酸洗碳鋼軟鋼氧斑缺陷控制技術(shù)

供稿|潘世華 / PAN Shi-hua

氧化鐵皮斑跡(簡稱氧斑)缺陷俗稱“山水畫”，也就是帶鋼在酸洗之后表面出現(xiàn)的類似“山水畫”狀的斑跡，沒有手感，但影響外觀。2011年以前，該缺陷一直為酸洗軟鋼的主要質(zhì)量缺陷，通過2011年攻關(guān)，采取了控制在爐時間以及確保粗軋除鱗等措施，取得了顯著控制效果。然而，2013年8月份氧斑缺陷突然再次爆發(fā)，缺陷率高達18%，并且連續(xù)幾個月一直居高不下，2013年8—12月，氧斑缺陷發(fā)生率平均就高達10%，造成酸洗軟鋼降級近5000 t，造成了極大的損失，同時還發(fā)生了5起以上的質(zhì)量異議。通過質(zhì)量分析排查發(fā)現(xiàn)，大批量板坯出現(xiàn)了超標砷(As)元素，于是將氧斑缺陷樣板進行檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷處有明顯的砷(As)富集現(xiàn)象。顯然，現(xiàn)在的氧斑與以前的氧斑產(chǎn)生原因不同，以前的氧斑僅僅是表面氧化皮沒有除盡，現(xiàn)在的氧斑是表面砷(As)元素富集造成。由于板坯中砷(As)元素的來源與廢鋼原料關(guān)系密切，但目前無法做到全面控制，因此本文將從熱軋角度對由于砷(As)元素導致的氧斑缺陷進行解決改善。

含砷氧斑產(chǎn)生的機理解析

典型的嚴重程度含砷氧斑缺陷形貌如圖1所示。

從圖1可以看出，“As 斑”缺陷部位比較粗糙。從EDS 能譜分析來看，突出部位的As 含量較高，達2%以上，如圖2所示。

以往發(fā)現(xiàn)的氧斑缺陷，其產(chǎn)生原因是由于一次氧化鐵皮殘留、二次氧化鐵皮甚至是比較嚴重的三次氧化鐵皮壓入帶鋼表面，經(jīng)過軋制延伸之后在帶鋼表面形成的“山水畫”狀斑跡。一次氧化鐵皮殘留導致的氧化鐵皮斑跡缺陷相對嚴重，主要表現(xiàn)為板面條帶狀或整面發(fā)黑的斑跡；二次氧化鐵皮殘留導致的氧化鐵皮斑跡往往表現(xiàn)為整面的、顏色相對較淺的斑跡；嚴重的三次氧化鐵皮殘留導致氧化鐵皮斑跡類似于二次氧化鐵皮殘留的狀況，但程度較輕，一般用戶都能接受。

而目前的氧斑缺陷根本原因是砷(As)元素富集造成。As 在元素周期表中是第六主簇元素，其性質(zhì)與Pb、Sn、Sb、Bi相似。其原子序數(shù)和原子半徑比Fe元素大，在晶體內(nèi)引起較大的晶格畸變，內(nèi)能增大。由于表面比晶體內(nèi)部疏松，存在較大的空隙，可以使內(nèi)能減少，因此鋼中的As元素容易在表面富集。再加上As氧化自由能比Fe高，不容易被氧化，在熱軋加工過程中，板坯表面的Fe不斷被氧化，界面處的As元素將越來越多。由于As元素在氧化皮、基體界面的富集，到一定程度，超過鋼中的溶解度，As 可能以共晶化合物的熔融態(tài)存在于界面處(如圖3所示)。砷(As)元素在板坯加熱時即富集在帶鋼表面，溫度越高、時間越長，其富集也就越嚴重。經(jīng)過高壓除鱗箱和粗軋的除鱗，正常板坯表面的氧化皮可以很好的除盡，但是砷富集導致表面的凹凸不平，影響到了除鱗效果，從而導致氧化皮殘留而最終導致氧斑缺陷出現(xiàn)。

因此，要改善As導致的氧斑缺陷，一方面需要緩解As的富集，另一方面要提高除鱗效率，將板坯或中間坯表面氧化皮盡量除盡。

圖1 氧化鐵皮斑跡缺陷實物照片

圖2 來樣表面缺陷處的能譜分析結(jié)果；Spectrum1為無氧斑區(qū)域，Spectrum2為氧斑缺陷區(qū)域。

圖3 氧化皮結(jié)構(gòu)示意圖

主要解決方案

優(yōu)化板坯的裝鋼方式

目前碳鋼板坯裝鋼方式有三種：冷裝、熱裝和直接熱裝。熱裝和直接熱裝往往是板坯穿插在冷軋料計劃中軋制，而冷軋料加熱溫度往往較高，由此導致了熱裝坯出現(xiàn)氧化皮斑跡缺陷的概率較高。因此，根據(jù)氧斑缺陷高發(fā)的鋼種規(guī)格，對成品厚度3.0 mm以上的酸洗軟鋼，其裝鋼方式全部采用冷裝集批的方式來實現(xiàn)，便于質(zhì)量的控制。

