高溫加熱條件下鋼坯氧化特性分析

陳華圣，雷 凱，朱長江，何明生，顧華志

（1.武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地，湖北 武漢，430081；2.武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北 武漢，430080；3.武漢鋼鐵（集團）公司熱軋總廠，湖北 武漢，430080）

高溫加熱過程中的軋制坯，其表面與加熱爐氣氛中的氧發(fā)生高溫氧化反應(yīng)生成大量氧化鐵皮，不僅降低鋼的成材率，還會侵蝕爐襯耐火材料，增加停爐清渣的誤工率。本研究對象為國內(nèi)某鋼廠兩條軋制線，其鋼坯在加熱爐內(nèi)的質(zhì)量損失率分別為5.10%和5.15%；鋼坯氧化產(chǎn)生的液態(tài)鐵渣時常破壞立柱的保護傘，導(dǎo)致步進梁卡死而無法正常推鋼；鐵渣堆積導(dǎo)致加熱爐平均生產(chǎn)周期僅為7d左右，而停爐清渣卻需12d左右。為此，本文對該廠鋼坯取樣進行氧化特性分析，測定其在不同加熱方式、加熱溫度以及加熱時間下的氧化燒損率，用掃描電鏡觀察其氧化層結(jié)構(gòu)，以期為工業(yè)生產(chǎn)中采取措施降低鋼坯氧化提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 試樣制備

取樣于某廠熱軋線上的軋制坯，將其加工成50mm×40mm×8mm的試樣，稱量試樣質(zhì)量m1。將試樣放入高溫電爐內(nèi)按不同升溫程序進行加熱，熱處理完畢后取出冷卻，除去外層氧化鐵皮，稱量試樣質(zhì)量m2。用單位面積上m1與m2的差值即氧化燒損率來衡量鋼樣的氧化程度。

1.2 檢測分析

在KSY－12－16S型高溫電爐內(nèi)進行氧化燒損率實驗，在同一升溫制度下按下列三種加熱條件進行氧化燒損測試：（1）空氣條件下；（2）高溫電爐爐底平鋪石墨粉；（3）高溫電爐爐底平鋪石墨粉，爐體密封，抽真空。在1380℃保溫30、60、90、120、150min。在RZ－03型熱重分析儀上進行質(zhì)量變化實驗（升溫速率為 5 ℃／min，）。用QUANTA400型掃描電鏡（荷蘭）進行氧化層顯微結(jié)構(gòu)分析，加速電壓為20kV，將氧化后的試樣用環(huán)氧樹脂滲膠，加熱待樹脂硬化后進行制樣，拋光后用于SEM分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 加熱方式對鋼坯氧化速率的影響

圖1 不同加熱方式下試樣氧化燒損率Fig.1 Oxidation burning loss rate of the samples heated under different atmospheres

不同加熱方式下鋼坯的氧化燒損率結(jié)果如圖1所示。由圖1中可看出，空氣條件下加熱，鋼坯氧化燒損十分嚴重，達16.39kg／m2；加入石墨的條件下，鋼坯氧化燒損程度較輕；真空條件下氧化燒損率極低，幾乎無氧化。這是由于加入石墨后，爐內(nèi)氧氣與石墨反應(yīng)形成CO2，較多的石墨還會形成CO氣體，使爐內(nèi)呈弱還原性氣氛，爐內(nèi)剩余氧氣較少，鋼坯表面氧化幾率減少。基于此，目前國外已開始進行在加熱爐內(nèi)加入氣態(tài)有機硅化合物、有機鋁化物或有機硼化物的實驗［1］，這些元素與氧的親和力強，可消耗加熱爐內(nèi)余氧，同時可在金屬表面形成穩(wěn)定的氧化膜，以防止金屬氧化與脫碳。

真空條件下加熱實驗結(jié)果顯示，試樣在1380℃保溫60min，燒損率僅0.05kg／m2，未出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，且表面仍具有金屬光澤，其形貌如圖2所示。

圖2 真空條件下加熱后試樣照片F(xiàn)ig.2 Morphology of the sample heated under vacuum condition

本試驗鋼種的加熱溫度高達1380℃，該鋼種在加熱爐內(nèi)的燒損機理目前尚存有兩種觀點：一是鋼坯先熔融后氧化燒損；二是先氧化后形成熔融物。由此推斷，本試驗鋼種應(yīng)是先氧化生成氧化物后在高溫下形成液相熔渣。液相熔渣冷卻形成的渣柱如圖3所示。

圖3 液相熔渣冷卻形成的渣柱Fig.3 Slag－column formed from molten slag during cooling

2.2 加熱溫度對鋼坯氧化速率的影響

圖4 試樣質(zhì)量隨加熱溫度變化曲線Fig.4 Weight curve of the samples at different heating temperatures

試樣氧化質(zhì)量隨加熱溫度變化曲線如圖4所示。從圖4中可看出，試樣在850℃左右開始緩慢氧化，至1080℃左右氧化速率急劇加快，在1080～1200℃，氧化速率呈直線增加。

