高強(qiáng)船板花斑缺陷原因分析及改進(jìn)措施

梁玉超 李連任 朱建業(yè)

(山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司中厚板廠，山東 250101)

隨著鋼鐵市場形勢日趨嚴(yán)峻，用戶對鋼板的表面質(zhì)量提出了更加嚴(yán)格的要求。部分造船用戶反映我廠提供的鋼板表面存在花斑缺陷，噴漆后嚴(yán)重影響鋼板美觀度。我們對花斑產(chǎn)生原因進(jìn)行了跟蹤、分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)，提出了改進(jìn)措施，使高強(qiáng)船板花斑缺陷得到了顯著改善。

1 花斑缺陷特征及規(guī)律

鋼板經(jīng)過軋制后，表面呈現(xiàn)不同的顏色，其中有部分鋼板表面呈現(xiàn)紅、黑顏色相間的情況，紅色部分呈條帶狀分布。這是鋼板內(nèi)部存在不同化學(xué)成分的氧化鐵皮，紅色部分為Fe2O3，黑色部分為Fe3O4。紅色氧化鐵皮部分通常稱為紅銹，表面經(jīng)過拋丸處理去除氧化鐵皮露出的鋼板本體在強(qiáng)光下觀察時(shí)，鋼板表面呈現(xiàn)凹凸不平的情況，即出現(xiàn)花斑缺陷的形貌。凹凸不平部分的深度差基本都在0.5 mm 以內(nèi)，對鋼板厚度影響不大，但是影響鋼板光潔度、美觀度。經(jīng)過現(xiàn)場跟蹤發(fā)現(xiàn)，不同鋼種花斑缺陷的比例差別比較大，各鋼種中高強(qiáng)船板花斑缺陷比例最高，而Q235B、SS400 等普碳鋼板花斑缺陷比例較小。

對表面呈現(xiàn)條帶狀紅色氧化鐵皮分布的鋼板進(jìn)行拋丸對比試驗(yàn)。對整張鋼板只拋丸一半，未拋丸的另一邊保留熱軋后的氧化鐵皮，以便進(jìn)行觀察對比，交界處鋼板表面形貌如圖1 所示。

圖1 拋丸交界處鋼板表面形貌Figure 1 Steel plate surface appearance on the blasting interface

由圖1 可以看出，在拋丸與未拋丸鋼板交界處，鋼板表面不同顏色的氧化鐵皮區(qū)域與拋丸后凹凸不平的區(qū)域有直接的對應(yīng)關(guān)系。表面氧化鐵皮顏色呈紅色的部分即有紅銹的部分在未拋丸時(shí)結(jié)構(gòu)比較松散，局部區(qū)域已經(jīng)脫落，脫落后露出的鋼板本體比較粗糙，相對應(yīng)的區(qū)域經(jīng)過拋丸處理后的表面存在凹陷;表面氧化鐵皮呈現(xiàn)黑色的區(qū)域，未拋丸部分結(jié)構(gòu)比較致密，無脫落的情況出現(xiàn)，相對應(yīng)的區(qū)域經(jīng)過拋丸處理后的表面凸出?？梢?，鋼板表面紅銹與鋼板花斑缺陷有直接的對應(yīng)關(guān)系，因此需要采取措施減少或消除紅銹，以改善或消除鋼板花斑缺陷。

2 紅銹產(chǎn)生機(jī)理分析及試驗(yàn)研究

2.1 紅銹機(jī)理分析

2.1.1 加熱過程

研究表明［1］，鋼坯在加熱、軋制過程中將發(fā)生以下一系列反應(yīng):

O2與鋼的反應(yīng):

2Fe+O2=2FeO

3Fe+2O2=Fe3O4

2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3

H2O 與鋼的反應(yīng):

Fe+H2O=FeO+H2

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2

鋼坯在加熱過程中，表面生成(1～3)mm 厚的氧化鐵皮，稱為一次氧化鐵皮，在軋制過程中又生成二次、三次氧化鐵皮，典型的氧化鐵皮結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外依次為FeO、Fe3O4、Fe2O3。研究顯示［2］，一次氧化鐵皮的構(gòu)成比例為FeO∶Fe3O4∶Fe2O3=4∶5∶1，該種氧化鐵皮的熔點(diǎn)為1 300～1 350℃，影響因素通常為加熱溫度、加熱時(shí)間、化學(xué)成分及爐內(nèi)氣氛等。研究表明［1］，含硅量高于0.2%的鋼在加熱到1 250℃以上時(shí)，在氧化鐵皮與基底金屬界面會產(chǎn)生層狀的FeO·Fe2SiO4(鐵橄欖石)，強(qiáng)度較高，一次除鱗過程中難以將其有效去除，在軋制過程中容易壓入鋼板表面。

2.1.2 軋制過程

軋制過程中，板坯表面基本形成以FeO 為主的氧化鐵皮，在連續(xù)軋制中發(fā)生變形并與空氣接觸的表面積增大，被繼續(xù)氧化成Fe2O3。另外，加熱過程中在氧化鐵皮和基體之間生成的FeSi2O4牢固粘黏在基體上，在后續(xù)熱軋過程中被壓入鋼板表面，還易導(dǎo)致熱軋過程中鐵皮破碎而形成紅銹。

