SPHC碳钢热轧厚钢卷锈皮松脱缺陷解决

1、SPHC碳鋼熱軋厚鋼捲銹皮鬆脫缺陷解決*A Solution to Scale Loosening of Thick Hot-Rolled SPHC Steel Coils*廖啟民 林筵進2 黃朝琪1C.M. Liao1Y.C. Lin2C.C. Huang1熱軋鋼捲理想的表面銹皮層是不易脫落的，若銹皮容易鬆脫，會在重捲線上造成銹皮飛揚；此外，雷射切割時飛揚的銹粉會遮蔽雷射感測器，影響切割品質。中鋼公司6mm以上之高厚度SPHC熱軋產品發生銹皮鬆脫已是長時間之問題，時而嚴重時而趨緩，其發生機構及成因也未真正釐清。為了解決此一陳年問題，本研究由銹皮組織結構分析、現場製程因素釐清、銹皮轉化驗證三大

2、區塊切入。綜合三區塊之結果，確認銹皮之鬆脫與製程中的出爐溫度、完軋溫度、盤捲溫度，以及軋機之軋延力及張力都沒有關係，問題發生在生產之後鋼捲的冷卻過程。銹皮會鬆脫之鋼捲，盤捲後是經過緩冷，內層之FeO有足夠時間轉化成Fe3O4；而正常鋼捲之冷速較快，故沒有完全轉化。緩冷之下，所有延性佳之FeO都轉化為延性較差之Fe3O4；此外，最終銹皮厚度越厚，故在鋼捲解捲時，上表面受到壓應力之擠壓，緩冷之銹皮就比快冷者容易破裂，因此較易發生銹皮鬆脫。關鍵詞：熱軋鋼材、銹皮鬆脫、銹皮組織、銹皮轉化The ideal oxide scale on the surface of hot-rolled steel c

3、oils should remain intact when decoiling. Loosening and peeling-off of oxide scales decrease the laser-cutting efficency by desensitizing the lasers detecting sensors. China Steel Corporation's hot-rolled coils with thickness greater than 6 mm have oxide scale loosening problem for sometime. The

4、 mechanism and cause of oxide scale loosening were unknown and should be investigated. This study focused on production process clarification, scale structure analysis, and scale transformation simulation to determine the mechanism and cause of the oxide scale problem. Results showed that the coolin

5、g off time is critical for having the scale lossening problem instead of the slab temperature, finishing temperature, coiling temperature, and rolling force and tension. When the coil was slowly cooled to room temperature, the FeO is completely transformed to Fe3O4. The Fe3O4 forms brittle scales th

6、at break off easily when de-coiling. Quick cooling decreases the transformation ratio of Fe3O4 scales and thereby lessens the scale loosening problem.Key Words: hot-rolled steel, scale loosening, scale structure, scale transformation壹、前言熱軋鋼捲理想的表面銹皮層是不易脫落的，若銹皮容易鬆脫，會在重捲線上造成銹皮飛揚，影響健康；另外，雷射切割時飛揚的銹粉會遮蔽雷射

7、感測器，影響切割品質；此外，鋼捲儲放時更容易發生銹蝕，影響表面品質。中鋼公司熱軋厚板（6mm以上）銹皮鬆脫是困擾多年之問題，其發生機構及成因也未真正釐清。近年之剔退比例又逐漸上升，發生時大多整捲都有，且只在解捲時發生於上表面，且都發生在某一條熱軋產線，而另一條產線則無此現象。本研究解析此缺陷發生之原因，並提出解決方案。貳、實驗實驗之進行架構如圖-1所示，分成兩大部分，第一是取鬆脫及正常試片，於實驗室進行銹皮解析，第二部分是確認生產條件與銹皮鬆脫之相關性，並進行熱軋參數試驗。由此二大項獲得的結果，加上銹皮生長之學理，進而提出銹皮鬆脫之機構。根據機構提出解決方案，於現場進行直接驗證。此外，於實驗室

8、設計銹皮轉化試驗，驗證機構之合理性。 2.1 銹皮解析根據統計，6mm以上之熱軋板才會有銹皮鬆脫問題，隨厚度越大發生頻率也越高，其中以12mm發生率為最大，約佔40%。因此銹皮解析以12mm厚之熱軋鋼捲為主要研究對象，共取得有銹皮鬆脫之鋼捲 6 捲，正常之鋼捲 5 捲，進行各種比較。所應用之工具有：(1) 以掃描式電子顯微鏡（SEM）進行銹皮型態觀察、(2) 以SEM附設之能量散射X光分析儀（EDS）進行半定量分析、(3) 以電子探針微分析儀（EPMA）之X光波長散佈光譜儀（WDS）功能進行定量分析、(4) 以X光繞射儀（XRD）進行銹皮組成定性分析。2.2 製程之釐清及試驗首先是蒐集熱軋製程

