本文根據(jù)熱連軋生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，結(jié)合已有對(duì)碳鋼氧化行為研究的成果，系統(tǒng)總結(jié)了熱軋帶鋼表面氧化皮的組成與結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，詳細(xì)分析了熱軋帶鋼表面主要氧化皮缺陷形成的影響因素、類型與成因，并歸納了氧化皮缺陷的生產(chǎn)和工藝控制措施。

　　熱連軋是鋼鐵生產(chǎn)的重要工藝過(guò)程。目前在熱軋板型和精度控制，成分組織和力學(xué)性能控制等方面均取得了較大進(jìn)步，然而熱軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量，尤其是氧化皮軋入導(dǎo)致的各類缺陷一直困擾著國(guó)內(nèi)外各生產(chǎn)廠家，成為影響熱軋產(chǎn)品質(zhì)量，造成用戶質(zhì)量異議的主要因素之一。

　　表面氧化皮缺陷不僅影響熱軋產(chǎn)品的外觀和酸洗質(zhì)量，而且影響其表面性能，如涂裝和腐蝕性能，甚至通過(guò)冷軋的傳續(xù)，對(duì)冷軋尤其涂鍍產(chǎn)品表面質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，因此熱軋產(chǎn)品的氧化皮缺陷已構(gòu)成影響板帶產(chǎn)品表面質(zhì)量的主要問(wèn)題之一。

　　本文根據(jù)熱軋工藝過(guò)程的特點(diǎn)和生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，從氧化行為和機(jī)理入手，系統(tǒng)分析了熱連軋不同工藝階段氧化皮形成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總結(jié)了各種主要氧化皮缺陷的類型、影響因素和成因。

帶鋼熱軋過(guò)程中的氧化和影響因素

　　碳鋼的氧化行為與反應(yīng)

　　碳鋼在受熱狀態(tài)下不可避免地發(fā)生氧化，決定碳鋼的氧化行為、氧化皮組成與結(jié)構(gòu)的主要因素是合金成分、氧化條件（溫度、氣氛和時(shí)間）、熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)。

　　碳鋼在空氣中恒溫氧化動(dòng)力學(xué)主要遵從拋物線規(guī)律，一般情況下，氧化溫度越高和氧化時(shí)間越長(zhǎng)，氧化皮生成量或厚度越大。

　　氧化初期，氧化物形核和穩(wěn)定氧化層建立之前反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一般遵從線性規(guī)律，之后在致密氧化層形成狀態(tài)下符合拋物線規(guī)律。當(dāng)氧化時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，由于柯肯達(dá)爾效應(yīng)（Kirkendal effect）導(dǎo)致在氧化層/基體界面處形成空洞，加之氧化層內(nèi)應(yīng)力的增加或者新相的形成，會(huì)導(dǎo)致氧化動(dòng)力學(xué)波動(dòng)，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)氧化行為.

在高于570℃的空氣條件下，碳鋼的恒溫氧化形成界面明顯的Fe/FeO/Fe3O4/Fe2O3三層結(jié)構(gòu)氧化皮；在570℃以下，由于Fe0相熱力學(xué)不穩(wěn)定，故碳鋼表面僅形成Fe/FeO/Fe3O4/Fe2O3兩層結(jié)構(gòu)的氧化皮。

　　在碳鋼的高溫三層結(jié)構(gòu)氧化皮中共存在4個(gè)界面。在1000℃附近的溫度下，碳鋼三層氧化物厚度的比例基本為FeO∶Fe3O4∶FeFe2O3=95∶4∶1。FeO晶體中Fe2+不足，常表示為Fe1_y0，即在陽(yáng)離子點(diǎn)陣中存在大量缺陷，有利于Fe2+的擴(kuò)散，因而其生長(zhǎng)最快，并控制著總的氧化速度。

　　需要指出的是，碳鋼氧化皮中三種氧化物的比例并非固定不變，會(huì)隨著碳鋼成分、氧化溫度、氧化時(shí)間甚至氧化環(huán)境的不同發(fā)生明顯變化.

  在冷卻過(guò)程中，碳鋼氧化皮會(huì)發(fā)生Fe1_y0的相變過(guò)程，包括Fe3O4的先共析反應(yīng)。理論上，F(xiàn)e3O4先共析反應(yīng)發(fā)生在570℃以上，而共析反應(yīng)則發(fā)生在570℃以下。當(dāng)冷卻速度較快時(shí)，先共析反應(yīng)和共析反應(yīng)的實(shí)際發(fā)生溫度范圍會(huì)下移，如共析發(fā)應(yīng)可在570~220℃的溫度下進(jìn)行，發(fā)生所謂的“遲滯共析反應(yīng)”。

