SPA-H 耐候鋼表面氧化鐵皮缺陷原因分析及措施

吳優，魏秀東，齊曼，劉欣

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

SPA-H 耐候鋼為低合金高強度鋼，主要含有的合金元素為Cu、P、Cr、Ni、Si、Mn 等，具有優良的耐大氣腐蝕性能［1］。耐候鋼在使用過程中表面會逐步形成一層致密、附著牢固的腐蝕產物保護膜，阻止大氣中的氧、水及其他腐蝕性介質對基體進一步腐蝕，其腐蝕速率相對于碳鋼大大降低［2-3］。鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司（以下簡稱“朝陽鋼鐵”）年生產SPA-H 耐候鋼1 萬～3 萬t，最多時超過4 萬t。該鋼種生產中出現氧化鐵皮壓入鋼材表面的缺陷，影響了產品質量。

1 試樣缺陷描述及檢測結果

SPA-H 鋼生產工藝流程為： 高爐鐵水冶煉—脫硫扒渣—轉爐頂底復吹—LF 爐精煉—ASP 連鑄—鑄坯加熱—粗軋—精軋—卷取—平整—成品包裝。為研究氧化鐵皮缺陷產生的原因，現場取5 塊厚度規格為1.60 mm 的SPA-H 集裝箱用熱軋板表面條狀缺陷試樣，編號1#～5#，使用LEICA DIM5000M 光學顯微鏡、ZEISS SUPRA 55 場發射掃描電鏡和OXFORD 能譜儀，對缺陷部位進行檢測分析。

1.1 試樣缺陷描述

試樣宏觀形貌見圖1。肉眼觀察缺陷發現，1#～4#試樣表面局部存在沿軋制方向分布的黑灰色魚鱗狀缺陷，缺陷邊緣不規則；5#試樣表面局部沿軋制方向分布柳葉狀缺陷，缺陷邊緣較規則，呈黑褐色，缺陷部位色澤發暗，深度不一，大小各異。

1.2 檢測結果

掃描電鏡微觀觀察發現，1#～4#試樣缺陷處表面呈明顯的凹凸不平，凹陷處表面物質有些已脫落，呈明顯的壓入狀態，凹陷和凸起處均可見破碎物；5#試樣缺陷處呈“翹皮”狀，有些區域皮翹起，有些區域皮脫落，翹起、脫落處均可見破碎物。1#～5#試樣能譜成分分析結果均以O 和Fe 元素為主，也有少量Si、Cr 等影響氧化鐵皮的其他元素。在缺陷處截取金相試樣，經鑲嵌、磨制、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察發現，試樣缺陷附近組織與基體組織無明顯差異, 均為鐵素體+珠光體+貝氏體；1#、3#～5#試樣基體夾雜物為D0.5 級，2#試樣為D0.5、DS2.0 級。1#試樣缺陷（凹陷）處微觀形貌及能譜分析結果見圖2。

圖2 1#試樣缺陷（凹陷）處微觀形貌及能譜分析結果Fig.2 Microscopic Morphology of Defect （Depression） in No.1 Sample and Energy Spectrum Analysis Results

綜上可知，該缺陷為氧化鐵皮壓入缺陷。產生機理為板坯加熱和軋制過程中鋼的表面會產生氧化鐵皮，如果除鱗時氧化鐵皮還有殘留，在后續軋制時被軋輥碾壓而進入鋼板次表面，最終在鋼板表面形成氧化鐵皮壓入缺陷。

2 氧化鐵皮壓入缺陷原因分析

2.1 加熱工藝制度不合理

高溫爐氣下鋼坯表面生成的爐生氧化鐵皮成為一次氧化鐵皮。由于SPA-H 耐候鋼加入微量合金，所以與普碳鋼、低碳鋼相比，該鋼種產品質量設計的粗軋拋鋼溫度RDT 高，生產難度大。表1為SPA-H 鋼設計熱軋溫度制度。

表1 SPA-H 鋼設計熱軋溫度制度Table 1 Hot Rolling Temperature Schedule Designed for SPA-H Steel

為了滿足設計要求，必須采取較高溫度對板坯進行加熱，結果增加了在爐加熱時間，形成氧化鐵皮，導致氧化燒損大。另外，爐內氣氛控制不好、供風量過大、爐內形成負壓、吸入冷風等情況均會導致氧化鐵皮產生量過大，不容易被清除，形成一次氧化鐵皮壓入缺陷。SPA-H 鋼加熱工藝制度見表2。

表2 SPA-H 鋼加熱工藝制度Table 2 Heating Process System of SPA-H Steel

出現缺陷的板坯加熱工況顯示，生產薄規格SPA-H 鋼產品（厚度≤2 mm）時，加熱爐均熱段和加熱段的加熱溫度分別達到1 350 ℃和1 360 ℃，在爐時間230 min，不符合規定和生產操作要求。

為了保證軋制穩定性，在生產厚度＜1.8 mm的SPA-H 高強耐候鋼時采用較高溫度加熱，表3為不同加熱工藝下氧化鐵皮情況。

表3 不同加熱工藝下氧化鐵皮情況Table 3 Oxide Scales under Different Heating Processes

如表3 所示，高溫下爐生氧化鐵皮較厚，導致產品延展性較差，經軋制后壓入基體組織最終形成氧化鐵皮缺陷［5］。

2.2 除鱗水壓低及除鱗噴嘴安裝角度小

板坯出爐后粗軋軋制前進行高壓除鱗，鋼坯在軋制過程中進行機架間除鱗。除鱗水壓低或除鱗噴嘴安裝角度不符合標準均會造成除鱗不凈，導致氧化鐵皮壓入。高強耐候鋼Si 含量為0.4%左右，由于Si 比Fe 更易于氧化，加熱過程中，氧化層中會形成2FeO·SiO2，在1 173 ℃時為液態,容易被高壓除鱗水除去, 但溫度降低時會形成Fe2SiO4的共析產物，凝固后形成錨狀物緊緊釘扎鐵皮，導致后續很難去除［6］。分析認為，朝陽鋼鐵SPA-H 鋼爐后除鱗壓力低且控制不穩定，爐后除鱗箱的噴嘴安裝角度不合理，除鱗不凈導致氧化鐵皮壓入鋼板表面形成缺陷。

