热轧低碳钢氧化铁皮控制技术的研究与应用

摘要

热轧产品质量指标主要包括尺寸精度、表面质量和力学性能三个方面。随着热轧品种的增多，应用领域在不断扩大，用户在注重钢板性能的同时，也更加关注钢板的外观质量。热轧过程中钢板表面形成的氧化铁皮是影响钢板表面质量的最重要因素之一，但长期以来一直未受到轧钢领域的足够关注，以至于这方面的问题始终没有得到很好的解决。本文通过金相、SEM、EDS、XRD等分析手段系统研究了热轧带钢表面氧化铁皮厚度、结构和耐大气腐蚀性能的变化规律，分析了中厚板典型表面缺陷的形成机理及影响因素，取得的主要创新性研究结果如下:
　　(1)研究了热轧带钢表面氧化铁皮结构和厚度的演变规律。结果发现:FeO的晶粒是以三角锥型或金字塔型的方式生长。Fe3O4在氧化初期是以柱状晶的形式生长，在氧化后期，Fe3O4的生长方式转变成柱状晶和团簇状结构的复合组织。Fe2O3有金属须状、片层状和多边形晶粒状三种生长方式。金属须状的Fe2O3对氧化增重影响不大，但使得Fe2O3层相对厚度增加。通过恒温氧化动力学实验测定了510L和610L钢的氧化增重曲线，以变温条件下的氧化动力学模型为基础，开发出了板带热轧过程中氧化铁皮厚度演变的计算机模拟程序，计算得到的铁皮厚度与实测结果吻合。这种模拟方法解决了热轧过程中无法直接测量氧化铁皮厚度的问题，为控制氧化铁皮厚度提供了理论依据。
　　(2)研究了精轧开轧温度、终轧温度、卷取温度及卷取后带卷的冷却速度对氧化铁皮结构的影响规律。随着精轧开轧温度的升高，原始层中Fe3O4的百分量逐渐降低;随终轧温度升高，原始层中Fe3O4的比例不断增加。针对低碳钢SPHC、Nb、Ti微合金化钢510L和Nb、V、Ti微合金化钢610L测定了氧化铁皮层的等温转变曲线，三个钢种FeO层的等温转变均遵循“C”曲线规律。SPHC钢FeO层发生先共析和共析转变的“鼻温”范围为450℃～550℃;510L钢的FeO层发生先共析转变的“鼻温”范围为450℃～550℃，而共析转变的“鼻温”范围为350℃～450℃。610L钢FeO层发生先共析转变和共析转变的“鼻温”范围分别为350℃～400℃和350℃～450℃，说明610L的共析和先共析转变比510L和SPHC钢的更加困难。冷速为25℃/min时，在350℃～650℃，FeO均未发生共析转变。卷取温度为400℃～500℃，冷速为15℃/min时，FeO层出现共析组织。冷速为5℃/min和1℃/min时，发生共析转变的温度为400℃～550℃。在连续冷却转变曲线中，400℃～500℃为FeO的“鼻温”范围。在这个温度段内，以较小的冷速冷到室温可以得到以共析组织Fe3O4和单质Fe为主的氧化铁皮结构。
　　(3)干湿交替加速腐蚀实验中，经过80周期的腐蚀后，氧化铁皮中共析组织超过70％的实验钢的腐蚀增重量最大，而铁皮仅由Fe3O4和FeO构成的实验钢的腐蚀增重量最小。带有四种结构氧化铁皮的实验钢腐蚀动力学曲线在腐蚀初期，均符合直线规律，在腐蚀的中后期，腐蚀益线符合抛物线规律。通过极化曲线测定了带有四种结构氧化铁皮实验钢的腐蚀电位和腐蚀电流。结果发现，氧化铁皮中共析组织超过70％的实验钢的腐蚀电流最大;铁皮层中仅由Fe3O4和FeO构成的实验钢的腐蚀电流最小。根据电化学方法测定的氧化铁皮的孔隙率，共析组织超过70％的氧化铁皮的孔隙率最大。
　　(4)通过实验室的研究，优化了HY490钢的化学成分，使钢中Si含量降到0.1％以下，并确定了以控制氧化铁皮结构为目标的控轧控冷工艺（精轧开轧温度为1000℃～1030℃，终轧温度为870℃～890℃，卷取温度为550℃～590℃）。针对钢厂下游深加工企业的不同生产工艺，提出了“柔性化”氧化铁皮结构控制策略，即:涂油深加工工艺的氧化铁皮结构以Fe3O4为主且含量超过70％;无涂油深加工工艺的氧化铁皮中Fe3O4含量为40～70％且FeO为岛状均匀分布在其中。通过对氧化铁皮结构控制，成功地消除了高强度厚规格（8mm以上）的热轧带钢在后续深加工过程中发生氧化铁皮破碎和起粉问题，实现了深加工过程的清洁生产。
　　(5)表面缺陷是目前限制中厚板质量提高的关键问题之一，但形成的原因一直不明确。通过本文的工作发现，1.粘附性点状缺陷是由多层的氧化铁皮叠加形成的。组成点状缺陷的氧化铁皮不仅含有Fe和O，还含有Cr和Si，推断点状缺陷处的Cr来自于轧辊表层的脱落部分。2.中厚板氧化铁皮压入缺陷可分为浅层压入式和嵌入式两种。在钢坯加热过程中，粘附在坯料表面的保护渣与炉生氧化铁皮包覆在一起，经粗除鳞后残留的保护渣与炉生氧化铁皮在粗轧过程中被压入到钢板较深的位置，形成嵌入式氧化铁皮。若坯料表面粘附保护渣颗粒，经粗除鳞后残留的保护渣与新生的一次氧化铁皮包覆到一起，在粗轧过程中被压入到钢板较浅的位置，形成浅层压入式的氧化铁皮。3.麻坑缺陷是热轧时形成的氧化铁皮破碎后压入到钢板表面造成的。工业试轧时，结合上述三种中厚板缺陷的形成机理，提出了控制连铸坯表面质量、降低钢中Si的含量、制定合理加热温度和提高辊面质量等措施消除了A32和X46等钢板表面缺陷，实际生产中获得了良好的效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 钢铁材料氧化基础理论概述

