熱軋鋼板表面紅色氧化鐵皮缺陷成因分析

王 健

(河北鋼鐵股份有限公司唐山分公司)

熱軋鋼板表面紅色氧化鐵皮缺陷成因分析

王 健

(河北鋼鐵股份有限公司唐山分公司)

紅色氧化鐵皮缺陷(俗稱(chēng)紅銹)，是由于Fe充分氧化成Fe2O3的結(jié)果，該缺陷在硅含量較高的鋼中尤為突出，針對(duì)熱軋鋼板的紅色氧化鐵皮缺陷的成因進(jìn)行了研究，采用金相顯微鏡、掃描電鏡及XRD等分析手段進(jìn)行了分析，提出了針對(duì)高硅鋼紅色氧化鐵皮缺陷的加熱和熱軋工藝制度，有效改善了熱軋鋼板表面質(zhì)量。

紅色氧化鐵皮 鐵橄欖石 出爐溫度 卷取張力

AbstractThe red oxide scale defect (commonly known as red rust) is due to the full oxidation of Fe to Fe2O3, which is especially prominent in steels with higher silica content. According to the genesis of red iron oxide defects of hot rolled plate was studied by metallographic microscope, scanning electron microscope and XRD analysis, heating and hot rolling technology aiming at the red iron oxide defects with high silicon are proposed, which can effectively improve the surface quality of the hot rolled steel plate.

KEYWORDSred iron oxide scale defects iron olivine outlet temperature coiling tension

0 前言

熱軋板卷的表面通常呈藍(lán)灰色，并且表面光滑，具有一定的光澤。但是由于不同鋼種的化學(xué)成分與軋制工藝不同，有時(shí)候鋼板表面會(huì)出現(xiàn)紅色氧化鐵皮(俗稱(chēng)紅銹)，這既影響產(chǎn)品的外觀，又會(huì)造成軋輥的磨損加重，導(dǎo)致鋼板因鐵皮的壓入而影響表面質(zhì)量，在熱軋過(guò)程中，板帶表面基本形成以FeO為主的氧化鐵皮，F(xiàn)eO在較高溫度條件下具有較高的塑性，可以隨基體發(fā)生變形而不破碎[1]。但在低溫軋制時(shí)，F(xiàn)eO會(huì)發(fā)生破碎，使接觸空氣的比表面積增大，從而被繼續(xù)氧化成Fe2O3。

唐鋼某熱軋生產(chǎn)線生產(chǎn)的某高強(qiáng)鋼存在較嚴(yán)重的紅色氧化鐵皮缺陷，嚴(yán)重影響了表面質(zhì)量，筆者分析了熱軋紅銹缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，同時(shí)提出了相關(guān)改善及預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分

試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 鋼種的成分

2 紅色氧化鐵皮缺陷分析

該缺陷覆蓋在整個(gè)鋼板表面，沿軋制方向伸長(zhǎng)，具有較明顯方向性，部分位置酸洗后存在明顯麻坑，而且越厚規(guī)格缺陷越嚴(yán)重，熱卷表面紅色氧化鐵皮缺陷如圖1所示。

圖1 熱卷紅色氧化鐵皮缺陷

為分析該紅色氧化鐵皮缺陷產(chǎn)生的原因，采用金相顯微鏡結(jié)合XRD對(duì)氧化鐵皮的形貌進(jìn)行了分析，如圖2、圖3所示。

圖2 氧化鐵皮缺陷形貌

圖3 XRD分析氧化鐵皮缺陷示意圖

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)該材質(zhì)氧化鐵皮結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，氧化鐵皮與基體的界面有凹坑，說(shuō)明有氧化鐵皮壓入現(xiàn)象，氧化鐵皮最大厚度27.31 μm，結(jié)合XRD分析，發(fā)現(xiàn)氧化鐵皮主要由FeO、Fe3O4、Fe2O3、FeSiO4組成。

