热轧产品红色氧化铁皮成因及消除方法的研究

第41卷增刊（2）钢铁Vol.41，Supplement(2)2006年12月IRONANDSTEELDecember2006________________________________杨峰，男，博士研究生，高级工程师，[e-mail]热轧产品红色氧化铁皮成因及消除方法的研究杨峰，欧鹏（宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司制造管理部，上海，201900）摘要：综合分析了热轧产品红色氧化铁皮成因及消除方法。运用统计学方法提出了改进方案，对WEL-TEN590RE产品的实施结果表明，降低Si含量并提高Mn含量可以有效消除该缺陷，并可确保改进前后力学性能不发生明显变化。关键词：红色氧化铁皮，微合金钢，力学性能，除鳞，温度AStudyontheCauseofRedScaleFormationandEliminatingMethodsforHotRolledProductsYANGFeng，OUPeng（BaoshanIron&SteelCo.,LTDManufacturingManagementDepartment,Shanghai201900,China）Abstract:Theformingreasonsofredscaledefectandeliminatingmethodsweresummarizedandanalyzedforhotrolledproducts.Usingstatisticsmethodstheimprovedschemewasputforward,whichwasprovedhavingmarkedeffectsforeliminatingredscale,furthermore,themechanicspropertieswerekeptthesamelevelthanbefore.Keywords:redscle，micro-alloyedsteel，mechanicproperties，descaling，temperature1前言红色氧化铁皮是热轧产品表面缺陷之一。对于热轧商品材，该缺陷影响机械构件表面涂装质量；对于酸洗及冷轧向热轧钢卷，该缺陷会不同程度地影响昀终产品表面质量。因此，对红色氧化铁皮缺陷成因的分析及消除方法的研究十分必要。本文阐述了国内外相关研究成果，统计分析了宝钢生产实绩，运用试验设计等方法提出了适合宝钢实际情况的改进方案。结果表明，方案实施后效果十分显著。2红色氧化铁皮缺陷成因分析红色氧化铁皮的产生与钢在高温时的铁皮剥离性有直接关系，含硅量高的钢氧化铁皮剥离性差，氧化铁皮容易残留下来。研究表明[1]，连铸坯表面在加热炉及轧制过程中一直和O2及H2O进行着如下化学反应：O2与钢的反应：3FeO+1/2O2=Fe3O42Fe3O4+1/2O2=3Fe2O32Fe+O2=2FeOH2O与钢的反应：Fe+H2O=FeO+H23Fe+4H2O=Fe3O4+4H23FeO+H2O=Fe3O4+H2连铸板坯在加热炉中加热和保温过程中，板坯表面一般生成1～3mm厚的氧化铁皮，称为一次氧化铁皮或一次鳞。粗轧和精轧分别形成二次及三次氧化铁皮，也称二次鳞和三次鳞。研究表明，红色氧化铁皮缺陷与一次氧化铁皮的去除密切相关。宏观金相及X射线衍射分析结果表明，附着在钢表面的一次氧化铁皮是由松散层及其上的致密层组成。松散层中FeO（方铁矿）约占14%～16%,其余主要组成是Fe3O4和气孔；致密层结构组成为Fe2O3（赤铁矿）、Fe3O4（磁铁矿）和FeO（方铁矿），且Fe2O3包裹着Fe3O4[2]。当板坯加热温度和Si含量较高时，在热激活作用下，Si元素易于向FeO和钢表面之间界面处扩散，并形成熔融状态的由FeO和Fe2SiO4组成的液化膜，2006中国金属学会青年学术年会论文集381如图1所示。该液化膜会浸入粗大的奥氏体晶界，同时，由液化膜的组成可知，其与FeO层之间存在良好的浸润性。