新型硼砂除氧化剂的研发与应用

2020-04-24杨梁才高建学王君国

天津冶金 2020年2期

杨梁才，高建学，王君国

（天津钢管制造有限公司，天津300301）

0 引言

天津钢管制造有限公司460 连轧管机组（以下简称460 机组），是于2007 年1 月投产的世界第一套大口径PQF（Premium Quality Finishing 高效、优质、精轧）限动芯棒连轧管机组，具有壁厚精度高、工具消耗低，可以轧制薄壁管和高钢级产品的优点。自机组投产以来，所生产的薄壁管和高钢级产品内表面一直存在内结疤、内划道缺陷，严重影响了产品合格率和成材率指标。热轧无缝钢管内结疤缺陷是无缝钢管生产过程中严重的缺陷之一，它存在于钢管内表面，大多数位于钢管头部，严重时通体出现，其形状类似于黄豆粒大小的凹坑[1]，有时周围还伴随内划道，硼砂作为无缝钢管生产过程中重要的除氧化剂，可有效的将毛管内表面的氧化铁皮熔融，不但能防止内结疤的产生，还能起到润滑作用，有效的保护芯棒外表面[2]。460 机组此前一直使用传统的普通硼砂，因该型硼砂本身的化学特性所致，已经很难满足现场的需求了，对此460 机组与某化工厂共同研发了一种新型硼砂除氧化剂。

1 硼砂除氧化物剂的作用

硼砂除氧化物剂是无缝钢管生产过程中必不可少的熔融润滑材料。轧管时，穿孔后毛管内表面会产生一层氧化铁皮（Fe3O4），熔点约1538 ℃，比重5.18，硬且脆。该层氧化铁皮的存在，不但增加了连轧过程中的摩擦力，同时对芯棒表面和钢管内表面都产生了很大影响，

为提高芯棒使用寿命，提高钢管内表面质量，必须对固态氧化铁皮进行处理，即喷吹硼砂除氧化物剂。在这里硼砂除氧化物剂有两个主要作用：

1.1 直接作为熔融润滑剂

硼砂、硫酸钠在毛管内熔融，作为熔融润滑剂。

硼砂熔点：741 ℃

硫酸钠熔点：884 ℃

1.2 产生化学反应

通过化学反应，利用混合熔剂熔融，降低固体物质熔点，使固态氧化铁皮转化为液态四氧化三铁，熔点在1000 ℃。

（1）硼砂除氧化物剂在氮气作用下，喷入高温毛管内部（毛管心部温度1290 ℃左右）。

（2）高温条件下硼砂失去结晶水。

（3）在表面活性剂作用下，硫酸钠、硼酸钠熔融。

（4）硼酸钠分解为偏硼酸钠，再转化为偏硼酸铁，偏硼酸铁又转化为偏硼酸钠，此反应是可逆反应。

（5）固态氧化铁皮转化为液态四氧化三铁。

这样一来，在硼砂除氧化物剂作用下，有害的氧化铁皮转化为有益的液态四氧化三铁参与熔融润滑。

2 内结疤和内划道产生的原因

热轧穿孔结束后，高温毛管内表面会产生一层氧化铁皮（Fe3O4），该氧化铁皮硬且脆，摩擦系数大，特别是薄壁管和高合金钢，不但氧化铁皮多还会产生铁氧锰、铁氧铬、铁氧钒、铁氧钼等物质，在连轧过程中，这些物质与氧化铁皮和硼砂熔融在一起，遇低温芯棒后极易冷凝形成一种坚硬的结晶体，最终在连轧辊和芯棒的挤压下造成钢管内表面结疤与划痕。如图1 为熔融物冷凝后的结晶体，图2 为钢管内表面结疤缺陷。在缺陷处取样进行观察，发现缺陷处无异常夹杂物，组织正常。经能谱分析，缺陷周边的残留物中含有Na 元素，而Na 元素的大量出现更加说明了内结疤缺陷是硼砂除氧化所致。

