冷軋高牌號無取向硅鋼油斑缺陷分析及對策

韓 菲

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠， 山西 太原 030003）

硅鋼是軍事工業(yè)和電子電力行業(yè)不可或缺的重要軟磁合金。因生產工藝復雜、制造技術嚴格，硅鋼質量成為一個國家鋼鐵產業(yè)發(fā)展水平的標志。除磁性能外，表面質量也越來越受到無取向硅鋼用戶的重視[1-2]。

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡稱太鋼）1 450 mm 酸連軋生產線是一條日本三菱日立設計制造，主體設備由中國第一重型機械集團公司供貨的專門用于生產硅鋼的連續(xù)機組，主要產品為中低牌號無取向硅鋼，設計生產能力為100 萬t/a，于2014 年投產。并于次年進行牌號拓展，生產w（Si）為2.5%以上高牌號無取向硅鋼，目前月產量占下線量的15%。由于超出機組設計能力范圍，在與中低牌號相同的生產條件下，高牌號硅鋼表面時常會出現(xiàn)黑色的斑跡，且退火堿洗涂層后仍無法徹底消除。引起用戶的抱怨，甚至影響了合同的正常交付。本文正是針對該缺陷形貌、產生機理出發(fā)，并采取對應的措施成功的解決了該問題。

1 工藝流程

高牌號無取向硅鋼主要應用于新能源汽車、高效變頻壓縮機以及機車牽引電機的制造，厚度為0.35 mm 或者0.3 mm，寬度在1 000~1 200 mm 之間。在冷軋工序生產工藝流程：常化酸洗線→1 450 mm酸連軋線→CAL 連退線→剪切包裝線。

2 油斑缺陷的原因分析

2.1 油斑缺陷組織分析

研究用高牌號無取向硅鋼，無取向硅鋼鋼帶的化學成分如表1 所示。

表1 無取向硅鋼鋼帶的化學成分 %

圖1 油斑軋后及退火涂層后的對應情況

圖1-1、1-3 為軋后油斑在表面分布情況，可以看出油斑為黑色或黑褐色，呈紡錘狀，平行于軋制方向，在板面沿寬度方向出現(xiàn)位置并不固定。同時，通過生產過程中的跟蹤也發(fā)現(xiàn)，此缺陷的出現(xiàn)在長度方向上也無明顯規(guī)律，呈隨機性。有的卷1~2 處，有的卷則多處，帶頭、帶中、帶尾則均有發(fā)生。并且，在現(xiàn)有所生產的高牌號中，隨著硅含量的升高，出現(xiàn)油斑的幾率更高，程度也較重。

圖1-2、1-4 為圖1-1、1-3 經退火熱處理后的情況，可以看出油斑在經過堿洗、退火高溫熱處理、涂層后顏色變淡呈白班或者淡褐色印跡，但無法徹底消除。

分別在鋼板正常板面、黑斑區(qū)域切取20 mm×20 mm 的試塊，經無水乙醇洗凈吹干后制備成金相試樣，采用VEGA3 TESCAN 掃描電鏡進行顯微組織的觀察，并采用能譜分析其成分。油斑SEM 及EDS檢測結果見圖2 及表2，正常基板檢測結果見圖3及表3。從表2、表3 中對應的EDS 檢測結果來看，油斑成分組成包括Fe、Si、C、O。正常基板成分組成則僅包括Fe、Si。由此推斷，該油斑主要為Fe、Si 或者C 的氧化物。

圖2 油斑SEM 及EDS 圖像

表2 油斑EDS 結果 %

圖3 正常鋼板SEM 電鏡圖像

表3 正常鋼板表面的能譜檢測結果 %

2.2 軋制過程分析

軋制油的功能是在軋輥和帶鋼接觸表面之間形成一個保護膜，通過限制金屬與金屬之間的接觸來減小摩擦系數(shù)。水是潤滑油的載體，其作用是冷卻并帶走軋制過程中產生的變形熱，。軋制油在乳化液中以乳化狀態(tài)存在，當乳化液以一定的速度噴射到軋輥或者帶鋼上時，軋制油的離水展著性使其從乳化液中迅速分析出來，并在軋輥和帶鋼的咬入區(qū)形成一個油池，從而連續(xù)潤滑軋輥和帶鋼，并在軋后表面形成一層油膜。