9、數據及相對之銹皮鬆脫發生情況，第一部分是在熱軋鋼廠直接進行製程調整，而後觀察產品之銹皮鬆脫狀況。調整的製程參數包括鋼胚出爐溫度、鋼捲完軋溫度、盤捲溫度，並解析軋鋼時之軋延力及拉伸力。2.3 銹皮轉化機構驗證銹皮轉化機構驗證之實驗分成三項進行，第一項是銹皮轉化試驗，取純的FeO，於400進行4、8、16、24、48、72小時之加熱試驗。第二是將上述加熱過之銹皮磨粉，以XRD解析銹皮組成。XRD之分析分成兩次進行，第一次以較慢之速度掃描較大範圍，先了解銹皮含有何種組成，其掃描速度為0.05/s，2之範圍為2090；第二次則以較慢速度掃描小範圍，其速度為0.01/s，2之範圍為2545，作為定量分析

10、之解析。第三項是將上述加熱過之塊狀銹皮，經過鑲埋及研磨後，以Vickers微硬度計量測各溫度及時間之硬度，負荷為500g，每個試片各打20個點，去除最高與最低之硬度值後，再取其平均值。參、結果與討論3.1 銹皮觀察解析結果3.1.1 SEM/EDS觀察分析結果典型之銹皮鬆脫鋼捲之銹皮SEM觀察如圖-2所示，針對銹皮不同位置進行EDS分析，各點之O/Fe原子比例也如圖-2。顯示銹皮靠底材之位置的O/Fe之比例約為1.311.53；而中間位置分布較廣，為1.161.56；而外層則為1.471.51。以準確度較高之WDS分析之結果也與此相近，顯示EDS的分析結果具代表性。圖-3是正常鋼捲之銹皮的比較

11、，銹皮靠底材之位置的O/Fe之比例僅為1.021.04；而中間位置為1.251.30；而外層則為1.671.71。為了統計O/Fe比例，以EDS分析6捲鬆脫鋼捲與5捲正常鋼捲之銹層內、中、外層不同位置之O與Fe，每個位置都總共各有二十餘點之分析數據，以此進行平均，得到更具統計意義之O/Fe比例，結果如表-1。顯示在接近底材之銹皮內層，會鬆脫鋼捲之O/Fe比為1.36，正常鋼捲則為1.18；銹皮中間位置則分別為1.32與1.22；而最外層則分別為1.54與1.53。表-1 六捲鬆脫鋼捲與五捲正常鋼捲之銹層內不同位置之EDS分析O/Fe比例之平均值位置鋼捲內層位置中間位置外層位置鬆脫鋼捲銹皮1.3

12、61.321.54正常鋼捲銹皮1.181.221.53碳鋼經過高溫軋延後，表面生成的主要銹皮有三種組成，由內往外分布分別為FeO、Fe3O4、Fe2O3，其O/Fe之原子比例分別為1.0、1.33、1.5。比較上述不同鋼捲之不同位置之O/Fe比值差異，銹皮會鬆脫之內層銹及中間銹的O/Fe值分別為1.36及1.32，都接近Fe3O4之O/Fe比值1.33，顯示銹皮會鬆脫之鋼捲的內層及中層銹都以Fe3O4為主；而外層銹則O/Fe值為1.54，接近Fe2O3之比值1.50，顯示銹之外層則為Fe2O3。而正常鋼捲銹皮內層的O/Fe比例僅為1.18，介於1.0（FeO之O/Fe比例）及1.33（Fe3O

13、4之O/Fe比例）之間，換言之，正常鋼捲銹皮內層銹是FeO與Fe3O4之混合；中間位置之O/Fe比例為1.32，外層之比例為1.53，二者皆與銹皮鬆脫鋼捲相近，換言之，銹皮中間位置也是Fe3O4為主，而銹皮外層也是Fe2O3。以上之結果顯示鬆脫銹皮與正常銹皮之差異主要在內層銹之氧化相，鬆脫銹皮之內層銹幾乎沒有FeO，但正常銹皮則保有相當比例之FeO。 3.1.2 XRD分析結果XRD之分析結果也提供鬆脫銹皮與正常銹皮數量之參考，圖-4是鬆脫銹皮與正常銹皮之XRD分析結果，顯示鬆脫銹皮以Fe3O4為主，其次為-Fe，而FeO則非常微量。正常銹皮則除了Fe3O4及少量-Fe之外，還有明顯之FeO。

