冷卻速度對簾線鋼氧化鐵皮的影響

桂江兵 夏艷花 吳 超 周 勇 魯修宇

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院 湖北 武漢：430080）

氧化鐵皮是影響簾線鋼使用性能的重要指標之一，氧化鐵皮硬而脆，它的存在會導致鋼絲表面的損傷，加劇模具的磨損，從而會影響拉絲模壽命，嚴重時會引起斷絲。因此，在拉絲前需要清除盤條表面的氧化鐵皮，尤其一些特殊用途的盤條，比如簾線鋼盤條，為便于機械剝皮，對其表面氧化鐵皮的厚度及成分都要求嚴格［1］。

1 鐵的氧化物

氧化鐵皮的形成是由于空氣或加熱爐中的氧原子（來自O2、H2O、CO2等氣體）吸附在鋼材表面上，并與鋼中鐵原子化合，生產氧化鐵膜。此后鐵原子和氧原子將通過膜進行擴散。

鐵的氧化物有三種：FeO、Fe3O4、Fe2O3。其中氧的理論含量（重量%）分別為22.28%、27.63%和30.06%，三種氧化物的特性如下。

FeO：實際上不可能穩定的獲得FeO（含氧量22.28%），通常得到的FeO含氧量較高，在23.15%－25.60%之間（據溫度而異）。密度大約為5.99 t／m3，是酸中最易溶解的氧化物。

Fe3O4：晶格類型為四方晶格，呈蘭黑色，具有顯著的金屬特性和良好的導電性。密度為5.2 t／m3，化學穩定性也較好，在酸中較少溶解。

Fe2O3：晶格類型屬四方晶系，呈紅棕色。當溫度＜1100℃時可穩定的存在，在較高溫度下局部分解，而在1565℃時完全分解。密度為5.1t／m3，化學穩定性很好，在熱的濃酸中也幾乎不溶解。

2 簾線鋼氧化鐵皮的要求

目前國內外鋼簾線生產企業大都采用彎曲法去除氧化鐵皮，彎曲法去除氧化鐵皮是利用氧化鐵皮脆而延伸性小的特征。若使鋼絲變形，則脆的氧化鐵皮不能同時變形，最終被拉裂。

為了提高氧化鐵皮的去除效果，需要正確設計彎曲輥的輥輪直徑、彎曲輪的布置形式、鋼絲的后處理工藝等，當然，同樣重要的是合理設計盤條氧化鐵皮的形貌和成分。

彎曲法去除氧化鐵皮，需要氧化鐵皮具有一定的厚度和結構，對于簾線鋼來說，理想的氧化鐵皮如圖1所示，由FeO和Fe3O4組成，厚度在6μm－14μm之間，其中FeO的厚度約占整個氧化鐵皮厚度的80%，并處在Fe基體與Fe3O4之間。

理想的氧化鐵皮經彎曲輥彎曲時成塊脫落，如圖2所示，酸洗后，鋼絲表面清潔，殘留物少，見圖3。

3 簾線鋼氧化鐵皮的形成

一般來說，盤條表面最終氧化鐵皮由三種因素決定：第一，加熱工藝。在加熱爐中，由于鋼坯高溫下與氧接觸，表面形成一層很厚的氧化鐵皮，稱為一次氧化鐵皮，由安裝在加熱爐出口附近的高壓水除鱗機將其去除，因此一次氧化鐵皮對最終氧化鐵皮影響較小。第二，軋制工藝。鑄坯經除鱗機除鱗后，進入粗軋機、中軋機以及精軋機軋制，由于溫度較高，表面仍繼續氧化，生成二次氧化鐵皮，二次氧化鐵皮可由軋機剝離或由二次除鱗機出除，因此，二次氧化鐵皮對最終氧化鐵皮的影響也較小。第三，精軋后的冷卻工藝。盤條精軋后溫度仍較高，會生成三次氧化鐵皮。三次氧化鐵皮在隨后的冷卻過程中，進一步生長并發生結構轉變，形成最終的氧化鐵皮保留在盤條表面。由此可見，精軋后的冷卻工藝是影響盤條最終氧化鐵皮的主要因素。