如果板坯温度降低至1173℃以下时该液化膜会发生共晶反应，共晶转变产物FeO/Fe2SiO4（铁橄榄石）强度很高，与奥氏体形成“锚”式结合，同时与较松散的FeO层形成良好的界面匹配，界面强度较高。除鳞过程难于将铁橄榄石及附着其上FeO层除掉[1-7]。这样，在之后的热轧过程中，随后续工艺条件的不同，附着在铁橄榄石上的FeO层还将发生上述化学反应，导致昀终产品红色氧化铁皮缺陷呈现红色、黑色或红黑相间的分布，如图2所示。至于铁橄榄石产生于哪一道工序的问题，目前尚没有得到研究者的关注。如前所述，大多数的研究工作都起始于板坯加热工序，并确认熔融状态由FeO和Fe2SiO4组成的液化膜是在加热及保温过程中形成的，而冷却后形成强度很高的铁橄榄石。但是，铁橄榄石是否在连铸板坯中即已存在，比例是多少，或者板坯机清是否已清除了铁橄榄石，目前还不十分清楚。这方面有待于进行深入细致的试验工作。如果证实板坯中已存在铁橄榄石，那么，在加热炉中则应是原铁橄榄石融化和熔融产物继续增多的过程，控制红铁皮发生的相应工艺参数也必然要进行相应的调整。3红色氧化铁皮缺陷的消除方法3.1一次除鳞能力为消除红色氧化铁皮缺陷，国内外对除鳞方法进行了详细的研究，其中，昀重要的参数是一次除鳞喷嘴前压力。调查表明，武钢、宝钢和攀钢分别为20MPa、16MPa和15MPa，而铁橄榄石与钢表面及FeO的结合强度较高，需要30~40MPa压力，目前一般除鳞设备难以达到[8]。因此，如果单从增加除鳞能力方面入手，势必要对除鳞设备进行较大的改造，资金投入会很高。图1红色氧化铁皮形成机理示意图图2热轧产品红色氧化铁皮缺陷照片3.2出炉温度从以上分析可以断定，出炉温度是控制红色氧化铁皮缺陷发生的重要参数。目前，一部分研究者认为应尽量提高出炉温度[8-9]。其目的在于尽量在熔融态FeO和Fe2SiO4凝固之前，依靠除鳞工序将附着在Fe2SiO4之上的FeO层剥离。其试验说明了随着出炉温度的提高除鳞效果较为显著，其中，除鳞效果以除鳞率（出炉板坯经E1除鳞机除鳞后,不论板坯表面残留有多少氧化铁皮,只要有就统计在内,然后分类同轧制量相除,得到炉生一次氧化铁皮的除鳞率）来表征。笔者人认为，该指标不一定能充分反映红色氧化铁皮缺陷消除程度。首先，依靠现场目测会存在一定误差，更重要的是，即使将附着在液化膜之上的FeO层剥离，但液化膜不一定能够去除，而且也无法目测。这样，可以推测，这层液化膜会随着温度的降低而发生共晶反应，且变得十分坚硬。在随后的粗轧及精轧过程中形成的铁橄榄石不断被拉长、展宽和断裂，并嵌入钢的表面，使得昀终产品表面粗糙，形成麻点（红色氧化铁皮形态特征之一）。这部分缺陷没有红色的特征，容易给实验结果带来误导。另一部分研究者则认为，如果出炉温度低于1173℃，可以避免形成铁橄榄石，则该缺陷发生的几率会降低[2]。实验结果表明[2]，与普通碳钢相比,2006中国金属学会青年学术年会论文集382含1.5%Si的钢出炉温度为1100℃时红色氧化铁皮生成较少，但在1200℃时有利于铁橄榄石的形成，该缺陷发生的几率明显增大。该实验结果也给出了另一个信息，即连铸板坯表面铁橄榄石或者不存在或存在量很少，或者板坯进行了机清处理后去除了铁橄榄石。笔者对宝钢生产实绩进行了统计分析工作，收集了大量WEL-TEN590RE的数据，并按照“尽量固定其他工艺参数，放开出炉温度”的原则进行了数据筛选。对数回归结果表明，见表1，出炉温度与红色氧化铁皮发生与否是显著相关的。由图3可见，随着出炉温度的降低，缺陷发生的几率下降。从这一结果还可以做出如下推测：（1）出炉温度越高，Si扩散的热激活能就越高，形成液态FeO和Fe2SiO4组成物的量就越多，除鳞之后尽管可能剥离附着其上的FeO层，但随着温度的降低大量铁橄榄石仍然无法去除，从而导致缺陷发生率升高；（2）从图3可见，即使出炉温度降低到1170℃，统计结果显示，仍然有40%发生缺陷的可能性。