热轧耐候钢点状铁皮缺陷分析与控制

谭 文 韩 斌 杨 奕 刘 洋

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080)

热轧耐候钢点状铁皮缺陷分析与控制

谭 文 韩 斌 杨 奕 刘 洋

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080)

对热轧含Cu、Ni耐候钢表面出现的点状氧化缺陷进行了研究。通过对成品缺陷和出炉铸坯进行检测，认为在加热炉中形成的氧化物和Fe2SiO4向基体侵入是造成这种缺陷的主要原因，而界面富集的Cu、Ni及其向基体侵入的行为为Fe2SiO4向基体的侵入提供了便利的通道。通过采取降低加热炉出炉温度、控制加热炉气氛为中性气氛、优化控制钢中Ni/Cu和加大除鳞力度有效降低了耐候钢点状氧化铁皮缺陷发生率，表面质量大大提高。

耐候钢；点状氧化铁皮缺陷；形成机理；解决措施

为了增加钢材的耐候性，热轧耐候钢中含有一定量的合金元素Cu、Ni、Si等，这些元素由于特殊的氧化行为[1-4]，在生产过程中，易于造成热轧钢材出现红色氧化铁皮、压入性氧化铁皮等表面质量缺陷。

某钢厂热轧耐候钢在生产过程中也出现了较多的表面质量问题，缺陷的产生造成了大量的降级改判，造成了较大的经济损失。这些表面氧化缺陷的形貌与之前出现的红色压入氧化铁皮存在较大的差异。为了找出这种氧化缺陷的形成原因以及相应的解决措施，本文采用扫描电镜、探针等仪器对出炉后钢坯表面的氧化铁皮形貌和成品上的氧化缺陷进行了详细的检测分析，进而提出了表面点状氧化缺陷的形成机理。结合生产工艺数据分析和实验研究结果，对相应的影响因素进行了详细分析，进而提出和实施了解决点状氧化铁皮缺陷的技术措施。

1 点状氧化缺陷原因分析

某钢厂热轧含Ni、Cu钢表面出现的点状氧化铁皮缺陷形貌如图1所示。宏观形貌为沿轧制方向分布的细长点状或柳叶状缺陷，这些缺陷经放大后表现为基体表面覆盖的一层氧化铁皮，或全部脱落，或部分脱落，缺陷前端呈尖端状，形貌像柳叶。脱落部分宏观形貌表现为白色的基体。

图1 含Ni、Cu钢表面点状铁皮缺陷宏观及微观形貌

这些缺陷横截面的扫描和探针分析结果如图2所示，在板厚方向存在长度不一、深度约为3～15μm的细小含Fe、Si氧化物相，氧化物方向基本与板面平行或成一锐角，缺陷周围无氧化圆点。氧化物中除了含Fe 、O 和S i外，还含有少量的Mn及Cr元素。

图2 点状或柳叶状氧化铁皮缺陷探针分析结果

除了对上述成品进行分析外，还在加热炉出口处对铸坯取样。所取样为后工序故障后，铸坯在炉时间明显延长的试样，出炉温度1200～1250℃。铸坯表面出现向基体侵入的含Si氧化物相和含Cu、Ni合金相形貌如图3所示。

图3 含Cu、Ni钢铸坯表面向基体侵入的Cu、Ni合金和含Si氧化物

铸坯表面氧化铁皮厚度约为50～70μm。在基体界面附近存在向基体侵入的含Si氧化物相，深度约为40～80μm，同时也存在向基体晶界侵入的含Cu、Ni合金，深度约为10～20μm，在这些含Cu、Ni合金中，部分检测到了低熔点Sn元素。

根据以上分析结果，认为含Cu、Ni钢表面的点状或柳叶状氧化铁皮缺陷在加热炉中产生，主要原因在于长时间高温加热以及反复升降温，导致氧化铁皮/基体界面富集的Cu、Ni合金元素以及含Si氧化物向晶界侵入，在除鳞时难以将侵入基体的这部分氧化铁皮去除。在后续的轧制过程中，当变形越来越大时，原来与板坯表面垂直的氧化物层最后与基体表面平行，且产品的厚度越薄，此氧化物层与表面的距离越浅，因此与基体的结合力越弱。在轧辊与钢带表面摩擦力的作用下，板带表面的这层氧化物与基体全部或部分脱落，从而形成了含Cu、Ni钢表面的点状或柳叶状氧化铁皮缺陷。耐候钢点状或柳叶状氧化铁皮缺陷形成示意图如下4所示。

