20號角鋼除磷效果分析及改進措施

李 元

1.前言

河鋼張宣科技金屬材料公司型材生產線經過升級改造后于2023年 7月復產。該產線設計年生產能力70萬噸，成品最高軋制速度5m/s,生產鋼種為碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、低合金鋼、耐候鋼等。坯料采用200mm×280mm×10m、165mm×165mm×10m兩種規格的連鑄坯。產品規格主要包括8#～20#角鋼，10#～28#槽鋼，10#～25#工字鋼，Φ50mm～Φ110mm圓鋼和U18～U29礦用鋼。在復產后生產大規格角鋼的過程中，出現了成品表面凹坑的質量問題，尤其是20號角鋼的表面凹坑問題最為嚴重，因質量問題不得不換軋小規格角鋼。

2.角鋼表面凹坑產生原因分析

2.1 連鑄坯夾渣缺陷

連鑄坯夾渣破壞了鋼的連續性和致密性，軋制過程中不能被焊合消除，酸洗后成品鋼材會產生凹坑缺陷。經過對角鋼表面凹坑殘留物進行檢驗分析，未發現Al、Si、Mg、Ca等夾渣成分超標，可以判斷角鋼表面凹坑不是連鑄坯原因造成的。

2.2 氧化鐵皮壓入

由于連鑄坯加熱后氧化鐵皮去除不徹底，在后續軋制過程中被壓入軋件，會造成酸洗后的角鋼成品表面出現凹坑。通過觀察連鑄坯出加熱爐后的除磷效果，發現軋制大規格角鋼時，高壓水除磷不能完全除凈氧化鐵皮。特別是遇到精整區域收集慢，影響軋制節奏時，生成的氧化鐵皮厚，除磷效果更差。同時在粗軋區域，軋件表面的氧化鐵皮隨軋制進程脫落，不同規格的角鋼氧化鐵皮脫落程度不同，20號角鋼在軋制過程中軋件上下表面的氧化鐵皮大部分不能脫落。由此可見，造成20號角鋼表面凹坑缺陷的原因為氧化鐵皮壓入。

2.3 鋼坯表面氧化鐵皮的主要成分及影響因素

高溫狀態下氧化性氣氛與鋼坯接觸后發生化學反應，在鋼坯表面生成化學成分為FeO、Fe2O3、Fe3O4的混合物，統稱為氧化鐵皮。在加熱過程中，氧化鐵皮一般由3層組成（見圖1）。

圖1 氧化鐵皮結構示意圖

（1）最內層靠近鋼坯基體的是存在大量孔洞而使結構較松散的氧化亞鐵FeO，其具有粘性，其除鱗效果不好。中間層是磁性四氧化三鐵（Fe3O4)，其結構細密，沒有孔隙和裂縫。外層是氧化鐵（Fe2O3)，呈結晶構造，不但可以防止氧氣深入反應而且性質較脆，除鱗效果較好。

（2）加熱溫度、加熱時間、爐內氣氛等均可對氧化鐵皮生成量產生重要影響。加熱溫度越高氧化越快，生成的氧化鐵皮越厚，鋼坯溫度1200℃時其氧化燒損量約為800 ℃時的10倍，鋼坯1400℃時可達20倍。加熱時間與氧化燒損成正比，其它條件不變時，加熱時間越長氧化生成的鐵皮越厚，鋼坯的氧化燒損越多。尤其是溫度超過1000 ℃時，停留時間越長氧化鐵皮生成量越大。爐氣中的氧化性氣體有SO2、H2O、O2和CO2。其中O2對氧化鐵皮生成量影響最為顯著。

3.高壓水除磷效果及原因分析

3.1 高壓水除磷原理

當高溫鋼坯進入除鱗箱，高壓噴射的水流高速沖擊到鋼坯表面，產生敲擊和振動作用。高壓水流使鋼坯產生溫降，由于鋼坯表面的氧化鐵皮和基體金屬的線膨脹系數不同，溫度下降使鋼坯表面的氧化鐵皮因溫差應力產生裂紋。高壓水從裂縫進入氧化鐵皮內部，水在高溫的鋼坯表面受熱汽化體積膨脹，水泡破裂時產生的敲擊和振動作用使裂紋向基體擴展。裂紋的擴展，更有利于高壓水進入氧化鐵皮內部空穴，直至到達鋼基界面。以上因素的共同作用使氧化鐵皮與基層分離，然后被高壓水流帶走。

高壓水除鱗效果的好壞與高壓水系統的整體配置、軋制工藝、氧化鐵皮的生成狀態有關。氧化鐵皮越厚、粘性越大越不易清除。影響高壓水除磷系統效果的最主要因素是打擊力，當噴嘴距鋼坯的高度、壓力、流量一定時，噴射角α越大，打擊面積越大，單位面積打擊力越小。同時，由于噴射角α大，射流邊部暴露在空氣中的長度越長，受空氣影響損失的能量越大，打擊力減小。

