摘  要：通过分析氧化铁皮的组成、结构和性质，结合宝钢集团梅山钢铁公司热轧板厂带钢氧化铁皮的现状，对氧化铁皮的形成原因进行了分析，并提出了减少带钢氧化铁皮质量缺陷的对策。

关键词：热轧带钢；氧化铁皮；控制措施

    随着钢坯表面温度、加热和冷却制度、周围介质含氧量等因素的不同，钢坯表面氧化铁皮的成分与结构也因之而异。热轧时压入板坯表面的氧化铁皮酸洗后在带钢表面留下深浅不一的麻坑，尤其是一次氧化铁皮的压入，酸洗后在粗糙的坑底常伴有未洗净的氧化铁皮颗粒，严重影响冷轧板的表面质量。

1  氧化铁皮概述

1．1  氧化铁皮的形成

    高温下带钢表面首先形成的氧化物可能是致密的Fe₃O₄，也可能是疏松的FeO。若是前者，氧化铁皮的进一步生成靠氧和铁离子的扩散来进行；若是后者，空气中的氧可通过多孔、疏松的氧化铁皮与铁反应，使氧化铁皮加厚和致密化。当温度低于570℃时氧化铁皮基本停止形成。

1．2氧化铁皮的组成和结构

    铁的氧化过程是：Fe—FeO(含氧量23．26％)一+Fe₃O₄(含氧量27．64％)一Fe₂O₃(含氧量30．04％)。铁氧系的热力分析证明，在氧化过程中产生许多独立相：铁内氧化物固溶体、富氏体(接近FeO的相)、Fe₃O₄、Fe₂O₃及氧化物固溶体。典型的氧化铁皮结构如图1所示。

    图中三者的组成比例约为：1 % Fe₂O₃。、4％Fe₃O₄、95％FeO。

    热轧终轧温度一般为870℃左右，随后是快速冷却，因此氧化铁皮一般由3层结构组成：最下层的富氏体(FeO和Fe₃O₄固溶体)、中间层的Fe₃O₄和最上层的Fe₂O₃。

    氧化铁皮厚度及结构的影响因素有：

    (1)终轧温度及卷取温度。温度越高，带钢表面的氧化铁皮越厚，且氧化铁皮中难溶的Fe₂O₃及Fe₃O₄。含量越高。

    (2)带钢规格。带钢越厚，表面氧化铁皮越厚。窄带钢表面的氧化铁皮为典型的3层结构，宽带钢大多为一层Fe₃O₄，有时也会在Fe₃O₄层中夹杂着明显的FeO变态层。

    (3)氧化铁皮在钢卷中的位置。由于带钢头、尾及边部在冷却时与空气接触多，因而氧化铁皮结构中Fe₂O₃及Fe₃O₄含量相对较高。

    (4)冷却方式。带钢冷却速度越慢，生成的氧化铁皮越厚，且氧化铁皮中难熔的Fe₂O₃及Fe₃O₄含量越高。

1．3  氧化铁皮的性质

1．3．1  紧密度

    氧化铁皮内层是疏松、多孔的细结晶组织，主要由氧化亚铁(FeO)组成；中间层是致密、无孔和裂缝、成玻璃状断口的磁性氧化铁(Fe₃O₄)；外层是结晶构造的氧化铁(Fe₂O₃)。

1．3．2  内应力

    金属的内应力小于表面氧化铁皮的强度时，氧化铁皮会产生裂缝；内应力大于氧化铁皮在金属表面的附着力时，氧化铁皮会从金属表面脱落。

    基体铁表面越粗糙，内应力越大，氧化铁皮破碎和脱落的可能性越大。

1．3．3  附着力

    附着力一般用破坏应力来衡量，附着力越大，破坏应力越大。FeO、Fe₃O₄、Fe₂O₃的破坏应力分别约为0．4、40、10MPa。氧化铁皮与基体铁的附着力越大，氧化铁皮越难从基体铁上脱落。

1．3．4氧化铁皮厚度

    带钢表面氧化铁皮厚度一般为7．5～15μm，有时可达20μm。其中最内层的FeO层约占80％，中间的Fe₃O₄占18％，最外层的Fe₂O₃仅占2％。

1．4  氧化铁皮厚度及结构对酸洗的影响

    酸洗时间的长短主要取决于氧化铁皮的结构和厚度。氧化铁皮的厚度与不同成分氧化铁皮酸洗时间的关系及终轧温度与酸洗时间的关系分别如图2和图3所示。  

2   梅山热轧厂带钢表面氧化铁皮质量问题

    梅山热轧厂采用的是全连续宽带热连轧机，在精轧飞剪前设有中间机架F₀。该生产线具有轧线长、轧机多的特点，仅粗轧区长度即为163m。粗轧区有5架水平轧机(R₁、R₂、R₄、R₅、R₆)，4架立辊轧机(VSB、E₄、E₅、E₆)，在VSB后及每台轧机前都设有高压水除鳞装置，其配置见图4。自生产线投产以来，氧化铁皮缺陷成为梅山热轧板厂主要的产品质量问题。

2．1 氧化铁皮的形态

    氧化铁皮的形态主要有以下几种：

    (1)通条大面积氧化铁皮。属于一次氧化铁皮压入，其表现为压入程度上有深孔，呈散沙状或纺锤状，是系统除鳞压力低于额定压力所至。造成系统除鳞压力低的原因是除鳞泵、叶轮、蓄时器压力突然降低。

