CN109719145B

CN109719145B - 一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法

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Publication number: CN109719145B
Application number: CN201910012085.8A
Authority: CN
Inventors: 曹光明; 李志峰; 刘振宇; 崔春圆; 王皓; 于聪
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2039-01-07
Also published as: CN109719145A

Abstract

本发明的一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法，该方法通过气雾喷淋和高压水除鳞实现短流程生产过程中加热炉炉生氧化铁皮完全去除。本发明的方法是根据热轧钢板的成分、加热制度、炉生氧化铁皮厚度及所在温度区间调整气雾喷淋装置的气/水比、装置距钢板的高度及装置与高压除鳞装置的距离等参数，基于氧化铁皮的高温塑性变化区间，利用快速变温过程中氧化铁皮产生巨大的热应力，在氧化铁皮无塑性区快速解离氧化铁皮的完整性，配合后续高压水除鳞，提高短流程隧道式加热炉炉生氧化铁皮的除鳞效率，减少氧化铁皮压入缺陷，提高热轧短流程生产钢材的表面质量。

Description

一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法

技术领域：

本发明属于热轧钢材生产技术领域，具体涉及一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法。

背景技术：

短流程热轧钢材生产线在生产薄规格产品方面具有优势，但因加热温度低、时间短造成可除鳞性降低，加之除鳞道次较少，制约了产品表面质量的提升。薄规格酸洗板表面缺陷发生率甚至高达近90％，下游用户拒绝使用。因此，短流程生产表面质量合格的热轧酸洗板是业界难题。短流程生产线上连铸坯在热轧前需要在隧道式加热炉中进行加热，加热温度为1100～1250℃，加热时间为18～25min，在短时氧化下使得连铸坯表面生成氧化铁皮粘附性较高，降低了除鳞效率，在除鳞时氧化铁皮若不能完全去除，则在后续轧制过程中很容易被压入或粘结在钢板表面，造成氧化铁皮压入缺陷，而严重影响产品的表面质量。

目前，国内外钢铁企业在热轧生产过程中为确保产品的表面质量，提高除鳞效率，普遍采用的除鳞方式是高压水除鳞。高压水除鳞的主要作用分为以下几个方面，利用高压水喷出时产生的强大冲击力将致密的氧化铁皮切开，形成裂痕；高压水透过裂缝遇到高温钢基体急速汽化蒸发，形成类似爆破的效果，将氧化铁皮和钢基体剥离；氧化铁皮在受到水的冲击后遇冷收缩，钢基体和氧化铁皮层的冷却收缩率不同产生横向剪切力，使氧化铁皮从钢基体脱离；带有前倾角的水射流将疏松的氧化铁皮冲刷掉。

现有技术中还包括有采用高压变频调速技术，根据来料板坯的材质、温度自动调节系统压力及流量，同时系统能在较短的时间内完成升降压过程，提高了轧制节奏并最大限度地降低能耗提高除鳞效率；采用变频调速技术能根据钢种情况调整除鳞压力，将升降速时间缩短至5-8秒，其需进行高压水除鳞系统改造，涉及到更换大流量除鳞泵、蓄势罐缓冲减振等设备。

另外有在高压水除鳞系统前，采用机械预除鳞，主要通过钢板运动过程中对表面的剐蹭和敲击使表层较厚的氧化铁皮破碎和脱落，而不能根据产品的钢种成分、氧化铁皮厚度和所处的温度区间调整。

综上所述，热轧钢材除鳞技术发展的主要趋势集中在如何提高除鳞水压力及增加除鳞道次。然而，由于热轧生产线受到现有泵站能力限制，提高除鳞水压力的潜力较小。另外，受到场地和投资成本的限制，新增泵站来改造除鳞系统也很难进行。在热轧薄规格产品时，为保证轧制稳定性、确保终轧温度，无法过多的增加除鳞道次。因此，如何针对短流程隧道式加热炉炉生氧化铁皮特点，提高炉生氧化铁皮的可除鳞性，减少钢板表面氧化铁皮残留是提高此类产线产品表面质量的关键。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法，该方法针对铸坯在隧道式加热炉中生长的炉生氧化铁皮，在除鳞箱前在辊道上下两侧均安装了一组气雾喷淋装置，增设该装置的目的是基于如图1所示的氧化铁皮的高温塑性变化区间，利用快速变温过程中氧化铁皮产生巨大的热应力，在氧化铁皮无塑性区快速解离氧化铁皮的完整性，能有效提高炉生氧化铁皮的可除鳞性，从而减少除鳞后氧化铁皮的残留，改善热轧钢材表面质量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法，所述的短流程产线中，在加热炉与除鳞箱之间设有气雾喷淋装置，除鳞方法具体包括以下步骤：