雖然以上措施不是直接導致氧化的原因，但是它是氧斑缺陷控制的基礎(chǔ)。以上措施的落實，主要通過產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計中的計劃路徑控制來實現(xiàn)。

加熱溫度制度優(yōu)化

◆ 控制加熱溫度

從以上的機理分析可以發(fā)現(xiàn)，As元素在高溫下富集在板坯表面，從熱軋角度來說就是加熱過程中富集造成，較低的溫度和較短的時間可以緩解As的富集程度。通過多次工藝試驗發(fā)現(xiàn)，將抽鋼溫度在現(xiàn)有目標值上降低30 ℃以上，對減弱As元素的富集有明顯作用，同時考慮到該缺陷在厚規(guī)格帶鋼上發(fā)生率較高，因此采取了對3.0 mm以上規(guī)格采取降溫的措施，這樣也避免了給薄規(guī)格軋制穩(wěn)定性帶來負面影響，具體措施如下：

(1) 目標抽鋼溫度由1160 ℃下調(diào)至1130 ℃；

(2) 加熱爐爐溫最高不超1230 ℃。

◆ 嚴格控制在爐時間

(1) 正常生產(chǎn)情況下，板坯總在爐時間不得超過180 min；

(2) 當軋線有計劃安排的檢修日修，酸洗軟鋼裝鋼必須做好相關(guān)空爐，具體要求如下：60 min空8 m，90 min空12 m，120 min空15 m，4 h以上停機，裝鋼不允許超過熱回收段。

(3) 軋制過程中凡出現(xiàn)非計劃停機，嚴格執(zhí)行降溫和保溫制度。

粗軋軋制工藝優(yōu)化

◆ 粗軋軋制速度優(yōu)化

由于含As氧斑主要是表層氧化皮去除難度大，而通過工藝試驗發(fā)現(xiàn)，粗軋采用較低的軋制速度，可以有效提高除鱗效果。因此，最終將粗軋軋制速度在原有速度基礎(chǔ)上降低20%左右，具體見表1。

表1 優(yōu)化前后粗軋速度情況 m·s-1

◆ 除鱗制度優(yōu)化

(1) 根據(jù)氧斑缺陷嚴重的情況，認為由于板坯表面與除鱗噴嘴之間的距離較大，因此開啟4臺除鱗泵，采取了將粗軋上除鱗噴嘴更換成大沖擊力噴嘴的措施；

(2) 粗軋每道次咬鋼前均確保除鱗，操作人員不得修改除鱗道次的次序和減少除鱗道次，杜絕為保粗軋出口溫度而減少除鱗道次的現(xiàn)象；

(3) 粗軋軋制節(jié)奏以粗軋最后一道次拋鋼后，HSB高壓除鱗機才允許進鋼的原則執(zhí)行。在不能保證4臺除鱗泵全部開啟的情況，粗軋軋制節(jié)奏再延長15~20 s；

(4) 正常軋制中不得有任何形式的擺鋼，異常情況下擺鋼，必須保證擺鋼道次入口有除鱗。

軋制計劃優(yōu)化

做好軋制計劃的審查，確保厚規(guī)格酸洗軟鋼的集批生產(chǎn)，便于溫度的控制，發(fā)現(xiàn)有穿插在高溫鋼種中間的厚規(guī)格軟鋼，必須及時溝通對計劃進行調(diào)整。

氧斑的封鎖控制標準優(yōu)化

對氧斑的封鎖控制標準進行了優(yōu)化，具體如表2所示。

表2 氧斑判定放行標準

在實際操作過程中，先確認用戶類別、氧斑程度，并對比氧斑面積及氧斑條數(shù)，二者有一條超過規(guī)定則作臨時封鎖處置。

氧斑缺陷程度“中”、“深”臨界樣板如圖4所示。

取得控制效果

(1) 低碳酸洗軟鋼氧斑缺陷發(fā)生率從2014年2月中下旬以來穩(wěn)定在1.5%以下，較工藝優(yōu)化實施前的10%下降了85%以上；

(2) 實施前，氧化鐵皮斑跡質(zhì)量異議超過5起，實施之后生產(chǎn)的鋼卷沒有出現(xiàn)過氧化鐵皮斑跡缺陷質(zhì)量異議；

(3) 由于明確了氧化鐵皮斑跡缺陷的產(chǎn)生原因和控制點，氧化鐵皮斑跡缺陷穩(wěn)定受控。

圖4 氧斑缺陷程度。(a) 中度缺陷；(b) 深度缺陷。

結(jié)論

2013年發(fā)生的低碳酸洗軟鋼氧斑缺陷為板坯中As元素超標，經(jīng)過板坯加熱與軋制后富集在帶鋼表面所引起，通過采取板坯冷裝方式，優(yōu)化并嚴格控制加熱溫度與在爐時間，降低粗軋軋制速度并提高除鱗效果等工藝措施，同時制訂合理的缺陷判定放行標準，使低碳酸洗軟鋼氧斑缺陷發(fā)生率顯著下降，有效避免了批量缺陷與用戶異議的發(fā)生。