汽车工程机械用钢表面“黑灰”原因分析与改进

申保军 饶 静 杨立庆 王超海

（安阳钢铁股份有限公司）

0 概述

表面质量是热连轧质量控制的主要问题之一，特别是随着产品结构不断提升，产品要求不断提高，对产品的表面质量要求也逐步提高。汽车工程机械用钢是安钢1 780 mm热连轧机组的主要产品之一，年产量占比达到20%以上，表面“黑灰”缺陷是下游用户反映的突出质量问题。“黑灰”缺陷是热轧氧化铁皮缺陷的一种，呈黑色细粉状，故名“黑灰”，是由热连轧精轧机组产生的三次氧化铁皮导致的。“黑灰”缺陷严重时不仅使产品报废，造成质量损失，形成的粉尘还严重污染环境，危害人体健康。通过对“黑灰”缺陷形成的机理进行研究并实施控制改进，提高了产品的表面质量，降低了质量损失，从而提升了产品的美誉度。

1 现状调查

通过对汽车工程机械用钢下游用户进行跟踪调查，发现反映的“黑灰”缺陷主要存在以下问题：

（1）黑灰缺陷在开卷机开卷时，钢卷经拉伸、弯曲等变形极易脱落，板面形成针孔状麻坑，形成表面质量缺陷。与无黑灰的正常卷相比，相同的环境条件下，黑灰缺陷产品更容易进一步氧化形成红锈缺陷，恶化带钢表面光洁度，不仅影响产品美观度，还会对产品后续上漆工艺产生影响（如图1所示）。

图1 开平板表面“黑灰”

（2）脱落的黑灰堆积粘附在开卷机辊面上，碾压板面时嵌入带钢板面内，再次脱落后会产生大小不一的斑痕状麻坑，在用户进行旋压、冲压作业时，加工面受力不均匀，在麻坑处产生应力集中形成加工开裂（如图2所示）。

（3）为了减少氧化铁皮的压入，通常会降低开卷速度，并在开卷机入口增设人工清除氧化铁皮的工序，增加了人工劳动强度，同时降低了作业效率。由于黑灰的脱落，造成作业区内粉尘弥漫，恶化了环境，危害了作业人员的健康。

图2 板带冲压加工开裂

2 原因分析

氧化铁皮按照形成的先后时序，可分为一次氧化铁皮，即炉生氧化铁皮；二次氧化铁皮，即粗除鳞到精除鳞之间产生的氧化铁皮；三次氧化铁皮，即精除鳞机后产生的氧化铁皮。“黑灰”缺陷属于典型的三次氧化铁皮，主要在精轧工序产生。

由于热轧工艺的特点，氧化铁皮存在不断生成和转化的过程。氧原子由外层向内层扩散，铁原子则由内层向外层扩散。由于外层氧原子浓度相对较高，铁原子浓度相对较低，在外层生成铁的高价氧化物，在内层则相反，生成铁的低价氧化物。由内向外可分为FeO、Fe3O4、Fe2O3。FeO在氧化层的最内层，其粘附性强，硬度较低，具有一定的延伸性；Fe2O3在氧化层最外层，松脆、易脱落，硬度最高，无延伸性；Fe3O4是FeO、 Fe2O3的机械混合物，结构致密较硬。文献[1]指出，轧件温度在700～900 ℃时，氧化层为FeO和Fe3O4，其中以FeO为主，约占90%；当轧件温度在900 ℃以上时，氧化层由FeO、 Fe3O4和Fe2O3组成。轧件温度对氧化速率和氧化铁皮厚度有着很大影响，温度在1 000 ℃以下时，氧化速度较为缓慢；温度在1 000 ℃以上时，氧化速率急剧上升，氧化铁皮厚度大幅增加（如图3所示）。

图3 温度对氧化铁皮厚度的影响

通过对现场工艺分析，发现产生“黑灰”缺陷的原因有三点。

2.1 精轧入口温度较高

精轧机入口温度较高时，经过精除鳞机时虽然能够较好地去除氧化铁皮，但在机架间，特别是在F1～F3机架时，生成的氧化铁皮成分中Fe2O3和Fe3O4偏多，具有硬度高、延伸性低的特点，在机架间轧制时发生易破碎。

