热轧铬钼钢卷松脱锈皮缺陷成因调查与改善*

热轧铬钼钢卷松脱锈皮缺陷成因调查与改善* 熱軋鉻鉬鋼捲「鬆脫銹皮」缺陷成因調查與改善* 郭 育 仁1 ? 廖 啟 民2 ? 陳 嘉 暉3 ? 張 銘 昌3 * 九十七年十月二十三日在本會九十七年年會宣讀之論文 中國鋼鐵公司 1冶金技術處、2新材料研發處、3軋鋼二廠 「鬆脫銹皮」長久以來為熱軋鉻鉬鋼捲的主要缺陷之ㄧ,且鋼帶面常出現明顯的凹坑。本文即是 針對該缺陷的成因進行調查研究,經實際觀察生產過程並分析鬆脫銹皮之特徵,發現該缺陷發生於 鋼帶表面之灰黑色帶狀銹皮,成因為其厚度較厚且銹皮緻密性差所致,於鋼捲解捲作業時,因解捲 應力而發生「鬆脫銹皮」現象,並於調質軋延時將之軋入底材,造成鋼帶表面之凹坑缺陷。本研究 利用了田口氏實驗計畫法,對鉻鉬鋼生產時之出爐溫度、除銹條件及盤捲後之冷卻方式,進行最佳 化操作條件之探討。從實驗結果顯示,利用低出爐溫度、增加除銹道數及加快盤捲後冷卻速度,「鬆 脫銹皮」缺陷可以獲得明顯的改善。 關鍵詞,熱軋鉻鉬鋼捲、鬆脫銹皮 “Loosened Scale” is one of the major defects formed on the surface of hot-rolled chromium molybdenum steel coils. The defective surface showed obvious concave pits. We scrutinized the production process and analyzed the scale characteristics to determine what might have caused the formation of the loosened scales. It is found that the loosened scale often exists on the gray banded oxide scale which is thicker and more porous than the normal scale. The concave pit occurs when the gray banded oxide scales peeling off during uncoiling and then rolled onto the strip surface. Taguchi method was used to find optimal processing conditions for slab reheating temperature (SRT), de-scaling pattern and cooling rate after coiling. Results revealed that lowering SRT, increasing de-scaling passes, and ccelerating cooling rate can minimize the loosened scale defects. Key Words: hot-rolled chromium molybdenum steel coils, loosened scale. 一、前 言 中鋼公司生產之熱軋鉻鉬鋼捲,於熱軋精整工場解捲時,鋼帶表面常發生大量鬆脫銹皮現象如圖 -1,於下游裁剪作業時,因銹皮脫落造成設備及作業環境的汙染,且調質軋延完之鋼帶表面亦出現 明顯的坑洞如圖-2,嚴重影響鋼帶之表面品質,本研究即在解析此鬆脫銹皮發生之原因,並提出解 決。 