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(俗稱紅銹)，是由于Fe充分氧化成Fe2O3的結果，該缺陷在硅含量較高的鋼中尤為突出，針對熱軋鋼板的紅色氧化鐵皮缺陷的成因進行了研究，采用金相顯微鏡、掃描電鏡及XRD等分析手段進行了分析，提出了針對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成分與軋制工藝不同，有時候鋼板表面會出現紅色氧化鐵皮(俗稱紅銹)，這既影響產品的外觀，又會造成軋輥的磨損加重，導致鋼板因鐵皮的壓入而影響表面質量，在熱軋過程中，板帶表面基本形成以FeO為主的氧化鐵皮，FeO在較高溫度條件下具有較高的塑性，可以隨基體發生變形而不破碎[1]。但在低溫軋制時，FeO會發生破碎，使接觸空氣的比表面積增大，從而被繼續氧化成Fe2O3。

唐鋼某熱軋生產線生產的某高強鋼存在較嚴重的紅色氧化鐵皮缺陷，嚴重影響了表面質量，筆者分析了熱軋紅銹缺陷的產生機理，同時提出了相關改善及預防措施。

1 試驗鋼化學成分

試驗鋼的化學成分見表1。

表1 鋼種的成分

2 紅色氧化鐵皮缺陷分析

該缺陷覆蓋在整個鋼板表面，沿軋制方向伸長，具有較明顯方向性，部分位置酸洗后存在明顯麻坑，而且越厚規格缺陷越嚴重，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生的原因，采用金相顯微鏡結合XRD對氧化鐵皮的形貌進行了分析，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

通過分析發現該材質氧化鐵皮結構較復雜，氧化鐵皮與基體的界面有凹坑，說明有氧化鐵皮壓入現象，氧化鐵皮最大厚度27.31 μm，結合XRD分析，發現氧化鐵皮主要由FeO、Fe3O4、Fe2O3、FeSiO4組成。

根據分析結果推斷造成紅銹缺陷的原因可能與Si有關，在加熱過程中，氧化鐵皮和基體之間生成的FeSiO4將FeO牢固粘黏在基體上，使得在后續熱軋過程中FeO進一步氧化，形成紅色的Fe2O3[2]。

為進一步確認該缺陷與板坯表面質量的對應關系，對板坯進行了跟蹤，通過觀察發現板坯過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”對氧化鐵皮的影響，將過爐除鱗后板坯剔除，采用掃描電鏡進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行了掃描電鏡分析。

圖4 板坯過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

通過分析確定氧化鐵皮種類為FeO和FeSiO4，可知紅色氧化鐵皮缺陷與板坯表面“黑斑”缺陷存在對應關系，為去除該缺陷需重點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理

氧化鐵皮的形成過程是由鐵和氧兩種元素的擴散過程，氧由表面向鐵的內部擴散，而鐵則向外部擴散。氧化反應外層氧的濃度大，鐵的濃度小，生成鐵的高價氧化物，內層鐵的濃度大，而氧的濃度小，生成氧的低價氧化物，O2與鋼的反應：

2Fe+O2=2FeO

(1)

3Fe+2O2=Fe3O4

(2)

2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3

(3)

3.2 加熱溫度對紅色氧化鐵皮的影響

根據文獻[3]介紹FeSiO4在溫度低于1 173 ℃時會以液態形式出現，熔融后的FeSiO4便會以楔形侵入鐵皮和鋼質中，與基體緊密結合在一起，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表面溫度高于FeSiO4的熔點，使其呈液態。

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

圖6 FeO-SiO2體系狀態圖

3.3 粗軋除鱗道次和除鱗速度對紅色氧化鐵皮的影響

熱軋鋼坯從加熱爐出來后，經高壓水除去一次鱗后，在短時間的粗軋過程中，鋼坯表面與空氣和水接觸產生二次氧化鐵皮，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現，一般來講，立輥的破鱗是靠板坯的變形來實現的，所以對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架間除鱗來完成，由于鐵橄欖石與鋼基體及FeO的結合強度較高，需要30 MPa～40 MPa壓力，一般除鱗設備難以達到，為此在保證精軋進口溫度的前提下，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紅色鐵皮的影響

根據現場觀察發現薄規格產品紅色氧化鐵皮缺陷較少，通過不同厚度規格的熱軋工藝對比，將厚度規格大于3.0 mm的鋼板精軋進口溫度降低30 ℃，同時終軋溫度提高10 ℃，使得熱軋速度提高2 m/s，進而減少鋼卷卷取前與空氣的接觸時間，通過現場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紅色鐵皮的影響

根據下述H2O與鋼的反應公式，可以看出鋼板在層冷過程中不會產生Fe2O3，因為鋼板在卷取前表面覆蓋一層薄膜，阻止空氣中的氧氣與鋼板接觸，有利于防止產生紅色氧化鐵皮。H20與鋼的反應如下式：

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生反應，此時反應產物中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，有效降低空氣的進入量，可減輕紅色氧化鐵皮缺陷。

4 結論

(1)熱軋板表面產生紅銹缺陷是由于氧化鐵皮中Fe2O3比例較高，而其實質是FeSiO4黏附鋼基體和FeO，導致在熱軋和冷卻過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，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，減少在后續產生紅色氧化鐵皮。

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

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

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

[2] 毛衛東. 熱軋帶鋼表面“紅斑"的成因及控制對策分析[C]. 2014年全國軋鋼生產技術會議文集，無錫：中國金屬學會，2014：525-527.

[3] 于洋，唐帥，郭曉波，等.熱軋卷板氧化鐵皮形成機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制及改進措施[J].鋼鐵，2010，45(10)：85-86.

[5] 黨進華，張帆.探討熱軋帶鋼氧化鐵皮的成因分析及對策[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中心；