生產厚度規格≥4.0 mm 的SPA-H 鋼時，加熱爐加熱溫度控制相對較低（高溫段爐溫為1 290 ℃左右，RDT≤1 090 ℃），鋼坯在經過爐后除鱗及粗軋除鱗時，表面氧化層中形成的2FeO·SiO2已凝固形成Fe2SiO4的共析產物釘扎鐵皮，除鱗后Fe2O3和Fe3O4被除去，內層的FeO 不能完全被除去，形成氧化鐵皮［6］。

2.3 軋輥輥面磨削差

在軋制過程中表面氧化鐵皮脫落，熱的金屬表面與水和空氣接觸，會生成新的氧化鐵皮（二次氧化鐵皮）。在精軋機內由于軋輥表面磨削不好，造成輥面狀態不佳形成軋輥磨損氧化鐵皮。軋制過程中，若軋輥冷卻不好，軋輥表面溫度高，高溫下氧化膜開裂, 輥面氧化膜剝落被輾入帶鋼表面，導致帶鋼自身表面氧化鐵皮的生成。

3 措施及效果

3.1 優化加熱工藝制度

對板坯的加熱溫度和RDT 溫度進行跟蹤監測，將4 種厚度規格板坯的出鋼溫度和RDT 溫度分別降低10 ℃；（4.0，8.0］規格板坯的出鋼溫度降低10 ℃，RDT 溫度保持不變。根據板坯厚度和寬度細化了加熱段和均熱段的加熱溫度，縮小溫度偏差。SPA-H 鋼優化后熱軋溫度制度和加熱工藝制度分別見表4 和表5。

表4 SPA-H 鋼優化后熱軋溫度制度Table 4 Hot Rolling Temperature Schedule after Optimization

表5 SPA-H 鋼優化后加熱工藝制度Table 5 Heating Process System for SPA-H Steel after Optimization

表6 為優化后不同加熱工藝下氧化鐵皮情況。由表6 看出，加熱工藝優化后，氧化鐵皮量大幅度減少。因此，合理控制板坯的爐氣溫度和RDT溫度可以減少燒損，達到減少氧化鐵皮的效果。

表6 優化后不同加熱工藝下氧化鐵皮情況Table 6 Oxide Scales under Different Heating Processes after Optimization

3.2 優化除鱗水壓和除鱗噴嘴安裝角度

確保爐后高壓除鱗泵水壓≥23 MPa，除鱗噴嘴安裝角度≤15°，爐后采用雙排除鱗。為了減少軋制過程中的溫降，一般不使用機架間除鱗。爐后除鱗和機架間除鱗工藝優化后對SPA-H 鋼做打擊實驗，圖3 為粗軋爐后除鱗打擊實驗板實貌。

圖3 粗軋爐后除鱗打擊實驗板實貌Fig.3 Actual Appearance of Descaling and Striking Experimental Plate after Rough Rolling Furnace

由圖3 看出，打擊板表面除鱗效果很好，說明除鱗水壓適合，噴嘴安裝合適，噴嘴噴射均勻。

3.3 提高軋輥表面質量

增加SPA-H 軋輥上機前探傷檢測次數并做好記錄，確保軋輥表面無缺陷。采用塑料膜覆蓋修磨好的輥面，確保輥面質量符合上線要求?？刂栖堉乒澴?，確保軋輥有完好的氧化膜以減少氧化鐵皮的產生。

生產軋輥下線后對其進行評價并做好記錄，以確保在線軋輥工況滿足板卷表面質量要求。此后，沒有發生輥面氧化膜脫落壓入帶鋼表面的現象，大大減少了由此產生的氧化鐵皮缺陷。

采取上述措施后，SPA-H 集裝箱用鋼氧化燒損量降低，表面鐵皮產生量明顯減少，氧化鐵皮的厚度減薄。綜合軋鋼表面檢測儀檢測、平整機組在線抽查、用戶跟蹤反饋等信息后得出，SPA-H 鋼板表面氧化鐵皮缺陷率由0.83%降至0.07%，約降低91.6%。隨著上述相關技術措施的納標推廣，其他材質的鋼材表面氧化鐵皮類缺陷也得到明顯改善。

4 結語

采用LEICA DIM5000M 光學顯微鏡、ZEISS SUPRA 55 場發射掃描電鏡和OXFORD 能譜儀檢測并分析了SPA-H 耐候鋼熱軋板表面氧化鐵皮壓入缺陷，認為導致該缺陷的原因是加熱工藝制度不合理，除鱗水壓低，除鱗噴嘴安裝角度小及軋輥輥面磨削差。采取降低加熱段和均熱段加熱溫度、RDT溫度，縮短板坯在爐時間，爐后除鱗和機架間除鱗水壓力控制≥23 MPa，除鱗噴嘴安裝角度≤15°，改善軋輥輥面質量等措施后，SPA-H 鋼板表面氧化鐵皮缺陷率由0.83%降至0.07%，約降低了91.6%。