汽車工程機械用鋼表面“黑灰”原因分析與改進

申保軍 饒 靜 楊立慶 王超海

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 概述

表面質(zhì)量是熱連軋質(zhì)量控制的主要問題之一，特別是隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷提升，產(chǎn)品要求不斷提高，對產(chǎn)品的表面質(zhì)量要求也逐步提高。汽車工程機械用鋼是安鋼1 780 mm熱連軋機組的主要產(chǎn)品之一，年產(chǎn)量占比達到20%以上，表面“黑灰”缺陷是下游用戶反映的突出質(zhì)量問題。“黑灰”缺陷是熱軋氧化鐵皮缺陷的一種，呈黑色細粉狀，故名“黑灰”，是由熱連軋精軋機組產(chǎn)生的三次氧化鐵皮導(dǎo)致的。“黑灰”缺陷嚴(yán)重時不僅使產(chǎn)品報廢，造成質(zhì)量損失，形成的粉塵還嚴(yán)重污染環(huán)境，危害人體健康。通過對“黑灰”缺陷形成的機理進行研究并實施控制改進，提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量，降低了質(zhì)量損失，從而提升了產(chǎn)品的美譽度。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

通過對汽車工程機械用鋼下游用戶進行跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)反映的“黑灰”缺陷主要存在以下問題：

（1）黑灰缺陷在開卷機開卷時，鋼卷經(jīng)拉伸、彎曲等變形極易脫落，板面形成針孔狀麻坑，形成表面質(zhì)量缺陷。與無黑灰的正常卷相比，相同的環(huán)境條件下，黑灰缺陷產(chǎn)品更容易進一步氧化形成紅銹缺陷，惡化帶鋼表面光潔度，不僅影響產(chǎn)品美觀度，還會對產(chǎn)品后續(xù)上漆工藝產(chǎn)生影響（如圖1所示）。

圖1 開平板表面“黑灰”

（2）脫落的黑灰堆積粘附在開卷機輥面上，碾壓板面時嵌入帶鋼板面內(nèi)，再次脫落后會產(chǎn)生大小不一的斑痕狀麻坑，在用戶進行旋壓、沖壓作業(yè)時，加工面受力不均勻，在麻坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中形成加工開裂（如圖2所示）。

（3）為了減少氧化鐵皮的壓入，通常會降低開卷速度，并在開卷機入口增設(shè)人工清除氧化鐵皮的工序，增加了人工勞動強度，同時降低了作業(yè)效率。由于黑灰的脫落，造成作業(yè)區(qū)內(nèi)粉塵彌漫，惡化了環(huán)境，危害了作業(yè)人員的健康。

圖2 板帶沖壓加工開裂

2 原因分析

氧化鐵皮按照形成的先后時序，可分為一次氧化鐵皮，即爐生氧化鐵皮；二次氧化鐵皮，即粗除鱗到精除鱗之間產(chǎn)生的氧化鐵皮；三次氧化鐵皮，即精除鱗機后產(chǎn)生的氧化鐵皮。“黑灰”缺陷屬于典型的三次氧化鐵皮，主要在精軋工序產(chǎn)生。

由于熱軋工藝的特點，氧化鐵皮存在不斷生成和轉(zhuǎn)化的過程。氧原子由外層向內(nèi)層擴散，鐵原子則由內(nèi)層向外層擴散。由于外層氧原子濃度相對較高，鐵原子濃度相對較低，在外層生成鐵的高價氧化物，在內(nèi)層則相反，生成鐵的低價氧化物。由內(nèi)向外可分為FeO、Fe3O4、Fe2O3。FeO在氧化層的最內(nèi)層，其粘附性強，硬度較低，具有一定的延伸性；Fe2O3在氧化層最外層，松脆、易脫落，硬度最高，無延伸性；Fe3O4是FeO、 Fe2O3的機械混合物，結(jié)構(gòu)致密較硬。文獻[1]指出，軋件溫度在700～900 ℃時，氧化層為FeO和Fe3O4，其中以FeO為主，約占90%；當(dāng)軋件溫度在900 ℃以上時，氧化層由FeO、 Fe3O4和Fe2O3組成。軋件溫度對氧化速率和氧化鐵皮厚度有著很大影響，溫度在1 000 ℃以下時，氧化速度較為緩慢；溫度在1 000 ℃以上時，氧化速率急劇上升，氧化鐵皮厚度大幅增加（如圖3所示）。

圖3 溫度對氧化鐵皮厚度的影響

通過對現(xiàn)場工藝分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生“黑灰”缺陷的原因有三點。

