热轧带钢氧化铁皮表面缺陷的产生及对策

热轧带钢氧化铁皮表面缺陷的产生及对策
[我的钢铁] 2009-02-16 07:02:16
1氧化铁皮分类
氧化铁皮是热轧钢带较常见的一种产品质量缺陷，按照生成部位不同一般分为炉生氧化铁皮、粗轧和精轧氧化铁皮和卷取后氧化铁皮和保护渣去除不净铁皮。

2氧化铁皮产生机理
氧化铁皮的生成一般是由于钢坯在加热炉内加热或高温状态下与氧化性气氛接触后发生化学反应生成Fe304、Fe203、FeO的一种混合物。

当温度高于700℃时，FeO在最接近钢坯的内层形成，占95％；Fe304在中间层形成，占4％；Fe203在最外层形成，占1％。

3炉生氧化铁皮
炉生氧化发生在加热炉内，同化学成分、加热温度、在炉时间、炉内气氛有关。

加热温度越高、在炉时间越长、炉内氧化性气氛越强则越容易生成铁皮。

化学成分中C、Si、Ni、Cu等元素促进氧化铁皮生成，Mn、Al、Cr可以减缓氧化铁皮的生成。

例如：生产中常见的含Si钢、高碳钢和高强钢在钢带通条长度，整个板面均有分布的氧化铁皮，且下表面较上表面重，由于含Si钢中低熔点(1170℃)的化合物FeSi204在氧化铁皮和钢基体之间产生，这种呈楔形的氧化物在随后的轧制过程中保留下来形成棕红色的氧化铁皮。

4轧制过程氧化铁皮
粗轧氧化铁皮的清除与粗轧除鳞水压力、水嘴角度、水质、立辊侧压能力等有关，除鳞水压力越高、立辊侧压越大则氧化铁皮除鳞效果越好。

精轧区氧化铁皮分为水系统铁皮和轧辊生成铁皮。

水系统铁皮是指除鳞水、侧喷水、除尘水等压力不足，水嘴角度、高度不正确，或不投入、堵塞，在高温下钢带与空气中的氧结合而生成氧化铁皮不能及时扫射掉由工作辊压入而生成的氧化铁皮。

另外，侧喷水也可以抑制氧化铁皮的生成。

正常生产时，精轧除鳞水、除尘水必须投入使用。

但有时生产薄规格产品时，为了保证板形，降低钢板边部温降，提高轧制稳定性，防止甩尾，往往不投入侧喷水，导致精轧机架内生成的铁皮不能及时被除去，氧化铁皮压入钢板表面。

精轧机组的另一种氧化铁皮缺陷是所谓辊生氧化铁皮，其产生机理见图3。

影响辊生氧化铁皮的主要因素有轧辊材质以及轧辊温度。

轧辊表面与钢板表面接触时，瞬间高温，表面温度急剧升高而膨胀(一般热轧轧辊接触瞬间温度为600～800℃)，呈现较高的压应力；轧件离开轧辊时，轧辊由于冷却水的冷却而急剧降温(精轧机架轧辊温度一般为60～90℃)，表面转呈拉应力，如此反复，在轧辊表面易出现疲劳裂纹，造成表面氧化膜破损，破损表面印入钢板表面，形成辊生氧化铁皮缺陷。

一般辊生氧化铁皮发生在精轧前三机架，即F1、F2和F3，主要是由于前三架轧辊表面温度高，导致轧辊表面氧化膜破裂，产生辊生氧化铁皮。

由图4可见，加热温度1230℃，进精轧温度950～1010℃时，即图中阴影为无铁皮区域。

进精轧温度1030～1080℃之间氧化铁皮严重，进精轧温度在950～1030℃之间，没有氧化铁皮或氧化铁皮较轻。

根据各热轧厂设备及所生产钢质不同，进精轧温度控制在950℃生产高强钢或高碳钢时，前三架轧制力过高，可能损坏设备，建议根据轧辊材质不同进精轧温度应控制在950～1030℃，可有效降低上游机架轧辊温度，减少辊生氧化铁皮的发生。

5卷取产生氧化铁皮
卷取后氧化铁皮转变速度非常快，钢卷刚刚从卷取机出来时，表面呈现白色粉末状条带分布，宽窄不一，十几分钟后转变成深色氧化铁皮，作用机理目前尚不清楚。

