供稿|畢國(guó)喜

熱軋板卷紅色氧化鐵皮的成因及對(duì)策

供稿|畢國(guó)喜

內(nèi)容導(dǎo)讀

紅色氧化鐵皮是熱軋板卷比較常見的問題，對(duì)于含硅鋼尤為突出。其根源就是Fe充分氧化成Fe2O3的結(jié)果。在高溫狀態(tài)下，熱軋板卷表面應(yīng)該形成FeO或者FeO與Fe3O4的混合體。若除鱗不盡，會(huì)導(dǎo)致FeO的壓入，并在后續(xù)過程中，進(jìn)一步氧化成Fe2O3，最終形成紅色氧化鐵皮。軋輥的剝落也是形成彌散狀氧化鐵皮的原因。對(duì)于含硅鋼，在與普通鋼種采取減少在爐時(shí)間，增加粗除鱗機(jī)壓力，定期檢查水嘴，增加粗軋間除鱗道次，開啟軋輥防剝落水，控制軋制溫度等消除氧化鐵皮措施的前提下，提高出爐溫度，使粗除鱗時(shí)表面溫度不低于FeSiO4的熔點(diǎn)溫度（1173℃），是減少紅色氧化鐵皮的最佳途徑。

熱軋板卷的表面通常呈藍(lán)灰色，并且表面光滑，具有一定的光澤。但是由于不同鋼種的化學(xué)成分與軋制工藝不同，有時(shí)候鋼板表面會(huì)出現(xiàn)紅色氧化鐵皮（俗稱紅銹），特別是對(duì)含硅鋼，紅色鐵皮顯得尤為嚴(yán)重。這既影響產(chǎn)品的外觀，又會(huì)造成軋輥的磨損加重，以及鋼板因鐵皮的壓入而影響表面質(zhì)量。

在很多文獻(xiàn)中對(duì)紅色氧化鐵皮產(chǎn)生的原因及氧化鐵皮的結(jié)果有敘述。Okada等人[1]通過研究表明在鋼坯表面鐵皮達(dá)到20μm，軋制溫度低于900℃時(shí)，無論是含硅鋼還是低硅鋼都會(huì)產(chǎn)生紅色氧化鐵皮。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)板坯在爐時(shí)間過長(zhǎng)，造成一次氧化鐵皮太厚，難以清除，也是紅色氧化鐵皮產(chǎn)生的原因。Fukagawa等人[2]著重分析了含硅鋼氧化鐵皮的形成機(jī)理，他們指出含硅鋼中FeSiO4的釘扎作用導(dǎo)致一次氧化鐵皮難以除盡，在軋制過程中壓入Fe基體，進(jìn)而氧化成紅色氧化鐵皮。Bolt[3]等人詳細(xì)敘述三次氧化鐵皮研究結(jié)果及控制措施。他們主要從精軋溫度和時(shí)間角度闡述了三次鐵皮的形成及控制手段。同時(shí)他們對(duì)氧化鐵皮的粘附性進(jìn)行了具體的杯突及彎曲實(shí)驗(yàn)。

典型紅色氧化鐵皮形貌

在首鋼京唐公司熱軋生產(chǎn)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)無論是含硅鋼，還是硅含量很低的鋼，都不同程度地出現(xiàn)紅色氧化鐵皮(見圖1)。

圖1 Q235B紅色氧化鐵皮外觀（含硅0.2%）

從上圖看，紅色氧化鐵皮非常嚴(yán)重，覆蓋整個(gè)鋼板表面，在整個(gè)軋制方向都有。為進(jìn)一步研究氧化鐵皮的構(gòu)成，我們對(duì)其取樣進(jìn)行電鏡掃描，觀察其構(gòu)成及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，檢查紅鱗及氧化鐵皮的壓入是否對(duì)力學(xué)性能造成影響。具體取樣位置如圖2所示。

經(jīng)過掃描電鏡檢查，我們發(fā)現(xiàn)平均紅鱗厚度在16μm左右，有鐵皮壓入的地方達(dá)到26μm（見表1）。從外觀上看，我們可以看到表面有明顯的粉末狀鐵皮壓入。

圖2 取樣分布圖

表1 氧化鐵皮厚度分布

從鐵皮的形貌看（見圖3），氧化鐵皮結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，氧化鐵皮內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密，氧化鐵皮與基體的界面有凹坑，說明有氧化鐵皮壓入的跡象。外部為較松散的Fe3O4。