在軋制完成后立即開卷檢查也未發(fā)現(xiàn)缺陷，但退火機組上線開卷過程中卻發(fā)現(xiàn)了該缺陷，因此基本可以斷定該缺陷是在軋制后卷取后、經一段時間放置后才出現(xiàn)的缺陷。因缺陷的產生有一定的滯后性，且存在于鋼卷內部，故對缺陷的及時發(fā)現(xiàn)和控制帶來了很大難度。

2.3 連續(xù)堿洗過程分析

堿洗過程包括化學脫脂和電解清洗兩部分，化學脫脂是借助堿的皂化和乳化作用完成軋制油的清洗。皂化反應：

在皂化反應的同時，發(fā)生乳化反應并隨著皂化反應的進行而加強。從而使軋制油膜破裂，帶鋼與溶液直接接觸，其界面張力小于帶鋼與油膜的界面張力，進而使油膜脫離帶鋼，達到清洗目的。

經過堿洗還不能完全清潔帶鋼表面，許多油污粒子附著在帶鋼表面的凹坑中，難以徹底清除。電解清洗就是以直流電解水，在溶液中發(fā)生水的分解：

隨著帶鋼表面氣體的大量產生，迫使帶鋼表面的油污脫離帶鋼。經堿洗退火工序，油斑在發(fā)生氧化還原反應而變淡，但無法消除印記。

2.4 結果討論

從前文中分析可知，油斑為Fe、Si 或者C 的氧化物。故結合軋制、連退過程，斷定油斑的產生是在一定溫度下，帶鋼基體與表面殘留乳液產生化學反應，從而形成表面呈黑褐色的斑跡。

判斷板面黑斑是銹蝕還是油燒，可通過在鋼板表面滴定鹽酸（5%~10%濃度）來判定，如果滴有鹽酸處很快變亮，說明黑斑是鐵的氧化物，也即銹蝕。如果不能變亮，但可以擦除，則說明黑斑是碳的化合物，也即油燒現(xiàn)象。也可以通過油斑的進金相分析來確定黑斑的主要成分是鐵的氧化物還是碳的化合物來判定[3-4]。

現(xiàn)場對油斑位置采用鹽酸滴定后，斑跡顏色變淺；油斑處用白布擦拭，斑跡同樣可以變淡；表明該斑跡為Fe、Si 的氧化物和C 的氧化物的混合物。即該位置在發(fā)生基體氧化的同時，也發(fā)生了油燒現(xiàn)象。在連續(xù)退火機組堿洗、退火過程中，殘留的氧化物部分被還原成鐵粉，而軋制油燒無法還原，最終油斑經堿洗退火在涂層后形成淺灰色斑跡。

軋制卷取后的冷卻過程中也即油斑形成時，發(fā)生如下式（1）~式（3）電化學腐蝕反應[5]。

堿洗退火過程中：

黑斑顏色的深淺，實際上取決于上述氧化劑腐蝕反應的進行程度。影響反應進展的因數(shù)主要包括油品特性、鋼帶出口表面的吹掃效果、卷取溫度、帶鋼退火前的存放時間。至于為什么高牌號硅鋼更容易產生此類缺陷，主要是因為硅含量高。試驗證明，高牌號硅鋼常化酸洗前，表面硅含量為5%，含量最高點在距表面0.8 μm 處。而經過常化酸洗后表面硅含量高達15%，且硅含量最高點在表層，表明常化酸洗后的高牌號硅鋼表面附著有大量的化合物。結合生產過程中跟蹤情況，推斷油斑產生的有如下二個必要條件。

