熱軋條狀氧化鐵皮成因分析及控制對策

劉海華

(江蘇沙鋼集團，江蘇 張家港 215625)

熱軋條帶狀氧化鐵皮缺陷嚴重影響帶鋼表面質(zhì)量，酸洗后表面粗糙不平，影響下游客戶的使用[1-3]。針對常見的褐色和紅色條狀氧化鐵皮缺陷，通過掃描電鏡、X射線衍射等設備對兩種條狀氧化鐵皮缺陷的表面形貌、截面形貌及相結(jié)構(gòu)進行了分析；結(jié)合除鱗打擊測試實驗，討論了褐色和紅色條狀氧化鐵皮形成的原因。并通過現(xiàn)場設備優(yōu)化，調(diào)整了粗除鱗噴嘴噴射高度、噴嘴間距、噴射角度等，有效解決了熱軋條狀氧化鐵皮缺陷。

1 試驗材料和方法

實驗材料為某廠表面條狀氧化鐵皮缺陷樣品，截取含有缺陷的帶鋼樣品，用Zeiss EVO-18掃描電鏡觀察帶鋼截面及表面形貌；用D/max-2500/PC X射線衍射儀分析氧化鐵皮相結(jié)構(gòu)；用高壓水除鱗檢測裝置檢測除鱗效果；用打擊力測試裝置檢測噴嘴打擊力。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 條狀褐色氧化鐵皮分析

圖1(a)為條狀褐色氧化鐵皮的宏觀形貌，褐色氧化鐵皮幾乎等間距沿軋制方向與灰色氧化鐵皮交替分布，褐色條紋有大有小。圖1(b)為酸洗后缺陷表面微觀形貌，SEM圖顯示，酸洗后褐色區(qū)域與灰色正常區(qū)域界限明顯，酸洗后褐色區(qū)域表面坑坑洼洼，表面遠比灰色正常區(qū)域粗糙。

圖2(a)褐色缺陷表面微觀形貌，圖2(b)灰色正常區(qū)域表面微觀形貌，褐色區(qū)域表面氧化鐵皮裂紋較多，且較破碎，而灰色區(qū)域氧化鐵皮較完整。

圖3為條狀褐色氧化鐵皮截面微觀形貌，截面氧化鐵皮觀察發(fā)現(xiàn)：褐色區(qū)域氧化鐵皮厚度為26 μm左右，正常位置氧化鐵厚度為8～10 μm左右。褐色區(qū)域由于存在氧化鐵壓入導致基體結(jié)合界面較粗糙，該區(qū)域氧化鐵壓入深度為10 μm左右。

表1為褐色氧化鐵皮XRD分析，結(jié)果顯示，褐色區(qū)域主要物相為Fe3O4，還有少量Fe2O3；灰色區(qū)域為Fe3O4和Fe2O3，兩種比例較為接近。

(a)酸洗前；(b)酸洗后

(a)褐色區(qū)域；(b)灰色區(qū)域

表1 褐色氧化鐵皮XRD分析

綜上所述，缺陷處氧化鐵皮厚且破碎、存在氧化鐵皮壓入痕跡、氧化鐵皮與基體結(jié)合截面較粗糙，根據(jù)以上判斷該類缺陷為除鱗水噴射搭界處漏除導致在后續(xù)的軋制過程中壓入基體，在一定溫度下形成的褐色條狀氧化鐵皮缺陷。

2.2 紅色氧化鐵皮分析

圖4為紅色條狀氧化鐵皮宏觀形貌，圖中顯示紅色氧化鐵皮呈條狀分布在整個板面上，幾乎等間距分布。酸洗后還有明顯的條狀形貌，板面高低不平，紅色氧化鐵皮條紋處較正常位置低。

表2為紅色氧化鐵皮XRD分析，結(jié)果顯示，紅色區(qū)域主要成分為Fe2O3，灰色區(qū)域主要成分為Fe3O4。

表2 紅色氧化鐵皮XRD分析

(a)酸洗前；(b)酸洗后

圖5(a)為紅色氧化鐵皮的表面掃描形貌，圖中顯示紅色氧化鐵皮區(qū)域存在大量顆粒狀物質(zhì)，顆粒狀物質(zhì)<2 μm，XRD分析顯示為Fe2O3。Fukagawa等[4]認為Fe2O3粒徑在2 μm以下時，F(xiàn)e2O3才呈現(xiàn)為紅色，>2 μm時不顯示紅色。

