熱軋耐候鋼點(diǎn)狀鐵皮缺陷分析與控制

譚 文 韓 斌 楊 奕 劉 洋

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

熱軋耐候鋼點(diǎn)狀鐵皮缺陷分析與控制

譚 文 韓 斌 楊 奕 劉 洋

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

對熱軋含Cu、Ni耐候鋼表面出現(xiàn)的點(diǎn)狀氧化缺陷進(jìn)行了研究。通過對成品缺陷和出爐鑄坯進(jìn)行檢測，認(rèn)為在加熱爐中形成的氧化物和Fe2SiO4向基體侵入是造成這種缺陷的主要原因，而界面富集的Cu、Ni及其向基體侵入的行為為Fe2SiO4向基體的侵入提供了便利的通道。通過采取降低加熱爐出爐溫度、控制加熱爐氣氛為中性氣氛、優(yōu)化控制鋼中Ni/Cu和加大除鱗力度有效降低了耐候鋼點(diǎn)狀氧化鐵皮缺陷發(fā)生率，表面質(zhì)量大大提高。

耐候鋼；點(diǎn)狀氧化鐵皮缺陷；形成機(jī)理；解決措施

為了增加鋼材的耐候性，熱軋耐候鋼中含有一定量的合金元素Cu、Ni、Si等，這些元素由于特殊的氧化行為[1-4]，在生產(chǎn)過程中，易于造成熱軋鋼材出現(xiàn)紅色氧化鐵皮、壓入性氧化鐵皮等表面質(zhì)量缺陷。

某鋼廠熱軋耐候鋼在生產(chǎn)過程中也出現(xiàn)了較多的表面質(zhì)量問題，缺陷的產(chǎn)生造成了大量的降級改判，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。這些表面氧化缺陷的形貌與之前出現(xiàn)的紅色壓入氧化鐵皮存在較大的差異。為了找出這種氧化缺陷的形成原因以及相應(yīng)的解決措施，本文采用掃描電鏡、探針等儀器對出爐后鋼坯表面的氧化鐵皮形貌和成品上的氧化缺陷進(jìn)行了詳細(xì)的檢測分析，進(jìn)而提出了表面點(diǎn)狀氧化缺陷的形成機(jī)理。結(jié)合生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，對相應(yīng)的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，進(jìn)而提出和實(shí)施了解決點(diǎn)狀氧化鐵皮缺陷的技術(shù)措施。

1 點(diǎn)狀氧化缺陷原因分析

某鋼廠熱軋含Ni、Cu鋼表面出現(xiàn)的點(diǎn)狀氧化鐵皮缺陷形貌如圖1所示。宏觀形貌為沿軋制方向分布的細(xì)長點(diǎn)狀或柳葉狀缺陷，這些缺陷經(jīng)放大后表現(xiàn)為基體表面覆蓋的一層氧化鐵皮，或全部脫落，或部分脫落，缺陷前端呈尖端狀，形貌像柳葉。脫落部分宏觀形貌表現(xiàn)為白色的基體。

圖1 含Ni、Cu鋼表面點(diǎn)狀鐵皮缺陷宏觀及微觀形貌

這些缺陷橫截面的掃描和探針分析結(jié)果如圖2所示，在板厚方向存在長度不一、深度約為3～15μm的細(xì)小含F(xiàn)e、Si氧化物相，氧化物方向基本與板面平行或成一銳角，缺陷周圍無氧化圓點(diǎn)。氧化物中除了含F(xiàn)e 、O 和S i外，還含有少量的Mn及Cr元素。

圖2 點(diǎn)狀或柳葉狀氧化鐵皮缺陷探針分析結(jié)果

除了對上述成品進(jìn)行分析外，還在加熱爐出口處對鑄坯取樣。所取樣為后工序故障后，鑄坯在爐時(shí)間明顯延長的試樣，出爐溫度1200～1250℃。鑄坯表面出現(xiàn)向基體侵入的含Si氧化物相和含Cu、Ni合金相形貌如圖3所示。

圖3 含Cu、Ni鋼鑄坯表面向基體侵入的Cu、Ni合金和含Si氧化物

鑄坯表面氧化鐵皮厚度約為50～70μm。在基體界面附近存在向基體侵入的含Si氧化物相，深度約為40～80μm，同時(shí)也存在向基體晶界侵入的含Cu、Ni合金，深度約為10～20μm，在這些含Cu、Ni合金中，部分檢測到了低熔點(diǎn)Sn元素。

根據(jù)以上分析結(jié)果，認(rèn)為含Cu、Ni鋼表面的點(diǎn)狀或柳葉狀氧化鐵皮缺陷在加熱爐中產(chǎn)生，主要原因在于長時(shí)間高溫加熱以及反復(fù)升降溫，導(dǎo)致氧化鐵皮/基體界面富集的Cu、Ni合金元素以及含Si氧化物向晶界侵入，在除鱗時(shí)難以將侵入基體的這部分氧化鐵皮去除。在后續(xù)的軋制過程中，當(dāng)變形越來越大時(shí)，原來與板坯表面垂直的氧化物層最后與基體表面平行，且產(chǎn)品的厚度越薄，此氧化物層與表面的距離越淺，因此與基體的結(jié)合力越弱。在軋輥與鋼帶表面摩擦力的作用下，板帶表面的這層氧化物與基體全部或部分脫落，從而形成了含Cu、Ni鋼表面的點(diǎn)狀或柳葉狀氧化鐵皮缺陷。耐候鋼點(diǎn)狀或柳葉狀氧化鐵皮缺陷形成示意圖如下4所示。