1．1．1 纯铁的氧化

1．1．2 碳钢的氧化理论

1．1．3 铁的氧化物分类及高温力学性能

1．2 钢铁材料氧化动力学规律

1．2．1 氧化膜生长的直线定律

1．2．2 氧化膜生长的抛物线定律

1．3 热轧态氧化铁皮的研究现状

1．3．1 热轧态氧化铁皮的分类

1．3．2 化学成分对氧化铁皮结构的影响

1．3．3 热轧工艺参数对氧化铁皮结构的影响

1．3．4 氧化铁皮对热轧工艺的影响

1．3．5 氧化铁皮缺陷对钢板表面质量的影响

1．3．6 氧化铁皮结构对钢材耐候性1Rtft"J影响

1．3．7 热轧氧化铁皮控制技术的开发和应用

1．4 热轧氧化铁皮研究领域存在的主要问题

1．5 论文的研究背景、目的意义及内容

1．5．1 论文的研究背景

1．5．2 论文的研究目的和意义

1．5．3 论文的研究内容

第2章 热轧带钢氧化铁皮结构及厚度演变模拟研究

2．1 实验材料和方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法

2．2 实验结果与讨论

2．2．1 氧化铁皮的显微组织对判断铁皮厚度的影响

2．2．2 不同实验钢种的氧化增重曲线

2．2．3 氧化铁皮厚度模型的建立和激活能Q的计算

2．3 热轧过程氧化铁皮厚度的演变计算

2．3．1 变温条件下氧化动力学模型

2．3．2 热轧氧化铁皮厚度模拟软件开发

2．3．3 热轧氧化铁皮厚度模拟软件应用

2．4 本章小结

第3章 热轧过程中氧化铁皮结构的演变规律

3．1 实验材料和方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方法

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 模拟精轧开轧温度对氧化铁皮的影响

3．2．2 模拟终轧温度对氧化铁皮的影响

3．2．3 模拟卷取温度对氧化铁皮的影响

3．2．4 模拟冷却速率和卷取温度对氧化铁皮的影响

3．3 本章小结

第4章 热轧中厚板表面缺陷的形成机理研究

4．1 实验材料和方法

4．2 实验结果分析

4．2．1 粘附性点状缺陷的实验结果分析

4．2．2 压入式氧化铁皮的实验结果分析

4．2．3 麻坑的实验结果分析

4．3 本章小结

第5章 热轧板氧化铁皮对基体钢耐候性的影响

5．1 实验材料和方法

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验方法

5．2 实验结果与讨论

5．2．1 腐蚀动力学

5．2．2 表面形貌分析

5．2．3 断面形貌分析

5．2．4 腐蚀产物分析

5．2．5 带氧化铁皮实验钢的耐大气腐蚀机理

5．3 本章小结

第6章 热轧板氧化铁皮对基体钢腐蚀电化学行为的影响

6．1 实验材料和方法

6．1．1 实验材料

6．1．2 实验方法

6．2 实验结果与讨论

6．2．1 极化曲线的测定

6．2．2 氧化铁皮孔隙率的测定

6．2．3 带氧化铁皮实验钢的耐腐蚀机理

6．3 本章小结

第7章 氧化铁皮控制技术的工业试制

7．1 薄规格(厚度≤6mm)的免酸洗钢试制

7．1．1 试验材料的成分和轧制工艺

7．1．2 工业试制结果及分析

7．2 厚规格(厚度≥8mm)的免酸洗钢试制

7．2．1 高强钢氧化铁皮的实验室研究

7．2．2 高强钢氧化铁皮的工业试制

7．3 消除中厚板表面缺陷的工业试制

7．3．1 试验材料的成分和轧制工艺

7．3．2 工业试制结果及分析

7．4 本章小结

第8章 结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文和专利

致谢

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