同一钢卷出卷取机瞬间和15分钟之后步进梁上表面生成氧化铁皮表面形貌
的对比非常明显。

一般情况下由于卷取温度低，生成的铁皮层较薄，同时由于卷取形成的钢带表面张力与铁皮生成时的压应力互相抵消，使得氧化铁皮与钢板表面结合非常致密。

6保护渣卷入形成的表面缺陷
保护渣卷入也可以生成氧化铁皮，且很难除去。

图5和图6为短流程生产集装箱钢SPA-H氧化铁皮酸洗前后的照片对比。

由照片5可见，氧化铁皮主要集中在钢带边部呈棕红色，酸洗后钢板表面呈灰色，但钢板边部仍存在条状深灰色。

经扫描电镜分析，深灰色条状物主要成分为K+、Ca2+、Na+，是保护渣的主要成分。

7减少氧化铁皮缺陷的措施
(1)通过降低加热温度、减少在炉时间、调节炉内气氛为偏还原性气氛，抑制炉生氧化铁皮生成；
(2)可通过提高除鳞水压力，调整优化水嘴高度、角度，提高立辊侧压能力减少粗轧氧化铁皮；
(3)降低辊生氧化铁皮措施：采用抗热裂性好的轧辊材质，采用合理的磨削制度，及时彻底地去除轧辊表面残余裂纹；采用润滑轧制，提高轧辊表面质量，降低机架单位轧制力，防止因为单位轧制力过大导致轧辊表面微裂纹扩展而产生辊生氧化铁皮；轧辊冷却水机架入口水量小于出口水量，加大中间机架轧辊冷却水量，保证轧辊迅速冷却；进精轧温度≤1030℃，降低精轧上游机架辊温。

(4)精轧机架侧喷水投入，可减少氧化铁皮压入；
(5)提高保护渣质量，减少保护渣卷入，保证钢坯除鳞效果可减少保护渣铁皮
(6)优化钢质化学成分，不影响力学性能和其它性能的基础上，尽量减少C、Si元素含量，提高Mn、A1含量，对热轧厂减少氧化铁皮更为切实有效。

（来源：制钢参考网）
氧化铁皮的成因及消除方法
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氧化铁皮
氧化铁皮的形成过程也是氧和铁两种元素的扩散过程，氧由表面向铁的内部扩散，而铁则向外部扩散。

外层氧的浓度大，铁的浓度小，生成铁的高价氧化物；内层铁的浓度大，而氧的浓度小，生成氧的低价氧化物。

所以氧化铁皮的结构是分层的。

一般氧化铁皮的层次有三层：最外一层为Fe2O3 ，约占整个氧化铁皮厚度的10%，其性质是:细腻有光泽、松脆、易脱落；并且有阻止内部继续剧烈氧化的作用；第二层是Fe2O3和FeO的混合体，通常写成Fe3O4，约占全部厚度的50%；与金属本体相连的第三层是FeO，约占氧化铁皮厚度的40% ，FeO的性质发粘，粘到钢料上不易除掉。

氧化铁皮的厚度可利用一下关系式计算：
（3-6）
式中：
a—钢的表面烧损量，kg/m2；
氧化铁皮可分为一次氧化铁皮、二次氧化铁皮、三次氧化铁皮和红色氧化铁皮。