從力學(xué)性能來看（見表2）試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能較穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度波動(dòng)在15 MPa以內(nèi)，4個(gè)縱向試樣的拉伸曲線未出現(xiàn)屈服平臺(tái)，屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)未測(cè)，延伸率都在40%以上。綜合力學(xué)性能完全滿足要求，未見表面氧化鐵皮對(duì)卷板力學(xué)性能造成影響。帶有紅色氧化鐵皮的Q345力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果也表明，綜合力學(xué)性能完全滿足要求，未見表面氧化鐵皮對(duì)卷板力學(xué)性能造成影響。

圖3 114號(hào)樣氧化鐵皮形貌

熱軋板卷氧化鐵皮的構(gòu)成

氧化鐵皮的形成過程也是氧和鐵兩種元素的擴(kuò)散過程，氧由表面向鐵的內(nèi)部擴(kuò)散，而鐵則向外部擴(kuò)散。氧化反應(yīng)外層氧的濃度大，鐵的濃度小，生成鐵的高價(jià)氧化物；內(nèi)層鐵的濃度大，而氧的濃度小，生成氧的低價(jià)氧化物。氧化反應(yīng)一般為：

O2與鋼的反應(yīng)：

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

H2O與鋼的反應(yīng)：

各種類型的氧化鐵皮在不同的溫度下生長(zhǎng)速度也不同（見圖4），所以氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)是分層的。FeO是靠近金屬的最內(nèi)層，具有最低的含氧量。在570℃以下FeO是穩(wěn)定的。它在氧化皮中的含量隨溫度的升高而增加，并且當(dāng)鋼的溫度在700℃以上時(shí)，F(xiàn)eO占氧化皮層的95%。FeO的性質(zhì)發(fā)粘，粘到鋼料上不易除掉，具體形態(tài)見圖5。Fe3O4是氧化皮的中間相，為藍(lán)黑色（見圖1），當(dāng)鋼溫度在500℃以下時(shí)，氧化皮只含F(xiàn)e3O4。當(dāng)溫度上升到大約700℃時(shí)，在高溫下形成FeO，這時(shí)Fe3O4只占氧化皮層的4%（見圖1）。Fe3O4比FeO更硬、更耐磨。Fe2O3是氧化皮的外層相，為紅棕色。Fe2O3在近900℃以上形成，它約占氧化皮層的1%[2]。此時(shí)Fe已經(jīng)被充分氧化，其性質(zhì)是：細(xì)膩有光澤、松脆、易脫落；并且有阻止內(nèi)部繼續(xù)劇烈氧化的作用。隨著氧化條件的改變，氧化鐵皮的組成也會(huì)不同，有的甚至?xí)霈F(xiàn)缺少一層或兩層的情況。氧化鐵皮的厚度因其形成條件不同而差異很大，氧化鐵皮中各層的厚度也各不相同，鐵皮的顏色隨各種成分比例的不同而變化。當(dāng)Fe2O3比例較高時(shí)，鐵皮呈現(xiàn)紅色。據(jù)文獻(xiàn)記載，F(xiàn)e2O3粒徑在2μm以下時(shí)，氧化鐵皮呈現(xiàn)紅色[2]。

在熱軋工藝控制過程中，我們要盡量控制成品表面氧化鐵皮的生長(zhǎng)，并且在表面形成比較薄的藍(lán)灰色鐵皮。如果成品表面氧化鐵皮太厚，會(huì)造成后面酸洗的難度，以及在沖壓成型及激光切割時(shí)產(chǎn)生過多的鐵銹[4]。所以我們要在軋制過程中盡量控制Fe2O3的形成。Fe2O3無論是對(duì)表面質(zhì)量、外觀，還是軋輥的磨損都是不利的。三種氧化鐵皮中，F(xiàn)eO硬度最小,延展性最好，而Fe2O3的硬度比工作輥硬度還高(工作輥硬度410～615 HV)。軋制過程中，如果出現(xiàn)Fe2O3，對(duì)軋輥的磨削會(huì)大幅度增加[5]。所以我們?cè)谲堉七^程中，要盡量控制Fe2O3的生長(zhǎng)。本文中，我們將根據(jù)Fe2O3的特性，探討在熱軋過程中的抑制Fe2O3的方法與策略。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)含硅鋼表面更易生成Fe2O3，我們將專門針對(duì)含硅鋼探討軋制過程中抑制Fe2O3生長(zhǎng)的方法。

