20号角钢除磷效果分析及改进措施

李 元

1.前言

河钢张宣科技金属材料公司型材生产线经过升级改造后于2023年 7月复产。该产线设计年生产能力70万吨，成品最高轧制速度5m/s,生产钢种为碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金钢、耐候钢等。坯料采用200mm×280mm×10m、165mm×165mm×10m两种规格的连铸坯。产品规格主要包括8#～20#角钢，10#～28#槽钢，10#～25#工字钢，Φ50mm～Φ110mm圆钢和U18～U29矿用钢。在复产后生产大规格角钢的过程中，出现了成品表面凹坑的质量问题，尤其是20号角钢的表面凹坑问题最为严重，因质量问题不得不换轧小规格角钢。

2.角钢表面凹坑产生原因分析

2.1 连铸坯夹渣缺陷

连铸坯夹渣破坏了钢的连续性和致密性，轧制过程中不能被焊合消除，酸洗后成品钢材会产生凹坑缺陷。经过对角钢表面凹坑残留物进行检验分析，未发现Al、Si、Mg、Ca等夹渣成分超标，可以判断角钢表面凹坑不是连铸坯原因造成的。

2.2 氧化铁皮压入

由于连铸坯加热后氧化铁皮去除不彻底，在后续轧制过程中被压入轧件，会造成酸洗后的角钢成品表面出现凹坑。通过观察连铸坯出加热炉后的除磷效果，发现轧制大规格角钢时，高压水除磷不能完全除净氧化铁皮。特别是遇到精整区域收集慢，影响轧制节奏时，生成的氧化铁皮厚，除磷效果更差。同时在粗轧区域，轧件表面的氧化铁皮随轧制进程脱落，不同规格的角钢氧化铁皮脱落程度不同，20号角钢在轧制过程中轧件上下表面的氧化铁皮大部分不能脱落。由此可见，造成20号角钢表面凹坑缺陷的原因为氧化铁皮压入。

2.3 钢坯表面氧化铁皮的主要成分及影响因素

高温状态下氧化性气氛与钢坯接触后发生化学反应，在钢坯表面生成化学成分为FeO、Fe2O3、Fe3O4的混合物，统称为氧化铁皮。在加热过程中，氧化铁皮一般由3层组成（见图1）。

图1 氧化铁皮结构示意图

（1）最内层靠近钢坯基体的是存在大量孔洞而使结构较松散的氧化亚铁FeO，其具有粘性，其除鳞效果不好。中间层是磁性四氧化三铁（Fe3O4)，其结构细密，没有孔隙和裂缝。外层是氧化铁（Fe2O3)，呈结晶构造，不但可以防止氧气深入反应而且性质较脆，除鳞效果较好。

（2）加热温度、加热时间、炉内气氛等均可对氧化铁皮生成量产生重要影响。加热温度越高氧化越快，生成的氧化铁皮越厚，钢坯温度1200℃时其氧化烧损量约为800 ℃时的10倍，钢坯1400℃时可达20倍。加热时间与氧化烧损成正比，其它条件不变时，加热时间越长氧化生成的铁皮越厚，钢坯的氧化烧损越多。尤其是温度超过1000 ℃时，停留时间越长氧化铁皮生成量越大。炉气中的氧化性气体有SO2、H2O、O2和CO2。其中O2对氧化铁皮生成量影响最为显著。

3.高压水除磷效果及原因分析

3.1 高压水除磷原理

当高温钢坯进入除鳞箱，高压喷射的水流高速冲击到钢坯表面，产生敲击和振动作用。高压水流使钢坯产生温降，由于钢坯表面的氧化铁皮和基体金属的线膨胀系数不同，温度下降使钢坯表面的氧化铁皮因温差应力产生裂纹。高压水从裂缝进入氧化铁皮内部，水在高温的钢坯表面受热汽化体积膨胀，水泡破裂时产生的敲击和振动作用使裂纹向基体扩展。裂纹的扩展，更有利于高压水进入氧化铁皮内部空穴，直至到达钢基界面。以上因素的共同作用使氧化铁皮与基层分离，然后被高压水流带走。

高压水除鳞效果的好坏与高压水系统的整体配置、轧制工艺、氧化铁皮的生成状态有关。氧化铁皮越厚、粘性越大越不易清除。影响高压水除磷系统效果的最主要因素是打击力，当喷嘴距钢坯的高度、压力、流量一定时，喷射角α越大，打击面积越大，单位面积打击力越小。同时，由于喷射角α大，射流边部暴露在空气中的长度越长，受空气影响损失的能量越大，打击力减小。

