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摘要:氧化铁皮是热轧产品的一个重要表面质量特性，某些特定成分钢种热轧加热工艺若控制不当，易造成热轧带钢表面氧化铁皮去除不易、热轧钢材表面出现红锈、铁皮压入及酸洗残留等问题。本文主要研究氧化铁皮形成机制和规律，通过化学成分和热轧工艺的优化等措施，改善带钢表面氧化铁皮缺陷，提高热轧产品的质量管控水平，为企业创造更多的利润和价值。
关键词:氧化铁皮；表面质量
氧化铁皮是热轧产品的一个重要表面质量特性，随着高端用户个性化需求识别的细化，表面质量越来越成为高端产品应用的关注焦点。某些特定成分钢种热轧加热工艺控制不当，将导致出现诸多问题，如热轧带钢表面氧化铁皮不易去除、热轧钢材表面出现红锈、铁皮压入及酸洗残留等，造成产品降级或质量异议，是阻碍产品档次提升、影响经济效益的重要问题。本文主要讨论研究氧化铁皮形成机制和规律，通过分析化学成分和热轧工艺等措施，改善产品表面氧化铁皮缺陷，提高热轧产品的质量管控水平，为企业创造更多的利润和价值。
1氧化铁皮的形成机理
1.1结构及性质
氧化铁皮缺陷：主要指一种表面质量缺陷，其成因是当板坯或带钢表面生成的氧化铁皮没有被完全去除时，在轧制过程中将其压入带钢表面造成的。
板坯或带钢氧化铁皮的主要成分是Fe2O3、Fe3O4、FeO。氧化铁皮的发展阶段如下：
在200度以前，缓慢生成γ-Fe2O3薄氧化膜，继而生成双层氧化膜Fe3O4+γ-Fe2O3，属于低温氧化阶段；在200度-400度，发生相变由γ-Fe2O3转变为α-Fe2O3，形成Fe3O4+α-Fe2O3双层结构；在400-570度，α-Fe2O3层下Fe3O4层长大为较厚膜层，当温度大于575度的，在Fe3O4层下开始生成FeO。
氧化铁皮结构：最外层为Fe2O3，约占氧化铁皮厚度10%，阻止氧化作用；中间为Fe3O4，约50%，最里面与铁相接触为FeO，约40%。
1.2氧化铁皮的分类
在热轧工艺过程中，带钢表面氧化铁皮可以分为三类：一次、二次和三次氧化铁皮。
(1)一次氧化铁皮：即炉生氧化铁皮，往往是板坯在加热炉加热过程中产生的。
(2)二次氧化铁皮：是在粗除鳞后，粗轧过程中产生的。
(3)三次氧化铁皮：即在精除鳞后，精轧与层流冷却过程中产生。
图1氧化铁皮结构
图2生产工艺流程图及铁皮产生位置
1.3氧化铁皮的形成机理及原因
一次氧化铁皮：主要由Fe3O4组成，是板坯在具有氧化性气氛的加热炉内表面与高温炉气接触生成，一般1mm~3mm厚。铁皮较厚主要是以下因素导致：钢坯在加热炉内加热时间过长、温度过高；炉内供入风量过大，且吸入了冷空气；煤气中的水分过多，水分是一种氧化性气体；加热的节奏不合理。目前我厂使用的加热炉煤气为高炉煤气，高炉煤气相对混合煤气含水量要偏大些，而水气在加热过程中发生分解反应，对钢表面也起到加速氧化的作用。
二次氧化铁皮：主要成分为FeO和Fe2O3。在粗轧过程中板坯表面与水和空气接触而生成的一层氧化铁皮。铁皮不易除净原因为：开轧温度过高；除鳞时序不当；HSB的问题；轧制计划不合理，轧制节奏混乱；轧制过程中，轧辊温度过高；轧辊冷却不均匀，且使用的冷却水质不好。
三次氧化铁皮：主要成分为FeO、Fe2O3和Fe3O4。这是在精轧过程中，由于被氧化而在带钢表面产生的并最终残留在带材上的氧化铁皮。经酸洗后会在带钢表面留下深浅不一的针孔状小麻坑，产生原因主要是：带钢表面温度、精轧区入口温度、轧制温度、卷取温度以及在轧制过程中的轧辊温度过高；精轧制计划不合理，轧制节奏混乱；工作辊面状态不好；轧机架间冷却水启用不合理；轧辊冷却不均匀等。