圖4 氧化鐵皮成分與溫度的關(guān)系[4]

圖5 典型的氧化鐵皮構(gòu)成

熱軋生產(chǎn)過程中氧化鐵皮的生長(zhǎng)過程

根據(jù)熱軋工藝過程，可以將板卷表面氧化鐵皮可分為三類：一次氧化鐵皮，二次氧化鐵皮，以及三次氧化鐵皮。一次氧化鐵皮為爐生氧化鐵皮，即板坯在加熱爐加熱過程中產(chǎn)生的。二次氧化鐵皮是在粗除鱗后，粗軋過程中產(chǎn)生的。顧名思義，三次氧化鐵皮即在精除鱗后，精軋與層流冷卻過程中產(chǎn)生。下面按照熱軋的工藝過程，闡述氧化鐵皮的成因及對(duì)策。

一次氧化鐵皮的成因

鋼在熱軋前，往往要在1100～1300℃加熱和保溫。在此溫度下,鋼表面與高溫爐氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，生成1～3 mm厚的一次鱗。該一次鱗也稱為一次氧化鐵皮。一次鱗的內(nèi)部存在有較大的空穴，一次氧化鐵皮為灰黑色鱗層，呈片狀覆蓋在鋼板表面。鱗層主要成分由磁鐵礦(Fe3O4)組成。

表3 氧化鐵皮性能[5]

爐生氧化發(fā)生在加熱爐內(nèi)，同化學(xué)成分、加熱溫度、在爐時(shí)間、爐內(nèi)氣氛有關(guān)。加熱溫度越高、在爐時(shí)間越長(zhǎng)、爐內(nèi)氧化性氣氛越強(qiáng)則越容易生成鐵皮?；瘜W(xué)成分中C、Si、Ni、Cu 等元素促進(jìn)氧化鐵皮生成，Mn、Al、Cr 可以減緩氧化鐵皮的生成。

在熱軋生產(chǎn)線中，當(dāng)板坯從加熱爐出來后，都裝備有高壓水除鱗機(jī)。在高溫鱗層表面碰到高壓水后，因熱應(yīng)力其表面就會(huì)開裂。高壓水進(jìn)入裂縫后，由于高壓水的冷卻和壓力作用，裂縫就會(huì)向鋼基界面擴(kuò)展。當(dāng)裂縫達(dá)到鋼基界面后，高壓水就會(huì)進(jìn)入排列在鋼基界面上的空穴，使沿鋼基界面的裂縫連續(xù)不斷地產(chǎn)生、擴(kuò)展，從而達(dá)到除鱗效果[5]。

在除鱗機(jī)壓力不夠或者水嘴堵塞時(shí)，容易造成一次氧化鐵皮在板坯表面殘留，最終導(dǎo)致一次氧化鐵皮的壓入。同時(shí)，一次氧化鐵皮的去除也跟氧化鐵皮的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，氧化鐵皮過厚或者過薄，都會(huì)導(dǎo)致鐵皮不易去除，所以我們要控制好加熱時(shí)間。同時(shí)含硅鋼的一次氧化鐵皮尤其難以去除。一次氧化鐵皮一般經(jīng)過粗軋和精軋碾壓后，呈通條彌散顆粒分布，或者片狀與舟狀分布，并且有一定的壓入，酸洗后可見明顯的凹坑（見圖6）。

從圖中可以看出，在紅色氧化鐵皮存在的部位，噴嘴由于堵塞或者損壞，除鱗效果不佳，導(dǎo)致壓入的FeO最終氧化成Fe2O3。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，我們每周例行的檢修，都要對(duì)噴嘴進(jìn)行檢查。檢查的方法就是在鋼板上噴油漆，油漆干后放到除鱗機(jī)里噴水打擊10～15 s，看油漆的剝落情況，來確定除鱗噴嘴的狀況。如圖7所示，噴嘴狀況良好時(shí)打靶實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，每一個(gè)打靶印清晰，沒有露點(diǎn)，方向一致。如果噴嘴堵塞或者損害，很容易識(shí)別。

