熱軋時鋼鐵材料高溫氧化鐵皮的類型與影響因素分析

宋 亮

(馬鋼股份公司市場部 安徽馬鞍山 243000)

鋼鐵是一種性能較為優良，成本相對較低，綜合性能較好的金屬材料，應用范圍較廣。普通的鋼材韌性和可焊性較差，為了提升普通鋼材的綜合應用屬性，需要經過特殊的加工工藝對鋼材進行改性。鋼材改性的加工工藝較多，熱軋鋼是通過高溫加熱處理鋼材和改變鋼材性能的方法，經過高溫熱軋的鋼材都要固定了結晶溫度，達到結晶溫度以上軋制而成的鋼材屬性內部結構發生了變化，鋼材的使用性能也變得更加優良。雖然熱軋鋼的改性在應用性能方面有著較好的優勢，但是熱軋的過程中鋼材與空氣中的氧氣發生反應，在高溫作用下產生大量的高溫氧化鐵皮，這種由于高溫氧化作用造成的材料損失高達10%，并且對于熱軋件的表面質量也會形成負面影響。研究熱軋鋼高溫氧化鐵皮的發生對于控制高溫氧化鐵皮的產生和優化熱軋件表面有著重要的意義，因此本文研究熱軋中的鋼鐵材料高溫氧化皮。

1 熱軋鋼加工工藝

熱軋鋼顧名思義就是通過高溫加熱軋制成的鋼件。熱軋鋼的加工工藝需要先煉鐵、煉鋼，然后模鑄、熱軋，最后是冷軋。它的應用優勢是軋制件的韌性、強度和可焊接性都得到了改善。為了提升熱軋鋼的性能，熱軋鋼引入了鍍合金工藝，不同的合金材料對于剛材表面的質量和氧化程度影響不同。鍍合金工藝優于傳統的熱軋鋼工藝。

2 熱軋鋼表面氧化物的結構及其氧化物類型

2.1 氧化物的結構

熱軋鋼表面的氧化物結構總共三層，自內而外分別是FeO、Fe3O4、Fe2O3，氧化物顏色分別呈藍灰色、灰色和紅色。FeO的晶體結構為氧化鈉離子，結構空隙較大，易溶于酸，且酸環境下易被腐蝕，氧化反應式為，2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3。Fe3O4的晶體結構為黑色離子晶體，結構緊致，既不容易溶于酸，也耐腐蝕。Fe2O3的晶體結構為六方晶體，結構緊致，也不易溶于酸。

2.2 氧化物類型

熱軋鋼熱軋的過程中會發生三次氧化皮，分別稱為一次氧化皮、二次氧化皮、三次氧化皮。這三次氧化物產生的條件不同，氧化程度也存在差異。

1.一次氧化鐵皮

一次氧化皮發生的條件為1200℃，且溫度持續時間為3-4小時。將鋼材防治到高溫加熱爐內加熱，持續加熱3-4小時1200℃的溫度，在這種環境下，鋼坯表面的鐵離子與空氣中的氧離子發生反應，在表明氧化產生一層較厚的氧化物，這種氧化物就是一次氧化鐵皮。因為氧化環境發生在爐內，因此也叫爐生氧化鐵皮。一次氧化鐵皮有著較強的結合能力，因此氧化層較厚，結構較為密集，造成的鋼材浪費也較為嚴重。

2.二次氧化鐵皮

經過加熱的鋼材出爐后需要初步熱軋，熱軋過程中需要應用高壓水流對一次氧化鐵皮處理。初步熱軋也稱粗軋，粗軋要反復多次，熱軋環境依舊為高溫，反復熱軋的過程中熱軋件表面的鋼材繼續與空氣中的氧氣反應，這個過程會發生二次的氧化反應，出現二次氧化鐵皮。由于粗軋的時間相較于爐內熱軋較短，因此二次氧化鐵皮厚度較薄，結合面也較為稀疏。

3.三次氧化鐵皮

熱軋鋼粗軋后還要經過精軋工藝，最終才能成為精品熱軋鋼。精軋鋼軋輥的軋速較高，軋制時間為5到30秒，這個過程中發生的鐵與空氣中的氧氣反應的氧化物就是三次氧化鐵皮。由于精軋的時間較短，氧化鐵皮的量較少，僅為薄薄的一層，結合面稀松，因此表面極易受溫度和卷取的影響發生變化，最終影響熱軋剛件的表層質量。三次氧化鐵皮在冷卻及卷取中的變化會導致氧化鐵層發生共折反應，進而影響熱軋件的表面性能，特別是耐腐蝕性能。