　　熱軋工藝過(guò)程和氧化皮類別

　　帶鋼的熱連軋生產(chǎn)工藝過(guò)程主要包括板坯再熱、粗軋、精軋、層流冷卻、卷取和鋼卷空冷等，該過(guò)程從鋼坯在1200℃左右的溫度加熱開(kāi)始，經(jīng)歷整個(gè)軋程一直到室溫。工藝段不同，帶鋼的氧化條件不同，因而氧化皮組成和結(jié)構(gòu)變化較大。

　　熱連軋生產(chǎn)起始于鋼坯在加熱爐中的再熱，一般采用燃?xì)鈱撆骷訜岬?200~1250℃。由于加熱爐內(nèi)的氣氛具有氧化性，而且加熱時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3~4h，故在板坯出爐時(shí)表面會(huì)形成厚達(dá)2~3mm的氧化皮，而且在鋼坯經(jīng)傳送臺(tái)傳送時(shí)，氧化皮還會(huì)加速生長(zhǎng)。生產(chǎn)上將這種氧化皮稱作“一次氧化皮”（Primary  sca1e），在粗軋機(jī)之前采用高壓除鱗箱（PSB）去除。在鋼材的生產(chǎn)過(guò)程中，一次氧化皮的形成是導(dǎo)致鋼材燒損的主要原因，燒損量約占1%~3%。

　　粗軋的溫度約為1000~1200℃，除鱗后的碳鋼表面在粗軋過(guò)程中還會(huì)形成新的氧化皮。粗軋一般要經(jīng)5~7個(gè)道次，粗軋后形成的氧化皮厚度約為100μm，稱為“二次氧化皮”（SecOndary  sca1e）。二次氧化皮采用高壓水（RSB）在每個(gè)道次或部分道次中加以去除，并在精軋機(jī)入口前用另一高壓除鱗箱（FSB）進(jìn)行徹底清除。

　　精軋的溫度一般在1000℃附近，精軋過(guò)程中形成的氧化皮稱作“三次氧化皮”（Tertiary  or  ternary scale），厚度約為7~15μm，因鋼種、工藝和產(chǎn)線的不同而略有差異。精軋中，在F1甚至F2機(jī)架出口處常配有高壓水除鱗噴嘴（IFSB），用于精軋初期帶鋼表面除鱗，其后直至終軋完了不再除鱗。值得指出的是，終軋完了形成的氧化皮在層冷過(guò)程中由于板溫較高還會(huì)進(jìn)一步生長(zhǎng)，尤其是在中段層冷之前，氧化皮生長(zhǎng)速度較快。最終三次氧化皮隨帶鋼一同卷取進(jìn)入鋼卷的緩慢冷卻階段。

　　傳統(tǒng)上，將精軋中形成的氧化皮和帶鋼表面在室溫下的最終氧化皮統(tǒng)稱為三次氧化皮。然而帶鋼卷取后由于張力的作用使相鄰鋼板的中間部位緊密貼合，而鋼板邊部由于沿板寬方向的凸度造成邊部減薄形成縫隙，因此鋼卷冷卻過(guò)程中鋼板的中間部位和邊部與空氣的接觸程度不同，從而持續(xù)的氧化反應(yīng)程度不同。在一定的溫度以上，邊部的氧化會(huì)繼續(xù)發(fā)生，而中間部位由于缺氧主要發(fā)生高價(jià)氧化物還原，進(jìn)而發(fā)生氧化物的先共析反應(yīng)和遲滯共析反應(yīng)，導(dǎo)致高溫下形成的FeO發(fā)生相變而形成不同組成和結(jié)構(gòu)的最終氧化皮。

　　鑒于熱軋帶鋼高溫和室溫下氧化皮組成與結(jié)構(gòu)的明顯差異，試驗(yàn)中將室溫下的最終氧化皮定義為“四次氧化皮”（Quartus  sca1e），并詳細(xì)論述了四次氧化皮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和轉(zhuǎn)變規(guī)律。根據(jù)鋼卷冷卻過(guò)程中氧化和相變反應(yīng)程度的不同，可將帶鋼表面的氧化皮大致分為邊部的三層結(jié)構(gòu)氧化皮、板寬1/4處的兩層結(jié)構(gòu)氧化皮和鋼板中間部位的混合氧化皮，而中間部位的氧化皮又可根據(jù)組成和結(jié)構(gòu)分為I型、Ⅱ型及Ⅲ型等三種類型，見(jiàn)圖3.結(jié)合熱軋生產(chǎn)工藝可知，決定熱軋帶鋼四次氧化皮厚度的主要因素是終軋溫度（FT），而決定氧化皮組成與結(jié)構(gòu)的主要因素是卷取溫度（CT）與冷卻條件。四次氧化皮的組成與結(jié)構(gòu)決定了熱軋帶鋼產(chǎn)品的酸洗性能、銹蝕性能和氧化皮的力學(xué)性能。

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