3.2.1一次氧化铁皮
钢在热轧前，往往要在1100~1300℃加热和保温。

在此温度下,钢表面于高温炉气接触发生氧化反应，生成1~3mm厚的一次鳞以及由粗轧侧压不充分、除鳞不彻底所致。

该一次鳞也称为一次氧化铁皮。

一次鳞的内部存在有较大的空穴，一次氧化铁皮为灰黑色鳞层，呈片状覆盖在钢板表面。

鳞层主要成分由磁铁矿(Fe3O4)组成。

3.2.2二次氧化铁皮
热轧钢坯从加热炉出来后，经高压水除去一次鳞后，即表面氧化铁皮脱落，进行粗轧。

在短时间的粗轧过程中钢坯表面与水和空气接触,钢坯表面产生了二次鳞，也称为一次氧化铁皮。

二次鳞受水平轧制的影响厚度较薄，钢坯与鳞的界面应力小，所以剥离性差。

如果喷射高压水不能完全除去二次鳞,鳞残留在钢板表面的情况下进行精轧，产品表面就会出现缺陷。

二次氧化铁皮为红色鳞层，呈明显的长条、压入状，沿轧制方向带状分布，鳞层主要成分由方铁矿(FeO)、赤铁矿(Fe2O3)等微粒组成。

3.2.3三次氧化铁皮
热轧精轧过程中，带钢进入每架轧机时都将产生表面氧化铁皮层。

轧制后通过最终的除鳞或在每架轧机之间时还将再次产生氧化铁皮。

因此，轧辊作用下的带钢表面条件将取决于进入各架轧机前形成的氧化铁皮的数量和特性。

这时的氧化铁皮称为三次氧化铁皮，因为它是在除鳞之后。

进入精轧机之前形成的。

三次氧化铁皮缺陷肉眼可见：黑褐色、小舟状。

相对密集、细小、散沙状地分布在缺陷带钢表面,细摸有手感，酸洗后在带钢表面缺陷处留下深浅不一的针孔状小麻坑，它们在正常热轧带钢的表面上是看不见的。

在低倍金相显微镜下，缺陷带钢和正常带钢表面的观察结果如图3-4和图3-5所示：
图3-4带钢表而氧化铁皮缺陷形貌图3-5正常带钢表而的形貌
3.2.4红色氧化铁皮
红色氧化铁皮仅发生在高硅含量等特定的钢种上，主要由于在钢坯加热过程中，表面氧化物与基体金属强烈啮合所致。

无明显深度，呈不规则片状。

红色氧化铁皮分两种：一种在板宽方向非均匀分布，主要分布在中间，偏向操作侧，红色与兰色处有明显水印，在钢板长度方向上也不均匀，个别部位稍轻些。

这种红色氧化铁皮较厚，矫直时可崩起，可用高压风吹去，残余红色很易擦下色，此红色氧化铁皮称红锈较贴切。

另一种红色氧化铁皮沿板宽分布比较均匀，一般靠边部100mm内稍重些，卷外部比内部重些。

这种红色氧化铁皮较薄，不易擦下色，钢板越厚红色越重。

这种红色氧化铁皮其他一些钢种也存在，具有一定的普遍性。

唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司可提供去处氧化铁皮的技术和设备。

热轧带钢氧化铁皮的成因及对策
摘要：通过分析氧化铁皮的组成、结构和性质，结合宝钢集团梅山钢铁公司热轧板厂带钢氧化铁皮的现状，对氧化铁皮的形成原因进行了分析，并提出了减少带钢氧化铁皮质量缺陷的对策。

关键词：热轧带钢；氧化铁皮；控制措施
随着钢坯表面温度、加热和冷却制度、周围介质含氧量等因素的不同，钢坯表面氧化铁皮的成分与结构也因之而异。

热轧时压入板坯表面的氧化铁皮酸洗后在带钢表面留下深浅不一的麻坑，尤其是一次氧化铁皮的压入，酸洗后在粗糙的坑底常伴有未洗净的氧化铁皮颗粒，严重影响冷轧板的表面质量。

1 氧化铁皮概述
1．1 氧化铁皮的形成
高温下带钢表面首先形成的氧化物可能是致密的Fe3O4，也可能是疏松的FeO。

若是前者，氧化铁皮的进一步生成靠氧和铁离子的扩散来进行；若是后者，空气中的氧可通过多孔、疏松的氧化铁皮与铁反应，使氧化铁皮加厚和致密化。

当温度低于570℃时氧化铁皮基本停止形成。

1．2氧化铁皮的组成和结构
铁的氧化过程是：Fe—FeO(含氧量23．26％)一+Fe3O4(含氧量27．64％)一Fe2O3(含氧量30．04％)。

铁氧系的热力分析证明，在氧化过程中产生许多独立相：铁内氧化物固溶体、富氏体(接近FeO的相)、Fe3O4、Fe2O3及氧化物固溶体。

典型的氧化铁皮结构如图1所示。

图中三者的组成比例约为：1 % Fe2O3。

、4％Fe3O4、95％FeO。

热轧终轧温度一般为870℃左右，随后是快速冷却，因此氧化铁皮一般由3层结构组成：最下层的富氏体(FeO和Fe3O4固溶体)、中间层的Fe3O4和最上层的Fe2O3。