根據(jù)分析結(jié)果推斷造成紅銹缺陷的原因可能與Si有關(guān)，在加熱過(guò)程中，氧化鐵皮和基體之間生成的FeSiO4將FeO牢固粘黏在基體上，使得在后續(xù)熱軋過(guò)程中FeO進(jìn)一步氧化，形成紅色的Fe2O3[2]。

為進(jìn)一步確認(rèn)該缺陷與板坯表面質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)板坯進(jìn)行了跟蹤，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)板坯過(guò)爐除鱗后表面存在黑色斑塊缺陷(如圖4所示)，為分析加熱爐板坯“黑斑”對(duì)氧化鐵皮的影響，將過(guò)爐除鱗后板坯剔除，采用掃描電鏡進(jìn)行板坯表面氧化鐵皮分析(如圖5所示)，為分析造成板坯表面缺陷的原因進(jìn)行了掃描電鏡分析。

圖4 板坯過(guò)除鱗后表面黑斑缺陷

圖5 板坯表面黑斑缺陷掃描電鏡分析

通過(guò)分析確定氧化鐵皮種類(lèi)為FeO和FeSiO4，可知紅色氧化鐵皮缺陷與板坯表面“黑斑”缺陷存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，為去除該缺陷需重點(diǎn)控制板坯表面的黑斑。

3 紅色氧化皮缺陷控制措施

3.1 熱軋氧化鐵皮形成機(jī)理

氧化鐵皮的形成過(guò)程是由鐵和氧兩種元素的擴(kuò)散過(guò)程，氧由表面向鐵的內(nèi)部擴(kuò)散，而鐵則向外部擴(kuò)散。氧化反應(yīng)外層氧的濃度大，鐵的濃度小，生成鐵的高價(jià)氧化物，內(nèi)層鐵的濃度大，而氧的濃度小，生成氧的低價(jià)氧化物，O2與鋼的反應(yīng)：

2Fe+O2=2FeO

(1)

3Fe+2O2=Fe3O4

(2)

2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3

(3)

3.2 加熱溫度對(duì)紅色氧化鐵皮的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[3]介紹FeSiO4在溫度低于1 173 ℃時(shí)會(huì)以液態(tài)形式出現(xiàn)，熔融后的FeSiO4便會(huì)以楔形侵入鐵皮和鋼質(zhì)中，與基體緊密結(jié)合在一起，因此要消除或減輕鑄坯表面的氧化鐵皮缺陷最有效的辦法是提高出爐溫度，使得板坯在爐后除鱗時(shí)表面溫度高于FeSiO4的熔點(diǎn)，使其呈液態(tài)。

根據(jù)FeO-SiO2體系狀態(tài)圖(如圖6所示)，為此需保證板坯中FeSiO4(鐵橄欖石)完全為液態(tài)需控制出爐溫度在1 205 ℃以上。

圖6 FeO-SiO2體系狀態(tài)圖

3.3 粗軋除鱗道次和除鱗速度對(duì)紅色氧化鐵皮的影響

熱軋鋼坯從加熱爐出來(lái)后，經(jīng)高壓水除去一次鱗后，在短時(shí)間的粗軋過(guò)程中，鋼坯表面與空氣和水接觸產(chǎn)生二次氧化鐵皮，二次氧化鐵皮的去除主要依靠粗軋期間的除鱗與立輥的破鱗實(shí)現(xiàn)，一般來(lái)講，立輥的破鱗是靠板坯的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)坯料中間部分的破鱗有限，因此二次氧化鐵皮的去除還需靠粗軋機(jī)架間除鱗來(lái)完成，由于鐵橄欖石與鋼基體及FeO的結(jié)合強(qiáng)度較高，需要30 MPa～40 MPa壓力，一般除鱗設(shè)備難以達(dá)到，為此在保證精軋進(jìn)口溫度的前提下，需盡量增加除鱗道次和減小道次除鱗速度[4]。

