【技术】高品质热轧带钢表面质量提升技术

 摘 要：本文介绍的热轧钢种为某大型工程机械车辆制造公司需求的典型高表面质量热轧钢板，基本上代表了高表面质量热轧开平板生产的最高水平。本文通过分析凹坑缺陷来源，优化热轧加热工艺、轧制 策略、能源介质等相关工艺，并对于优化前后的带钢表面氧化铁皮微观形貌与结构进行了机理分析，从 而根本解决了热轧带钢表面的凹坑/麻点缺陷问题，大幅度提升了热轧带钢实物表面质量，并获得了用户 的高度肯定。

关键词：氧化铁皮；表面质量；加热工艺；轧制策略；能源介质

1 现状分析

该大型工程机械车辆制造公司是世界上最大的工程机械和矿山设备生产厂家之一，武钢主要以 开平钢板供货为主，钢板用于大、中、小型挖掘机的动臂、斗杆、挖斗和驾驶舱等外观结构件的生 产，作为全世界工程机械行业的龙头企业，该用户对用钢使用要求极其严格，对钢板的内、外部质 量有着极其严格的要求。由于用户制造喷漆工艺革新，导致其对表面缺陷的遮盖能力下降，要求热 轧带钢表面近乎零缺陷交货，厂内原品种合格率最低仅 50%，严重影响热轧生产成本、交付进度及 市场份额，而且随着产品表面质量要求的陆续提高，用户曾提出了多笔质量异议及索赔要求，并对 不合格的材料采取了退料处理，因此必须解决该品种的表面凹坑/麻点问题。

根据改判类型的 Parote 分布图，即图1可以看出，主要改判缺陷类型集中在凹坑缺陷，此类缺 陷占据所有表面改判量的 60%，其主要原因由于钢卷表面氧化铁皮灰较厚，经过横切开卷矫直后， 氧化铁皮破鳞剥落，被夹送辊、矫直辊等压入形成凹坑、麻点。典型缺陷形貌如图 2。

2 原因分析及优化方向

2.1 原因分析

通过现场跟踪，我们发现凹坑、麻点类型的缺陷主要产生原因是由于钢卷表面氧化铁皮灰较 厚，经过横切开卷矫直后，氧化铁皮破鳞剥落，被夹送辊、矫直辊等压入形成凹坑、麻点，因此要 解决这类缺陷必须要减少钢卷原卷的表面氧化铁皮厚度。如图 3 所示，我们通过在成品钢板上粘胶带测反射率的方式将此类视觉化的缺陷予以量化，并 对钢板表面的氧化铁皮黑灰进行评级，根据反射率的颜色深浅划分为 1、2、3、4 级，数字越小表 示胶带趋于白色，氧化铁皮灰较少；数字越大表示胶带趋近于黑色，氧化铁皮灰越重。通过数据统 计，优化前大部分的铁灰评级分布在 3~4 级之间，。因此我们推测通过提高氧化铁皮一、二级达标 率，可有效地降低凹坑/麻点改判率。

2.2 优化方向

一般来说，轧制过程中氧化铁皮厚度在轧制的不同阶段的变化情况见图 4。此工艺的主要特点 为：根据热轧过程中氧化铁皮的演变特点，在热轧过程中优化除鳞工艺以彻底去除炉生和二次氧化 铁皮、优化热轧温度制度以避免 FeO 的破碎、优化轧制节奏以降低氧化铁皮厚度；在卷取过程 中，根据实际需要设定卷取温度，以控制 FeO 的共析反应(4FeO Fe +Fe3O4)。

2.2.1 加热工艺优化 加热工艺是影响钢坯表面质量的关键因素。加热工艺主要包括炉内气氛、加热温度、加热时间 以及加热速度等。加热工艺不仅影响氧化铁皮的厚度和结构，对氧化铁皮/基体界面形貌以及氧化 铁皮的表面应力也有至关重要的影响，而氧化铁皮厚度、结构和界面形貌、氧化铁皮的表面应力直 接影响炉生氧化铁皮的可除性。

通常情况下，低碳钢炉生氧化铁皮由最表面的 Fe2O3和次表面的 Fe3O4、中间的致密 FeO 层以 及靠近基体的疏松多孔的 FeO 层组成。随着加热工艺的变化，低碳钢炉生氧化铁皮的结构和厚度 也随着变化，如在低氧和短时加热的条件下，炉生氧化铁皮主要由表面致密的 FeO 和靠近基体的 FeO 多孔层构成，低碳钢典型的炉生氧化铁皮结构如图 5 所示。