氧化铁皮厚度及结构的影响因素有：
(1)终轧温度及卷取温度。

温度越高，带钢表面的氧化铁皮越厚，且氧化铁皮中难溶的Fe2O3及Fe3O4。

含量越高。

(2)带钢规格。

带钢越厚，表面氧化铁皮越厚。

窄带钢表面的氧化铁皮为典型的3层结构，宽带钢大多为一层Fe3O4，有时也会在Fe3O4层中夹杂着明显的FeO 变态层。

(3)氧化铁皮在钢卷中的位置。

由于带钢头、尾及边部在冷却时与空气接触多，因而氧化铁皮结构中Fe2O3及Fe3O4含量相对较高。

(4)冷却方式。

带钢冷却速度越慢，生成的氧化铁皮越厚，且氧化铁皮中难熔的Fe2O3及Fe3O4含量越高。

1．3 氧化铁皮的性质
1．3．1 紧密度
氧化铁皮内层是疏松、多孔的细结晶组织，主要由氧化亚铁(FeO)组成；中间层是致密、无孔和裂缝、成玻璃状断口的磁性氧化铁(Fe3O4)；外层是结晶构造的氧化铁(Fe2O3)。

1．3．2 内应力
金属的内应力小于表面氧化铁皮的强度时，氧化铁皮会产生裂缝；内应力大于氧化铁皮在金属表面的附着力时，氧化铁皮会从金属表面脱落。

基体铁表面越粗糙，内应力越大，氧化铁皮破碎和脱落的可能性越大。

1．3．3 附着力
附着力一般用破坏应力来衡量，附着力越大，破坏应力越大。

FeO、Fe3O4、Fe2O3的破坏应力分别约为0．4、40、10MPa。

氧化铁皮与基体铁的附着力越大，氧化铁皮越难从基体铁上脱落。

1．3．4氧化铁皮厚度
带钢表面氧化铁皮厚度一般为7．5～15μm，有时可达20μm。

其中最内层的FeO层约占80％，中间的Fe3O4占18％，最外层的Fe2O3仅占2％。

1．4 氧化铁皮厚度及结构对酸洗的影响
酸洗时间的长短主要取决于氧化铁皮的结构和厚度。

氧化铁皮的厚度与不同成分氧化铁皮酸洗时间的关系及终轧温度与酸洗时间的关系分别如图2和图3所示。

2 梅山热轧厂带钢表面氧化铁皮质量问题
梅山热轧厂采用的是全连续宽带热连轧机，在精轧飞剪前设有中间机架F0。

该生产线具有轧线长、轧机多的特点，仅粗轧区长度即为163m。

粗轧区有5架水平轧机(R1、R2、R4、R5、R6)，4架立辊轧机(VSB、E4、E5、E6)，在VSB后及每台轧机前
都设有高压水除鳞装置，其配置见图4。

自生产线投产以来，氧化铁皮缺陷成为梅山热轧板厂主要的产品质量问题。

2．1 氧化铁皮的形态
氧化铁皮的形态主要有以下几种：
(1)通条大面积氧化铁皮。

属于一次氧化铁皮压入，其表现为压入程度上有深孔，呈散沙状或纺锤状，是系统除鳞压力低于额定压力所至。

造成系统除鳞压力低的原因是除鳞泵、叶轮、蓄时器压力突然降低。

(2)通条弥散状氧化铁皮。

如果钢坯加热温度过高，中间坯温度在氧化铁皮熔点(1050℃)以上，R6机架出口后的中间坯会形成很薄的氧化铁皮，粘附在钢坯上。

到F0机架时生成的氧化铁皮还处于熔化状态，除鳞机难以去除，形成二次氧化铁皮。

立辊除鳞仅破碎带钢边部的氧化铁皮，梅山热轧板厂的立辊破鳞效果还达不到钢坯中部，中部的氧化铁皮靠除鳞机的高压水去除，所以控制加热温度更加重要。

粗轧产生的氧化铁皮基本上是一次氧化铁皮，要将其去除，首先必须使带钢温度低于氧化铁皮的熔点温度；其次必须保证除鳞工作压力正常，确保高压水将固化后的氧化铁皮清除干净(粗轧除鳞系统压力应在16MPa以上，带钢温度应在氧化铁皮熔点之下)。

