李 元

1.前言

河鋼張宣科技金屬材料公司型材生產(chǎn)線經(jīng)過升級改造后于2023年 7月復(fù)產(chǎn)。該產(chǎn)線設(shè)計年生產(chǎn)能力70萬噸，成品最高軋制速度5m/s,生產(chǎn)鋼種為碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、耐候鋼等。坯料采用200mm×280mm×10m、165mm×165mm×10m兩種規(guī)格的連鑄坯。產(chǎn)品規(guī)格主要包括8#～20#角鋼，10#～28#槽鋼，10#～25#工字鋼，Φ50mm～Φ110mm圓鋼和U18～U29礦用鋼。在復(fù)產(chǎn)后生產(chǎn)大規(guī)格角鋼的過程中，出現(xiàn)了成品表面凹坑的質(zhì)量問題，尤其是20號角鋼的表面凹坑問題最為嚴(yán)重，因質(zhì)量問題不得不換軋小規(guī)格角鋼。

2.角鋼表面凹坑產(chǎn)生原因分析

2.1 連鑄坯夾渣缺陷

連鑄坯夾渣破壞了鋼的連續(xù)性和致密性，軋制過程中不能被焊合消除，酸洗后成品鋼材會產(chǎn)生凹坑缺陷。經(jīng)過對角鋼表面凹坑殘留物進(jìn)行檢驗分析，未發(fā)現(xiàn)Al、Si、Mg、Ca等夾渣成分超標(biāo)，可以判斷角鋼表面凹坑不是連鑄坯原因造成的。

2.2 氧化鐵皮壓入

由于連鑄坯加熱后氧化鐵皮去除不徹底，在后續(xù)軋制過程中被壓入軋件，會造成酸洗后的角鋼成品表面出現(xiàn)凹坑。通過觀察連鑄坯出加熱爐后的除磷效果，發(fā)現(xiàn)軋制大規(guī)格角鋼時，高壓水除磷不能完全除凈氧化鐵皮。特別是遇到精整區(qū)域收集慢，影響軋制節(jié)奏時，生成的氧化鐵皮厚，除磷效果更差。同時在粗軋區(qū)域，軋件表面的氧化鐵皮隨軋制進(jìn)程脫落，不同規(guī)格的角鋼氧化鐵皮脫落程度不同，20號角鋼在軋制過程中軋件上下表面的氧化鐵皮大部分不能脫落。由此可見，造成20號角鋼表面凹坑缺陷的原因為氧化鐵皮壓入。

2.3 鋼坯表面氧化鐵皮的主要成分及影響因素

高溫狀態(tài)下氧化性氣氛與鋼坯接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在鋼坯表面生成化學(xué)成分為FeO、Fe2O3、Fe3O4的混合物，統(tǒng)稱為氧化鐵皮。在加熱過程中，氧化鐵皮一般由3層組成（見圖1）。

圖1 氧化鐵皮結(jié)構(gòu)示意圖

（1）最內(nèi)層靠近鋼坯基體的是存在大量孔洞而使結(jié)構(gòu)較松散的氧化亞鐵FeO，其具有粘性，其除鱗效果不好。中間層是磁性四氧化三鐵（Fe3O4)，其結(jié)構(gòu)細(xì)密，沒有孔隙和裂縫。外層是氧化鐵（Fe2O3)，呈結(jié)晶構(gòu)造，不但可以防止氧氣深入反應(yīng)而且性質(zhì)較脆，除鱗效果較好。

（2）加熱溫度、加熱時間、爐內(nèi)氣氛等均可對氧化鐵皮生成量產(chǎn)生重要影響。加熱溫度越高氧化越快，生成的氧化鐵皮越厚，鋼坯溫度1200℃時其氧化燒損量約為800 ℃時的10倍，鋼坯1400℃時可達(dá)20倍。加熱時間與氧化燒損成正比，其它條件不變時，加熱時間越長氧化生成的鐵皮越厚，鋼坯的氧化燒損越多。尤其是溫度超過1000 ℃時，停留時間越長氧化鐵皮生成量越大。爐氣中的氧化性氣體有SO2、H2O、O2和CO2。其中O2對氧化鐵皮生成量影響最為顯著。