2影响氧化铁皮结构的化学元素及原因分析
(1)C元素：氧化时，钢中的C元素几乎不在铁皮中固溶，C在铁皮与基体的界面被氧化而变成CO气体，它慢慢聚集成气孔，钢中C含量越多，铁皮中的气孔孔径也逐渐变大，氧化铁皮的生长厚度增加。
(2)Mn元素：Mn含量增加会促进内部氧化物增长，导致从内到外的氧化迁移，形成(FeMn)2SiO4，也称“锰橄榄石”。锰橄榄石将导致铁皮与钢的基体界面凹凸化更严重，除鳞性能降低。
(3)S元素：钢与S发生化学反应生成液态的FeS，这将促进氧化铁皮生成，增加其与金属的接触黏度，使其更难消除。但是，在含Si钢中，FeO/FeS会优先形成低熔点共晶产物，除鳞时，以液态形式存在的在氧化铁皮和钢的界面上的共晶化合物，能够大大提高钢板的除鳞性能。
(4)当钢中的w(Ni)量达到0.2%以上时，钢表面凸凹严重，剥离更困难，在钢中，Ni是一种较难氧化的元素，其氧化时会在氧化铁皮内层产生富集,形成富Ni的颗粒和金属网丝，温度越高，富集越多。富Ni的金属网丝易使氧化铁皮与金属基体联接，而且，由于它的塑性和热膨胀系数等和金属基体极为相似，即使用高压水冲击，也不易剥落。另外，在含Ni钢中会产生晶界的选择性氧化，使铁橄榄石或其共晶沿晶界呈楔形浸入金属基体，这将分散氧化铁皮与金属间的应力，增加含Ni钢的氧化铁皮粘附性。此外，含Ni钢的过渡层厚度也大于无Ni钢，而当Cri、N元素共存时，厚度的增加则更明显。
(5)含Si量对氧化铁皮形成的影响含Si量高的钢，其氧化铁皮剥离性差，易残留。原理主要是:
①空冷时氧化铁皮裂纹的形态决定其剥离性能的优劣，很大程度上，裂纹形态往往受氧化铁皮中气孔状态的影响。含Si量高的钢，由于铁皮中气孔直径大，空冷时的裂纹容易在氧化铁皮厚度中间停止，除鳞时，裂纹与基底金属相平行传播，使基底金属侧的氧化铁皮更容易被残留下来，因此，剥离性不好。
②在高温条件下，Si先被氧化成SiO2，然后，SiO2与氧化层中的FeO反应生成Fe2SiO4，也叫“铁橄榄石”，Fe2SiO4会在氧化铁皮与基体的结合面处以及内部富集。Fe2SiO4的熔点低(1173℃)，因此阻碍了铁离子在氧化铁皮中的扩散，使钢铁具有一定的抗氧化力。如果在氧化铁皮与基体之间形成连续的Fe2SiO4，且形成量较大，在正常的加热温度下，它将会融化，沿晶界侵入氧化铁皮。而后续表面温度很难达到1173℃以上，就会对FeO形成钉扎，在除鳞时很难去除，表面残留的FeO就会进一步氧化成Fe2O3，形成条带状红色铁皮。
除了上述影响，马口铁和中低碳低硅镀锌基板容易产生轧辊氧化膜剥落，造成氧化铁皮压入缺陷，低硅碳钢(Si<0.03%)在900℃~1050℃范围(精轧轧制温度区间)内，氧化铁皮生长迅速，极易起泡，起泡易产生月牙形氧化铁皮压入，使氧化铁皮过厚、破裂，这容易导致精轧工作辊氧化膜剥落，粗糙辊面易造成氧化铁皮、氧化膜压入缺陷。
③Si含量对氧化铁皮厚度还存在一定影响：
含Si较高的钢在温度为750~900℃范围(终轧温度和层冷前段一般在此范围内)，随着温度的提高，氧化速度急剧增大。其机理为FeO、Fe2O3、Fe3O4以及SiO2与水反应，会形成易挥发的Fe(OH)2和Si(OH)4，这些产物的形成会破坏已经形成的氧化铁皮可以进一步提高在水蒸气条件下的氧化速率。