    (2)通条弥散状氧化铁皮。如果钢坯加热温度过高，中间坯温度在氧化铁皮熔点(1050℃)以上，R₆机架出口后的中间坯会形成很薄的氧化铁皮，粘附在钢坯上。到F₀机架时生成的氧化铁皮还处于熔化状态，除鳞机难以去除，形成二次氧化铁皮。

    立辊除鳞仅破碎带钢边部的氧化铁皮，梅山热轧板厂的立辊破鳞效果还达不到钢坯中部，中部的氧化铁皮靠除鳞机的高压水去除，所以控制加热温度更加重要。粗轧产生的氧化铁皮基本上是一次氧化铁皮，要将其去除，首先必须使带钢温度低于氧化铁皮的熔点温度；其次必须保证除鳞工作压力正常，确保高压水将固化后的氧化铁皮清除干净(粗轧除鳞系统压力应在16MPa以上，带钢温度应在氧化铁皮熔点之下)。

    水波纹状通条氧化铁皮的产生是因为除鳞集管上某些水嘴堵塞，堵塞的除鳞水嘴越靠前，氧化铁皮压入越深。在检修或换辊期间经常检查水嘴工况，可避免产生此类氧化铁皮。

    (3)头部内圈氧化铁皮。头部内圈产生的氧化铁皮基本属于二次氧化铁皮，头部氧化铁皮有的长100～120m，有的不足10m，甚至一炉钢内同一批相邻两块钢头部氧化铁皮的长短也不同。用调时序的办法未能解决。通过反复跟踪研究得出：头部氧化铁皮的形成与钢坯头部温度高于氧化铁皮熔点温度有关。

    要减少带钢头部氧化铁皮缺陷，中间坯头部温度应控制在氧化铁皮熔点以下，因为当钢坯表面温度高于氧化铁皮熔点时，钢坯表面的氧化铁皮处于熔化状态，粘附在钢坯表面上，高压除鳞水无法清除干净；当钢坯表面温度低于氧化铁皮熔点时，钢坯表面氧化铁皮因凝结固化作用与钢坯表面脱离，高压除鳞水很容易将固化的氧化铁皮去除。

    为此，生产中规定：出炉钢坯头部温度要比尾部温度低40℃以上；同时尤其强调当钢坯在炉时间长、头部温度过高时，必须手动打开R₂除鳞装置，以降低靠近带坯头部1／3长度处的温度，强制中间坯头部温度降到氧化铁皮熔点以下。通过以上措施，基本上能防止头部内圈氧化铁皮的产生。

    (4)断续条状氧化铁皮。2004年底至2005年初生产的带钢，有较多的不带保护渣的断续条状氧化铁皮和带保护渣的断续条状氧化铁皮。

    ①不带保护渣的断续条状氧化铁皮产生的原因主要是：除鳞集管存在问题，喷嘴制造粗糙，喷嘴角度不对，不能保证除鳞的最佳角度(15°)，底座和喷嘴高度之间不平行，喷嘴喷出的水柱形状不一致；并且，喷嘴至钢板下表面距离越远，打击力下降越严重，造成同一位置有氧化铁皮压入；另外，随除鳞点的增多，喷嘴的压力降低。所以必须保证喷嘴质量和除鳞集管的制作质量达到设计要求。

    ②带保护渣的断续条状氧化铁皮的产生原因主要有：板坯浇注质量不稳定，热轧钢卷产生结疤、翘皮的现象明显增多。并且，板坯下表面相对上表面温度偏高，环境差，辊道烫，地沟温度、空气温度高，因而除鳞效果比上表面差。另外，有的保护渣质量不好，形成颗粒状进入或粘附在板坯表面，起局部隔热作用，同时粘附处降温效果差，使得无保护渣处氧化铁皮已固化，而有保护渣处氧化铁皮处于熔化状态，除鳞水难以去除熔化态的氧化铁皮，造成间断条状氧化铁皮压入。

2．2氧化铁皮的控制

    为了控制氧化铁皮的形成，根据梅山热轧板厂的实际情况，从精轧开轧温度(F₀机架入口温度)、在炉时间和冷却时间三方面进行控制。

2．2．1  F₀机架入口温度

    轧SPHC、SPHD等冷轧材和焊瓶钢时，如果R机架入口温度控制在1050℃以下，产生氧化铁皮的几率则较小。但F₀机架入口温度偏低或偏高，带钢表面均易产生氧化铁皮，为此应保证F₀机架入口温度在工艺范围内。当入口温度偏低时，应及时进行调整，以保证出炉温度达到工艺要求。当人口温度偏高时，应及时控制好在炉温度，同时增开R₂、R₆。机架除鳞水，打开保温罩，增开F₀机架前下喷水和加大辊道冷却水量等措施来降温。

2．2．2  在炉时间

    要求加热炉严格按照工艺要求，控制钢坯的在炉时间，如轧制230mm厚板坯时，在炉时间要控制在150min以上。同时要避免强化加热造成钢坯表面和中心的温差加大。

2．2．3  冷却时间

    层流冷却采用前段冷却方式，在达到相同．层流冷却温度情况下，缩短带钢在高温状态下与空气的接触时间，以减少氧化铁皮形成，从而降低氧化膜厚度。

3  改造效果

    梅钢热轧厂2005年12月停产进行粗轧技术改造，将R₁、R₂、R₄～R₆。全连续式改造成R₁、R₂、热卷箱的新粗轧方式。从改造前的氧化铁皮缺陷数量统计得出，氧化铁皮缺陷数量明显减少，2005年1～4月氧化铁皮封锁卷数占有率在2．94％～3．62％，而2005年5～11月，其占有率仅为0．63％～1．66％。