3.高壓水除磷效果及原因分析

3.1 高壓水除磷原理

當(dāng)高溫鋼坯進(jìn)入除鱗箱，高壓噴射的水流高速沖擊到鋼坯表面，產(chǎn)生敲擊和振動作用。高壓水流使鋼坯產(chǎn)生溫降，由于鋼坯表面的氧化鐵皮和基體金屬的線膨脹系數(shù)不同，溫度下降使鋼坯表面的氧化鐵皮因溫差應(yīng)力產(chǎn)生裂紋。高壓水從裂縫進(jìn)入氧化鐵皮內(nèi)部，水在高溫的鋼坯表面受熱汽化體積膨脹，水泡破裂時產(chǎn)生的敲擊和振動作用使裂紋向基體擴(kuò)展。裂紋的擴(kuò)展，更有利于高壓水進(jìn)入氧化鐵皮內(nèi)部空穴，直至到達(dá)鋼基界面。以上因素的共同作用使氧化鐵皮與基層分離，然后被高壓水流帶走。

高壓水除鱗效果的好壞與高壓水系統(tǒng)的整體配置、軋制工藝、氧化鐵皮的生成狀態(tài)有關(guān)。氧化鐵皮越厚、粘性越大越不易清除。影響高壓水除磷系統(tǒng)效果的最主要因素是打擊力，當(dāng)噴嘴距鋼坯的高度、壓力、流量一定時，噴射角α越大，打擊面積越大，單位面積打擊力越小。同時，由于噴射角α大，射流邊部暴露在空氣中的長度越長，受空氣影響損失的能量越大，打擊力減小。

3.2 高壓水除磷效果差的原因

改造后的型材加熱爐爐型為單排布料、側(cè)進(jìn)側(cè)出、上下加熱步進(jìn)梁式加熱爐。燃料采用煤制氣和天然氣（目前使用燃料為天然氣），燃燒方式為空、煤氣雙預(yù)熱（天然氣不預(yù)熱）、常規(guī)式燃燒。加熱爐有效長度28m，小時產(chǎn)量150t/h。由于復(fù)產(chǎn)后各類機(jī)械運行不夠順暢，人員操作生疏等綜合因素，導(dǎo)致精整區(qū)域工序銜接不暢，影響了生產(chǎn)節(jié)奏，鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時間變長；調(diào)火崗位人員對使用天然氣時加熱爐的燃燒調(diào)整不熟悉，空燃比控制不夠精細(xì)，爐內(nèi)氧化氛圍強(qiáng)，產(chǎn)生的氧化鐵皮較厚，達(dá)到2.8mm；粘性大的FeO占比較大，高壓水對鋼坯表面氧化鐵皮造成的冷卻收縮變形被結(jié)構(gòu)松散的FeO吸收，不能形成較大裂縫，高壓水無法進(jìn)一步進(jìn)入基體與氧化鐵皮之間實現(xiàn)有效除磷。同時除磷設(shè)備未配套改造，水壓無法繼續(xù)增大以適應(yīng)增厚的氧化鐵皮，打擊力不足導(dǎo)致除磷效果差。

4.粗軋區(qū)域除磷效果及原因分析

型材生產(chǎn)線采用13架短應(yīng)力線軋機(jī)，全線可實現(xiàn)無扭軋制。粗軋5架軋機(jī)（Φ800mm×3+Φ700mm×2），其中1#、3#為立式軋機(jī)，5#為平/立轉(zhuǎn)換軋機(jī)。精軋共8架Φ700mm軋機(jī)，其中雙架次軋機(jī)為水平軋機(jī)，單架次軋機(jī)均為平/立轉(zhuǎn)換軋機(jī)。

（1）鋼坯在粗軋區(qū)域軋制時，高溫軋件與空氣接觸會形成厚度大約為200um的氧化鐵皮，稱為“二次氧化鐵皮”。其成分主要由Fe2O3和 FeO 構(gòu)成，結(jié)構(gòu)為層鱗狀，與鋼基體之間的界面應(yīng)力小，因此不易被去除。