圖5(b)為正常區(qū)域表面掃描形貌，圖中顯示正常區(qū)域沒有出現(xiàn)顆粒狀物質(zhì)，氧化鐵皮成塊狀分布，表面有裂紋存在。

圖6為紅色氧化鐵皮交界區(qū)域掃描形貌，上半部分為紅色氧化鐵皮區(qū)域，下半部分為正常區(qū)域，紅色氧化鐵皮區(qū)域的氧化鐵皮厚度明顯大于正常區(qū)域。圖7(a)為紅色氧化鐵皮截面形貌，氧化鐵皮厚度為30 μm左右，氧化鐵皮邊部存在大量顆粒狀物質(zhì)。氧化層與基體的接觸面凹凸不平，存在明顯的壓入痕跡。圖7(b)為正常區(qū)域截面形貌，氧化鐵皮致密，厚度約為15 μm，氧化層與基體的接觸面較平整，未發(fā)現(xiàn)有顆粒狀物質(zhì)及壓入痕跡。紅色氧化鐵皮區(qū)域和正常區(qū)域氧化層厚度差異導致酸洗后鋼板表面高低不平。

(a)紅色氧化鐵皮區(qū)域；(b)正常區(qū)域

通過上述分析表明：條狀紅色氧化鐵皮產(chǎn)生的原因是除鱗水噴射搭界處漏除，在軋制過程中壓入基體，在一定的溫度范圍內(nèi)，繼續(xù)氧化生成粒徑小于2 μm的Fe2O3，粒徑小于2 μm的Fe2O3宏觀顯示為紅色。

圖6 紅色氧化鐵皮交界區(qū)域截面微觀形貌

(a)紅色區(qū)域；(b)正常區(qū)域

2.3 除鱗打擊測試實驗分析

1)噴嘴打擊力測試

某廠熱軋線粗軋除鱗壓力180 kgf/cm2，噴射高度140 mm，噴嘴間距75 mm，噴嘴型號SGD767，實驗室模擬現(xiàn)場除鱗工藝，檢測該噴嘴的打擊力。結(jié)果顯示，該工藝下噴嘴打擊力只有0.56 N/mm2(見圖8)，未達到表3工藝要求，且噴射流兩端打擊力小。

表3 滿足除鱗要求的判斷依據(jù)[5]

(a)實驗室測試；(b)噴嘴打擊力分布

2)除鱗打擊效果測試

從圖9(a)、9(b)可以看出，粗軋入口上除鱗及下除鱗大部分打擊痕跡重疊度較小，加之噴射流兩端打擊力小，導致除鱗水噴射搭界處打擊力弱，造成搭界處除鱗不盡。從圖9(c)中可以看出，粗軋出口上除鱗打擊痕跡出現(xiàn)多處不重疊，造成除鱗水噴射搭界處漏打。

除鱗打擊力小、打擊痕跡重疊度小或是不重疊，導致除鱗水噴射搭界處氧化鐵皮除不盡，在后續(xù)的軋制過程中壓入基體，最終在不同溫度下呈現(xiàn)不同顏色的條狀氧化鐵皮缺陷。

(a)入口上；(b)入口下；(c)出口上；(d)出口下

3 優(yōu)化措施

前面分析結(jié)果顯示，除鱗噴嘴打擊力小、除鱗打擊痕跡重疊度小或是不重疊，導致除鱗水噴射搭界處除氧化鐵皮除不盡，是造成條狀氧化鐵皮缺陷的主要原因。通過降低垂直噴射高度，能夠有效增加打擊力，但也會降低打擊痕跡重疊度[6]。故在降低垂直噴射高度的同時，應該進一步縮小噴嘴間距，同時適當降低噴射角度，以調(diào)整合適的打擊痕跡重疊度。

通過對垂直噴射高度及噴嘴間距進行多輪調(diào)整，最終確定了如下方案：

1)垂直噴射高度由140 mm降低到125 mm；2)噴嘴間距由75 mm降低到63 mm；3)噴射角度由30°降低到26°；4)定期進行除鱗打擊測試實驗，及時對問題噴嘴進行更換。

通過以上優(yōu)化，除鱗打擊力由0.56 N/mm2提高到0.72N/mm2，打擊痕跡重疊度調(diào)整為6 mm，條狀氧化鐵皮缺陷得到有效解決。

4 結(jié)論

1)條狀褐色氧化鐵皮區(qū)域相結(jié)構(gòu)主要為Fe3O4+少量Fe2O3。條狀紅色氧化鐵皮區(qū)域相結(jié)構(gòu)主要為Fe2O3+少量Fe3O4；

2)除鱗噴嘴打擊力小、除鱗打擊痕跡重疊度小或是不重疊，導致除鱗水噴射搭界處除氧化鐵皮除不盡，是造成條狀氧化鐵皮缺陷的主要原因；

3)通過降低噴嘴噴射高度、減小噴嘴間距、降低噴射角度等，除鱗效果得到有效提高，條帶狀氧化鐵缺陷得到有效解決。