1、板带热连轧中氧化铁皮的控制技术2009年 2月第 26卷第 1期Feb. 2009 Vol.26 No.1 轧 钢 STEEL ROLLING 研究与开发板带热连轧中氧化铁皮的控制技术刘振宇 1,于 洋 2,郭晓波 2,关 菊 2,王国栋 1(1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁 沈阳 110004;2.鞍山钢铁集团公司,辽宁 鞍山 114021)摘 要:介绍了板带热连轧过程中表面氧化铁皮的结构、组成和演变规律,提出了有效抑制氧化铁皮生长、降低红色氧化铁皮覆盖率的热轧、冷却和卷取技术路线。指出通过改变轧后卷取温度,可以控制 FeO的共析反应,从而获得“减酸洗”或“免酸洗”钢需要
2、的氧化铁皮结构;层流冷却线增加前置超快冷装置是综合解决氧化铁皮控制和产品力学性能保证的较佳途径。关键词:板带热连轧;氧化铁皮;组成;结构;减免酸洗中图分类号:TG33555 文献标识码:A 文章编号:1003-9996(2009)01-0005-05Techniques of Oxide Scales Control during Hot Strip RollingLIU Zhen-yu1,YU Yang2, GUO Xiao-bo2,GUAN Ju2, WANG Guo-dong1(1The State Key Lab. of Rolling and Automation,Northeast
3、ern University,Shenyang 110004,China;2Anshan Iron oxide scale;composition;structure;free-pickling收稿日期:2009-01-04作者简介:刘振宇(1967-),男(汉族),内蒙古赤峰人,教授,博士生导师,东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室组织性能测试研究中心主任。1 前言随着我国国民经济的迅猛发展,我国钢铁工业在设备条件方面已达到国际先进水平,同时也开展了大量针对产品外形、力学性能和使用寿命应求的情况下,一些企业忙于生产,忽视了引进技术的消化和吸收,甚至有些花费巨资引进的高级功能逐渐退化,最
4、终丧失。因此,应利用目前生产任务不紧、产量压力不大的时机,组织产学研结合的队伍,花大力气进行引进技术的消化和吸收,破解引进中的“黑箱”部分,不但要恢复原有的功能,还要进行自主创新,并且根据产品开发的需要,开发新的装备、工艺和技术,增添新的有特色的功能,以利于今后激烈的市场竞争。4 结语面对即将来临的 2009年,我国轧钢行业必须加强自主创新,不断提升企业的核心竞争力,贯彻中央提出的“调结构、促内需、保增长”的方针。当前应当抓紧做好:(1)加强产品结构的调整,开发有特色的适销对路产品;(2)进行技术改造和开发,放大原有投资、引进的效果;(3)延伸深加工链条,提高产品的附加值;(4)加强绿色产品研
5、发,促进生态环境建设;(5)破解“黑箱”,在消化、吸收引进技术的基础上创新。相信通过轧钢行业同仁们的共同努力,一定可以化解危机,促进钢铁工业的发展,为我国经济的可持续发展贡献一份力量。5的攻关研究,使多数钢材产品的尺寸精度和性能质量达到了国际先进水平。然而,由于长期对产品表面质量缺乏关注,加之一些节能技术的使用(高温热装和短时加热等),造成热轧带钢表面氧化铁皮不易去除、带钢表面出现红锈、铁皮压入及酸洗残留等问题,严重阻碍了产品档次的提升。典型的氧化铁皮结构由最外层较薄的 Fe2O3层、中间 Fe3O4层和靠近基体侧的 FeO层组成1,2。根据 Fe-O平衡相图,在 5701371时,FeO处于