图 6（a）、图 6（b）分别显示了加热温度加热时间和加热炉内自由氧含量对低碳钢氧化铁皮 厚度和氧化铁皮疏松多孔层厚度的影响，可见随着加热温度的升高和加热时间的延长，钢材的氧化 铁皮厚度和氧化铁皮疏松多孔层的厚度也增加。因此，该品种钢的加热过程主要以低温加热 （1150~1230℃）为主，考虑到其中含有 Nb、Ti 微合金，为充分保证 Ti 元素完全固溶，同时考虑 生产节奏，部分薄规格钢板采用中温轧制。2.2.2 轧制策略优化

热轧材的终轧温度普遍均大于 800℃，研究表明[1]，热轧带钢氧化动力学曲线遵循抛物线规 律，当温度低于 800℃时，氧化增重缓慢，而温度大于 800℃氧化速度明显加快，氧化铁皮厚度随 氧化温度增加的规律为：500~700℃时，氧化速率很慢，氧化铁皮厚度很薄；大于 800℃时，氧化 速率急剧增大，氧化铁皮厚度急剧增加，说明 800℃以上其氧化机制发生改变。为尽可能的减少钢 板表面黑灰量，应在轧制过程中尽量加快轧制速度，增加机架间水，尽量减少轧制过程中带钢与空 气的接触，避免钢板氧化时间过长，尽可能的较少氧化铁皮厚度。

对于≥10mm 规格，普遍将精轧的通板速度提升约 20%，使带钢在轧制过程中、终轧后水冷前 与空气的接触时间减少，从而减少了成品表面的氧化铁皮厚度，图 7 显示了 16mm 规格钢板在不同 终轧速度下截面氧化铁皮层的形貌区别。

2.2.3 能源介质优化

碳钢和低合金钢在 Cl-环境下的腐蚀过程是一个复杂的化学反应及电化学过程，损伤类型主要 是全面腐蚀。在溶液中 Cl-的存在使金属表面的钝化膜在组织结构上发生了改变，一方面导致了较 大钝化电流和至钝电流，另一方面改变了膜的溶解机制，提高了钝化膜的溶解速率。在 Cl-环境下 碳钢的锈层物相组成为 α-FeOOH，γ-FeOOH 和 Fe3O4等。反应过程见图 8。β-FeOOH 相的形成量

与 Cl-含量有关，不稳定的 β-FeOOH 转变为大颗粒的 α-FeOOH，这些大的晶粒使锈层疏松导致腐 蚀速率增加。

水中的离子含量过高时，对设备、金属管道和构筑物都有腐蚀作用，能强烈的推动和促进金属 表面电子的交换反应，是引起水质腐蚀性的催化剂，特别是对水系统中的不锈钢材料，在应力集中 处，会引起离子的富集，加速电化学腐蚀过程。

为最大限度的减少轧制水系统对钢板表面质量的影响，对轧线冷却水系统引入了长江新水，进 行循环补给新水。引入新水后，水系统中介质含量大幅下降，带钢表面质量显著提高。图 9 为水系 统改造后钢板表面质量变化情况。可见，改造后钢板表面黑灰明显减少。

通过上述优化，有效的减少了开平板过程中热轧钢板表面黑灰量，因此有效减少了因黑灰矫直 压入造成的凹坑、麻点等次生缺陷，如图 10 所示。一般来说，与冷轧钢板不同，热轧板未经任何 深处理很难达到零缺陷。通过优化轧制工艺有效地提高了氧化铁皮一、二级达标率，根本解决了凹 坑/麻点缺陷，最终使表面合格率由 58.44%提高至 85.83%，吨钢质量异议费用由攻关前 8.21 元/吨降至 0.7 元/吨，创造效益 3000 余万元，目前出厂钢板光亮、无黑灰，反射率在 2 级以内，基本无 凹坑、刮伤、划伤等缺陷，钢板表面质量得到了用户的高度认可。

3 结论

1）热轧带钢在加热炉内，随着加热温度的升高和加热时间的延长，钢材的氧化铁皮厚度和氧 化铁皮疏松多孔层的厚度也增加，因此加热过程主要应以低温加热（1200~1230℃）为主，同时考 虑到其中含有 Nb、Ti 微合金，为充分保证 Ti 元素完全固溶以及热轧生产节奏，部分薄规格钢板采 用中温轧制（1230~1260℃）；

2）通过优化轧制策略，将精轧的通板速度在原基础上提升 60%，使带钢在轧制过程中、终轧 后水冷前与空气的接触时间减少，从而可以有效减少成品表面的氧化铁皮厚度；

3）通过调整能源介质，使水系统中介质含量大幅下降，可以使带钢表面质量显著提高，钢板 表面黑灰明显减少。