图2 钢管内结疤缺陷

3 传统型硼砂除氧化剂存在的局限性

（1）液态四氧化三铁与固态四氧化三铁转化点在1000 ℃左右，接触芯棒后，由于芯棒温度较低（80℃～100 ℃左右），造成熔融物温度降低，当温度低于1000 ℃后，熔融物重新固化，形成硬度很高的固态四氧化三铁，特别是锰铬合金较高时形成的Fe-Mn-O 及Fe-Cr-O 结晶硬度更高。若少量固化则形成钢管内结疤，若大量固化则形成大面积钢管内划道。

（2）传统型除氧化剂只是硼砂（Na2BO4.10H2O）、硫酸钠（Na2SO4）、硬脂酸钠（C17H35COONa）的简单物理混合物，只具有宏观相对均匀性，每个颗粒成份皆为单一组份，由于各物质比重不同、颗粒大小不同、反应及熔化速度不同，所以飞行速度、飞行距离及降落速度各不相同，造成管坯内表面硫酸钠、硼酸钠均匀性很差[3-4]。

（3）存在大量水份（30%左右），高温下水与铁反应形成四氧化三铁，增加了毛管内表面氧化铁皮量，反应式如下：

又因460 机组的轧机为PQF 三辊式，与普通的MPM 两辊轧机相比孔型封闭性要好，这样会造成较多的熔融物聚集在辊缝处，大大增加了内结疤和划道出现的几率。

4 新型硼砂除氧化剂的研发特性

为解决传统型硼砂的传统局限性，460 机组与某化工厂共同研发出了新型硼砂除氧化物剂。新型硼砂除氧化物剂粘度高、熔点低、不易结晶、耐候性好、保质期长，可有效抑制钢管内表面结疤及划道产生。大大提高了高钢级钢管生产质量，其具体的优点如下，表1 为两种硼砂技术参数对比情况。

（1）添加新型低熔点助熔剂，提高对Fe3O4熔化能力。

（2）添加与硼砂除氧化物剂完全相容的金属氧化物，阻碍Fe-Mn-O、Fe-Cr-O 及Fe-O 结晶体形成，降低Fe-Mn-O、Fe-Cr-O 及Fe-O 结晶体硬度。

（3）新型硼砂熔融体粘度高于传统型，可有效防止熔融体聚集。

（4）新型硼砂水份低于传统型，有效成分提高。

（5）还原剂碱含量低，更利于Fe3O4熔融。

（6）不易吸潮结块，干粉流动性好，可满足全天候使用要求。

5 新型除氧化剂的使用情况

使用前检查新型除氧化剂无结块、受潮，用DIN标准6#杯测量硼砂流速符合技术要求，喷硼砂系统给料、下料过程顺畅，无硼砂滞留和堵塞管道的现象，喷吹过程中硼砂能够均匀喷出，毛管尾部火焰强劲有力，毛管头部无大量硼砂堆积，硼砂燃烧充分，图3、图4 为两种除氧化物剂分别喷吹入毛管内，冷却后内表面状况的对比，使用新型的分布均匀，使用传统型的内表面偶尔存在熔融体聚集。此外与传统型硼砂相比，使用新型硼砂在同等条件下连轧机各机架扭矩值还略有降低，这充分证明了新型硼砂良好的润滑效果。表2 为使用两种硼砂时连轧机各架扭矩值对比情况（以Φ325 mm×10 mm 规格钢管为例）。

表1 两种硼砂技术参数对比

图3 喷吹传统型硼砂毛管内表面（冷却后）

图4 喷吹新型硼砂毛管内表面(冷却后)

表2 两种硼砂连轧机扭矩值对比情况/kNm

6 效果检验

为了充分验证新型除氧化的稳定性和其良好的使用效果，在首次使用过后，我们又在460 机组进行了长达3 个月的试用，试用过程中主要以各孔型系列薄壁难轧品种为主，重点涵盖了管线管、套管和气瓶管，从试用的结果来看，效果十分突出，试用批次没有出现一起内结疤缺陷，完全达到了研发的目的。表3 为试用阶段钢管质量跟踪情况。