钢板表面缺陷的成因与预防措施

霍鹏强 史鹏飞

中车兰州机车有限公司 甘肃 兰州 730071

摘要针对风电钢板表面花斑缺陷问题，从缺陷形貌特征、微观组织及形成机理方面进行分析，结果表明缺陷系二次氧化铁皮的结构不同所致，相间的红色氧化铁皮和灰色氧化铁皮经抛丸后呈现凹凸不平的花斑缺陷。通过成分优化、加热调整、除鳞喷嘴改进以及道次间残留水控制，大幅度减少了表面花斑缺陷的发生。

关键词：风电钢板；花斑缺陷；氧化铁皮

由于风电塔筒生产厂家对风电钢板表面质量的要求越来越高，兴澄特钢所生产风电钢板的表面质量异议越来越多，尤为突出的是表面花斑缺陷。厂家对成型的塔筒抛丸后直接涂漆，如钢板表面有残留红色氧化铁皮引起的花斑缺陷，则表面在光线照耀下凹凸不平，美观度较差。塔筒厂家曾经对抛丸后钢板的花斑缺陷通过打腻子的方式来保证表面光洁度，但因腻子存在固化收缩裂纹的缺点，塔筒热胀冷缩又使腻子产生裂纹或鼓包现象，故此厂家不允许风电钢板抛丸后存在花斑缺陷，且外表面出现率不得超过5%，局部在涂漆前进行抛光处理。风电钢板表面花斑缺陷问题长期困扰着钢板生产厂和客户，兴澄特钢通过与国内外专家交流学习，结合自身工艺和装备特点，对花斑缺陷的形貌特征及形成原因进行分析，最终使风电钢板的表面质量得到改善。

1. 花斑缺陷表现特征

风电钢板表面花斑缺陷的主要特征是轧制表面呈现条带状红色氧化铁皮，抛丸后钢板表面凹凸不平，缺陷深度为0．05～0．15mm，肉眼观察不明显，经强光照射呈花斑状形貌。表面氧化铁皮颜色为红色的部分在未抛丸时结构比较松散，局部区域脱落，露出的基体比较粗糙，相对应区域经过抛丸处理后，表面存在花斑凹陷。表面氧化铁皮呈灰色的区域，未抛丸前结构致密光亮，无脱落情况出现，经过抛丸后呈现正常的平面部分。由此可见，轧制态钢板的红色二次氧化铁皮缺陷与抛丸后钢板表面的花斑缺陷有直接的对应关系，需要采取相应措施来减少和消除条状红色二次氧化铁皮，以解决钢板表面的花斑缺陷。

2. 花斑形成机理分析

氧化铁皮主要是钢表面的Fe与空气中氧化性气体(如O2、CO2、H2O、SO2等)在高温条件下发生剧烈化学反应的产物。

钢坯在加热过程中，表面生成1～3mm厚的氧化铁皮，称为一次氧化铁皮，在轧制过程中生成二次、三次氧化铁皮，典型的氧化铁皮结构由内至外依次为FeO、Fe3O4和Fe2O3，其比例为4∶5∶1。

钢板经过粗、精除鳞及轧制后，表面呈现灰色和红色2种颜色，灰色氧化铁皮的主要构成是FeO和Fe3O4，红色氧化铁皮的主要构成是Fe2O3。铁皮的颜色随各种氧化成分比例的不同而变化。

3. 花斑缺陷影响因素分析

3.1成分影响

研究表明，钢坯化学成分中的Si对除鳞影响较大，风电钢板常规Si含量为0．20～0．40%，硅含量大于0．2%的钢在加热到1250℃以上时，氧化铁皮与基体界面容易形成氧化物Fe2SiO4，板坯在加热过程，熔点为1220℃的液态Fe2SiO4将FeO晶粒包围，在氧化铁皮与基底金属界面会产生层状共析产物FeO－Fe2SiO4(铁橄榄石)，凝固后呈现类似锚状形貌，将FeO层钉扎，增加了氧化铁皮的粘性，钉扎的FeO很难在除鳞中完全被去除，在后续热轧过程中被压入钢板表面，残余FeO促使生成Fe2O3，形成机理如图2所示。

图1红色氧化铁皮的形成机理

3.2加热温度和时间的影响

板坯加热时，表面与煤气、空气接触发生氧化反应，生成一次氧化铁皮，产生的数量除与钢的化学成分有关外，还受加热温度、加热时间及炉内气氛等因素的影响。加热时间越长，加热温度越高，氧化性气氛越浓，则氧化铁皮最内层FeO就越多，在后续轧钢除鳞过程中很难彻底清除干净，氧化铁皮压入钢板表面即产生花斑和麻坑缺陷。如果钢坯加热温度过高，中间坯温度在氧化铁皮熔点1050℃以上，生成的氧化铁皮很厚且处于熔化状态，机上除鳞很难去除。钢板表面红色氧化铁皮的比例与开始精轧时的氧化铁皮厚度有直接关系，精轧前钢板表面氧化铁皮厚度越薄，成品钢板出现红色氧化铁皮的几率越低。因此，氧化铁皮在精轧前的厚度应该尽可能薄才有利于红锈的消除。

3.3钢板表面残留水影响

在轧制过程中，因刮水板与辊面接触不好、除鳞喷嘴预充水滴漏、侧吹水工作状况不佳等因素，导致钢板上表面存在残留水。轧机前后辊道和待温区辊道冷却水常开，使得高温钢板在轧制和待温过程中下表面也接触到冷却辊道的冷却水。在轧辊的中后换辊期，辊面经过磨损有许多微小的凹凸，上下表面的残留水在凹凸面处加剧氧化反应，为二次氧化铁皮去除后形成花斑缺陷提供了客观条件。

4. 改进措施

4.1成分调整

在不影响成本的前提条件下，兴澄特钢对S355系列风电钢板的硅含量进行调整，确保Si≤0.2%，以防止在加热过程中产生FeO·Fe2SiO4(铁橄榄石)，为后续氧化铁皮的去除创造良好条件。

4.2加热温度和时间调整

在满足轧制工艺的条件下，加热段和均热段温度调整到1200～1240℃，板坯的表面实际温度＜1220℃，防止铁橄榄石熔化，同时防止中间待温坯的温度高于1050℃，为粗除鳞和精除鳞创造良好的除鳞条件。

4.3残留水控制

待温区待温时辊道冷却水关闭，减少下表面二次氧化铁皮的生成。上表面侧吹水和侧吹气保持良好的工作状态，待温板坯表面做到无残留水，精轧道次采用空气吹扫模式，减少钢板表面的残留水以及上表面二次氧化铁皮的数量。

结论

通过优化钢板化学成分，改进加热和轧制过程工艺参数，控制轧制和待温过程中表面残留水，以及调整喷嘴设计等措施，明显降低了风电钢板表面二次氧化铁皮的生成几率，表面花斑缺陷得到有效控制，表面质量完全满足GE、SIEMENS、GAMESA、VESTAS等全球知名风电设备设计制造厂家的要求，为兴澄特钢产品品种开发打下坚实的基础。

考文献

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