6、稳定状态;在 570以下时,FeO 发生共析反应生成 -Fe+Fe3O4 的混合物。酸洗去除氧化铁皮过程中,FeO 最容易被还原分解,Fe3O4 次之,Fe2O3 最难被酸还原分解3,4。因此,控制热轧板带的氧化铁皮结构是减少酸洗用酸量、提高酸洗效率的重要途径。另外,对于某些热轧深冲用钢如汽车大梁板等,为彻底摆脱酸洗带来的环境负担,通过优化控制热轧过程中带钢表面氧化铁皮的结构,目前日本等国已开发出可带氧化铁皮进行深加工的“黑皮钢”5,6。这种钢表面氧化铁皮主要由 Fe3O4组成,具有较高的塑性、较薄的厚度及与基体紧密的结合力,在深加工过程中氧化铁皮可随基体发生变形,因此不需要通过酸洗去除氧化铁
7、皮。由此可见,根据用户需要,在热轧过程中合理调整工艺参数以生成不同结构的氧化铁皮,可达到“减酸洗”或“免酸洗”的目的。随着我国科技中长期发展纲要的实施,对冶金工业中的各生产流程提出了节能减排的严格要求,对给环境造成根本性破坏的废酸排放的惩治力度将空前加大,因此多数汽车等生产企业迫切需要减酸洗和免酸洗原材料产品,即通过热轧生产中控制钢材表面氧化铁皮的结构,使氧化铁皮不仅在深加工变形过程中随基体发生塑性变形而不发生剥落,同时还可以起到替代深加工过程中润滑剂的作用。2006 年前国内免酸洗钢生产一直处于空白状态,为切实落实钢铁工业中的科学发展观、解决一直困扰我国热轧产品的表面质量和环境负担等问题,开
8、发低成本、环保型减酸洗和免酸洗钢的生产技术成为研究热点。2 红色氧化铁皮的生成机理及其解决方法热轧过程中,板带表面基本形成以 FeO为主的氧化铁皮。FeO 在较高温度条件下具有较高的塑性,可以随基体发生变形而不破碎。但在低温轧制时,FeO 会发生破碎,使接触空气的比表面积增大,从而被继续氧化成 Fe2O37。钢中含Si量较高时,再加热过程中在氧化铁皮和基体之间容易生成 FeSi2O4,将铁皮牢固粘黏在基体上,在后续热轧过程中容易被压入,还易导致热轧过程中铁皮的破碎而形成红色铁皮。图 1示出的是高 Si钢的典型氧化铁皮断面结构。因此,优化钢中 Si含量、优化除鳞工艺和热轧温度制度以防止热轧过程中
9、 FeO破碎是消除带钢表面形成红色氧化铁皮的关键。图 1 热轧集装箱板表面氧化铁皮的断面结构研究还发现8,热轧带钢成品表面红色氧化铁皮的比例与进精轧时氧化铁皮厚度有直接关系,如图 2所示。可以看出,精轧前带钢表面氧化铁皮厚度越薄,成品钢板出现红色氧化铁皮的几率越低。因此,精轧前氧化铁皮厚度应控制在尽可能薄的范围内,以消除红色氧化铁皮。采用Liu等关于恒温氧化动力学估算复杂变温过程中氧化动力学的数值模型9,对不同热轧工艺制度(见图 3)的氧化铁皮生长情况进行了模拟计算,如图 4所示10。结果表明,提高终轧温度、缩短道次间隔时间,可以使氧化铁皮厚度降低至 8m以下,达到完全消除红色氧化铁皮的水平。
10、图 2 低 Si和高 Si钢板精轧前表面氧化铁皮厚度与成品红色氧化铁皮比例的关系6轧 钢 2009 年 2月出版图 3 不同的热轧工艺制度1-常用工艺;2-生产 SPA-H钢板的新工艺;3-生产L360钢板的新工艺;4-生产 Q235B钢板的新工艺3 热轧过程中氧化铁皮结构的变化规律板带热轧过程中氧化铁皮结构控制的目标在于实现 Fe3O4和 FeO的含量和比例的控制。虽然热轧过程中形成的氧化铁皮主要以 FeO为主,但 Fe3O4含量随热轧工艺参数还是会发生一定程度的变化。图 5示出了采用热模拟实验模拟热轧过程中开轧温度和终轧温度对 Fe3O4含量的影响规律11。可以看出,随轧制温度的提高,氧化
11、铁皮中 Fe3O4相对含量会有所提高。热轧带钢在卷取过程中氧化铁皮会发生共析反应转变成 -Fe+Fe3O4 混合物,氧化铁皮结构控制的关键很大程度在于对 FeO等温转变行为的控制。到目前为止,关于热轧带钢表面 FeO在不同温度条件下的转变行为的系统研究还不多,基于氧化铁皮结构控制工艺中关于卷取温度的控制策略也无明确的理论依据。因此,弄清不同温度和时间条件下 FeO的转变行为,是制定以氧化铁皮控制为目标的热轧工艺的关键环节之一。图 4 采用新的轧制工艺后,氧化铁皮厚度在不同阶段演变情况的模拟计算结果a)粗轧阶段;b)精轧阶段;c)卷取阶段图 5 轧制温度对氧化铁皮中 Fe3O4含量的影响a)开轧
