熱軋時鋼鐵材料高溫氧化鐵皮的研究進展分析

徐 挺

近年來我國鋼鐵也發展迅速，為社會和經濟發展做出了重要貢獻。高溫熱軋是鋼鐵加工的重要工序，所以受到了人們的廣泛關注。熱軋不禁改善了鑄造和組織，也消除了纖維和組織缺陷，細化了鋼材晶粒，使鋼組織更加地密實，提高了力學性提高。在熱軋過程中，鋼材會接觸空氣，經過了氧化反應后會產生氧化鐵皮，這會造成資源浪費，導致產品質量降低，從而給企業帶來一定經濟損失。熱軋和鍛造以及調質熱處理時，會損失鋼總量的7%～10%的資源，所以高溫氧化會影響鐵皮形成和結構，導致一些缺陷出現。鋼鐵當前是用量較大的一種材料，這種材料的性能比較優良，而且生產成本較低，綜合性非常的好，是一種性價比較高的金屬材料，所以當前應用范圍比較廣泛。但是普通的鋼材在韌性方面表現的較差，并且可焊性也較差，為了有效地提升普通鋼材的應用性，需要進行特殊的加工和處理，才能有效地改變這些問題。鋼材的改性加工，當前的工藝較多。其中熱軋鋼是比較常用的方法，主要是通過高溫進行處理，從而改變鋼材性能，經過熱軋的鋼材會形成結晶溫度，達到了結晶溫度后，軋制的鋼材屬性會發生變化，性能也會變得優良。雖然熱軋鋼有較好的優勢，但是會出現氧氣反應，在高溫的作用會出現氧化鐵皮，會造成材料損失，并且對于熱軋件表面也會產生影響。

1 熱軋鋼的工藝分析

熱軋鋼就是通過高溫加熱的方式所軋制而成的鋼件，加工所采用的工藝，一般需要先進行煉鐵和煉鋼，然后再進行模鑄和熱軋，最后再進行冷軋。這種工藝的優勢，可以有效地改善焊接的韌性和強度，并很大程度地提高了熱軋鋼性能，同時還使用了鍍合金工藝，對于不同的合金材料，影響程度有很大不同，所以這種鍍合金工藝，比傳統的熱軋鋼工藝有明顯的優勢。我國現在正處于經濟發展的轉型時期，隨著相關技術的不斷發展，促進了許多工藝的發展和創新，在熱軋工藝上也有了很大程度地提高，這不僅有效地提高了生產效率，也很大程度地降低了生產成本，提高了企業的經濟效益，為企業發展做出了重要貢獻。當前在具體生產和加工是雖然還存在一些問題，但是相信通過不斷的努力和改進，一定可找到有效方法改變當前的問題。

2 表面氧化物結構和類型

2.1 氧化物的基本結構分析

在熱軋鋼表面會有一定的氧化物，結構大概分了三層，分別是FeO和Fe3O4，以及Fe2O3，氧化物的顏色也有一定的差別，分別是藍灰色和灰色以及紅色。其中的FeO晶體是氧化鈉離子，結構的空隙相對較大，而且比較易溶于酸，但是在酸環境下，比較容易被腐蝕，這種情況的氧化反應式是：2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3。其中的Fe3O4是晶體結構，一般是黑色的離子晶體，而且結構比較緊致，不易溶于酸，耐腐蝕性也較強。而Fe2O3是晶體結構，是六方晶體結構，結構非常的緊致，但是也不溶于酸。所以在具體工作中，應當充分考慮這些元素的影響，有效地提高生產質量。

2.2 氧化物的主要類型

熱軋過程中會進行三次氧化皮。這三次的氧化物條件有很大不同，氧化程度也有很大差異，具體表現如下：首先，是一次的氧化鐵皮。發生條件是1200℃，溫度的持續時間一般是3h～4h之間。到高溫加熱爐進行加熱時，持續的加熱時間一般為3h～4h，溫度應當在1200℃左右，這會使表面的鐵離子與氧離子發生反應，產生較厚的氧化物，這就是一次的氧化鐵皮。因為是在爐內發生的，也可以叫爐生的氧化鐵皮，這種鐵皮有較強的結合力，而且氧化層比較厚，結構非常的密集，浪費情況也比較嚴重。其次，是二次的氧化鐵皮。鋼材出爐后要進行初步的熱軋，也可以叫做粗軋，需要用高壓水流進行處理，這個步驟要反復多次，要在高溫環境下進行，反復熱軋時會出現氧氣反應，從而出現了二次的氧化鐵皮。由于時間較短，二次氧化的鐵皮較薄，所以結合面比較稀疏。最后，三次的氧化鐵皮。這個過程采用的是精軋工藝，而且軋速比較高，時間大概是5s～30s之間，發生的氧化物，就是三次的氧化鐵皮。由于精軋時間短，所以鐵皮量較少，結合面非常地稀松，表面容易受到溫度影響，從而影響熱軋質量，在實際工作中，要高度重視溫度的影響。