3.4 精軋溫度和軋制速度對(duì)紅色鐵皮的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)薄規(guī)格產(chǎn)品紅色氧化鐵皮缺陷較少，通過(guò)不同厚度規(guī)格的熱軋工藝對(duì)比，將厚度規(guī)格大于3.0 mm的鋼板精軋進(jìn)口溫度降低30 ℃，同時(shí)終軋溫度提高10 ℃，使得熱軋速度提高2 m/s，進(jìn)而減少鋼卷卷取前與空氣的接觸時(shí)間，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察紅色氧化鐵皮缺陷明顯減輕[5]。

3.5 層流冷卻和卷取工藝對(duì)紅色鐵皮的影響

根據(jù)下述H2O與鋼的反應(yīng)公式，可以看出鋼板在層冷過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生Fe2O3，因?yàn)殇摪逶诰砣∏氨砻娓采w一層薄膜，阻止空氣中的氧氣與鋼板接觸，有利于防止產(chǎn)生紅色氧化鐵皮。H20與鋼的反應(yīng)如下式：

Fe+H2O=FeO+H2

(4)

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2

(5)

3FeO+H2O=Fe3O4+H2

(6)

由于鋼板卷取后仍與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，此時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物中Fe2O3的比例較大，為減少鋼板與氧氣接觸面積，卷取工序采用大張力卷取工藝，減小鋼卷各層空隙，有效降低空氣的進(jìn)入量，可減輕紅色氧化鐵皮缺陷。

4 結(jié)論

(1)熱軋板表面產(chǎn)生紅銹缺陷是由于氧化鐵皮中Fe2O3比例較高，而其實(shí)質(zhì)是FeSiO4黏附鋼基體和FeO，導(dǎo)致在熱軋和冷卻過(guò)程中與冷卻水和空氣接觸氧化成紅色氧化鐵皮。

(2)保證板坯爐后除鱗溫度在1 205 ℃以上，使得FeSiO4呈熔融狀態(tài)，是去除板坯表面FeSiO4的最有效方法。

(3)增加粗軋除鱗道次和減小除鱗速度可以去除鋼板表面FeO，減少在后續(xù)產(chǎn)生紅色氧化鐵皮。

(4)對(duì)于厚規(guī)格鋼板表面紅斑缺陷可采用減小精軋進(jìn)口溫度和提高終軋溫度，進(jìn)而提高精軋軋制速度。

(5)適當(dāng)提高卷取張力，減少卷取后鋼卷各層間隙，降低空氣進(jìn)入量，可減少紅色氧化鐵皮缺陷。

[1] 畢國(guó)喜.熱軋板卷紅色氧化鐵皮的成因及對(duì)策[J].金屬世界，2012(4)：8-10.

[2] 毛衛(wèi)東. 熱軋帶鋼表面“紅斑"的成因及控制對(duì)策分析[C]. 2014年全國(guó)軋鋼生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議文集，無(wú)錫：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2014：525-527.

[3] 于洋，唐帥，郭曉波，等.熱軋卷板氧化鐵皮形成機(jī)理及控制策略的研究[J].鋼鐵，2006，41(11)：50-51.

[4] 左軍，常軍，劉勇，等.熱軋鋼板紅銹氧化鐵皮形成機(jī)制及改進(jìn)措施[J].鋼鐵，2010，45(10)：85-86.

[5] 黨進(jìn)華，張帆.探討熱軋帶鋼氧化鐵皮的成因分析及對(duì)策[J].山西冶金，2014，149(3)：100-102.

ANALYSISOFCAUSESOFREDIRONOXIDESCALEDEFECTSONTHESURFACEOFHOTROLLEDSTEELPLATE

Wang Jian

(Tangshan branch，Hebei iron and steel co., LTD)

2017—5—5

聯(lián)系人：王健，工程師，河北. 唐山(063000)，河北鋼鐵股份有限公司唐山分公司技術(shù)中心；