圖4 含Cu、Ni鋼表面點(diǎn)狀或柳葉狀氧化鐵皮缺陷形成過程示意圖

2 點(diǎn)狀鐵皮的影響因素及解決措施

2.1 影響因素分析

2.1.1 合金元素

在含Cu鋼中添加一定量的Ni一方面可以增加Cu在鋼中的固溶度[2,3]，減少Cu的析出和向晶界的侵入，而另一方面則可以提高Cu、Ni合金的熔點(diǎn)，降低液相Cu合金對基體的侵入，因此保持鋼中的Ni/Cu對于降低Cu在表面析出以及向基體的侵入非常重要。表1為實(shí)際生產(chǎn)中Ni/Cu比對含Cu、Ni耐候鋼點(diǎn)狀鐵皮發(fā)生率影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在Ni/Cu比低于0.40時(shí)，點(diǎn)狀氧化缺陷的發(fā)生率明顯增加。

表1 鋼中Ni/Cu對點(diǎn)狀氧化缺陷發(fā)生率的影響

從表中可看出，隨著Ni/Cu比的增加，點(diǎn)狀缺陷的發(fā)生率明顯降低。

2.1.2 加熱溫度和加熱時(shí)間

統(tǒng)計(jì)分析點(diǎn)狀氧化鐵皮缺陷出現(xiàn)的頻率與出爐溫度和在爐時(shí)間的關(guān)系見圖5所示。在爐時(shí)間的增加主要在均熱段產(chǎn)生，由于后工序出現(xiàn)故障，此時(shí)板坯往往在加熱爐的均熱段停留。

圖5 加熱工藝參數(shù)含Cu、Ni鋼表面氧化缺陷出現(xiàn)頻率的影響

從圖5中可以看出，隨著出爐溫度的升高和在爐時(shí)間的延長，含Cu、Ni耐候鋼表面出現(xiàn)點(diǎn)狀氧化缺陷出現(xiàn)的頻率越高。由于均熱段的溫度在1220～1280℃的高溫區(qū)，在此溫度下長時(shí)間待溫，容易在氧化鐵皮/基體界面產(chǎn)生大量熔融的Fe2SiO4，且此共晶產(chǎn)物向基體侵入的深度增加。圖6示出了在空氣中氧化不同時(shí)間和溫度時(shí)，F(xiàn)e2SiO4侵入基體的深度。因此減少鋼坯在高溫段的氧化時(shí)間或者降低待溫溫度將有利于減輕點(diǎn)狀氧化鐵皮的產(chǎn)生。在后工序故障清除后，也應(yīng)采取快速升溫的方法，減少高溫段的氧化時(shí)間。

圖6 氧化溫度對Cu、Ni合金和Fe2SiO4侵入基體深度的影響

2.1.3 溫度均勻性

在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)在帶鋼某個(gè)部分氧化缺陷出現(xiàn)較為嚴(yán)重，而其它部分出現(xiàn)較輕的情況。經(jīng)分析，這主要是加熱過程中溫度不均勻所致。在加熱過程中應(yīng)提高板坯長度、寬度和厚度方向上的溫度均勻性，并盡量減少加熱爐內(nèi)溫度的反復(fù)波動(dòng)。

2.1.4 加熱爐內(nèi)氣氛

爐內(nèi)氣氛中的自由氧含量主要由加熱爐各段空燃比決定。在加熱爐的預(yù)熱段自由氧含量較高，但此時(shí)由于溫度較低，一般低于900℃，因此鋼坯表面氧化較輕。一加熱段和二加熱段是鋼坯的主要升溫階段，溫度范圍為900～1280℃，而在此階段，通過在實(shí)驗(yàn)室采取不同的加熱溫度進(jìn)行氧化，鋼坯表面合金元素由于氧化而侵入基體的行為主要包括兩個(gè)，如圖7所示。在低于1100℃時(shí)，在金屬基體表面產(chǎn)生Cu、Ni合金元素的富集以及向基體侵入的行為，且在1050℃時(shí)侵入基體的深度最深；在此Cu、Ni合金侵入基體的過程中，伴隨Si在晶界的氧化，CuNi的侵入為含Si氧化物侵入晶界提供了便利的通道，因此在溫度高于1173℃時(shí)，含Si液相氧化物侵入基體的深度越深。因此在一、二加熱段及均熱段，爐內(nèi)氣氛的自由氧含量應(yīng)逐漸降低，且在高溫的二加熱段和均熱段，適宜采用偏中性的加熱氣氛。