图3钢的氧化速度与温度关系
3轧制工艺对氧化铁皮的影响
(1)在轧制过程中，对粗生氧化铁皮的生成、性质以及氧化铁皮的去除效果有直接影响的因素包括：板坯加热温度、加热时间、加热方法、炉膛气氛和钢种等。
煤气压力波动较大或煤气热值不稳定，容易造成加热炉炉温波动大、温度不均匀。板坯加热温度过高，致其表面氧化严重，若氧化铁皮熔化渗透入钢基体内部将难以脱落，造成轧机故障，板坯在加热炉内将长时间停留，此时，如果采取方法不当或升温、降温不及时，会造成板坯加热温度高，尤其是板坯头、尾部受炉墙辐射强度较高，会引起板坯头、尾局部过热，造成带钢头尾氧化铁皮去除不良；板坯加热温度过低，则会造成氧化铁皮中FeO比例加大，FeO性质发粘，与钢基体结合紧密，造成板坯氧化铁皮不易去除。
在升温降温过程中，若炉膛气氛控制不好，整个钢坯表面被多次氧化与覆盖,氧化铁皮与钢基体的附着力增大，也会造成氧化铁皮去除不净。
因此，针对不同钢种，要采取不同的加热温度。另外，要做好轧制计划，安排好轧制节奏。避免将低加热温度的板坯安排到加热时间长或加热温度较高的钢种后面，或被安排在两种加热温度都较高的钢种之间这样的情况出现。只有将不同钢种的不同加热方法和加热制度合理计划与执行，氧化铁皮才能被更好地去除干净。
(2)粗轧阶段对氧化铁皮的影响。对于二次氧化铁皮的清除，除鳞水压力越高、立辊侧压能力越大，则除鳞效果越好。热轧钢卷表面存在氧化铁皮压入缺陷，分析原因主要包括以下几点：
①除鳞水压力低；
②喷嘴有堵塞、老化及掉嘴现象；
③除鳞时序不合适，易造成钢卷头尾除鳞不净。由于轧制节奏等因素影响，在炉后除鳞(HSB)、粗轧除鳞(RSB)和精轧除鳞(FSB)三个除磷阶段，除鳞系统共用时可能出现两点以上(包括两点)除鳞同时有轧件的现象，从而造成头尾除鳞不净。
④除鳞温度的影响，如:Si含量高于0.2%的钢在加热时产生层状的铁橄榄石相(Fe2SiO4)使铁皮附着力增强。不易除去的FeO容易残留，但如果一次除鳞温度能够大于1173℃，使之呈液态，炉生铁皮就很容易去除掉。这也是一般出炉后除鲼点温度要在1173℃之上10~20℃的原因。
(3)精轧对氧化铁皮的影响
①由于精轧水梁角度偏小造成水流重叠量小，造成重叠处出现除鳞盲区，因而出现头部条状的氧化铁皮压入缺陷。
②有些在带钢表面引起“椒盐状”氧化铁皮残存，原因可能是轧辊使用吨位偏高、磨损严重。
(4)卷取温度对氧化铁皮结构的影响
东北大学研究表明：黏附性较好的铁皮结构是由Fe3O4、共析转变产物(Fe3O4＋Fe)和少量残留的FeO构成的，其中FeO的共析转变量小于50%，且FeO在Fe3O4中呈均匀的岛状分布。这主要是由于FeO相疏松多孔，而Fe3O4硬度较高，FeO均匀分布于Fe3O4中，软硬相结合，在矫直过程中疏松相FeO能够有效吸收矫直产生的破坏应力，避免了氧化铁皮的破碎。
4氧化铁皮的改进工艺措施
4.1加热方面
根据上述分析，加热工艺对产品表面质量的影响主要是在一次氧化铁皮的控制上，当加热温度在大于900度后氧化铁皮的增速会变大，高温快速加热、缩短在炉时间、降低氧化烧损是进行现代加热工艺的优化思路。
我厂根据不同钢种、规格、加热时间要求，合理调整加热温度，使其控制在1100℃到1300℃之间，同时优化加热曲线。另外，在保证加热温度的前提下，尽可能实现板坯在低温段就用高温快速加热，减少板坯在高温段的停留时间，从而减少氧化铁皮的产生。