（2）生產(chǎn)大規(guī)格角鋼時，總延伸系數(shù)較小，軋制道次少，僅使用8～10架軋機(jī)。并且由于角鋼軋制時孔型多使用切分孔和蝶型孔，故水平軋機(jī)應(yīng)用多，立式軋機(jī)應(yīng)用少。在生產(chǎn)20號角鋼時，軋機(jī)全部是水平軋機(jī)，除磷效果差。 一旦出現(xiàn)高壓水除磷除不凈的情況，殘余的氧化鐵皮無法在軋制過程中脫落，就會被壓入中間軋件，最終導(dǎo)致角鋼成品出現(xiàn)凹坑的質(zhì)量缺陷。

5.改進(jìn)措施和效果

5.1 加熱爐區(qū)域采取的措施

（1）根據(jù)生產(chǎn)情況合理排料。在精整區(qū)域收集慢而影響軋制節(jié)奏時，加熱爐采取空1裝1的排料方式，減少鋼坯在爐內(nèi)的停留時間，以減少氧化鐵皮生成量。

（2）控制好空燃比。在保證天然氣能夠充分燃燒的前提下，合理分配加熱爐各段的空燃比，控制爐內(nèi)氧含量在合理區(qū)域，煙氣殘氧量控制在4%以下（見表1）。

表1 加熱爐各段空燃比控制值

（3）調(diào)整高壓水除磷噴嘴角度。高壓水除磷噴嘴噴射角α由40°調(diào)整到26°，在不增加除磷泵負(fù)荷的情況下增強(qiáng)除磷效果。

5.2 粗軋區(qū)域采取的措施

（1）優(yōu)化孔型系統(tǒng)。增加1號立式軋機(jī)，采用箱型孔型來控制軋件寬度，充分利用立軋箱形孔型氧化鐵皮易于脫落的優(yōu)點，使鋼坯經(jīng)箱型孔型側(cè)壓加工后，表面的氧化鐵皮裂開，易于脫落（見圖2）。重新分配粗軋各架軋機(jī)的壓下量，以確保增加1號立式軋機(jī)后各架次孔型的頂角和兩腿能夠充滿（見表2）。

表2 粗軋各架次孔型高度對照表 mm

圖2 1號軋機(jī)孔型示意圖

（2）增加除磷設(shè)施。在1號軋機(jī)出口導(dǎo)槽后設(shè)置環(huán)形鋼刷，以清除軋件經(jīng)立軋箱型孔破碎后的氧化鐵皮；在2號軋機(jī)進(jìn)口導(dǎo)槽前設(shè)置氣動除磷裝置，采用壓力為0.6MPa的氮氣作為動力，除磷噴嘴與鋼坯表面成45o角，利用高壓氣體進(jìn)一步吹落軋件表面的氧化鐵皮。

5.3 改進(jìn)效果

通過以上改進(jìn)措施的實施，鋼坯在加熱爐內(nèi)的氧化燒損大為減少，氧化鐵皮厚度由原來的2.8mm降低到1.3mm，使得氧化鐵皮易于去除，減輕了除磷泵的工作壓力；經(jīng)過高壓水除磷后，鋼坯表面的氧化鐵皮去除率達(dá)到80%以上；粗軋區(qū)域氧化鐵皮的去除率達(dá)到95%以上。由氧化鐵皮給20號角鋼成品表面質(zhì)量帶來的影響基本消除，20號角鋼質(zhì)量明顯提高，產(chǎn)品受到用戶一致好評。

6.結(jié)論

（1）通過調(diào)整加熱爐空燃比，控制好爐內(nèi)氣氛、合理組織排料，可以有效減少加熱爐內(nèi)氧化燒損和氧化鐵皮厚度，有利于高壓水除磷效率的提升。

（2）多種除磷方法綜合運用、改進(jìn)高壓水除磷系統(tǒng)的噴嘴角度，可以在不增加現(xiàn)有設(shè)備能力的情況下有效提高除磷效果。

（3）優(yōu)化孔型設(shè)計，增加立軋箱型孔，可以有效破碎爐生氧化鐵皮，彌補(bǔ)大規(guī)格角鋼孔型系統(tǒng)除磷效果差的缺點。