3 合金元素產生的主要影響

在進行熱軋時合金元素會產生一定的影響，尤其是對氧化鐵皮的影響，在顯微結構方面還有厚度方面的影響最大，所以在實際工作中，要對這些情況要重點關注。在進行高溫氧化時，一般情況下合金元素會積累在鐵皮和基體界面處，對于這個部位應當重點關注。這個部位的合金元素，作用主要有兩個方面。第一，是可以在一定程度上加強鐵皮和基體交界面強度，可以有效地抑制氣泡的出現。第二，有效地阻礙了鐵離子擴散，海洋氧離子的擴散情況，很大程度地減慢了氧化速率。在實際工作中由于阻礙了離子的擴散程度，使得合金鋼當中的Fe2O3和海洋中的Fe3O4厚度發生了一定改變，在百分比方面高于了低碳鋼。但是對于Cu和Cr，還有Ni和Si這四種合金，通過相關研究發現了，具有一定阻止氧化能力，其能力大小的具體情況是Cu＜Cr＜Ni＜Si，而其中的抑制鐵皮，產生的氣泡能力大小情況是Ni＜Cr＜Cu＜Si。

3.1 Si元素的影響情況分析

Si是重要的元素，在自然界中廣泛地存在，而且存在量也比較大，在地殼當中的儲量排在了第二，僅次于氧元素含量，而且這種元素的價格比較便宜，使用成本比較低。Si元素在氧化過程中具有重要作用，尤其是在鋼的氧化中，具有不可替代的作用，所以要對這種元素的影響進行充分分析。Si元素在氧化時，主要的作用是會在界面處位置，聚集和形成保護層，這個保護層可以有效地減緩Fe和O元素擴散，很大程度地降低了擴散速度，從而影響了氧化速率。在低碳鋼熱軋時，可以加入一定Si元素，這種元素經過了高溫加熱以后，會導致原子擴散，而Si原子會匯集到界面處，并與氧氣發生一定的反應，生成了SiO2元素，之后繼續還可以發生一些比較復雜的反應，會生成Fe2SiO4元素，而這一層結構主要是由FeO+Fe2SiO4組成。含有一定的Si元素，這時的氧化鐵皮結構會發生一定的改變。這層的氧化鐵皮是由Si和O，以及Fe元素組成，該氧化物層可以阻礙O離子和Fe離子發生反應。當溫度達到了相應溫度時，或者是高于這個溫度是，會產生液相層。要想出現這樣的情況，一般情況下溫度要在173℃以上，鋼基體和氧化鐵皮才會出現Fe2SiO4液相層。當這個液相層出現以后，會向外側和內側進行滲透，滲透到外側時會起到釘扎的作用，有效地增加了鐵皮的粘附性，但是在后續除鱗時會比較麻煩，會很難除干凈。如果是滲透到了內部，會使平直度下降，增大了除鱗難度。在熱軋是要充分考慮Fe2SiO4的影響，如果液化比較嚴重，會降低除鱗性，這樣會引起紅色的鐵皮，以及氧化鐵皮的壓入，導致表面出現缺陷。通過相關的研究發現，如果硅含量比較高時，應當引起注意，當高于0.15%時就要特別注意，碳鋼經過了高溫氧化后，就會出現富硅層。在具體操作時，如果發現硅含量高于0.15%，而低碳鋼的問題在1143℃～1203℃之間，也就是FeO和Fe2SiO4共晶溫度，就會產生空氣當中的氧化作用，這時就會發現兩者都有富硅層，而且Fe2SiO4的液相層，表現為結合致密，FeO大多是混合微粒，而且有部分的孔洞出現。之所以出現富硅層，是因為生產中Fe2SiO4液相溫度不是1173℃，只是理論的液相溫度，與實際溫度有一定的差異，一般都會比這個溫度低，由于鋼種的成分不同，所以液相溫度也有一定的差別。在熱軋過程中，到冷軋后的處理，整個過程都會形成SiO2，可以把鋼基體的表層分布的SiO2稱為內氧化層，內氧化層形成后，將無法高壓除鱗。隨著氧化的進行，內氧化層當中的SiO2會發生一定的變化，如果與氧化鐵皮發生了反應以后會生成Fe2SiO4，從而形成了混合相。隨著Si的增加，氧化機制會發生改變，由內氧化機制變成了外氧化機制，對于這種改變在具體工作時，應當特別關注。