2.1 精軋入口溫度較高

精軋機入口溫度較高時，經(jīng)過精除鱗機時雖然能夠較好地去除氧化鐵皮，但在機架間，特別是在F1～F3機架時，生成的氧化鐵皮成分中Fe2O3和Fe3O4偏多，具有硬度高、延伸性低的特點，在機架間軋制時發(fā)生易破碎。

2.2 精軋軋制速度低

在較低的軋制速度下，帶鋼在前段機架間的氧化時間長，氧化鐵皮的厚度會增加，表面氧化層溫度分布不均加劇，導(dǎo)致應(yīng)力不均，造成氧化層破裂。破碎的氧化鐵皮如果不及時去除，在隨后的高溫軋制中壓入軋件基體并進一步生長，將會得到表面分布極不均勻的氧化皮層。

2.3 軋輥表面的破壞

在軋制過程中，氧化鐵皮對軋輥有研磨作用，不斷使軋輥表面粗化（如圖4所示）。有研究表明，不同的氧化鐵皮成分對軋輥的磨損存在巨大差異。其中，F(xiàn)e2O3硬度是FeO的三倍，HV硬度達到1 000以上，極大地加劇軋輥的磨損，同時粗糙的輥面也會加劇對帶鋼表面氧化層的破壞，形成惡性循環(huán)[2]。

圖4 改進前軋輥表面粗化

由上述分析可以看出，熱軋時的高溫氧化是不可避免的，且隨著溫度的升高，氧化速率不斷增加，致密堅硬、易破碎的Fe2O3比例也不斷提高。因此，可以從控制氧化鐵皮的厚度、成分和結(jié)構(gòu)來控制缺陷，即通過工藝改進來控制氧化鐵皮的厚度，減少致密堅硬的Fe2O3的比例，提高硬度比軋件基體軟且高塑性的FeO的比例，使氧化鐵皮在軋制中不發(fā)生破碎，從而獲得良好的表面質(zhì)量[3]。

3 改進措施

3.1 降低精軋入口溫度

將精軋機入口溫度分別控制在1 040 ℃、1 020 ℃、1 000 ℃、980 ℃對厚度10 mm的車輪鋼進行試驗，入口溫度在1 000 ℃以下時板面黑灰得到明顯抑制，黑灰缺陷得到顯著改善，但當(dāng)精軋入口溫度控制在980 ℃以下時，軋機主傳動電流過大，軋機負荷達到上限。因此，最終將精軋入口溫度設(shè)定為980～1 000 ℃。

3.2 提高軋制速度

通過提高終軋溫度、增加機架間冷卻水的方式，提高軋制速度，降低軋件在精軋機組的純軋時間，減少帶鋼表面與空氣的接觸時間，減少帶鋼的氧化。采用200 m/min、250 m/min 、300 m/min 、320 m/min的精軋穿帶速度對厚度10 mm的車輪鋼進行試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)穿帶速度在300 m/min以上時，得到的帶鋼表面質(zhì)量良好，但穿帶速度達到320 m/min時，軋機的沖擊電流過大，容易造成軋機事故。因此，最終將穿帶速度設(shè)定在300 m/min。

3.3 增加精軋機架內(nèi)的除鱗水

精軋機的前段機架溫度較高，相對氧化更嚴(yán)重，通過投用F1、F2機架的機后除鱗水，可以去除在前段機架內(nèi)生成的氧化鐵皮，阻止氧化鐵皮再次碾壓破碎，同時具有降低軋件表面溫度的作用，減少了氧化鐵皮的厚度。由于氧化鐵皮的減少，軋輥的磨損得以改善，輥面質(zhì)量整體提升了一個等級以上（如圖5所示），進一步提高了軋件的表面質(zhì)量。

經(jīng)過改進，汽車工程機械用鋼“黑灰”缺陷得到了顯著改善，產(chǎn)品質(zhì)量進一步提升了。

4 結(jié)論

（1）熱連軋汽車工程機械用鋼“黑灰”缺陷是精軋工序產(chǎn)生的三次氧化鐵皮所致，以Fe3O4、Fe2O3為主體的脆性氧化鐵皮是形成缺陷的主要因素。

圖5 改進后的軋輥表面質(zhì)量

（2）控制氧化鐵皮的生成速度及構(gòu)成是控制三次氧化鐵皮的主要途徑，即：降低帶鋼表面氧化速度，減小氧化皮層厚度，降低Fe2O3、Fe3O4等硬度高、脆性大的成分的比例。

（3）通過降低精軋入口溫度、提高軋制速度、增加機架間除鱗的方式，可以有效抑制表面“黑灰”缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量。