图4 含Cu、Ni钢表面点状或柳叶状氧化铁皮缺陷形成过程示意图

2 点状铁皮的影响因素及解决措施

2.1 影响因素分析

2.1.1 合金元素

在含Cu钢中添加一定量的Ni一方面可以增加Cu在钢中的固溶度[2,3]，减少Cu的析出和向晶界的侵入，而另一方面则可以提高Cu、Ni合金的熔点，降低液相Cu合金对基体的侵入，因此保持钢中的Ni/Cu对于降低Cu在表面析出以及向基体的侵入非常重要。表1为实际生产中Ni/Cu比对含Cu、Ni耐候钢点状铁皮发生率影响的实验结果。在Ni/Cu比低于0.40时，点状氧化缺陷的发生率明显增加。

表1 钢中Ni/Cu对点状氧化缺陷发生率的影响

从表中可看出，随着Ni/Cu比的增加，点状缺陷的发生率明显降低。

2.1.2 加热温度和加热时间

统计分析点状氧化铁皮缺陷出现的频率与出炉温度和在炉时间的关系见图5所示。在炉时间的增加主要在均热段产生，由于后工序出现故障，此时板坯往往在加热炉的均热段停留。

图5 加热工艺参数含Cu、Ni钢表面氧化缺陷出现频率的影响

从图5中可以看出，随着出炉温度的升高和在炉时间的延长，含Cu、Ni耐候钢表面出现点状氧化缺陷出现的频率越高。由于均热段的温度在1220～1280℃的高温区，在此温度下长时间待温，容易在氧化铁皮/基体界面产生大量熔融的Fe2SiO4，且此共晶产物向基体侵入的深度增加。图6示出了在空气中氧化不同时间和温度时，Fe2SiO4侵入基体的深度。因此减少钢坯在高温段的氧化时间或者降低待温温度将有利于减轻点状氧化铁皮的产生。在后工序故障清除后，也应采取快速升温的方法，减少高温段的氧化时间。

图6 氧化温度对Cu、Ni合金和Fe2SiO4侵入基体深度的影响

2.1.3 温度均匀性

在实际生产中，经常出现在带钢某个部分氧化缺陷出现较为严重，而其它部分出现较轻的情况。经分析，这主要是加热过程中温度不均匀所致。在加热过程中应提高板坯长度、宽度和厚度方向上的温度均匀性，并尽量减少加热炉内温度的反复波动。

2.1.4 加热炉内气氛

炉内气氛中的自由氧含量主要由加热炉各段空燃比决定。在加热炉的预热段自由氧含量较高，但此时由于温度较低，一般低于900℃，因此钢坯表面氧化较轻。一加热段和二加热段是钢坯的主要升温阶段，温度范围为900～1280℃，而在此阶段，通过在实验室采取不同的加热温度进行氧化，钢坯表面合金元素由于氧化而侵入基体的行为主要包括两个，如图7所示。在低于1100℃时，在金属基体表面产生Cu、Ni合金元素的富集以及向基体侵入的行为，且在1050℃时侵入基体的深度最深；在此Cu、Ni合金侵入基体的过程中，伴随Si在晶界的氧化，CuNi的侵入为含Si氧化物侵入晶界提供了便利的通道，因此在温度高于1173℃时，含Si液相氧化物侵入基体的深度越深。因此在一、二加热段及均热段，炉内气氛的自由氧含量应逐渐降低，且在高温的二加热段和均热段，适宜采用偏中性的加热气氛。

