爐生氧化鐵皮研究

陳宇杰　程廣萍

摘要：在熱軋生產(chǎn)中，板坯在熱軋前需經(jīng)高溫加熱，在加熱過程中不可避免的會有氧化鐵皮的產(chǎn)生，這會造成板材的成品率下降，也會造成鋼材表面質(zhì)量的下降。加熱爐中產(chǎn)生的氧化鐵皮，除鱗的時候未能完全除干凈，在后續(xù)軋制生產(chǎn)過程中，會被壓入鋼基體，造成難酸洗，酸洗除不盡。本文主要通過高溫氧化模擬實驗，分析保溫溫度和保溫時間對氧化鐵皮的影響。運用顯微分析、掃描電子衍射等試驗手段研究出，分析FeO造成氧化鐵皮缺陷的主要原因。

關(guān)鍵詞：熱軋；氧化鐵皮；研究

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

實驗材料為馬鋼四鋼軋生產(chǎn)線的熱軋板，材質(zhì)為SPCC，其平均的化學(xué)成分為C（0.050%）、Si（0.030%）、Mn（0.220%）、P（0.012%） 、S（0.007%）。

試樣用剪切機切割板坯，切取小塊，長寬約為30～40mm。然后用鹽酸酸洗，去除表面原始的氧化層，再用蒸餾水沖洗試樣后，再用吹風(fēng)機吹干，最后試樣表面殘留少數(shù)氧化鐵皮，用砂紙對試樣的表面和側(cè)面打磨，使原始氧化鐵皮量降低到最低。為了接近生產(chǎn)實踐，實驗溫度設(shè)為1180℃、1190℃和1200℃，加熱時間分別為3小時和4小時，試樣放入電阻爐加熱保溫氧化后，待空氣冷卻，作氧化鐵皮結(jié)構(gòu)分析，并利用實驗室高溫加熱氧化實驗，研究熱軋加熱工藝對氧化皮結(jié)構(gòu)的影響，借助掃描電鏡以及能譜分析等手段對氧化鐵皮的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析氧化鐵皮結(jié)構(gòu)隨熱軋加熱溫度和保溫時間的變化規(guī)律。

1.2 實驗結(jié)果分析

試樣試樣在爐內(nèi)高溫氧化后，溫度在1180℃時，氧化鐵皮表面生成的膜較薄且易碎，當(dāng)溫度在1200℃時，氧化鐵皮表面生成的膜較厚而硬，溫度在1190℃和1200℃時，用力敲擊氧化鐵皮內(nèi)層，基本都能去除，可能會殘留極小部分的氧化鐵皮仍粘附在氧化鐵皮基體表面。

利用掃面電子顯微鏡對上述保溫溫度為1190℃、保溫時間為240min的試樣進(jìn)行微區(qū)成分分析，圖給出了掃面電鏡下氧化鐵皮組織形貌，對靠近鋼基體的氧化鐵皮區(qū)4，外層的氧化鐵皮區(qū)1、2、3、5進(jìn)行微區(qū)能譜分析，結(jié)果見表。

根據(jù)上述的掃描電鏡照片和能譜分析結(jié)果可以得出以下的結(jié)論：區(qū)域1、2、3、4中的氧元素和鐵元素的原子比接近1：1，結(jié)合三種氧化物的原子比可以推斷，1、2、3、4區(qū)域中的主要成分為FeO；對各個微區(qū)進(jìn)行打點能譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Fe元素的含量均接近100%，所以可以推斷這些微區(qū)存在游離態(tài)的Fe；觀察區(qū)域5中的Fe和O的原子比，發(fā)現(xiàn)明顯大于1：1，可以推斷在區(qū)域5中含有大量游離態(tài)的Fe；對3區(qū)和4區(qū)之間的黑色帶狀區(qū)域進(jìn)行打點能譜微區(qū)分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域中的白亮點的Fe含量為100%，其他非白亮區(qū)Fe含量幾乎為0，因此可以推斷3區(qū)和4區(qū)之間的黑色帶狀物是環(huán)氧樹脂，這可能是4區(qū)和3區(qū)的氧化鐵皮發(fā)生分離而環(huán)氧樹脂填充到里面所致。由此可以判斷出點3所在的區(qū)域和點4所在的區(qū)域之間比較容易分離，而最靠近基體的氧化鐵皮層同鋼板基體結(jié)合得較為緊密。

氧化是一種擴散過程，溫度對氧化有非常顯著影響，加熱溫度越高，氧化擴散越快，氧化速率就越快，金屬的消耗量就越大，在1000℃以上氧化會急劇上升。開始氧化鐵皮增長較快，而后逐漸減緩，因為氧化鐵皮形成后，最外層的穩(wěn)定的氧化膜Fe2O3，阻礙基體金屬的氧化。但氧化鐵皮層內(nèi)部，板坯隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長，隨著鐵和氧的擴散，新的氧化物在氧化鐵中生成，則會在氧化物中產(chǎn)生壓應(yīng)力，從擴散產(chǎn)生裂紋，易于在氧化鐵皮/金屬界面以及晶體處聚集集成空洞析出，減小了氧化鐵皮與金屬的接觸面積，所以鋼板表面起伏不平現(xiàn)象越嚴(yán)重。所以，隨保溫時間延長和加熱溫度升高，鋼板表面形成一層氧化鐵皮，氧化鐵皮同鋼基體的嚙合程度越嚴(yán)重，鋼基體表面的粗糙度越大。

3 結(jié)論

3.1 鋼鐵在高溫氧化后，表面會產(chǎn)生分層的氧化鐵皮。外層的氧化鐵皮較厚而且易脫落，所以其粘附強度可以忽略不計；內(nèi)層的氧化鐵皮較薄，與基體的結(jié)合力與加熱溫度和保溫時間有關(guān)。

3.2 氧化鐵皮內(nèi)層基體的粘附性隨著加熱溫度和保溫時間的增加而增強。隨著氧化鐵皮與基體的粘附性的增加，會造成除鱗的時候未能完全除干凈，從而影響后續(xù)生產(chǎn)。

3.3 外層的氧化鐵皮比較容易發(fā)生分離。內(nèi)層的氧化鐵皮粘附性強的區(qū)域，含有很薄的一層FeO層，很有可能保留下來，并隨軋制壓入到鋼坯中形成缺陷

參考文獻(xiàn)

[1]魏天斌. 熱軋氧化鐵皮的成因及去除方法[J]. 鋼鐵研究， 2003. 32（4）： 54-58.

[2]黃傳清， 趙昆， 方明強. 帶鋼熱連軋生產(chǎn)中氧化鐵皮形成機理與控制[J]. 鋼鐵，1997， 32（11）： 32-35.

[3]J Gustason， A Mikkelsen，M Borg， et al. Self-limited growth of a thin oxide layer on Rh（111）， Physical review letters，2004（92）：1-4.

[4]M·Trull， Modelling of Oxide Failure in Hot Metal Forming Operations[J].The University of Sheffield， Dept. of Engineering Materials， Sheffield， UK， 2003.