如果在加热过程中出现煤气热值、压力变化，造成炉温波动不稳定，就需要安排烧火工及时调整优化空燃比，以保证加热炉各段温度和气氛。当产线出现停机时，加热需要根据预估停机时间，对加热温度采取灵活调整，除采取降温措施外，对于高温段，还需要对空燃比进行调小。
加热炉与生产调度人员结合，使轧制计划更加优化，需要注意，编排相邻两块板坯的末架粗轧机出口温度差应小于20℃。特殊情况下混装时，操作工应根据技术规程要求留出一定的空位，以避免目标温度忽高忽低对加热质量产生不良影响。
4.2粗轧方面
要尽可能降低开轧温度，提高轧制速度，减少中间环节与空气的接触时间，尽量减少二次氧化铁皮的产生。
另外，操作工要随时通过粗轧监控画面关注粗轧除鳞压力，保证除鳞压力不能低于控制要求(一般不低于20MPa以上)。当板坯除鳞不净时，可以增加除鳞道次，保证板坯除鳞达到要求。如果仍然无法除净，与工艺、设备人员结合共同查找轧制工艺、除鳞系统等根本原因。
4.3精轧方面
影响氧化铁皮的主要因素轧机轧辊表面氧化膜情况、带钢精轧人口温度、精轧区域除鳞箱除鳞效果、后高压水的延迟情况、中间坏厚度、带钢化学成分等。
精轧机出口的终轧温度越高,氧化铁皮麻点产生的概率也越高,适当降低终轧温度有利于氧化铁皮麻点的控制。
轧制负荷分配不合理，单位轧制力增大而造成轧辊氧化膜的剥落,最后造成氧化铁皮麻点的产生，因此必须设计合理分配各机架的压下量负荷。
除鳞水的除鳞能力影响精轧入口带钢表面，除鳞水嘴的布置及水的压力等影响着氧化铁皮缺陷的控制，必须加强现场除鳞水的管控维护，避免漏水，保持水量、水压、角度满足要求。
高速钢轧辊抗磨损能力和抗糙化能力强，对热轧带钢表面氧化铁皮麻点的控制成效很大,减少带钢表面氧化铁皮麻点的发生。
投入轧制润滑油轧制工艺，用保护性油层覆盖轧辊表面，在变形区缓和了水的侵蚀，降低接触面的温度，减缓了表面氧化程度并影响表面的变化程度。
投入辊缝冷却水工艺，带钢在进入辊缝前有一个返温过程，降低了冷却效果，因此应该投入辊缝冷却水，在带钢进入辊缝瞬间，对带钢上下表面层进行强制冷却。通过跟踪试验，未投入辊缝冷却水时下机测量的辊温相比投入辊缝冷却水的轧辊，中部温度高出约10℃左右。
4.4卷取方面
合理控制氧化铁皮结构中FeO和Fe3O4及FeO的共析比例，此举可以达到控制氧化铁皮剥落形态的目的。通过合理设定和控制卷取温度，对氧化铁皮结构形成有很大影响。
根据Fe-Fe3C铁碳相图的原理，工艺技术人员根据不同钢种需要，将卷取温度设定在共析和先共析比间温度100℃以上温度区间，卷取后风冷到一定温度以下可有效降低共析反应进程，控制FeO的共析转变量小于50%，达到最佳的“黑皮钢”铁皮结构。
5结论
本文通过阐述板坯及带钢氧化铁皮的结构、形成机理，分析各种影响氧化铁皮成因的化学因素，并制定改善氧化铁皮缺陷产生的工艺措施，对轧钢生产具有重要意义。主要结论如下：
成分控制设计，低C、低S和P、控Si0.08%左右，必要时可添加少量的Cr增加钢抗氧化性能。
加热工艺考虑尽量降低加热温度、缩短驻炉时间。
粗轧增加除鳞道次，采用摆钢等措施，尽量降低进入精轧温度。
精轧投入机架冷却，管控维护各种冷却水，采用高速钢轧辊及轧制润滑，优化终轧温度，提高轧制速度，减少氧化时间。
选择合适的卷取温度和钢卷冷却，控制FeO的共析转变量小于50%。
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