图7 实验条件观察到的不同温度下耐候钢氧化现象

2.1.5 粗轧温度及除鳞

粗轧出口温度对表面点状缺陷发生率的影响如图8所示。

图8 粗轧出口温度对缺陷发生率的影响

粗轧出口温度越高，表面点状缺陷的发生率越高。板坯在粗轧阶段，为了减轻Fe2SiO4向基体的侵入，应采用快速低温轧制和多道次除鳞的方法。一方面，板坯温度的降低大大降低了钢材的氧化程度，也减轻了Fe2SiO4向基体侵入的深度，在板坯逐渐变薄时，侵入基体的这层氧化铁皮逐渐变浅，并在除鳞水的作用下从板坯表面去除。另外加大除鳞，有利于增加板坯表面氧化铁皮与基体间的热应力，增加表面氧化铁皮剥离性。

2.2 工艺措施

根据热轧生产的实际情况，对含Ni、Cu钢的生产工艺，采取了如下措施：(1)控制钢中的Ni/Cu大于0.40；(2)通过适当减少空气流量，控制加热炉内气氛为中性气氛；(3)板坯出炉温度降低至1250℃以下，在炉时间≤180min；(4)炉内各段加热制度比较均匀；(5)轧线出现故障时，要将板坯出炉温度降低至1200℃以下，在故障清除后，采用快速升温至1250～1280℃，以增大表面氧化铁皮的热应力；(6)板坯出炉后，增加除鳞道次，粗轧出口温度降低至1060℃以下。

3 工艺实施后的效果

通过上述技术措施的实施，热轧耐候钢点状氧化铁皮缺陷发生率得到明显改善，由实施前的5.0%降低到目前的1.0%，表面质量大大提高。

4 结论

在加热炉中形成的氧化物和Fe2SiO4向基体侵入是造成某钢厂热轧含Cu、Ni耐候钢表面出现的点状氧化缺陷缺陷的主要原因，而界面富集的Cu、Ni及其向基体侵入的行为为Fe2SiO4向基体的侵入提供了便利的通道。通过采取降低加热炉出炉温度、控制加热炉气氛为中性气氛、优化控制钢中Ni/Cu和加大除鳞力度，有效降低耐候钢点状氧化铁皮缺陷发生率，大大提高表面质量。

[1] R. Y. Chen and W. Y. Yuen,Examination of oxide scales of hot rolled steel products[J].ISIJ Int., 2005,45(1):52-59.

[2] N. Imai, N. Komatsubara and K. Kunishige. Effect of Cu、Sn and Ni on Hot WorkabiIity of Hot-rolled Mild Steel[J].ISIJ Int., 1997,37(3):217-223.

[3] N. Imai, N. Komatsubara and K. Kunishige. Effect of Cu and Ni on Hot WorkabiIity of Hot-rolled Mild Steel[J]. ISIJ Int., 1997,37(3)：224-231.

[4] Tatsuya ASAI,Tetsuo SOSHIRODA,Masayuki MIYAHARA ,Influence of Ni Impurity in Steel on the Removability of Primary Scale in Hydraulic Descaling[J].ISIJ Int,1997,37(3):272-277.

(责任编辑：李文英)

Analysis and Control of Surface Dot-Like Oxide Defects on Hot Rolled Weathering-Resistant Steel

TAN Wen HAN Bin YANG Yi LIU Yang

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

In the paper, an investigation on dot-like oxide defect on the surface of hot rolling weathering-resistant strip is conducted. The formation mechanism of the defect is discussed, based on the examined results of defect on slab and finish product. It has been found out that the fayalite and/or oxide produced in the furnace lead to the occurrence of the defect, and the invasion of liquid enriched copper, nickel into the substrate provides convenient access to subsequent invasion of fayalite and/or oxide during slab reheating. Effects of hot rolling processes on defect rate are analyzed subsequently. On the basis of that, measures are put forward and implemented. As a result, the dot-like defect rate is significantly reduced by adopting neural heating atmosphere, decreasing slab exit temperature , and increasing the Ni/Cu ratio and increasing the pass number of descaling during rough rolling, etc. The surface quality of weathering-resistant steel is greatly improved.

weathering-resistant steel; dot-like oxide defect; formation mechanism; measures

2014-12-16

2015-05-19

谭 文(1979～)，男，土家族，博士,高级工程师.E-mail:tanwen_2001@sina.com

TG157

A

1671-3524(2015)02-0013-04