二、鬆脫銹皮缺陷分析 2.1 鬆脫銹皮現象 經觀察鉻鉬鋼捲之鬆脫銹皮現象,發現其表面皆出現帶狀式紅銹,輕微程度之帶狀式紅銹呈現紅色 如圖-3,嚴重程度之帶狀式紅銹則呈現灰黑色如圖-4,而鬆脫銹皮現象皆發生於灰黑色的紅銹帶區 如圖-5,此紅銹帶現象可於熱軋工場的鋼帶表面自動檢測系統:ASIS:檢出如圖-6,表示此紅銹帶 於熱軋時即產生。 為確認紅銹帶與其鬆脫銹皮間之關係,挑選12捲鉻鉬鋼捲,依ASIS檢出之紅銹帶程度分成4組:ASIS 紅銹帶面積愈廣,帶狀色澤愈深者,紅銹帶程度愈嚴重:,於調質重捲線檢驗並記錄其鬆脫銹皮程 度,可發現紅銹帶程度愈嚴重者,其鬆脫銹皮程度亦愈嚴重如圖-7。 2.2 鬆脫銹皮坑形成時機 為釐清鋼帶表面凹坑之形成時機與機制,將解捲後發生鬆脫銹皮之鉻鉬鋼捲,於精整線調質軋延前及軋延後,以研磨機研磨鋼帶表面之鬆脫銹皮區域。於調質軋延前之鬆脫銹皮位置經磨除表面銹皮後,僅發現紅銹痕並未發現凹坑:圖-8:,而於調質軋延後出現不規則狀之凹坑:圖-9:,而凹坑 之形狀與脫落之銹皮形狀相同,因此鉻鉬鋼帶表面鬆脫銹皮坑之形成時機,係因解捲後發生銹皮鬆脫,經調質軋輥軋延後,將鋼帶表面之鬆脫銹皮軋入底材而形成軋入鬆脫銹皮坑。 2.3 紅銹帶區與正常區之銹皮組織 為了解鉻鉬鋼捲之灰黑色紅銹帶區之銹皮較易鬆脫之原因,分冸切取調質軋延前之灰黑色紅銹帶 區、紅色紅銹帶區及正常銹皮區之試片進行金相試驗,試片之鋼種及成份如表-1,三者之金相組織皆為肥粒鐵+波來鐵:圖-10:,並無顯著差異。三者銹皮型態之顯微組織如圖-11,灰黑色紅銹帶區之銹皮厚度約25μm,正常區與紅色紅銹帶區之銹皮厚度約12μm,紅銹帶區之銹皮裂紋較正常區多,顯示其銹皮組織較為鬆散,緻密性較正常區差。由此發現灰黑色之紅銹帶區的銹皮較正常區厚且銹皮緻密性又差,因此灰黑色紅銹帶區之銹皮容易因解捲應力而發生鬆脫現象。 表-1 試片之化學成份 鋼種 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Al N SCM415 0.14 0.20 0.68 0.10 0.003 0.02 0.03 0.94 0.15 0.35 0.04 2.4 紅銹缺陷之成因 鉻鉬鋼含矽量約0.2%,含矽鋼種在鋼胚加熱 階段會生成低熔點的Fe2SiO4:矽酸鐵:,於鋼胚加熱階段易因高溫而熔融,使得鐵與氧的擴散更為容易而發生沿晶氧化,位於此共晶化合物上層之FeO因此被錨定:圖-12(a):,增加其除銹之困難性,而未被除去之FeO:圖 -12(b):,於後續軋延時被軋碎粉化並於冷卻時氧化成紅色之Fe2O3之紅銹缺陷(1):圖 -12(c):。 2.5 鉻鉬鋼鬆脫銹皮缺陷要因分析 因熱軋鉻鉬鋼捲之鬆脫銹皮與紅銹呈現正相 關性且兩者伴隨出現,欲改善鬆脫銹皮缺陷,則須了解其紅銹缺陷形成之要因,經研讀相關探討紅銹之文獻與先前對於熱軋厚板鬆脫銹 皮結構之分析,整理鬆脫銹皮缺陷要因分析之魚骨圖如圖-13。 2.5.1 加熱因素 由加熱溫度與時間對高矽鋼紅銹生成比率之 影響(2):圖-14:,紅銹生成比率隨加熱溫度上升而增加,至1200?時最高,而後再呈下降趨勢。於高溫區,鋼胚加熱時間為120min時之紅銹比率則遠較60min時高。因此,鋼胚的加熱溫度和時間之長短,皆會影響紅銹缺陷的發生。 