3.2 高压水除磷效果差的原因

改造后的型材加热炉炉型为单排布料、侧进侧出、上下加热步进梁式加热炉。燃料采用煤制气和天然气（目前使用燃料为天然气），燃烧方式为空、煤气双预热（天然气不预热）、常规式燃烧。加热炉有效长度28m，小时产量150t/h。由于复产后各类机械运行不够顺畅，人员操作生疏等综合因素，导致精整区域工序衔接不畅，影响了生产节奏，钢坯在加热炉内停留时间变长；调火岗位人员对使用天然气时加热炉的燃烧调整不熟悉，空燃比控制不够精细，炉内氧化氛围强，产生的氧化铁皮较厚，达到2.8mm；粘性大的FeO占比较大，高压水对钢坯表面氧化铁皮造成的冷却收缩变形被结构松散的FeO吸收，不能形成较大裂缝，高压水无法进一步进入基体与氧化铁皮之间实现有效除磷。同时除磷设备未配套改造，水压无法继续增大以适应增厚的氧化铁皮，打击力不足导致除磷效果差。

4.粗轧区域除磷效果及原因分析

型材生产线采用13架短应力线轧机，全线可实现无扭轧制。粗轧5架轧机（Φ800mm×3+Φ700mm×2），其中1#、3#为立式轧机，5#为平/立转换轧机。精轧共8架Φ700mm轧机，其中双架次轧机为水平轧机，单架次轧机均为平/立转换轧机。

（1）钢坯在粗轧区域轧制时，高温轧件与空气接触会形成厚度大约为200um的氧化铁皮，称为“二次氧化铁皮”。其成分主要由Fe2O3和 FeO 构成，结构为层鳞状，与钢基体之间的界面应力小，因此不易被去除。

（2）生产大规格角钢时，总延伸系数较小，轧制道次少，仅使用8～10架轧机。并且由于角钢轧制时孔型多使用切分孔和蝶型孔，故水平轧机应用多，立式轧机应用少。在生产20号角钢时，轧机全部是水平轧机，除磷效果差。 一旦出现高压水除磷除不净的情况，残余的氧化铁皮无法在轧制过程中脱落，就会被压入中间轧件，最终导致角钢成品出现凹坑的质量缺陷。

5.改进措施和效果

5.1 加热炉区域采取的措施

（1）根据生产情况合理排料。在精整区域收集慢而影响轧制节奏时，加热炉采取空1装1的排料方式，减少钢坯在炉内的停留时间，以减少氧化铁皮生成量。

（2）控制好空燃比。在保证天然气能够充分燃烧的前提下，合理分配加热炉各段的空燃比，控制炉内氧含量在合理区域，烟气残氧量控制在4%以下（见表1）。

表1 加热炉各段空燃比控制值

（3）调整高压水除磷喷嘴角度。高压水除磷喷嘴喷射角α由40°调整到26°，在不增加除磷泵负荷的情况下增强除磷效果。

5.2 粗轧区域采取的措施

（1）优化孔型系统。增加1号立式轧机，采用箱型孔型来控制轧件宽度，充分利用立轧箱形孔型氧化铁皮易于脱落的优点，使钢坯经箱型孔型侧压加工后，表面的氧化铁皮裂开，易于脱落（见图2）。重新分配粗轧各架轧机的压下量，以确保增加1号立式轧机后各架次孔型的顶角和两腿能够充满（见表2）。

表2 粗轧各架次孔型高度对照表 mm

图2 1号轧机孔型示意图

（2）增加除磷设施。在1号轧机出口导槽后设置环形钢刷，以清除轧件经立轧箱型孔破碎后的氧化铁皮；在2号轧机进口导槽前设置气动除磷装置，采用压力为0.6MPa的氮气作为动力，除磷喷嘴与钢坯表面成45º角，利用高压气体进一步吹落轧件表面的氧化铁皮。

5.3 改进效果

通过以上改进措施的实施，钢坯在加热炉内的氧化烧损大为减少，氧化铁皮厚度由原来的2.8mm降低到1.3mm，使得氧化铁皮易于去除，减轻了除磷泵的工作压力；经过高压水除磷后，钢坯表面的氧化铁皮去除率达到80%以上；粗轧区域氧化铁皮的去除率达到95%以上。由氧化铁皮给20号角钢成品表面质量带来的影响基本消除，20号角钢质量明显提高，产品受到用户一致好评。

6.结论

（1）通过调整加热炉空燃比，控制好炉内气氛、合理组织排料，可以有效减少加热炉内氧化烧损和氧化铁皮厚度，有利于高压水除磷效率的提升。

（2）多种除磷方法综合运用、改进高压水除磷系统的喷嘴角度，可以在不增加现有设备能力的情况下有效提高除磷效果。

（3）优化孔型设计，增加立轧箱型孔，可以有效破碎炉生氧化铁皮，弥补大规格角钢孔型系统除磷效果差的缺点。