圖7 實(shí)驗(yàn)條件觀察到的不同溫度下耐候鋼氧化現(xiàn)象

2.1.5 粗軋溫度及除鱗

粗軋出口溫度對表面點(diǎn)狀缺陷發(fā)生率的影響如圖8所示。

圖8 粗軋出口溫度對缺陷發(fā)生率的影響

粗軋出口溫度越高，表面點(diǎn)狀缺陷的發(fā)生率越高。板坯在粗軋階段，為了減輕Fe2SiO4向基體的侵入，應(yīng)采用快速低溫軋制和多道次除鱗的方法。一方面，板坯溫度的降低大大降低了鋼材的氧化程度，也減輕了Fe2SiO4向基體侵入的深度，在板坯逐漸變薄時(shí)，侵入基體的這層氧化鐵皮逐漸變淺，并在除鱗水的作用下從板坯表面去除。另外加大除鱗，有利于增加板坯表面氧化鐵皮與基體間的熱應(yīng)力，增加表面氧化鐵皮剝離性。

2.2 工藝措施

根據(jù)熱軋生產(chǎn)的實(shí)際情況，對含Ni、Cu鋼的生產(chǎn)工藝，采取了如下措施：(1)控制鋼中的Ni/Cu大于0.40；(2)通過適當(dāng)減少空氣流量，控制加熱爐內(nèi)氣氛為中性氣氛；(3)板坯出爐溫度降低至1250℃以下，在爐時(shí)間≤180min；(4)爐內(nèi)各段加熱制度比較均勻；(5)軋線出現(xiàn)故障時(shí)，要將板坯出爐溫度降低至1200℃以下，在故障清除后，采用快速升溫至1250～1280℃，以增大表面氧化鐵皮的熱應(yīng)力；(6)板坯出爐后，增加除鱗道次，粗軋出口溫度降低至1060℃以下。

3 工藝實(shí)施后的效果

通過上述技術(shù)措施的實(shí)施，熱軋耐候鋼點(diǎn)狀氧化鐵皮缺陷發(fā)生率得到明顯改善，由實(shí)施前的5.0%降低到目前的1.0%，表面質(zhì)量大大提高。

4 結(jié)論

在加熱爐中形成的氧化物和Fe2SiO4向基體侵入是造成某鋼廠熱軋含Cu、Ni耐候鋼表面出現(xiàn)的點(diǎn)狀氧化缺陷缺陷的主要原因，而界面富集的Cu、Ni及其向基體侵入的行為為Fe2SiO4向基體的侵入提供了便利的通道。通過采取降低加熱爐出爐溫度、控制加熱爐氣氛為中性氣氛、優(yōu)化控制鋼中Ni/Cu和加大除鱗力度，有效降低耐候鋼點(diǎn)狀氧化鐵皮缺陷發(fā)生率，大大提高表面質(zhì)量。

[1] R. Y. Chen and W. Y. Yuen,Examination of oxide scales of hot rolled steel products[J].ISIJ Int., 2005,45(1):52-59.

[2] N. Imai, N. Komatsubara and K. Kunishige. Effect of Cu、Sn and Ni on Hot WorkabiIity of Hot-rolled Mild Steel[J].ISIJ Int., 1997,37(3):217-223.

[3] N. Imai, N. Komatsubara and K. Kunishige. Effect of Cu and Ni on Hot WorkabiIity of Hot-rolled Mild Steel[J]. ISIJ Int., 1997,37(3)：224-231.

[4] Tatsuya ASAI,Tetsuo SOSHIRODA,Masayuki MIYAHARA ,Influence of Ni Impurity in Steel on the Removability of Primary Scale in Hydraulic Descaling[J].ISIJ Int,1997,37(3):272-277.

(責(zé)任編輯：李文英)

Analysis and Control of Surface Dot-Like Oxide Defects on Hot Rolled Weathering-Resistant Steel

TAN Wen HAN Bin YANG Yi LIU Yang

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

In the paper, an investigation on dot-like oxide defect on the surface of hot rolling weathering-resistant strip is conducted. The formation mechanism of the defect is discussed, based on the examined results of defect on slab and finish product. It has been found out that the fayalite and/or oxide produced in the furnace lead to the occurrence of the defect, and the invasion of liquid enriched copper, nickel into the substrate provides convenient access to subsequent invasion of fayalite and/or oxide during slab reheating. Effects of hot rolling processes on defect rate are analyzed subsequently. On the basis of that, measures are put forward and implemented. As a result, the dot-like defect rate is significantly reduced by adopting neural heating atmosphere, decreasing slab exit temperature , and increasing the Ni/Cu ratio and increasing the pass number of descaling during rough rolling, etc. The surface quality of weathering-resistant steel is greatly improved.

weathering-resistant steel; dot-like oxide defect; formation mechanism; measures

2014-12-16

2015-05-19

譚 文(1979～)，男，土家族，博士,高級工程師.E-mail:tanwen_2001@sina.com

TG157

A

1671-3524(2015)02-0013-04