2.5.2 冷卻因素 正常銹皮的F eO含量通常比鬆脫銹皮高(3),在軋延及解捲過程,銹皮較不易破裂鬆脫,冷卻速率的快慢會影響FeO之轉化的程度,當FeO完全轉化成Fe3O4時,銹皮硬脆程度程度較高,則較易於解捲時脆裂而鬆脫。 2.5.3 成份因素 於加熱爐中生成之一次銹皮,低矽鋼容易以高壓除銹水去除而不產生紅銹缺陷,但高矽鋼則因除銹困難性高,無法以一般的高壓除銹水完全去除,導致軋延後發生紅銹缺陷(1),因此可知矽含量愈高,紅銹愈容易發生。目前熱軋鉻鉬鋼捲有低矽成份 及高矽成份兩種:表-2:,經多次觀察,高矽成份之紅銹程度與鬆脫銹皮程度遠大於低矽成份。 表-2 熱軋鉻鉬鋼成份 鋼種 C Si Mn Cr Mo SCM415 0.13~0.17 0.18~0.22 0.62~0.82 0.90~1.10 0.15~0.25 SCM415M低矽 0.13~0.17 0.05 Max. 0.62~0.82 0.90~1.10 0.15~0.25 SAE4130 0.28~0.32 0.18~0.22 0.45~0.55 0.85~0.95 0.17~0.23 SAE4130M低矽 0.28~0.32 0.03 Max. 0.45~0.55 0.85~0.95 0.17~0.23 2.5.4 除銹因素 紅銹之生成係鋼胚於加熱時,於銹皮與金屬界面間生成低熔點之氧化物Fe2SiO4:矽酸鐵:,此氧化物在一般的除銹條件下不易被噴除,因此若除銹水壓力不足或除銹模式選擇不適當,亦不易噴除紅銹。 三、田口氏改善試驗 3.1 改善試驗方向 主要採取二大方向進行試驗以期找出改善鉻鉬鋼鬆脫銹皮之製程參數(4),一為治標,盤捲後快冷,二為治本,消除或減輕紅銹帶程度,分冸說明如下: (1)盤捲後快冷: 盤捲後快冷可減少冷卻過程中FeO轉化為Fe3O4之比例,使得銹皮硬脆程度下降;冷卻速率愈快,銹皮生成厚度愈薄,愈不易受解捲時的應力而鬆脫。盤捲後快冷方式有兩種,一為鋼捲盤捲後,先吊至盤捲區旁的鋼捲平台架上,使用風扇吹風,即時冷卻24小時;二為鋼捲吊至儲區後再以風扇吹風,以加速鋼捲冷卻。 (2)消除或減輕紅銹程度: 降低紅銹程度之作法主要為降低出爐溫度軋延,利用鋼胚溫度低時,銹皮之黏附性較低較易去除之原理,以及加強除銹能力,利用增加除銹道數以加強噴除紅銹的能力。 田口氏實驗配置 3.2 針對出爐溫度:SRT:、盤捲後之冷卻方式及除銹模式:除銹道數:等3項製程因子,設計3個不同水準:表-3:,以L9(33)直交表配置實驗,共進行9組試驗:表-4:,以求得改善鬆脫銹皮之最佳製程條件。 表-3 改善試驗製程因子及水準 水準 1 2 3 製程因子 出爐溫度:?: 1150 1180 1240 盤捲後冷卻方式 一般空冷 儲區扇冷 平台扇冷 除銹模式 3道 4道 6道 :鉻鉬鋼原有之製程條件為出爐溫度1240?,一般空冷,3道: 表-4 改善試驗計劃表 製程因子 出爐溫度 盤捲後冷卻方式 除銹模式 試驗編號 1 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 2 1 2 5 2 2 3 6 2 3 1 7 3 1 3 8 3 2 1 9 3 3 2 3.3 試驗結果與討論 考量試驗結果之再現性,共進行2次試驗,其鬆脫銹皮程度及S/N比:Signal to Noise Ratio:如表-5,鬆脫銹皮程度數字愈小,代表鬆脫程度愈輕微,改善效果愈好,由此數據經望小特性:Smaller-the-Better:之SN比公式計算,其公式如下: 表-5 改善試驗結果表 製程因子 