二次氧化鐵皮的成因

圖6 由于粗軋除鱗不盡造成的紅色氧化鐵皮

圖7 噴嘴良好時(shí)打靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果

熱軋鋼坯從加熱爐出來后，經(jīng)高壓水除去一次鱗后，即表面氧化鐵皮脫落，進(jìn)行粗軋。在短時(shí)間的粗軋過程中鋼坯表面與水和空氣接觸，鋼坯表面產(chǎn)生了二次氧化鐵皮。二次鱗受水平軋制的影響厚度較薄，鋼坯與鱗的界面應(yīng)力小，所以剝離性差。如果噴射高壓水不能完全除去二次鱗，鱗殘留在鋼板表面的情況下進(jìn)行精軋，產(chǎn)品表面就會(huì)出現(xiàn)缺陷。二次氧化鐵皮也可能為紅色鱗層，呈明顯的長(zhǎng)條、壓入狀，沿軋制方向帶狀分布，鱗層主要成分由FeO、Fe2O3等微粒組成。但是二次鱗壓入的深度沒有一次鱗大，表面看上去比較光滑。

二次氧化鐵皮的去除主要依靠粗軋期間的除鱗與立輥的破鱗。一般來講，立輥的破鱗是靠板坯的變形來實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)坯料中間部分的破鱗作用有限。因此，二次氧化鐵皮的去除主要還是依靠粗軋機(jī)架間除鱗來完成。在保證軋制溫度的前提下，最好開盡可能多的除鱗道次，對(duì)鋼板的表面質(zhì)量有好處。對(duì)于比較薄規(guī)格或者終軋溫度比較高的鋼種，一般要求每隔一道次除鱗一次。

三次氧化鐵皮的成因

三次氧化鐵皮是指在熱軋的精軋區(qū)域產(chǎn)生的氧化鐵皮。精除鱗后，中間坯進(jìn)入精軋機(jī)組，在軋制的過程中，鋼板表面同樣要產(chǎn)生氧化鐵皮。同時(shí)精軋F(tuán)1～F3機(jī)架工作輥輥面氧化膜的粗糙、破壞和剝落是導(dǎo)致熱軋帶鋼表面產(chǎn)生三次氧化鐵皮缺陷的直接原因[6]?？刂坪密堉茰囟?，抑制Fe2O3的生長(zhǎng)，減少軋輥剝落，合理安排軋制計(jì)劃，促進(jìn)軋輥氧化膜的盡快形成，是減少三次氧化鐵皮的有效途徑。

由圖4可知，三種不同的氧化鐵皮在不同的溫度下生長(zhǎng)速度是不一樣的，在精軋過程中，控制鋼板表面的溫度在950℃以下，可以抑制Fe2O3的生長(zhǎng)。具體的措施就是開啟機(jī)架間冷卻水與軋輥防剝落水。同時(shí)安排好燙輥，使軋輥迅速在表面形成氧化膜。

含硅鋼中紅色氧化鐵皮的形成

在實(shí)際生產(chǎn)中，含硅鋼表面特別容易形成紅色氧化鐵皮。生產(chǎn)中常見的含硅鋼、高碳鋼和高強(qiáng)鋼在鋼帶通條長(zhǎng)度，整個(gè)板面均有分布的氧化鐵皮（見圖1）。

對(duì)上面圖片中的氧化鐵皮進(jìn)行掃描，我們發(fā)現(xiàn)在Fe基體與FeO之間存在Si富集區(qū)（見圖8，表4），而在Fe3O4與Fe2O3區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)硅，這進(jìn)一步說明紅色氧化鐵皮的形成與Si有關(guān)。下面我們對(duì)含硅鋼氧化鐵皮的形成做具體分析。