14、此結果印證SEM/EDS之結果，即鬆脫銹皮的FeO量比正常銹皮少很多。 3.2 製程參數對銹皮鬆脫之影響比較中鋼公司兩條熱軋生產線生產SPHC碳鋼之銹皮鬆脫比例，發現缺陷只發生於二號熱軋線（#2HSM）所生產之鋼捲，而一號熱軋線（#1HSM）之相同產品則無此問題。此外，比較高厚度（6mm以上）SPHC鋼種之製程條件差異性，尤其針對熱軋之三種重要溫度：鋼胚出爐溫度（SRT）、完軋溫度（FT）、盤捲溫度（CT），發現兩條生產線之SRT、FT、CT等溫度差異不大。而一號熱軋線同樣生產製程的鋼捲卻可能正常，也可能發生銹皮鬆脫現象。除了一般情況的完軋及盤捲溫度之外，另外進行一組刻意拉大溫度區的實驗，以8

15、90、850、830三種完軋溫度搭配650與590兩種高低不同之盤捲溫度。試驗結果也都可發現有銹皮鬆脫現象，如圖-5所示。因此，銹皮鬆脫只發生於二號熱軋線之現象與鋼胚出爐溫度、完軋溫度、盤捲溫度此三種溫度不大。而比較兩條熱軋產線之軋延力及張力，銹皮鬆脫之鋼捲的兩種力都接近正常鋼捲，因此，銹皮鬆脫現象與軋延力及張力之關係也不大。以上之分析顯示銹皮鬆脫與熱軋過程之鋼胚出爐溫度、完軋溫度、盤捲溫度、軋延力、張力等製程參數都無明顯關係，換言之，問題不在盤捲之前，而應該發生在盤捲之後。 3.3 銹皮鬆脫之機構推論根據Fe-O之相圖(1)（圖-6），在溫度高於570以上之高溫下，FeO、Fe3O4、Fe2

16、O3三種鐵氧化物皆為穩定相，但溫度低於570，FeO則不穩定，會轉化為-Fe及Fe3O4。此種轉化之比例與鋼捲之冷卻速率有關，圖-7是FeO在空氣中轉化之CCT示意圖(2)，當鋼捲緩冷至室溫則FeO可完全轉化為Fe3O4，但若冷卻速率快則可只切過CCT之鼻端附近，則室溫下仍可有殘留之FeO。Baud(3)等人也提出相似的轉化示意圖，而Chen等人(4)也指出冷速快者可獲得大量未轉化FeO之銹皮組織；冷速慢者則可獲得FeO幾乎完全轉化之銹皮組織。由銹皮解析之結果知道鬆脫銹皮與正常銹皮之差異主要在內層銹之氧化相，鬆脫銹皮之內層銹幾乎沒有FeO，但正常銹皮則保有相當比例之FeO。印證銹皮生長之文獻資

17、料，推論此項差異是FeO轉化為-Fe及Fe3O4程度差異所致，換言之，鬆脫銹皮之FeO轉化較完整，而正常銹皮則轉化較不完全。而銹皮轉化程度與冷卻速率有關，冷速快者轉化較少，殘留之FeO自然較多。因此，正常銹皮之冷卻應該較鬆脫銹皮為快。由此現象，推測銹皮會鬆脫之鋼捲，盤捲後是經過緩冷，因此內層之FeO有足夠時間轉化成Fe3O4；而正常鋼捲之冷速較快，故沒有完全轉化。而Fe3O4比例越高則越容易造成鬆脫。此外，冷速越慢則氧化時間越長，最終銹皮厚度越厚，解捲時之應力也越大而越容易破裂脫離。這可以合理解釋銹皮鬆脫只發生在厚度6mm以上之鋼捲，且厚度越厚則更容易發生銹皮鬆脫之原因也可以合理解釋。這是因為