钢坯通过辊道运输，在加热炉内进行加热，加热温度为1100～1250℃，加热时间为15～60min，钢坯经过加热炉后，生长形成炉生氧化铁皮，钢坯经过气雾喷淋装置后，进入到除鳞箱，之后进行后续粗轧和精轧，制得热轧薄规格卷板。

所述的方法中，气雾喷淋装置设置两组，具体在加热炉与除鳞箱之间相应位置的辊道上下两侧均安装一组气雾喷淋装置，以保证对钢坯喷淋完全。

所述的方法中，气雾喷淋装置为一组喷梁，喷头数量为25～50个。

所述的方法中，气雾喷淋装置的喷头角度可以进行调整，调节范围为0～30°。

所述的方法中，气雾喷淋装置喷头安装高度为距离钢坯表面50～300mm，位置根据氧化铁皮厚度和所处的温度区间进行调整。

所述的方法中，气雾喷淋装置距离除鳞箱的距离为0.5～3m，根据氧化铁皮厚度和所处的温度区间调整。

所述的方法中，气雾喷淋装置中的气/水比根据氧化铁皮的厚度进行调整，该比值范围为0～100％，所述的气体采用空气，或其他不可燃气体。

所述的方法中，钢坯经过气雾喷淋装置喷淋时，控制钢坯表面氧化铁皮降温幅度为300～700℃。

所述的方法中，对气雾喷淋装置中的水压和气雾流量进行调整，在水泵、气泵和气雾喷淋装置之间设计有稳压的蓄能装置，保证喷淋水压力、喷淋水量和气雾压力稳定，水压为0.6～1.2MPa，水流量为30～100m³/h，喷头气体流速为50～350L/min。

所述的方法中，钢坯的成分按重量百分比含C：0.03～0.10％，Si：1.0～1.5％，Mn：0.15～2.5％，S:≤0.015％，P:≤0.019％，Als:0.015～0.045％，Ti：0～0.08％，Nb：0～0.08％，其余为Fe和冶炼时不可避免的杂质。

所述的方法中，通过加热炉的钢坯厚度为60～110mm。

所述的方法中，制得的热轧薄规格卷板由于氧化铁皮压入缺陷造成的产品降级率低至0.55％以下。

本发明的工作原理：

气雾喷淋装置工作时在冷却过程中氧化铁皮裂纹的产生和剥落取决于临界冷速、氧化铁皮收缩系数、氧化铁皮的厚度、生长速率、应力状态、界面能和氧化铁皮的力学特性等多个参数。本专利建立了冷却过程中氧化铁皮产生破裂的数学模型。

氧化铁皮剥离临界应变(ε_c)可以表示为：

其中，γ为界面能，h为氧化铁皮的厚度，E为氧化铁皮的杨氏模量，B为模型参数，可以表示为

其中，ν是泊松比。

氧化铁皮剥离临界温度变化可由下式计算得出，

α_MET和α_OX分别是基体和氧化铁皮的热膨胀系数，氧化铁皮不同温度下热膨胀系数见表1所示。

表1不同温度下氧化铁皮膨胀系数/(10^-6/℃)

在没有考虑应力松弛的前提下，由于时间间隔很小，界面处的应变率

是时间增量Δt和温度变化ΔT的函数，即：

依据高Wagner模型，氧化铁皮层从h_i-1生长到h_i的时间增量可以表示为，

此处，i＝1,2,3,.....N。kp_i为氧化速率常数。结合方程(4)和(5)，可以得到氧化铁皮生长过程中的应变为：

考虑到内能的变化是由应变引起的，即，

其中，U是氧化铁皮生长的能量，σ是体积Ah内的氧化铁皮中的应力。氧化铁皮剥离所需的能量取决于氧化铁皮的生长条件和力学，在氧化铁皮剥离期间，Δt_i可以通过下式计算，