12、温度对 Fe3O4含量的影响;b)终轧温度对 Fe3O4含量的影响图 6示出了 SPHC钢板表面形成的 FeO在空气条件下等温转变的温度-时间“C”曲线关系。可以看出,在 650以上等温保持时,FeO 基本不发生先共析和共析反应,因此在这一温度下进行轧后卷取对于生产氧化铁皮中 FeO含量较多的“减酸洗”钢是有利的;而在 450550进行等温保持时,处于 FeO向 Fe3O4转变的“鼻尖”温度范围,对于生产氧化铁皮中 Fe3O4含量较高的“免酸洗”钢是有利的。FeO 发生共析反应时,还会生成一定量的 -Fe,典型的 FeO共析产物如图 7所示。氧化铁皮中存在单质 Fe会一定程度上降低钢材的耐候性
13、,因此在“免酸洗”钢的生产和运输过程中7第 26卷第 1期 刘振宇等:板带热连轧中氧化铁皮的控制技术应注意保护产品表面不受雨水等的浸湿。图 6 空气条件下 SPHC钢板表面 FeO等温转变的温度-时间关系图 7 典型 FeO共析产物(Fe3O4+-Fe)的断面形貌4 热轧板带氧化铁皮控制技术及发展方向根据热轧过程中氧化铁皮的演变特点,氧化铁皮控制技术的主要技术路线是:在热轧过程中,优化除鳞工艺以彻底去除炉生和二次氧化铁皮、优化热轧温度制度以避免 FeO的破碎、优化轧制节奏以降低氧化铁皮厚度;在卷取过程中,根据实际需要设定卷取温度,以控制 FeO的共析反应(4FeOFe+Fe3O4),即:需要减
14、酸洗冷轧供料(FeO含量较高)时,卷取过程中应制定抑制共析反应的卷取工艺;需要免酸洗结构钢热轧板带(Fe3O4含量较高)时,卷取过程中应制定促进共析反应的相应工艺,如图 8所示。采用氧化铁皮控制技术,在不增加成本的前提下可消除红色氧化铁皮,降低铁皮厚度至 68m。氧化铁皮控制前后铁皮结构及组成的对比如图 9所示。冷轧原料钢板氧化铁皮结构改变、厚度减薄之后,冷轧酸洗机组酸洗速度可提高 20%。图 8 氧化铁皮控制工艺与常规工艺的比较图 9 传统工艺与氧化铁皮控制技术生产的 SPCC钢表面氧化铁皮结构对比a)传统工艺;b)采用氧化铁皮控制技术后采用氧化铁皮控制技术开发出主要含 Fe3O4氧化铁皮的
15、直接冲压用免酸洗汽车结构用钢已在卡车生产中大量使用,取消了酸洗工序,推进了汽车生产的节能减排。冲压成汽车梁后,“黑皮钢”表面均匀一致,涂漆后的盐雾腐蚀试验表明,使用寿命远超过日本标准(200h)。而传统 510L大梁板由于其表面氧化铁皮结构不均匀,经酸洗后易出现“斑秃”现象,不利于涂漆的均匀性。以氧化铁皮控制技术为基础生产出来的免酸洗和减酸洗结构钢今后有望进一步扩大应用到其他车型生产线,那样环保效果将会更加明显,对我国钢铁工业可持续健康发展起到积极的促进作用,符合国家对冶金企业走绿色环保、可持续发展的要求。目前,全国共有卡车制造厂 20多家,年产量 175万辆,如果所有卡车生产厂家都取消酸洗工
16、序,每年可以少排放废酸达 5万 t以上。目前我国自主研发的氧化铁皮控制技术与日本等国家同类技术相比,基本处于相同水平,例如在氧化铁皮厚度控制方面,完全可以达到 68m 的水平;在氧化铁皮结构控制方面,生产免酸洗钢时,Fe3O4 含量可以达到 80%以上,符合日本关于“免酸洗”钢的标准要求,而上述指标是8轧 钢 2009 年 2月出版在未进行设备改造和额外添加其他合金元素的条件下达到的。我国目前拥有 10余条薄板坯连铸连轧生产线,因其热履历有别于常规生产线而导致的产品表面缺陷阻碍了薄板坯连铸连轧技术的发展,其加热温度、开轧温度、终轧温度和卷取温度的调整范围较窄,因此开发与产品相结合的薄板坯连铸连
17、轧氧化铁皮控制技术是今后发展的一个方向。另外,值得注意的是,在氧化铁皮控制过程中,希望尽可能在较高温度下完成轧制以保证FeO不发生破碎。但是,这种高温轧制无疑会降低钢材的力学性能,因此,必须适当改变后续的冷却工艺来弥补因控制氧化铁皮而造成的产品强度损失。新日铁公司在生产用于“免酸洗”的致密氧化铁皮钢(Tight Scale Steel)时,轧后第 1阶段的冷却速度超过了 60K/s5。国内生产“免酸洗”钢时,也要适当加大轧后冷却速度,不仅是为了控制FeO的共析反应,而且可起到补偿强度损失的效果。采用上述技术路线,会对轧制和冷却过程中微合金元素(如 Nb)的沉淀析出行为有很大影响,造成传统工艺中
