新型硼砂除氧化劑的研發與應用

楊梁才，高建學，王君國

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

0 引言

天津鋼管制造有限公司460 連軋管機組（以下簡稱460 機組），是于2007 年1 月投產的世界第一套大口徑PQF（Premium Quality Finishing 高效、優質、精軋）限動芯棒連軋管機組，具有壁厚精度高、工具消耗低，可以軋制薄壁管和高鋼級產品的優點。自機組投產以來，所生產的薄壁管和高鋼級產品內表面一直存在內結疤、內劃道缺陷，嚴重影響了產品合格率和成材率指標。熱軋無縫鋼管內結疤缺陷是無縫鋼管生產過程中嚴重的缺陷之一，它存在于鋼管內表面，大多數位于鋼管頭部，嚴重時通體出現，其形狀類似于黃豆粒大小的凹坑[1]，有時周圍還伴隨內劃道，硼砂作為無縫鋼管生產過程中重要的除氧化劑，可有效的將毛管內表面的氧化鐵皮熔融，不但能防止內結疤的產生，還能起到潤滑作用，有效的保護芯棒外表面[2]。460 機組此前一直使用傳統的普通硼砂，因該型硼砂本身的化學特性所致，已經很難滿足現場的需求了，對此460 機組與某化工廠共同研發了一種新型硼砂除氧化劑。

1 硼砂除氧化物劑的作用

硼砂除氧化物劑是無縫鋼管生產過程中必不可少的熔融潤滑材料。軋管時，穿孔后毛管內表面會產生一層氧化鐵皮（Fe3O4），熔點約1538 ℃，比重5.18，硬且脆。該層氧化鐵皮的存在，不但增加了連軋過程中的摩擦力，同時對芯棒表面和鋼管內表面都產生了很大影響，

為提高芯棒使用壽命，提高鋼管內表面質量，必須對固態氧化鐵皮進行處理，即噴吹硼砂除氧化物劑。在這里硼砂除氧化物劑有兩個主要作用：

1.1 直接作為熔融潤滑劑

硼砂、硫酸鈉在毛管內熔融，作為熔融潤滑劑。

硼砂熔點：741 ℃

硫酸鈉熔點：884 ℃

1.2 產生化學反應

通過化學反應，利用混合熔劑熔融，降低固體物質熔點，使固態氧化鐵皮轉化為液態四氧化三鐵，熔點在1000 ℃。

（1）硼砂除氧化物劑在氮氣作用下，噴入高溫毛管內部（毛管心部溫度1290 ℃左右）。

（2）高溫條件下硼砂失去結晶水。

（3）在表面活性劑作用下，硫酸鈉、硼酸鈉熔融。

（4）硼酸鈉分解為偏硼酸鈉，再轉化為偏硼酸鐵，偏硼酸鐵又轉化為偏硼酸鈉，此反應是可逆反應。

（5）固態氧化鐵皮轉化為液態四氧化三鐵。

這樣一來，在硼砂除氧化物劑作用下，有害的氧化鐵皮轉化為有益的液態四氧化三鐵參與熔融潤滑。

2 內結疤和內劃道產生的原因

熱軋穿孔結束后，高溫毛管內表面會產生一層氧化鐵皮（Fe3O4），該氧化鐵皮硬且脆，摩擦系數大，特別是薄壁管和高合金鋼，不但氧化鐵皮多還會產生鐵氧錳、鐵氧鉻、鐵氧釩、鐵氧鉬等物質，在連軋過程中，這些物質與氧化鐵皮和硼砂熔融在一起，遇低溫芯棒后極易冷凝形成一種堅硬的結晶體，最終在連軋輥和芯棒的擠壓下造成鋼管內表面結疤與劃痕。如圖1 為熔融物冷凝后的結晶體，圖2 為鋼管內表面結疤缺陷。在缺陷處取樣進行觀察，發現缺陷處無異常夾雜物，組織正常。經能譜分析，缺陷周邊的殘留物中含有Na 元素，而Na 元素的大量出現更加說明了內結疤缺陷是硼砂除氧化所致。

圖2 鋼管內結疤缺陷

3 傳統型硼砂除氧化劑存在的局限性

（1）液態四氧化三鐵與固態四氧化三鐵轉化點在1000 ℃左右，接觸芯棒后，由于芯棒溫度較低（80℃～100 ℃左右），造成熔融物溫度降低，當溫度低于1000 ℃后，熔融物重新固化，形成硬度很高的固態四氧化三鐵，特別是錳鉻合金較高時形成的Fe-Mn-O 及Fe-Cr-O 結晶硬度更高。若少量固化則形成鋼管內結疤，若大量固化則形成大面積鋼管內劃道。