圖1 理想的氧化鐵皮

圖2 脫落的氧化鐵皮

圖3 酸洗后表面清潔的鋼絲

為了找到簾線鋼82A（化學成分范圍見表1）精軋后冷卻速度與氧化鐵皮形貌、成分之間的關系，對斯太爾摩冷卻工藝進行了調整，結果見表2。

表1 簾線鋼82A化學成分范圍（wt%）

表2 冷卻工藝調整

圖4 疏松的氧化鐵皮

圖5 疏松氧化鐵皮的結構

圖6 致密的氧化鐵皮

圖7 致密氧化鐵皮的結構

可見，冷卻速度為9.0℃／s時，生成的氧化鐵皮較疏松，容易脫落，盤條表面容易形成斑點，Fe3O4層約占整個厚度層的67%。而冷卻速度為12.5℃／s時，生成的氧化鐵皮較致密、且不易脫落，盤條表面較光滑，Fe3O4層約占整個厚度層的20%。

4 分析

鋼在冷卻過程中發生氧化，由于是從較高的溫度開始反應，所以鐵的表面首先是生成含氧量較低的FeO，進一步氧化則在表面依次生成Fe3O4和Fe2O3（因為FeO的含氧量最低，所以最容易首先生成，其次生成Fe3O4，最后生成Fe2O3）。FeO最為致密，其次是Fe3O4，而Fe2O3則比較松脆易脫落。鋼在高溫氧化過程中，前期氧化速度很快（因為高溫時氧的活性很高，同時又能與鋼表面充分接觸），此時主要生成FeO，隨后由于形成了氧化鐵皮，氧化鐵皮阻止了氧與鋼表面的充分接觸，起到了保護作用，氧化速度逐步降低，到后期氧化速度很慢，甚至不能進一步氧化鋼基體。當氧不能進一步氧化鋼基體時，空氣中多余的氧將會氧化表面的FeO，生成Fe3O4，導致氧化鐵皮中FeO的厚度減小，而Fe3O4的厚度增加，當Fe3O4的厚度達到一定值時，同樣由于保護層的作用，氧很難進一步與FeO反應生成Fe3O4，當氧不能氧化FeO時，空氣中多余的氧又會與表面的Fe3O4反應，生成Fe2O3。由此可見，理論上，氧化鐵皮應該由3部分組成，靠近鋼基體的一層為FeO層，靠近鋼表面的一層為Fe2O3層，夾在兩層之間的為Fe3O4層。但由于Fe2O3很松脆容易脫落，因此，生產時大多在現場已經脫落，取樣測量時，得到的氧化鐵皮總厚度實際上是FeO與Fe3O4的厚度。

一定條件下，氧化鐵皮中FeO、Fe3O4、Fe2O3三層的總厚度是一定的。當冷卻速度較快時，鋼在高溫階段停留的時間就比較短，FeO進一步氧化生成Fe3O4的量就比較少，同樣，Fe3O4進一步氧化生成Fe2O3的量也比較少，因此，快速冷卻時，最終氧化鐵皮中FeO的含量就比較高，而Fe2O3的含量就比較少，Fe2O3的含量少，氧化鐵皮脫落的就少，所以檢測到的氧化鐵皮總厚度（實際是FeO和Fe3O4的厚度）就厚。由于快速冷卻時氧化鐵皮大量是FeO，所以，氧化鐵皮比較致密，不易脫落。反之，慢速冷卻時，FeO含量低，Fe2O3含量高，檢測到的氧化鐵皮總厚度（實際是FeO和Fe3O4的厚度）就薄，氧化鐵皮容易脫落，導致形成斑點狀［2－3］。

5 結論

（1）盤條表面最終氧化鐵皮由三種因素決定，加熱工藝軋制工藝以及精軋后的冷卻工藝，但是起決定性作用的是精軋后的冷卻工藝。

（2）簾線鋼82A 精軋后冷卻速度為9.0℃／s時，生成的氧化鐵皮較疏松，容易脫落，盤條表面容易形成斑點，Fe3O4層約占整個厚度層的67%。而冷卻速度為12.5℃／s時，生成的氧化鐵皮較致密、且不易脫落，盤條表面較光滑，Fe3O4層約占整個厚度層的20%。

［1］李玉華等.80鋼盤條氧化皮形貌及其厚度的計算［J］.物理測試，2006，（9）：42－43.

［2］袁武華，王 峰.控冷工藝對熱軋盤條氧化皮耐腐蝕性的影響［J］.湖南大學學報：自然科學版，2009，（5）：51－56.

［3］潘 燕.冷卻工藝對普碳線材氧化鐵皮生成的影響［J］.軋鋼，1990，（5）：21－25.