1）軋制速度低，機架內潤滑過量。

2）吹掃能力不足，5 機架出口排油霧能力不足，導致表面乳液殘留。

3 改進措施及效果

3.1 優(yōu)化乳化液系統(tǒng)使用工藝

3.1.1 調整乳化液噴射工藝

加強五機架出口乳化液的吹掃能力和抽風系統(tǒng)，避免大量的殘留或滴落板面。

機架內乳液系統(tǒng)用于軋輥及帶鋼的冷卻與潤滑，1-4 機架包含入、出口側工作輥潤滑、入口側中間輥&支承輥冷卻、入口側帶鋼潤滑、出口側帶鋼冷卻等功能。5 機架入口配置與前面4 個機架相同，只是出口多了一個多區(qū)冷卻。具體配置如圖3 所示。在保證軋制潤滑的前提下，適當降低乳化液濃度由2.0%~3.0%控制在2.0%~2.5%，并盡可能的避免液壓油等混入乳化液，嚴格控制乳化液中的雜油含量，以提高軋制油的揮發(fā)性[6]。太鋼1 450 mm 硅鋼酸連軋機組采用上海帕卡興產RHC-300 軋制油，該軋制油揮發(fā)溫度為300 ℃，有利于乳化液的揮發(fā)分解[7]。

表4 為末道次出口帶鋼表面、張力輥、壩輥等位置空氣吹掃配置，為提高出口帶鋼表面清潔度，將帶鋼下表面空氣吹掃的壓力由0.05MPa 提高到0.2 MPa，帶鋼上表面、壩輥、張力計輥吹掃壓力由0.1 MPa 提高到0.2 MPa。

表3 五機架出口空氣吹掃配置

3.1.2 避免雜油侵入乳液系統(tǒng)

在保證軋制潤滑的前提下，適當降低乳化液的濃度，避免在乳化液中混入低鏈烴油類，特別是液壓油等。并嚴格控制雜油含量，以提高軋制油的揮發(fā)性[8]。根據皂化值情況，調整撇油器使用制度，提高乳液系統(tǒng)的清潔性。經過實踐，設定的乳化液理化指標見表4。

表4 乳化液管理指標

3.2 優(yōu)化軋制工藝

高牌號無取向硅鋼不在機組設計大綱范圍，故軋制效率無法與中低牌號相比。因此軋制變形熱不足以使帶鋼溫度升至100 ℃以上。因此可采取相應措施提高帶鋼出口溫度。

3.2.1 提高1 機架入口電磁感應加熱裝置的設定溫度

根據之前的經驗，熱軋母材w（Si）＞2.5%時，無論是熱軋板，還是經過常化的熱軋板，都具有較大的冷脆性[7-8]。當溫度小于50 ℃時，加工性急劇下降。2到3 次彎曲就可能造成斷裂，甚至不能進行軋制。為提高高牌號連軋軋制穩(wěn)定性，在1 機架入口增設了電磁感應加熱器，并將出口溫度設定在大于50 ℃。故在設備能力允許的范圍內，盡可能的提高母材加熱溫度，可以提高帶鋼出口溫度，避開油斑產生溫度區(qū)間。

3.2.2 提高帶鋼軋制速度

在冷軋過程中，由于金屬的變形及金屬與軋輥的摩擦產生的變形熱及摩擦熱，可使軋輥及軋件產生較大的溫升[9-10]。軋制條件不變的情況下，提高軋制速度可以有效提升帶鋼溫度，所以在允許的條件下，盡可能的將出口軋制速度提高到500 m/min 以上。

3.2.3 降低帶鋼冷卻效果

乳化液噴射包括壓力控制、開口度控制兩種模式。開口度自動控制模式下，隨著軋制速度的提升，乳液噴射量相應的增大。通過減少冷卻乳液噴射量，降低冷卻效果，可以提高帶鋼溫度，并且可以降低軋機出口帶鋼表面吹掃難度。實踐中，將4 架出口、5機架入口乳液噴射閥的開口度設置為50%可有效提高軋機出口表面溫度。

4 結論

1）w（Si）＞2.5%的高牌號無取向硅鋼在冷連軋生產過程中，產生的無特定分布規(guī)律油斑，軋后表面呈黑色或褐色，經堿洗退火后變淡但無法完全消除。經組織分析及實驗室驗證，主要組成物為鐵的氧化物,并含有少量殘留的有機物和乳化液。

2）針對此缺陷，可從優(yōu)化軋制工藝及乳化液系統(tǒng)使用工藝兩個角度出發(fā)，通過提高入機前的帶鋼加熱溫度、調整乳液潤滑工藝、優(yōu)化軋制模型提高軋制速度，加大軋機出口空氣吹掃及排油霧能力以提高帶鋼表面清潔性可有效避免該缺陷。