3.2 Cr元素的影響

Cr元素也是重要的元素，這種元素是呈現銀白色的，有一定的光澤金屬，而且質地極硬，非常地耐腐蝕。這種元素不僅可以增強鋼的耐磨性，也可以增強力學性能，這在實際使用中具有一定優勢，有效地增加了鋼的淬透性，也在一定程度上增強了鋼的抗變形能力，還增強了鋼的耐蝕性，提高了鋼的耐熱性，加強了抗磁性，有效地提高了鋼的彈性。由于Cr的抗腐蝕性較強，將它與鐵和鎳組合，就成為了不銹鋼，這種材料常用于生產切削工具，生產出來的產品質量也較好，受到了用戶的廣泛好評。這種元素的抗氧化機理也有一定的特點，就是在界面處聚集可以生成保護性的氧化產物，也就是Cr2O3和FeCr2O4元素，這層氧化物可以充分地保護鋼材表面，有效地降低了Fe和O元素的擴散，起到了防腐作用。

3.3 其他元素的影響

在熱軋時除了Si和Cr的影響，其他元素也有重要的影響。主要產生影響的元素是C和Si元素，還有Mn和P元素，以及S元素這幾種，這是鋼的五大元素，由于鋼鐵本身存在了一定的C元素，在氧化過程中如果與氧氣發生了反應，就會釋放出CO氣體，這會得氧化鐵皮開裂，也會導致鼓泡情況。而Mn和P元素會直接發生反應，導致氧化鐵皮出現起皮現象。鋼發生了氧化反應，如果Cu元素被排斥，那么在金屬的基體和氧化物界面上，就會出現一些變化，當Cu含量高于8%的時候，會出現富銅分離相，而富銅分離相的溫度在1096℃時，就會產生熔化，這是在金屬的基體，還有氧化物間會出現一層膜，這樣的情況會導致熱脆性，同時還會出現表面缺陷。在這五種元素中，Ni是較難氧化的，在被氧化時，Fe元素會優先氧化，在氧化鐵的內層會產生Ni元素，形成了Ni金屬網絲，從而使鋼的基體和氧化鐵皮間的接觸面發生變化，這時的氧化鐵皮是很難被剝離的，就是使用高壓水進行沖擊，也不會容易剝落，導致了表面缺陷，而且這種缺陷會隨Ni含量的變化而產生變化，如果是增加了會變的更嚴重。Al元素的影響也比較重要，被氧化后形成保護層，有效地降低了氧化速率。而Mn元素在低碳鋼中，一般都是存在于FeO層當中，影響比較小可以忽略。稀土元素也具有一定的作用，主要是凈化鋼質作用，而且氧化膜的結晶度較好，實際使用中有著非常好的表現。

4 工藝制度的影響

在熱軋鋼板時應當注意工藝的影響，尤其是鐵皮結構的不同，會對除鱗過程產生重要影響，所以應當充分地了解鐵皮結構，還要掌握厚度和溫度情況，以及卷取溫度和冷卻速度問題，有效地提高熱軋質量。

4.1 終軋溫度的影響

在終軋時要考慮氧化鐵皮厚度問題，這與終軋溫度有一定的關系，在進行軋制時，軋制時間一般相差不大，而氧化鐵皮的厚度會增加，增加的幅度與溫度有關。如果終軋溫度較高時，軋制時間也比較短，氧化時間也會在一定程度上減少，而氧化鐵皮厚度也比較薄。典型的三層結構比例一般是1：4：95，熱軋時要注意溫度影響，隨著溫度的降低，FeO元素的驅動力會變大，FeO層也會逐漸減少，但是Fe2O3和Fe3O4含量會增加。相反如果終軋溫度升高，其中的FeO含量也會增加，Fe2O3和Fe3O4層含量會相應減少。隨著溫度的不斷降低，FeO也會發生轉變，導致驅動力加大。如果溫降幅度增大，FeO的變化也就越大，FeO量也會變多。如果開軋溫度不變，終軋的溫度就會越低，FeO就會發生轉變。如果終軋溫度降低了，那么FeO層會不斷地減少，而Fe3O4層會不斷地增加，Fe2O3厚度變化較小，但鐵皮的總厚度會改變，Fe2O3含量也會根據溫度變化而發生改變。

4.2 卷取溫度的影響

卷取溫度也是重要的影響因素，一般情況下卷取溫度應當在500℃～700℃之間，當高于570℃時，結構中會有少量的FeO/Fe3O4分布于界面上。當溫度在450℃卷取時，組織比例一般較高，而冷卻速率也會越小，共析組織的含量也會越高。當溫度在350℃卷取時，結構中的FeO會被大量保留，但是沒有共析組織。不同溫度下的FeO層，也會發生一定的轉變，根據相關研究顯示，FeO共析轉變應當遵循“C”曲線規律。在這個溫度下FeO轉變最快，最適宜進行卷取。低碳鋼的轉變也應當遵循“C”曲線規律。