18、奥氏体相中发生的应变诱导析出减少,代之以在铁素体相中发生较大程度的沉淀析出。图 10是传统工艺和氧化铁皮控制相适应的新一代 TMCP工艺中微合金元素沉淀析出比较的示意图。铁素体中的沉淀相析出温度较低,沉淀相的尺寸较小,会产生更大的沉淀强化效果。因此,从国内外氧化铁皮控制技术实施的情况来看,层流冷却线前段增加超快冷段是综合解决氧化铁皮结构控制并保证产品力学性能的较佳途径。图 10 氧化铁皮控制工艺过程中沉淀析出行为与传统工艺中沉淀析出行为的对比5 结论(1)开发出了适合于复杂变温情况的计算氧化铁皮厚度变化的理论方法和计算机程序,确定了有效抑制氧化铁皮生长、降低红色氧化铁皮覆盖率的热轧、冷却和卷取
19、技术路线。(2)实验研究发现,钢基体与氧化铁皮结合处存在的 Fe2SiO4可导致热轧带钢表面形成红色氧化铁皮,1173以上进行开轧前除鳞可有效消除红色氧化铁皮。(3)通过改变轧后卷取温度,可以控制 FeO的共析反应,从而获得“减酸洗”或“免酸洗”钢需要的氧化铁皮结构。(4)层流冷却线增加前置超快冷装置是综合解决氧化铁皮控制和产品力学性能保证的较佳途径。参考文献:1 Wolf M M. Scale Formation and Descaling in ContinuousCasting and Hot RollingJ.Iron Making and Steel Making,2000,(1):
20、22-43.2吴祝民.热轧带钢氧化铁皮的成因及对策J.轧钢,2007,24(3):56-58.3张孟仪,邵光杰.热轧板的氧化皮结构对酸洗效果的影响J.上海金属,2007,29(3):43.4王银军,穆海玲,董汉君,等. SPHC 热带氧化铁皮酸洗困难原因分析及对策J.轧钢,2006,23(4):51-54.5Kashiwazaki Kichiya,Ogura Takahiko,Urabe Toshiaki.Man-ufacture of Checkered Steel Plate Having Tight ScaleP.Ja-pan:JP10235424.6王国栋,刘相华.日本热轧带钢技术的发
21、展和现状J.轧钢,2007,24(1):1-6.7 Tomoki Fukagawa, Hikaru Okada,Yasuhiro Maehar. Mecha-nism of Red Scale Defect Formation in Si Added Hot Rolled SteelSheetsJ.ISIJ international, 1994, 34 (11):906-911.8 Hikaru Okada, Tomoki Fukagawa, Haruhiko Ishihara, etal. Prevention of Red Scale Formation during Hot Rolli
22、ng ofSteelsJ. ISIJ International,1995, 35(7): 886-891.9 LIU Z, Gao W. A Numerical Model to Predict the Kineticsof Anisothermal Oxidation of MetalsJ.High TemperatureMaterials and Processes, 1998, 17(4 ):231-236.10于 洋,李清亮,刘振宇.板带热连轧过程中氧化铁皮生长动力学的数值模拟J.钢铁,2008,43(1):55-57.11孙 彬.热轧板带氧化铁皮中 Fe3O4形成机理的研究D.沈阳:东北大学,2007.9第 26卷第 1期 刘振宇等:板带热连轧中氧化铁皮的控制技术
