符合
日本关于“免酸洗”钢的标准要求,而上述指标是
·8·轧 钢 2009年2月出版在未进行设备改造和额外添加其他合金元素的条
件下达到的。我国目前拥有10余条薄板坯连铸
连轧生产线,因其热履历有别于常规生产线而导
致的产品表面缺陷阻碍了薄板坯连铸连轧技术的
发展,其加热温度、开轧温度、终轧温度和卷取温
度的调整范围较窄,因此开发与产品相结合的薄
板坯连铸连轧氧化铁皮控制技术是今后发展的一
个方向。
另外,值得注意的是,在氧化铁皮控制过程
中,希望尽可能在较高温度下完成轧制以保证
FeO不发生破碎。但是,这种高温轧制无疑会降
低钢材的力学性能,因此,必须适当改变后续的冷
却工艺来弥补因控制氧化铁皮而造成的产品强度
损失。新日铁公司在生产用于“免酸洗”的致密氧
化铁皮钢(Tight Scale Steel)时,轧后第1阶段的
冷却速度超过了60K/s[5]。国内生产“免酸洗”钢
时,也要适当加大轧后冷却速度,不仅是为了控制
FeO的共析反应,而且可起到补偿强度损失的效
果。采用上述技术路线,会对轧制和冷却过程中
微合金元素(如Nb)的沉淀析出行为有很大影响,
造成传统工艺中奥氏体相中发生的应变诱导析出
减少,代之以在铁素体相中发生较大程度的沉淀
析出。图10是传统工艺和氧化铁皮控制相适应
的新一代TMCP工艺中微合金元素沉淀析出比
较的示意图。铁素体中的沉淀相析出温度较低,
沉淀相的尺寸较小,会产生更大的沉淀强化效果。
因此,从国内外氧化铁皮控制技术实施的情况来
看,层流冷却线前段增加超快冷段是综合解决氧
化铁皮结构控制并保证产品力学性能的较佳途
径。
图10　氧化铁皮控制工艺过程中沉淀析出行为与传统工艺中沉淀析出行为的对比
5　结论
(1)开发出了适合于复杂变温情况的计算氧
化铁皮厚度变化的理论方法和计算机程序,确定
了有效抑制氧

化铁皮生长、降低红色氧化铁皮覆
盖率的热轧、冷却和卷取技术路线。
(2)实验研究发现,钢基体与氧化铁皮结合处
存在的Fe2SiO4可导致热轧带钢表面形成红色氧
化铁皮,1173℃以上进行开轧前除鳞可有效消除
红色氧化铁皮。
(3)通过改变轧后卷取温度,可以控制FeO
的共析反应,从而获得“减酸洗”或“免酸洗”钢需
要的氧化铁皮结构。
(4)层流冷却线增加前置超快冷装置是综合解
决氧化铁皮控制和产品力学性能保证的较佳途径。
参考文献:
[1] Wolf M M. Scale Formation and Descaling in Continuous
Casting and Hot Rolling[J].Iron Making and Steel Making,
2000,(1):22-43.
[2]吴祝民.热轧带钢氧化铁皮的成因及对策[J].轧钢,2007,24
(3):56-58.
[3]张孟仪,邵光杰.热轧板的氧化皮结构对酸洗效果的影响[J].
上海金属,2007,29(3):43.
[4]王银军,穆海玲,董汉君,等. SPHC热带氧化铁皮酸洗困难原
因分析及对策[J].轧钢,2006,23(4):51-54.
[5]Kashiwazaki Kichiya,Ogura Takahiko,Urabe Toshiaki.Man-
ufacture of Checkered Steel Plate Having Tight Scale[P].Ja-
pan:JP10235424.
[6]王国栋,刘相华.日本热轧带钢技术的发展和现状[J].轧钢,
2007,24(1):1-6.
[7] Tomoki Fukagawa, Hikaru Okada,Yasuhiro Maehar. Mecha-
nism of Red Scale Defect Formation in Si Added Hot Rolled Steel
Sheets[J].ISIJ international, 1994, 34 (11):906-911.
[8] Hikaru Okada, Tomoki Fukagawa, Haruhiko Ishihara, et
al. Prevention of Red Scale Formation during Hot Rolling of
Steels[J]. ISIJ International,1995, 35(7): 886-891.
[9] LIU Z, Gao W. A Numerical Model to Predict the Kinetics
of Anisothermal Oxidation of Metals[J].High Temperature
Materials and Processes, 1998, 17(4 ):231-236.
[10]于　洋,李清亮,刘振宇.板带热连轧过程中氧化铁皮生长动
力学的数值模拟[J].钢铁,2008,43(1):55-57.
[11]孙　彬.热轧板带氧化铁皮中Fe3O4形成机理的研究[D].
沈阳:东北大学,2007.
·9·第26卷·第1期 刘振宇等:板带热连轧中氧化铁皮的控制技术