这说明在板坯表面可能存在一定量的铁橄榄石（WEL-TEN590RE板坯为非机清），这有待于进一步的实验证实。如果证实板坯即已存在较多的铁橄榄石，那么，仅靠调整出炉温度和改造除鳞装置将不可能取得良好的效果，而进行板坯表面机清处理或许会得到良好的结果。3.3P含量试验结果表明，提高P含量一方面可以降低FeO/Fe2SiO4的共晶温度，同时，在FeO和Fe2SiO4界面之间以及Fe2SiO4和γ界面之间形成Fe3O4、SiO2和P2O5的混合物。该混合物有降低界面结合强度的作用，从而间接提高了除鳞能力[3]。但提高P含量虽然有利于消除红色氧化铁皮缺陷，但会恶化材料的塑、韧性，故对于像WEL-TEN590RE这种综合性能要求较高的材料不宜采用该方法。表1出炉温度与红色氧化铁皮缺陷相关性的对数回归结果图3出炉温度与红色氧化铁皮缺陷关系曲线3.4Si含量目前的研究结果一致认为Si含量过高是缺陷产生的内因，降低Si含量可以有效消除红色氧化铁皮缺陷。但生产条件的不同，尚无法给出定量化的结论；同时，由于Si是重要固溶强化元素之一，单纯降低Si含量将使材料强度降低，如何采取相应的弥补措施，目前的研究尚未提及。鉴于此，笔者对宝钢历史数据进行了统计分析工作。首先将数据按照“尽量固定出炉温度等他工艺参数，放开Si含量”的原则对数据进行筛选，并将Si含量限定在0.06%-0.325%之间，按照约0.05%的间距分层，进行离散化处理。卡方检验结果表明，如表2所示，Si含量在0.165%以下时，红铁皮发生的可能性很小，由此给出针对宝钢生产条件下降Si的定量化的方案。2006中国金属学会青年学术年会论文集383表2Si含量与红色氧化铁皮缺陷相关性的卡方检验结果4试验设计（DOE）前已述及，降低Si含量将导致强度的降低。经论证确定提高Mn含量来进行弥补。为了准确确定Mn含量对性能的影响趋势，并确定昀优的定量化方案，进行了Si和Mn含量的2水平全因子试验，且每个水平重复3次。表3给出因子和水平的设定情况和试验设计及试验结果。本文将以抗拉强度（用RM表示）为例进行如下分析：由图4可见，Si含量、Mn含量以及二者的交互作用对抗拉强度的影响都是显著的。从二者交互作用看（见图5），当[Si]取高水平时，[Mn]的正影响较小；当Si取低水平时，Mn的正影响较大。方差分析结果也证实，见表4，两个因子的主效应及其交互作用的P值均小于0.05，说明对抗拉强度的影响是显著的；而且决定系数R2为98.98％，表明回归方程可以解释抗拉强度的变异性。残差分析结果表明，见图6，残差符合正态分布，说明回归方程可用。这样，通过回归方程：RM=-1185.78+5397.72[Si]+1154.74[Mn]-3315.79[Si][Mn]，可以确定当Si含量从原来的0.31%降低到0.11%时，为使抗拉强度保持不变，Mn含量应从原来的1.33%提高到1.53%。表3试验设计及试验结果图4Si含量和Mn含量及二者交互作用的正态概率图图5Si含量和Mn含量交互作用图表4试验结果的方差分析2006中国金属学会青年学术年会论文集384图6抗拉强度残差分布图5实施结果5.1表面质量实施上述降Si增Mn方案后，统计三个月的产量，共生产WEL-TEN590RE产品1961吨，表面质量良好，见图7。图8给出改进前后红色氧化铁皮缺陷发生率的对比结果，可见，月平均发生率从改进前的33.6%降到0，改进效果是显著的。5.2性能指标本试验工作的目标是改进表面质量，同时，性能指标不发生变化。本文运用T检验方法对改进前后性能指标进行了对比，这里以抗拉强度为例进行阐述。图7改进后WEL-TEN590RE表面情况图8改进前后WEL-TEN590RE红色氧化铁皮发生率对比搜集2005年改进前后的生产实绩，确认组数据均为正态分布后，运用MINITAB软件对改进前后两组样本进行方差齐性检验，结果表明，如图9所示，从F检验的P值为0.174，大于0.05，可以断定两总体方差相等。进一步对两组样本均值进行T检验，如表5所示，两组数据均值之差落入95%置信区间之外