精軋后開始卷取工藝，卷取工藝在溫度﹤570℃時易發生共折反應。首先是氧化鐵層發生共折反應，共折為四氧化三鐵，其結構為四邊形狀。隨著卷取溫度減低，氧化鐵還可能會繼續發生共折反應，再共折為板條狀的四氧化三鐵或鐵，并呈現出不同的顏色。其中四氧化三鐵為銀灰色，鐵為亮白色。在熱軋的一系列工藝中，一層氧化鐵、二層氧化鐵會被高壓水處理掉，而三層氧化鐵則是留在熱軋件表面形成一層結構緊致的氧化鐵表征，而它也是影響熱軋鋼表面質量和抗腐蝕性的重要因素。

3 高溫氧化鐵皮產生的影響因素

3.1 合金材料的影響

新的熱軋鋼加工工藝中通過鍍合金層來改變表面鐵離子向外的擴散能力，同時也可以預防氧離子向內的能力。不同的不僅在熱軋鋼中的應用對于熱軋鋼表面質量有著不同的影響。在應用對Cu、Cr、Ni、Si 四種合金元素作為熱軋鋼表面防氧化鍍層的材料測試中，抗氧化能力從強到弱分別是Si﹥Ni﹥Cr﹥Cu。抑制熱軋鋼表面發生氣泡層的作用從強到弱的元素風別為為 Ni

1. Si 元素的影響

硅元素在地殼中的儲量較大，價格相對便宜，應用硅元素作為防氧化鍍層首先是生產成本得到了控制。其次，在低碳鋼中增加適量的硅元素，高溫加熱后硅原子會集中到氧化鐵和鋼基體之間形成一層嶄新的界面，它與氧氣發生反應后形成二氧化硅，繼續反應會形成Fe2SiO4，它能與氧化鐵共同在鋼基體表面形成一層尖晶石化合物，這種化合物具有阻隔氧氣向內發展的作用。簡而言之，尖晶石化合物組織了氧氣與鋼基體繼續反應，因此會減少氧化物的產生，減小熱軋件表面可能發生的缺陷。

2. Cr 元素的影響

鉻元素的本身具有耐腐蝕、質地堅硬的特性，熱軋鋼材的過程中加入鉻元素可以一定程度上增加熱軋鋼的耐腐蝕性，提升鋼強度。它的原理與硅元素的氧化反應類似。鉻元素通過氧化反應在鋼材表面形成Cr2O3和 FeCr2O4，最終停留在鋼基體表面組織了氧氣向內擴散和鐵離子向外擴散。

3.2 加工工藝的影響

1.終軋溫度的影響

從一次氧化鐵皮、二次氧化鐵皮、三次氧化鐵皮的發生過程來看，氧化層厚度的產生與三層氧化熱軋溫度時間的長短有關。也就是說終軋的溫度時間會影響氧化鐵皮的厚度，當終軋的溫度越長，氧化層的厚度越厚。因此，熱軋中可以通過適當的控制終軋的溫度時間來減少氧化層的發生。

2.卷取溫度的影響

由于冷卻速度回影響氧化鐵發生共折發應的程度，因此卷取的冷卻速度也會影響高溫氧化鐵皮的厚度。以570℃為例，當溫度低于570℃時，隨著溫度降低氧化層表層共折反應發生并擴大，而大于570℃時，則不發生共折反應。因此建議在﹥570℃以上的條件實施卷取。

4 結語

綜上所述，合金加工材料和熱軋加工工藝是影響高溫氧化皮產生量、面積、形態的重要因素。鑒于高溫氧化鐵皮對于熱軋剛件表面的耐腐蝕性和綜合利用率影響較大，因此應該通過有效的改善加工工藝預防和減少高溫氧化鐵皮的產生，科學合理的控制氧化皮結構產生的條件，選擇氧化性較小的合金材料和氧化作用較弱的加工工藝加強熱軋件表面質量控制，避免鋼材浪費。