18、厚度越厚之鋼捲的冷卻速率越慢，因此FeO的轉化越加完整，且銹皮越厚所致。此外，也可合理解釋銹皮鬆脫都發生於#2HSM，因為經過實地了解，發現#2HSM之鋼捲盤捲後是在空氣較不對流之室內儲存，而#1HSM則不是露儲於大氣中就是在有對流空間之半室內冷卻，因此#2HSM之鋼捲的冷速勢必比#1HSM緩慢，此與前述之推論一致。此外，銹皮鬆脫只發生在厚度6mm以上之鋼捲，且厚度越厚則更容易發生之原因也可以合理解釋。這是因為厚度越厚之鋼捲的冷卻速率越慢，因此FeO的轉化越加完整所致。然而，冷速慢造成FeO完全轉化為何較容易鬆脫？Hidaka等人(5)在6001200高溫下量測氧化銹皮的拉伸強度及伸長率，發現

19、在高溫之下，FeO之伸長率最佳，其次為Fe3O4，Fe2O3則最差，如圖-8(5)所示。一般而言，強度較高且伸長率較低之金屬的硬度也較高，換言之，在600以上之高溫下，Fe3O4應較FeO硬，但卻較脆。室溫之下並無相關資料，但假設此種關係在室溫也適用，則鋼捲冷速會影響銹皮鬆脫便能獲得合理解釋。推論銹皮鬆脫之機構為：常溫下Fe3O4的拉伸性較FeO差，而越厚鋼捲之冷卻速越慢，所有延性較佳之FeO都轉化為延性較差之Fe3O4，但快冷之鋼捲則仍保留部分延性佳之FeO；此外，緩冷下最終銹皮也較厚。因此，當解捲時，銹皮上表面受到壓應力之擠壓，緩冷者之銹皮較厚故應力越大，且Fe3O4量多故也較易破裂，因此

20、比快冷及薄鋼捲容易發生銹皮鬆脫。3.4 SPHC厚鋼捲銹皮鬆脫解決方案根據各現象及提出之機構，若於鋼捲冷卻時強化其冷卻速率，使得FeO轉化為Fe3O4之比例降低，應即可解決此問題。因此建議現場於盤捲後以快冷方式使鋼捲降至室溫，而目前現場設備限制下最容易實施的是以風扇冷卻鋼捲。現場經過實際驗證後，證實此方法確實有效，銹皮鬆脫之缺陷已經大幅降低。3.5 機構驗證經過銹皮轉化試驗後之銹皮磨粉後打XRD，以其數據進行半定量分析，即可知原為100% FeO之銹皮經過不同溫度之不同時間加熱後的比例變化。物質對X光繞射所產生之強度值，對其組成有一定之比例關係，因此，可藉由X光的繞射圖譜計算各成分的含量。對於

21、單一物質，其繞射峰會出現在各個符合布拉格繞射條件的角度上，且各繞射鋒的強度亦成一定的比例關係，形成所謂的圖譜。當一物質具有兩種成分時，則出現兩種圖譜，由於X光對各成分的照射面積改變，使得強度值降低，而兩者強度值比可代表接觸面積比，進一步換算則為體積比，因此，從繞射圖譜的強度計算可定量物質的組成。加熱試驗之前，試驗用之銹皮經分析後確定幾乎是FeO純相，如圖-9(a)所示；而加熱之後，則會有Fe3O4出現，而溫度較高及時間較久者，更出現Fe之繞射峰，如圖-9(b)所示。若欲進行定量分析，一般以強度最高的繞射峰做來計算，然而FeO最強的繞射峰 (200)FeO會有優選取向的問題，故使用 (111)F

22、eO代替，但必須依其強度比修正，配合 (311)Fe3O4 與 (110)Fe進行定量，以FeO為例，其所佔有的體積百分率為： (100/66.2)為FeO的修正項，是由於(200)FeO：(111)FeO5100：66.2。經過計算後，圖-10顯示銹皮在400下轉化的結果，FeO量隨著時間逐漸下降，Fe3O4則漸多，而Fe則在較短的時間不易分析到訊號，但基本上也是隨時間而漸增。而銹皮微硬度與加熱時間之關係如圖-11所示，顯示銹皮硬度隨著加熱時間而上升，大致上在48小時左右達到最高值後維持不變。硬度變化顯然與銹皮組織之變化有關。而微硬度與FeO及Fe3O4比例之關係如圖-12所示，FeO在100%（即試驗前，此時Fe3O4尚未生成）時，銹皮的硬度最低；當FeO逐漸減少，銹皮硬度隨之升高；同時，銹皮隨Fe3O4量增加而逐漸變硬。因此可以證實室溫下Fe3O4硬度較FeO高的現象依然成立。而一般而言，硬度較高者之伸長率也較差，因此此現象證實室溫下Fe3O4的伸長率也較FeO差，因此，前述之機構推論合理。肆、結論本研究由實驗室銹皮解析