4.3 冷卻速率的影響

冷卻速率影響主要體現FeO層結構，主要影響的是相變時間，一般情況下低冷卻速率給FeO共析轉變，提供了比較充足的時間，這有利于共析反應發生。同樣卷取溫度條件下，較低冷卻速率有利于共析反應。當高于25℃/min時，氧化鐵皮中無Fe3O4/Fe，但是鐵皮會繼續生長，到了570℃溫度以上時，會保持三層結構。如果溫度降到了570℃以下時，此時的FeO層非常的不穩定，會發生相變反應。不同冷卻速率下，FeO產物也不同，顯微結構也不相同。一般情況下冷卻速度越快會越好，所以當前很多的熱軋廠都采用高溫快軋方法。在實際工作中要充分卷曲溫度的影響，還有冷卻速度的影響，尤其是FeO層的影響，還要考慮曲線問題。當實際溫度是650℃時，此時的冷卻速度一般是15℃/min，會產生鐵皮層，這時的鐵皮層中含有FeO，但是其中有少部分FeO，會先進行共析反應，進而生成了Fe3O4，這是一種析出物，但是大部分的FeO層還是存在的。當實際溫度是500℃時，要充分考慮冷卻速度問題，這時的應當是5℃/min，再這樣的情況下鐵皮類型應當是II類，此時的鐵皮FeO層當中，會存在一定量的Fe3O4析出物，這時的類型要比I的多。當溫度是500℃時，冷卻速度一般是2℃/min時，而鐵皮的類型也會發生一定改變，大多數情況下是類型III，這時鐵皮當中的FeO，大部分會變成Fe3O4/Fe。當出現共析物時，還會有少量的Fe3O4和FeO。此外還有一定的類型I～II，以及II～III，分別是介于兩者之間。如果FeO的剝離性比較好，那么會比較易被酸洗掉，冷卻速度也會越快，其中的FeO發生相變的可能也會越少，那么被保留下來的可能也會越多。所以在熱軋的過程中，要注意溫度650℃情況，因為這時的冷卻速度是越快越好的，這也是最佳的溫度，所以當前在實際生產過程中，被廣泛地使用，生產出來的材料性能也是最好的，具有很高的使用價值。

4.4 其他因素影響

在熱軋過程中還會受到加熱條件的影響，因為加熱的氣氛會對氧化鐵皮產生影響。當碳鋼加熱時，隨著爐內溫度升高，以及加熱時間的延長，會導致水蒸氣和氧氣增加，這些情況都都會加快氧化速度。如果爐內加入了一定量的一氧化碳和氫氣，以及還原性氣體時，可以就減緩氧化速率，從而得到較高質量鋼板。但是爐內的氣氛比較復雜，會產生H2O和CO氣體，還會產生CO2和H2，以及SO2等其他的氣體，這些氣體都會與鋼板發生一定的反應，可以通過改變氣體比例，來降低能源消耗，減少氧化鐵皮。但是在實際生產過程中，會受到加熱方式以及一些條件限制，所以難以實現真空保護。

4.5 表面情況分析

一般在三種條件下，對于熱軋氧化鐵皮會出現二次電子特征，也就是表面的觀砂礫情況，以及疏松狀的氧化物，這些情況的出現主要是終扎后冷導致的，各種元素呈現的是不規則分布情況，在氧化鐵皮表現非常容易碎，而且疏松的氧化物也比較容易脫落，這些情況在具體工作中不容易被觀察，但是經過一定處理后，會可以觀察到一些氧化物。當卷取以后，應當進行取樣，但是要注意快速冷卻，因為高溫會產生一定的影響，在經過了十幾個小時以后，就會冷卻到平整前溫度，但是有時會出現表面裂紋增加的情況，這是由于卷取狀態決定的，所以熱軋時要沿著基本方向操作，才能使其分布均勻，間隔也比較合理。

隨著我國經濟的不斷發展，帶動了許多行業的發展，其中鋼鐵業發展非常迅速，在這樣快速的發展形式下，應當不斷加強相關工藝的研究和發展，這樣才能生產出高品質產品，并且為相關技術的發展和創新做出貢獻。

5 結語

在實際生產過程中合理地控制氧化鐵皮，對提高鋼的產量和表面質量具有重要作用，不僅提高了耐蝕性，也有效地提高了利用率。在熱軋過程中有效地控制氧化鐵皮情況，控制其結構和生長情況，對改善熱軋表面質量，避免氧化皮和麻點情況具有積極的作用，還能很大程度地降低材料損失和資源浪費。