3.2 高壓水除磷效果差的原因

改造后的型材加熱爐爐型為單排布料、側進側出、上下加熱步進梁式加熱爐。燃料采用煤制氣和天然氣（目前使用燃料為天然氣），燃燒方式為空、煤氣雙預熱（天然氣不預熱）、常規式燃燒。加熱爐有效長度28m，小時產量150t/h。由于復產后各類機械運行不夠順暢，人員操作生疏等綜合因素，導致精整區域工序銜接不暢，影響了生產節奏，鋼坯在加熱爐內停留時間變長；調火崗位人員對使用天然氣時加熱爐的燃燒調整不熟悉，空燃比控制不夠精細，爐內氧化氛圍強，產生的氧化鐵皮較厚，達到2.8mm；粘性大的FeO占比較大，高壓水對鋼坯表面氧化鐵皮造成的冷卻收縮變形被結構松散的FeO吸收，不能形成較大裂縫，高壓水無法進一步進入基體與氧化鐵皮之間實現有效除磷。同時除磷設備未配套改造，水壓無法繼續增大以適應增厚的氧化鐵皮，打擊力不足導致除磷效果差。

4.粗軋區域除磷效果及原因分析

型材生產線采用13架短應力線軋機，全線可實現無扭軋制。粗軋5架軋機（Φ800mm×3+Φ700mm×2），其中1#、3#為立式軋機，5#為平/立轉換軋機。精軋共8架Φ700mm軋機，其中雙架次軋機為水平軋機，單架次軋機均為平/立轉換軋機。

（1）鋼坯在粗軋區域軋制時，高溫軋件與空氣接觸會形成厚度大約為200um的氧化鐵皮，稱為“二次氧化鐵皮”。其成分主要由Fe2O3和 FeO 構成，結構為層鱗狀，與鋼基體之間的界面應力小，因此不易被去除。

（2）生產大規格角鋼時，總延伸系數較小，軋制道次少，僅使用8～10架軋機。并且由于角鋼軋制時孔型多使用切分孔和蝶型孔，故水平軋機應用多，立式軋機應用少。在生產20號角鋼時，軋機全部是水平軋機，除磷效果差。 一旦出現高壓水除磷除不凈的情況，殘余的氧化鐵皮無法在軋制過程中脫落，就會被壓入中間軋件，最終導致角鋼成品出現凹坑的質量缺陷。

5.改進措施和效果

5.1 加熱爐區域采取的措施

（1）根據生產情況合理排料。在精整區域收集慢而影響軋制節奏時，加熱爐采取空1裝1的排料方式，減少鋼坯在爐內的停留時間，以減少氧化鐵皮生成量。

（2）控制好空燃比。在保證天然氣能夠充分燃燒的前提下，合理分配加熱爐各段的空燃比，控制爐內氧含量在合理區域，煙氣殘氧量控制在4%以下（見表1）。

表1 加熱爐各段空燃比控制值

（3）調整高壓水除磷噴嘴角度。高壓水除磷噴嘴噴射角α由40°調整到26°，在不增加除磷泵負荷的情況下增強除磷效果。

5.2 粗軋區域采取的措施

（1）優化孔型系統。增加1號立式軋機，采用箱型孔型來控制軋件寬度，充分利用立軋箱形孔型氧化鐵皮易于脫落的優點，使鋼坯經箱型孔型側壓加工后，表面的氧化鐵皮裂開，易于脫落（見圖2）。重新分配粗軋各架軋機的壓下量，以確保增加1號立式軋機后各架次孔型的頂角和兩腿能夠充滿（見表2）。

表2 粗軋各架次孔型高度對照表 mm

圖2 1號軋機孔型示意圖

（2）增加除磷設施。在1號軋機出口導槽后設置環形鋼刷，以清除軋件經立軋箱型孔破碎后的氧化鐵皮；在2號軋機進口導槽前設置氣動除磷裝置，采用壓力為0.6MPa的氮氣作為動力，除磷噴嘴與鋼坯表面成45o角，利用高壓氣體進一步吹落軋件表面的氧化鐵皮。

5.3 改進效果

通過以上改進措施的實施，鋼坯在加熱爐內的氧化燒損大為減少，氧化鐵皮厚度由原來的2.8mm降低到1.3mm，使得氧化鐵皮易于去除，減輕了除磷泵的工作壓力；經過高壓水除磷后，鋼坯表面的氧化鐵皮去除率達到80%以上；粗軋區域氧化鐵皮的去除率達到95%以上。由氧化鐵皮給20號角鋼成品表面質量帶來的影響基本消除，20號角鋼質量明顯提高，產品受到用戶一致好評。

6.結論

（1）通過調整加熱爐空燃比，控制好爐內氣氛、合理組織排料，可以有效減少加熱爐內氧化燒損和氧化鐵皮厚度，有利于高壓水除磷效率的提升。

（2）多種除磷方法綜合運用、改進高壓水除磷系統的噴嘴角度，可以在不增加現有設備能力的情況下有效提高除磷效果。

（3）優化孔型設計，增加立軋箱型孔，可以有效破碎爐生氧化鐵皮，彌補大規格角鋼孔型系統除磷效果差的缺點。