2.2 精轧轧制速度低

在较低的轧制速度下，带钢在前段机架间的氧化时间长，氧化铁皮的厚度会增加，表面氧化层温度分布不均加剧，导致应力不均，造成氧化层破裂。破碎的氧化铁皮如果不及时去除，在随后的高温轧制中压入轧件基体并进一步生长，将会得到表面分布极不均匀的氧化皮层。

2.3 轧辊表面的破坏

在轧制过程中，氧化铁皮对轧辊有研磨作用，不断使轧辊表面粗化（如图4所示）。有研究表明，不同的氧化铁皮成分对轧辊的磨损存在巨大差异。其中，Fe2O3硬度是FeO的三倍，HV硬度达到1 000以上，极大地加剧轧辊的磨损，同时粗糙的辊面也会加剧对带钢表面氧化层的破坏，形成恶性循环[2]。

图4 改进前轧辊表面粗化

由上述分析可以看出，热轧时的高温氧化是不可避免的，且随着温度的升高，氧化速率不断增加，致密坚硬、易破碎的Fe2O3比例也不断提高。因此，可以从控制氧化铁皮的厚度、成分和结构来控制缺陷，即通过工艺改进来控制氧化铁皮的厚度，减少致密坚硬的Fe2O3的比例，提高硬度比轧件基体软且高塑性的FeO的比例，使氧化铁皮在轧制中不发生破碎，从而获得良好的表面质量[3]。

3 改进措施

3.1 降低精轧入口温度

将精轧机入口温度分别控制在1 040 ℃、1 020 ℃、1 000 ℃、980 ℃对厚度10 mm的车轮钢进行试验，入口温度在1 000 ℃以下时板面黑灰得到明显抑制，黑灰缺陷得到显著改善，但当精轧入口温度控制在980 ℃以下时，轧机主传动电流过大，轧机负荷达到上限。因此，最终将精轧入口温度设定为980～1 000 ℃。

3.2 提高轧制速度

通过提高终轧温度、增加机架间冷却水的方式，提高轧制速度，降低轧件在精轧机组的纯轧时间，减少带钢表面与空气的接触时间，减少带钢的氧化。采用200 m/min、250 m/min 、300 m/min 、320 m/min的精轧穿带速度对厚度10 mm的车轮钢进行试验。通过试验发现，当穿带速度在300 m/min以上时，得到的带钢表面质量良好，但穿带速度达到320 m/min时，轧机的冲击电流过大，容易造成轧机事故。因此，最终将穿带速度设定在300 m/min。

3.3 增加精轧机架内的除鳞水

精轧机的前段机架温度较高，相对氧化更严重，通过投用F1、F2机架的机后除鳞水，可以去除在前段机架内生成的氧化铁皮，阻止氧化铁皮再次碾压破碎，同时具有降低轧件表面温度的作用，减少了氧化铁皮的厚度。由于氧化铁皮的减少，轧辊的磨损得以改善，辊面质量整体提升了一个等级以上（如图5所示），进一步提高了轧件的表面质量。

经过改进，汽车工程机械用钢“黑灰”缺陷得到了显著改善，产品质量进一步提升了。

4 结论

（1）热连轧汽车工程机械用钢“黑灰”缺陷是精轧工序产生的三次氧化铁皮所致，以Fe3O4、Fe2O3为主体的脆性氧化铁皮是形成缺陷的主要因素。

图5 改进后的轧辊表面质量

（2）控制氧化铁皮的生成速度及构成是控制三次氧化铁皮的主要途径，即：降低带钢表面氧化速度，减小氧化皮层厚度，降低Fe2O3、Fe3O4等硬度高、脆性大的成分的比例。

（3）通过降低精轧入口温度、提高轧制速度、增加机架间除鳞的方式，可以有效抑制表面“黑灰”缺陷的产生，提高产品的表面质量。