鋼板表面紅色氧化鐵皮的比例與進(jìn)精軋時(shí)氧化鐵皮厚度有直接關(guān)系，精軋前鋼板表面氧化鐵皮厚度越薄，成品鋼板出現(xiàn)紅色氧化鐵皮的幾率越低。因此，精軋前氧化鐵皮厚度應(yīng)控制在盡可能薄的范圍內(nèi)，以消除紅銹。采用劉振宇等人關(guān)于恒溫氧化動力學(xué)估算復(fù)雜變溫過程中氧化動力學(xué)的數(shù)值模型，對不同熱軋工藝制度的氧化鐵皮生長情況進(jìn)行了模擬計(jì)算［3］。結(jié)果表明，提高終軋溫度、縮短道次間隔時(shí)間，可以使氧化鐵皮厚度降低至8 μm 以下，達(dá)到完全消除紅色氧化鐵皮的水平。

2.2 試驗(yàn)研究

對高強(qiáng)船板采取在不同工藝條件下軋制的試驗(yàn)，以觀察軋制工藝參數(shù)對鋼板表面氧化鐵皮顏色的影響情況，各方案的軋制工藝參數(shù)及軋后鋼板表面情況見表1。

采取各工藝方案軋后鋼板表面質(zhì)量及進(jìn)行拋丸后觀察的鋼板表面質(zhì)量見圖2 和圖3。

表1 不同軋制條件下的鋼板表面狀況Table 1 Surface status of steel plate under various rolling conditions

圖2 三種工藝方案軋制后的鋼板表面形貌Figure 2 Surface appearances of steel plate rolled by three kinds of technology projects

圖3 三種工藝方案拋丸后的鋼板表面形貌Figure 3 Surface appearances of steel plate blasted by three kinds of technology projects

由以上各圖對比可知，在工藝方案1 中，開軋溫度880℃、終軋溫度850℃時(shí)，鋼板表面紅銹較多，鋼板拋丸后表面花斑缺陷比較嚴(yán)重;在工藝方案2 及工藝方案3 中，隨著開軋溫度、終軋溫度的提高，鋼板表面氧化鐵皮顏色逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏砻婕t銹顯著減少，經(jīng)過拋丸后觀察，鋼板表面花斑基本消除。但是要注意的是由于終軋溫度提高后，鋼板強(qiáng)度性能指標(biāo)難以有效保證，因此需要合理控制終軋溫度并對厚規(guī)格鋼板采取ACC 水冷工藝，以保證鋼板強(qiáng)度指標(biāo)。

3 改進(jìn)措施

由于鐵橄欖石與鋼表面及FeO 結(jié)合強(qiáng)度較高，一次除鱗水壓力達(dá)到(30～40)MPa 才能將其有效除去［4］。而除鱗水壓力通常維持在18 MPa，改造的可能性很小，因此需要通過優(yōu)化成分及加熱工藝來控制鐵橄欖石的產(chǎn)生。通過采取優(yōu)化化學(xué)成分，適當(dāng)降低Si 元素含量，在加熱過程中縮短加熱時(shí)間，適當(dāng)降低加熱溫度，在軋制過程中通過優(yōu)化軋制工藝以控制鐵橄欖石隨軋制工藝的變化生成氧化鐵皮。根據(jù)試驗(yàn)情況，確定了高強(qiáng)船板的軋制溫度參數(shù)及ACC 冷卻工藝參數(shù)，見表2、表3。

表2 高強(qiáng)船板軋制工藝參數(shù)Table 2 Rolling process parameters of high strength ship plate

表3 高強(qiáng)船板ACC 冷卻工藝參數(shù)Table 3 ACC cooling process parameters of high strength ship plate

高強(qiáng)船板中間坯不使用IC 進(jìn)行水冷，以確保中間坯待溫過程中氧化均勻;保證開軋溫度980℃以上，可以降低軋制節(jié)奏，終軋溫度必須保證900℃±10℃，嚴(yán)禁最后一道次控溫。

4 結(jié)語

在高強(qiáng)船板生產(chǎn)過程中，通過優(yōu)化鋼板化學(xué)成分，在加熱過程和軋制過程中改進(jìn)工藝參數(shù)，明顯降低了鋼板表面氧化鐵皮的生成，并使用水冷工藝保證了鋼板強(qiáng)度性能，使高強(qiáng)船板表面花斑缺陷得到了明顯改善，鋼板質(zhì)量達(dá)到了用戶的要求。

［1］宋濤，閔宏剛.熱軋鋼板紅色氧化鐵皮形成原因分析［J］.甘肅冶金，2001(3):27-28.

［2］沈黎晨.熱軋寬厚鋼板表面氧化鐵皮的研究［J］.寬厚板，1996(5):10-11.

［3］劉振宇，于洋，郭曉波，等.板帶熱連軋中氧化鐵皮的控制技術(shù)［J］.軋鋼，2009(1):6-7.

［4］楊峰，歐鵬.熱軋產(chǎn)品紅色氧化鐵皮成因及消除方法的研究［J］.鋼鐵，2002(2):380-381.