热轧带钢的氧化皮缺陷类型与成因分析

 本文根据热连轧生产工艺的特点，结合已有对碳钢氧化行为研究的成果，系统总结了热轧带钢表面氧化皮的组成与结构变化规律，详细分析了热轧带钢表面主要氧化皮缺陷形成的影响因素、类型与成因，并归纳了氧化皮缺陷的生产和工艺控制措施。

　　热连轧是钢铁生产的重要工艺过程。目前在热轧板型和精度控制，成分组织和力学性能控制等方面均取得了较大进步，然而热轧产品的表面质量，尤其是氧化皮轧入导致的各类缺陷一直困扰着国内外各生产厂家，成为影响热轧产品质量，造成用户质量异议的主要因素之一。

　　表面氧化皮缺陷不仅影响热轧产品的外观和酸洗质量，而且影响其表面性能，如涂装和腐蚀性能，甚至通过冷轧的传续，对冷轧尤其涂镀产品表面质量造成严重影响，因此热轧产品的氧化皮缺陷已构成影响板带产品表面质量的主要问题之一。

　　本文根据热轧工艺过程的特点和生产实践中经常遇到的问题，从氧化行为和机理入手，系统分析了热连轧不同工艺阶段氧化皮形成和结构特点，总结了各种主要氧化皮缺陷的类型、影响因素和成因。

带钢热轧过程中的氧化和影响因素

　　碳钢的氧化行为与反应

　　碳钢在受热状态下不可避免地发生氧化，决定碳钢的氧化行为、氧化皮组成与结构的主要因素是合金成分、氧化条件（温度、气氛和时间）、热力学及动力学。

　　碳钢在空气中恒温氧化动力学主要遵从抛物线规律，一般情况下，氧化温度越高和氧化时间越长，氧化皮生成量或厚度越大。

　　氧化初期，氧化物形核和稳定氧化层建立之前反应动力学一般遵从线性规律，之后在致密氧化层形成状态下符合抛物线规律。当氧化时间较长时，由于柯肯达尔效应（Kirkendal effect）导致在氧化层/基体界面处形成空洞，加之氧化层内应力的增加或者新相的形成，会导致氧化动力学波动，甚至出现失稳氧化行为.

在高于570℃的空气条件下，碳钢的恒温氧化形成界面明显的Fe/FeO/Fe3O4/Fe2O3三层结构氧化皮；在570℃以下，由于Fe0相热力学不稳定，故碳钢表面仅形成Fe/FeO/Fe3O4/Fe2O3两层结构的氧化皮。

　　在碳钢的高温三层结构氧化皮中共存在4个界面。在1000℃附近的温度下，碳钢三层氧化物厚度的比例基本为FeO∶Fe3O4∶FeFe2O3=95∶4∶1。FeO晶体中Fe2+不足，常表示为Fe1_y0，即在阳离子点阵中存在大量缺陷，有利于Fe2+的扩散，因而其生长最快，并控制着总的氧化速度。

　　需要指出的是，碳钢氧化皮中三种氧化物的比例并非固定不变，会随着碳钢成分、氧化温度、氧化时间甚至氧化环境的不同发生明显变化.

  在冷却过程中，碳钢氧化皮会发生Fe1_y0的相变过程，包括Fe3O4的先共析反应。理论上，Fe3O4先共析反应发生在570℃以上，而共析反应则发生在570℃以下。当冷却速度较快时，先共析反应和共析反应的实际发生温度范围会下移，如共析发应可在570~220℃的温度下进行，发生所谓的“迟滞共析反应”。

　　热轧工艺过程和氧化皮类别

　　带钢的热连轧生产工艺过程主要包括板坯再热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取和钢卷空冷等，该过程从钢坯在1200℃左右的温度加热开始，经历整个轧程一直到室温。工艺段不同，带钢的氧化条件不同，因而氧化皮组成和结构变化较大。

　　热连轧生产起始于钢坯在加热炉中的再热，一般采用燃气将钢坯加热到1200~1250℃。由于加热炉内的气氛具有氧化性，而且加热时间长达3~4h，故在板坯出炉时表面会形成厚达2~3mm的氧化皮，而且在钢坯经传送台传送时，氧化皮还会加速生长。生产上将这种氧化皮称作“一次氧化皮”（Primary  sca1e），在粗轧机之前采用高压除鳞箱（PSB）去除。在钢材的生产过程中，一次氧化皮的形成是导致钢材烧损的主要原因，烧损量约占1%~3%。

　　粗轧的温度约为1000~1200℃，除鳞后的碳钢表面在粗轧过程中还会形成新的氧化皮。粗轧一般要经5~7个道次，粗轧后形成的氧化皮厚度约为100μm，称为“二次氧化皮”（SecOndary  sca1e）。二次氧化皮采用高压水（RSB）在每个道次或部分道次中加以去除，并在精轧机入口前用另一高压除鳞箱（FSB）进行彻底清除。

　　精轧的温度一般在1000℃附近，精轧过程中形成的氧化皮称作“三次氧化皮”（Tertiary  or  ternary scale），厚度约为7~15μm，因钢种、工艺和产线的不同而略有差异。精轧中，在F1甚至F2机架出口处常配有高压水除鳞喷嘴（IFSB），用于精轧初期带钢表面除鳞，其后直至终轧完了不再除鳞。值得指出的是，终轧完了形成的氧化皮在层冷过程中由于板温较高还会进一步生长，尤其是在中段层冷之前，氧化皮生长速度较快。最终三次氧化皮随带钢一同卷取进入钢卷的缓慢冷却阶段。

　　传统上，将精轧中形成的氧化皮和带钢表面在室温下的最终氧化皮统称为三次氧化皮。然而带钢卷取后由于张力的作用使相邻钢板的中间部位紧密贴合，而钢板边部由于沿板宽方向的凸度造成边部减薄形成缝隙，因此钢卷冷却过程中钢板的中间部位和边部与空气的接触程度不同，从而持续的氧化反应程度不同。在一定的温度以上，边部的氧化会继续发生，而中间部位由于缺氧主要发生高价氧化物还原，进而发生氧化物的先共析反应和迟滞共析反应，导致高温下形成的FeO发生相变而形成不同组成和结构的最终氧化皮。

　　鉴于热轧带钢高温和室温下氧化皮组成与结构的明显差异，试验中将室温下的最终氧化皮定义为“四次氧化皮”（Quartus  sca1e），并详细论述了四次氧化皮的结构特点和转变规律。根据钢卷冷却过程中氧化和相变反应程度的不同，可将带钢表面的氧化皮大致分为边部的三层结构氧化皮、板宽1/4处的两层结构氧化皮和钢板中间部位的混合氧化皮，而中间部位的氧化皮又可根据组成和结构分为I型、Ⅱ型及Ⅲ型等三种类型，见图3.结合热轧生产工艺可知，决定热轧带钢四次氧化皮厚度的主要因素是终轧温度（FT），而决定氧化皮组成与结构的主要因素是卷取温度（CT）与冷却条件。四次氧化皮的组成与结构决定了热轧带钢产品的酸洗性能、锈蚀性能和氧化皮的力学性能。

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