試驗一 試驗二 :Y:平均鬆脫S/N比 試驗編號 鬆脫銹皮程度 鬆脫銹皮程度 銹皮程度 1 4 4 4.00 -12.04 2 4 3 3.50 -10.97 3 1 2 1.50 -3.98 4 5 5 5.00 -13.98 5 3 4 3.50 -10.97 6 5 5 5.00 -13.98 7 5 5 5.00 -13.98 8 7 7 7.00 -16.90 9 7 6 6.50 -16.28 以各組試驗之平均鬆脫銹皮程度:Y?:製成Y? 回應圖:圖-15:,斜率愈大者,代表該製程因子對鬆脫銹皮程度影響愈顯著,由圖-15可知(1)出爐溫度為顯著因子,其效應為三者中最大,出爐溫度愈低,平均鬆脫銹皮程度愈輕微。(2)盤捲後冷卻以平台冷卻方式之鬆脫銹皮程度較輕微,但此製程因子之效應最小。(3)除銹模式為顯著因子,效應次之,除銹道數愈多,平均鬆脫銹皮程度愈輕微。 以各組試驗之S/N比製成S/N比回應圖:圖-16:,S/N比愈大代表該組製程參數抗噪性愈好,亦愈趨向目標之品質特性。由圖-16可看出,針對鉻鉬鋼改善鬆脫銹皮之最適製程參數條件為:出爐溫度1150?、盤捲後冷卻採平台冷卻方式、除銹道數6道。 3.4 新製程再確認試驗 使用低出爐溫度1150?與新的除銹模式,並搭配平台扇冷之冷卻方式進行再確認實驗,結果如表-6,改善後之鋼帶表面之鬆脫銹皮程度已由原本中等以上改善至輕微程度以下,如圖-17。 表-6 新製程參數確認實驗結果 項目 出爐溫度 除銹模式 盤捲後冷卻 鬆脫銹皮程度 鬆脫銹皮坑 原製程 1240? 3道 空冷 中等~嚴重 有 新製程 1150? 6道 平台冷卻 極輕微 無 四、結論 鉻鉬鋼鬆脫銹皮缺陷為此鋼種開發後即存在之長久問題,其鬆脫銹皮於精整調質後造成軋入鬆脫銹皮坑缺陷而屢次遭受客戶抱怨及訴賠,經實際觀察鉻鉬鋼鬆脫銹皮現象,發現銹皮鬆脫位置皆位於灰黑色之紅銹帶上,經銹皮顯微組織分析發現該紅銹帶上之銹皮厚度較正常區銹皮厚且銹皮緻密性差,因此該區域銹皮容易因解捲時之應力而鬆脫致發生鬆脫銹皮現象。 經採取減輕紅銹帶程度與盤捲後快冷之改善方向,以田口氏實驗計劃法進行改善試驗,找出最適之 製程條件,於熱軋工場採降低出爐溫度至1150?、增加除銹道數與平台扇冷之改善後,成功將 鉻鉬鋼鬆脫銹皮程度由中等以上改善至極輕微以下。 五、參考資料 (1) Tomoki FUKAGAWA, Hikaru OKADA, and Yasuhiro MAEHARA:“Mechanism of Red Scale Defect Formation in Si-added Hot-rolled Steel Sheets”, ISIJ International, Vol. 34, No.11, pp.906-911. (2) Hikaru OKADA, Tomoki FUKAGAWA, Haruhiko ISHIHARA, Atsuki OKAMOTO, Masatoshi AZUMA and Yukio MATSUDA:“Prevention of Red Scale Formation during Hot Rolling of Steels”, ISIJ International, Vol. 34, No.11, pp.906-911. (3) 廖啟民,“SPHC熱軋厚板鬆脫銹皮結構分析”,中鋼技術報告,No.TS94730。 (4) 廖啟民,“SCM435鉻鉬鋼表面鬆脫銹皮改善”,中鋼技術報告,No.TS96642。