因此，氧化铁皮破碎的临界厚度可以表示为：

其中，界面能可以表示为

氧化铁皮破碎临界厚度计算公式(9)表示一旦氧化铁皮达到临界厚度，就会发生破碎，此临界值受氧化铁皮的物理性质和力学性能的影响，本申请在该原理基础上进行相关参数的设定，获得相应的技术方案。

由基体与氧化铁皮热膨胀系数之间的差异而引起的界面应力是导致氧化铁皮破裂的主要原因。如图2所示，由于氧化铁皮各层的热膨胀系数均小于相同温度条件下钢基体的热膨胀系数，因此在喷淋工艺造成的冷却过程中，基体相对于氧化铁皮会产生更大的体积收缩，从而导致氧化铁皮处于钢基体施加的拉应力场中，此拉应力会使氧化铁皮层中产生大量的裂纹源，并使裂纹不断萌生、扩展，最后使氧化铁皮中产生大量的微裂纹，以实现氧化铁皮与钢基体的分离，实现除鳞。

本发明的有益效果：

在热轧钢材生产中，钢坯经加热炉加热后，表面会产生大量氧化皮，在除鳞时若不能完全去除，则在后续轧制过程中很容易被压入或粘结在钢板表面，从而严重影响产品的表面质量。目前热轧带钢除鳞技术发展的主要趋势集中在如何提高除鳞水压力及增加除鳞道次。然而，由于热轧生产线受到现有泵站能力限制，提高除鳞水压力的潜力较小；另外，受到场地和投资成本的限制，新增泵站来改造除鳞系统也很难进行。此外，在热轧薄规格产品时，为保证轧制稳定性、确保终轧温度，无法过多的增加除鳞道次。因此，为解决短流程产线热轧产品表面质量问题，本专利通过系统研究氧化皮高温力学特性及产生裂纹的临界条件，开发出了通过喷淋快速降温诱发氧化皮开裂，然后经高压水将脆化且开裂的氧化皮高效去除的复合式高效除鳞方法，本专利内容在产线应用后热轧材表面压入缺陷得到了极大改善。

附图说明：

图1为Fe₂O₃、Fe₃O₄和FeO强度和伸长率随温度的变化图；

图2为氧化铁皮中微裂纹产生示意图；

图3为气雾喷淋装置现场工作照片；

图4为实施1中获得的热轧酸洗板的表面宏观状态图；

图5为对比例1中获得的热轧酸洗板表面除鳞不净造成的压入缺陷宏观照片；

图6为实施2中获得的热轧酸洗板的表面宏观状态图；

图7为实施3中获得的热轧酸洗板的表面宏观状态图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法，所述的短流程产线中，在加热炉与除鳞箱之间设有气雾喷淋装置，钢坯的成分按重量百分比含C：0.03％，Si：1.5％，Mn：2.5％，S:0.015％，P:0.019％，Als:0.045％，其余为Fe和冶炼时不可避免的杂质，钢坯厚度是60mm，除鳞方法具体包括以下步骤：

钢坯通过辊道运输在隧道式加热炉内进行加热，加热温度是1100℃，加热时间在15min，然后继续通过辊道运输，针对隧道式加热炉中生长的炉生氧化铁皮，在加热炉与除鳞箱之间的辊道上下两侧均安装了一组气雾喷淋装置，喷头数量为25个，喷头角度0°，该装置喷头高度为距离钢坯表面300mm，距离除鳞箱0.5m，该装置中的气/水比是1:0，喷头气体流速是350L/min，控制钢坯表面氧化铁皮降温区间是300℃，气雾喷淋装置现场工作照片如图3所示，钢坯在经过该装置后进入到除鳞箱，然后进行后续的轧制过程，获得热轧薄规格卷板。

上述方法得到的热轧薄规格卷板进行酸洗后，获得热轧酸洗板的表面质量如图4所示，增设气雾喷淋装置后，钢板的表面质量得到了极大改善，本批次产品由于氧化铁皮压入缺陷造成的产品降级率为0.07％。

对比例1

由实施例1中采用的技术参数进行热轧薄规格卷板制备，并去除相应的喷淋装置后，制得热轧薄规格卷板后，经酸洗获得热轧酸洗板，表面除鳞不净造成的压入缺陷宏观照片如图5所示。