（2）傳統型除氧化劑只是硼砂（Na2BO4.10H2O）、硫酸鈉（Na2SO4）、硬脂酸鈉（C17H35COONa）的簡單物理混合物，只具有宏觀相對均勻性，每個顆粒成份皆為單一組份，由于各物質比重不同、顆粒大小不同、反應及熔化速度不同，所以飛行速度、飛行距離及降落速度各不相同，造成管坯內表面硫酸鈉、硼酸鈉均勻性很差[3-4]。

（3）存在大量水份（30%左右），高溫下水與鐵反應形成四氧化三鐵，增加了毛管內表面氧化鐵皮量，反應式如下：

又因460 機組的軋機為PQF 三輥式，與普通的MPM 兩輥軋機相比孔型封閉性要好，這樣會造成較多的熔融物聚集在輥縫處，大大增加了內結疤和劃道出現的幾率。

4 新型硼砂除氧化劑的研發特性

為解決傳統型硼砂的傳統局限性，460 機組與某化工廠共同研發出了新型硼砂除氧化物劑。新型硼砂除氧化物劑粘度高、熔點低、不易結晶、耐候性好、保質期長，可有效抑制鋼管內表面結疤及劃道產生。大大提高了高鋼級鋼管生產質量，其具體的優點如下，表1 為兩種硼砂技術參數對比情況。

（1）添加新型低熔點助熔劑，提高對Fe3O4熔化能力。

（2）添加與硼砂除氧化物劑完全相容的金屬氧化物，阻礙Fe-Mn-O、Fe-Cr-O 及Fe-O 結晶體形成，降低Fe-Mn-O、Fe-Cr-O 及Fe-O 結晶體硬度。

（3）新型硼砂熔融體粘度高于傳統型，可有效防止熔融體聚集。

（4）新型硼砂水份低于傳統型，有效成分提高。

（5）還原劑堿含量低，更利于Fe3O4熔融。

（6）不易吸潮結塊，干粉流動性好，可滿足全天候使用要求。

5 新型除氧化劑的使用情況

使用前檢查新型除氧化劑無結塊、受潮，用DIN標準6#杯測量硼砂流速符合技術要求，噴硼砂系統給料、下料過程順暢，無硼砂滯留和堵塞管道的現象，噴吹過程中硼砂能夠均勻噴出，毛管尾部火焰強勁有力，毛管頭部無大量硼砂堆積，硼砂燃燒充分，圖3、圖4 為兩種除氧化物劑分別噴吹入毛管內，冷卻后內表面狀況的對比，使用新型的分布均勻，使用傳統型的內表面偶爾存在熔融體聚集。此外與傳統型硼砂相比，使用新型硼砂在同等條件下連軋機各機架扭矩值還略有降低，這充分證明了新型硼砂良好的潤滑效果。表2 為使用兩種硼砂時連軋機各架扭矩值對比情況（以Φ325 mm×10 mm 規格鋼管為例）。

表1 兩種硼砂技術參數對比

圖3 噴吹傳統型硼砂毛管內表面（冷卻后）

圖4 噴吹新型硼砂毛管內表面(冷卻后)

表2 兩種硼砂連軋機扭矩值對比情況/kNm

6 效果檢驗

為了充分驗證新型除氧化的穩定性和其良好的使用效果，在首次使用過后，我們又在460 機組進行了長達3 個月的試用，試用過程中主要以各孔型系列薄壁難軋品種為主，重點涵蓋了管線管、套管和氣瓶管，從試用的結果來看，效果十分突出，試用批次沒有出現一起內結疤缺陷，完全達到了研發的目的。表3 為試用階段鋼管質量跟蹤情況。

表3 試用階段鋼管質量跟蹤情況

7 結語

新型硼砂除氧化劑利用其本身良好的化學特性，能夠很好的將毛管內表面的氧化鐵皮熔融，由于其本身粘度相對較高，熔點相對較低，既可使熔融體不易聚集，又大大降低了熔融體冷凝結晶的幾率。如能在使用過程中合理的設置硼砂噴吹量和噴吹壓力，就可徹底解決薄壁鋼管和高鋼級品種的內結疤和內劃道問題。