在前面我們提到，板坯在加熱爐加熱與保溫過程中，溫度達(dá)到1100～1300℃，鋼坯在高溫狀態(tài)下與氧化性氣氛接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Fe3O4、Fe2O3和FeO的一種混合物。含Si較高的鋼在加熱爐中長(zhǎng)時(shí)間加熱過程中會(huì)在氧化鐵皮層和基體之間形成鐵橄欖石（Fe2SiO4），鐵橄欖石在低1173℃時(shí)以液態(tài)形式出現(xiàn)[2]。熔融后的Fe2SiO4便會(huì)以楔形侵入鱗與鐵質(zhì)中，這樣鱗與鐵質(zhì)界面就形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的特殊結(jié)構(gòu)的鱗層。FeO與基體之間形成Fe2SiO4-FeO共析產(chǎn)物，F(xiàn)eO與共析產(chǎn)物之間存在較大的空洞。從上面的能譜結(jié)果來看Si只是富集在氧化鐵皮中的氧化亞鐵中。溫度低于1173℃時(shí)會(huì)與基體緊密結(jié)合在一起。Fe2SiO4在軋制過程中不發(fā)生變形，圍繞Fe2SiO4的塑性良好的FeO發(fā)生較大程度的變形。1220℃時(shí)，熱平衡狀態(tài)為FeO＋液態(tài)Fe2SiO4，液態(tài)Fe2SiO4將FeO晶粒包圍住，形成Fe2SiO4-FeO共析產(chǎn)物。凝固后，形成類似錨狀形貌，將FeO層釘扎住，釘扎住的FeO很難在除鱗中完全被除掉。熱軋過程中，沒有除掉的FeO層發(fā)生破碎，使其暴露在空氣中的面積大大增加；由于Fe離子供應(yīng)不足，外層O的供應(yīng)量過剩，加速FeO轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3O4后，再轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2O3。因此帶鋼表面殘余FeO鐵皮經(jīng)過充分的氧化是導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)紅色鐵皮的主要原因，詳細(xì)過程見圖9。

圖8 115樣品氧化鐵皮形貌（侵蝕）

譜圖 O Si Fe 總量譜圖 1 38.94 61.06 100.00譜圖 2 30.28 69.72 100.00譜圖 3 35.16 7.11 57.72 100.00

從以上的分析結(jié)果來看，消除或者減輕含硅鋼紅色氧化鐵皮的有效辦法就是提高出爐溫度，是板坯在粗除鱗時(shí)表面溫度高于Fe2SiO4的熔點(diǎn)，在其呈液態(tài)時(shí)，沒有形成FeO/Fe2SiO4的錨狀物，易于清除。根據(jù)實(shí)際情況，一般將此類鋼種的出爐溫度定位1240℃以上比較合適。同時(shí)加大除鱗壓力，增加粗軋除鱗道次（有條件的話，可以每一道次除鱗），也可以有效的減少紅色氧化鐵皮的產(chǎn)生。通過采取上述措施后，實(shí)際的結(jié)果表明，帶鋼表面紅色氧化鐵皮明顯減輕或者消除（見圖10）。

圖9 含硅鋼生成紅色氧化鐵皮機(jī)理示意圖[2]

結(jié)束語

紅色氧化鐵皮的形成是由于FeO及Fe3O4充分氧化的結(jié)果。它與溫度及除鱗不盡有關(guān)。

控制好加熱溫度與在爐時(shí)間，可以有效的減少紅色氧化的產(chǎn)生。

粗軋過程盡可能地安排多道次除鱗,可以去除中間坯表面的二次鐵皮,進(jìn)而可以有效的減少紅色鐵皮的產(chǎn)生。

控制精軋的溫度與速度，減少三次鐵皮的產(chǎn)生,可以減少軋輥的消耗與紅色鐵皮的形成。

對(duì)于含硅鋼,適當(dāng)提高出爐溫度，保證除鱗效果是減少紅色氧化鐵皮產(chǎn)生的有效途徑。

圖10 提高除鱗溫度，增加除鱗道次后效果

[1] Hikaru Okada,Tomoki Fukagawa,Haruhiko Ishihara,et al. Prevention of Red Scale Formation during Hot Rolling of Steels. ISIJ International, 1995, 35(7):886-891

[2] Tomoki Fukagawa, Hikaru Okada, Yasuhiro Maehar. Mechanism of Red Scale Defect Formation in Si Added Hot Rolled Steel Sheets. ISIJ International, 1994, 34 (11):906-911

[3] Bolt P.H., et al. Investigation of the formation, constitution and properties of scale formed during the finishing rolling, cooling and coiling of thin hot strips. no21128, L.EN, 2004, pp. 1-407.

[4] Bernard J, Coquelle, O., Nouvelle recherches sur l’oxydation du fer aux temperatures elevees par la methode micrographique. Compte Rendus, 222, 1946: 796.

[5] 魏天斌. 熱軋氧化鐵皮的成因及去除方法. 鋼鐵研究, 2003, (4):54-58

[6] 夏先平，何曉明，孫業(yè)中，等. 三次氧化鐵皮缺陷的成因分析. 寶鋼技術(shù)，2002，（4）

Causes and Countermeasures on Red Oxidized Scale of Hot Rolled Slab

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