实施例2

一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法，所述的短流程产线中，在加热炉与除鳞箱之间设有气雾喷淋装置，钢坯的成分按重量百分比含C：0.10％，Si：1.5％，Mn：0.15，S:0.010％，P:0.009％，Als:0.015％，Ti：0.08％，Nb：0.08％，其余为Fe和冶炼时不可避免的杂质。钢坯厚度是110mm，除鳞方法具体包括以下步骤：

钢坯通过辊道运输在隧道式加热炉内进行加热，加热温度是1250℃，加热时间在60min，然后继续通过辊道运输，针对隧道式加热炉中生长的炉生氧化铁皮，在加热炉与除鳞箱之间的辊道上下两侧均安装了一组气雾喷淋装置，喷头数量为50个，喷头角度30°，该装置高度为距离钢坯表面50mm，距离除鳞箱3m，该装置中的气/水比是0:1，水压是1.2MPa，水流量是100m³/h，控制钢坯表面氧化铁皮降温区间是700℃，钢坯在经过该装置后进入到除鳞箱，然后进行后续的轧制过程。

上述方法得到的热轧酸洗板的表面质量如图6所示，增设气雾喷淋装置后，钢板的表面质量得到了极大改善，本批次产品由于氧化铁皮压入缺陷造成的产品降级率为0.55％。

实施例3

一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法，所述的短流程产线中，在加热炉与除鳞箱之间设有气雾喷淋装置，钢坯的成分按重量百分比含C：0.05％，Si：1.0％，Mn：1.5％，S:0.013％，P:0.015％，Als:0.03％，Ti：0.015％，Nb：0.025％，其余为Fe和冶炼时不可避免的杂质。钢坯厚度是80mm，除鳞方法具体包括以下步骤：

钢坯通过辊道运输在隧道式加热炉内进行加热，加热温度是1200℃，加热时间在30min，然后继续通过辊道运输，针对隧道式加热炉中生长的炉生氧化铁皮，在加热炉与除鳞箱之间的辊道上下两侧均安装了一组气雾喷淋装置，喷头数量为40个，喷头角度15°，该装置高度为距离钢坯表面150mm，距离除鳞箱2m，该装置中的气/水比是1:1，水压是0.8MPa，水流量是70m³/h，喷头气体流速是50L/min，控制钢坯表面氧化铁皮降温区间是500℃，钢坯在经过该装置后进入到除鳞箱，然后进行后续的轧制过程。

上述方法得到的热轧酸洗板的表面质量如图7所示，增设气雾喷淋装置后，钢板的表面质量得到了极大改善，本批次产品由于氧化铁皮压入缺陷造成的产品降级率为0.34％。

Claims

1.一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法，其特征在于，所述的短流程产线中，在加热炉与除鳞箱之间设有气雾喷淋装置，除鳞方法具体包括以下步骤：钢坯通过辊道运输，在加热炉内进行加热，加热温度为1100℃，加热时间为15min，钢坯经过加热炉后，生长形成炉生氧化铁皮，钢坯经过气雾喷淋装置后，进入到除鳞箱，之后进行后续粗轧和精轧，制得热轧薄规格卷板；其中：

所述的钢坯的成分按重量百分比含C：0.03%，Si：1.5%，Mn：2.5%，S:≤0.015%，P:≤0.019%，Als: 0.045%，其余为Fe和冶炼时不可避免的杂质；

所述的钢坯经过气雾喷淋装置喷淋时，控制钢坯表面氧化铁皮降温幅度为300℃；

所述的气雾喷淋装置设置两组，具体在加热炉与除鳞箱之间的辊道上下两侧均安装一组气雾喷淋装置，所述的气雾喷淋装置为一组喷梁，喷头数量为25个；

所述的气雾喷淋装置中的气/水比为1:0，喷头气体流速为350L/min；

所述的气雾喷淋装置喷头安装高度为距离钢坯表面300mm，气雾喷淋装置距离除鳞箱的距离为0.5m；

经除鳞后，产品由于氧化铁皮压入缺陷造成的产品降级率为0.07%。

2.根据权利要求1所述的一种针对热轧短流程产线炉生氧化铁皮的高效除鳞方法，其特征在于，所述的方法中，气雾喷淋装置的喷头角度为0°。