水波纹状通条氧化铁皮的产生是因为除鳞集管上某些水嘴堵塞，堵塞的除鳞水嘴越靠前，氧化铁皮压入越深。

在检修或换辊期间经常检查水嘴工况，可避免产生此类氧化铁皮。

(3)头部内圈氧化铁皮。

头部内圈产生的氧化铁皮基本属于二次氧化铁皮，头部氧化铁皮有的长100～120m，有的不足10m，甚至一炉钢内同一批相邻两块钢头部氧化铁皮的长短也不同。

用调时序的办法未能解决。

通过反复跟踪研究得出：头部氧化铁皮的形成与钢坯头部温度高于氧化铁皮熔点温度有关。

要减少带钢头部氧化铁皮缺陷，中间坯头部温度应控制在氧化铁皮熔点以下，因为当钢坯表面温度高于氧化铁皮熔点时，钢坯表面的氧化铁皮处于熔化状态，粘附在钢坯表面上，高压除鳞水无法清除干净；当钢坯表面温度低于氧化铁皮熔点时，钢坯表面氧化铁皮因凝结固化作用与钢坯表面脱离，高压除鳞水很容易将固化的氧化铁皮去除。

为此，生产中规定：出炉钢坯头部温度要比尾部温度低40℃以上；同时尤其强调当钢坯在炉时间长、头部温度过高时，必须手动打开R2除鳞装置，以降低靠近带坯头部1／3长度处的温度，强制中间坯头部温度降到氧化铁皮熔点以下。

通过以上措施，基本上能防止头部内圈氧化铁皮的产生。

(4)断续条状氧化铁皮。

2004年底至2005年初生产的带钢，有较多的不带保护渣的断续条状氧化铁皮和带保护渣的断续条状氧化铁皮。

①不带保护渣的断续条状氧化铁皮产生的原因主要是：除鳞集管存在问题，喷嘴制造粗糙，喷嘴角度不对，不能保证除鳞的最佳角度(15°)，底座和喷嘴高度之间不平行，喷嘴喷出的水柱形状不一致；并且，喷嘴至钢板下表面距离越远，打击力下降越严重，造成同一位置有氧化铁皮压入；另外，随除鳞点的增多，喷嘴的压力降低。

所以必须保证喷嘴质量和除鳞集管的制作质量达到设计要求。

②带保护渣的断续条状氧化铁皮的产生原因主要有：板坯浇注质量不稳定，热轧钢卷产生结疤、翘皮的现象明显增多。

并且，板坯下表面相对上表面温度偏高，环境差，辊道烫，地沟温度、空气温度高，因而除鳞效果比上表面差。

另外，有的保护渣质量不好，形成颗粒状进入或粘附在板坯表面，起局部隔热作用，同时粘附处降温效果差，使得无保护渣处氧化铁皮已固化，而有保护渣处氧化铁皮处于熔化状态，除鳞水难以去除熔化态的氧化铁皮，造成间断条状氧化铁皮压入。

2．2氧化铁皮的控制
为了控制氧化铁皮的形成，根据梅山热轧板厂的实际情况，从精轧开轧温度(F0机架入口温度)、在炉时间和冷却时间三方面进行控制。

2．2．1 F0机架入口温度
轧SPHC、SPHD等冷轧材和焊瓶钢时，如果R机架入口温度控制在1050℃以下，产生氧化铁皮的几率则较小。

但F0机架入口温度偏低或偏高，带钢表面均易
产生氧化铁皮，为此应保证F0机架入口温度在工艺范围内。

当入口温度偏低时，应及时进行调整，以保证出炉温度达到工艺要求。

当人口温度偏高时，应及时控制好在炉温度，同时增开R2、R6。

机架除鳞水，打开保温罩，增开F0机架前下喷水和加大辊道冷却水量等措施来降温。

2．2．2 在炉时间
要求加热炉严格按照工艺要求，控制钢坯的在炉时间，如轧制230mm厚板坯时，在炉时间要控制在150min以上。

同时要避免强化加热造成钢坯表面和中心的温差加大。

2．2．3 冷却时间
层流冷却采用前段冷却方式，在达到相同．层流冷却温度情况下，缩短带钢在高温状态下与空气的接触时间，以减少氧化铁皮形成，从而降低氧化膜厚度。

3 改造效果
梅钢热轧厂2005年12月停产进行粗轧技术改造，将R1、R2、R4～R6。

全连续式改造成R1、R2、热卷箱的新粗轧方式。

从改造前的氧化铁皮缺陷数量统计得出，氧化铁皮缺陷数量明显减少，2005年1～4月氧化铁皮封锁卷数占有率在2．94％～3．62％，而2005年5～11月，其占有率仅为0．63％～1．66％。