鋼的高溫氧化過程一般分為兩個階段［2］，先是表層和環(huán)境中的氧化性物質(zhì)（O2、CO2、H2O）發(fā)生氧化反應(yīng)，形成薄的氧化層后，氧化過程的控制取決于兩個因素：①界面反應(yīng)的速度（鐵與氧化層、氧化層與氧）；②參與反應(yīng)物質(zhì)通過氧化層擴散和遷移的速度。低溫階段，界面反應(yīng)速度成為控制因素；溫度較高時，擴散和遷移速度則成為控制因素。當鋼坯表面生成的氧化層結(jié)構(gòu)較為致密時，其致密的氧化層結(jié)構(gòu)會抑制氧化過程的進行；當氧化層致密且不是很薄時，氧化速率應(yīng)符合拋物線定律［3－4］。

本實驗結(jié)果表明，鋼坯氧化初始階段生成的氧化層不足以對后期氧化過程形成阻礙，因而其氧化速率呈直線增加。

2.3 加熱時間對鋼坯氧化速率的影響

圖5 不同加熱時間下試樣的氧化燒損率Fig.5 Oxidation burning loss rate of the samples heated at different soaking times

不同加熱時間下試樣的氧化燒損率如圖5所示。由圖5中可看出，試樣氧化燒損率隨加熱時間的延長幾乎呈線性增加。這是由于該鋼種在1380℃加熱溫度下，無論表面氧化生成的FeO（熔點1369 ℃）還是鐵橄欖石（熔點1205 ℃）［5－6］均成為液態(tài)從鋼坯表面流淌，裸露出新的表面繼續(xù)發(fā)生氧化。普通鋼坯在規(guī)定的加熱溫度下，表面生成的固態(tài)氧化鐵皮阻礙了氧與鋼坯的接觸，氧化鐵皮越厚，接觸幾率越小，因此其氧化燒損率隨保溫時間的延長而趨于定值。

2.4 氧化層顯微結(jié)構(gòu)分析

將加熱至1100℃的試樣冷卻后用掃描電鏡觀察其氧化層顯微結(jié)構(gòu)，氧化層顯微結(jié)構(gòu)及測點成分如圖6所示。從圖6中可看出，試樣顯微結(jié)構(gòu)分為3層：基體、過渡層和氧化層?；w的主要成分w（Si）為3.60%，w（Fe）為96.40%；氧化層為較厚的黑色疏松多孔結(jié)構(gòu)，主要成分為Fe、O、Si，理論計算該測點，w（FeO）為66.88%，w（SiO2）為5.96%，w（Fe2O3）為27.15%；過渡層很薄，靠近基體一側(cè)比較致密，靠近氧化層一側(cè)氣孔細小且多，主要成分為Fe、O、Si，理論計算該測點，w（Fe）為81.98%，w（FeO）為8.40%，w（SiO2）為9.62%。

圖6 氧化層顯微結(jié)構(gòu)及測點成分Fig.6 Mircostructure and compositions of the oxidation layer

氧化層線掃描分析圖譜如圖7所示。從圖7中可看出，氧含量在基體中極低，在過渡層呈指數(shù)型增長，進入氧化層后緩慢增至一最大值；而鐵含量從過渡層開始呈下降趨勢，由過渡層轉(zhuǎn)入氧化層時下降明顯，而后降至一最低值。

圖7 氧化層線掃描分析圖譜Fig.7 Line scanning analysis of the oxidation layer

上述顯微結(jié)構(gòu)分析表明，由于該鋼種氧化層結(jié)構(gòu)疏松、多孔，使得氧化性氣體能夠以對流傳質(zhì)方式通過氧化層而快速到達過渡層，其對流傳質(zhì)速度遠高于擴散傳質(zhì)速度，因此該鋼種氧化層在低溫階段不能阻止氧化過程的繼續(xù)，氧化速率較其他普通鋼快。

3 結(jié)語

空氣條件下加熱，鋼坯氧化燒損率達16.39 kg／m2；加入石墨條件下，氧化燒損率為7.23kg／m2；真空條件下，氧化燒損率極低，未出現(xiàn)熔融現(xiàn)象。低溫階段，鋼坯氧化層呈疏松、多孔結(jié)構(gòu)，850℃左右開始氧化，至1100℃左右氧化速率急劇增大，1380℃時，液相熔渣從表面流淌不斷裸露出新表面，氧化燒損率隨加熱時間延長呈線性增大。

［1］張鵬.高硅鋼脫碳保護材料的研究［J］.鋼鐵研究，2001，118（1）：45－46.

［2］梁成浩.金屬腐蝕學(xué)導(dǎo)論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998：5－6.

［3］李鐵藩.金屬高溫氧化和熱腐蝕［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：56－58.

［4］鄧想，孫玉福.ZG30Cr29Ni9Si2NRE耐熱鋼的高溫抗氧化性研究［J］.鑄造技術(shù)，2012，33（4）：388－389.

［5］李楠，顧華志，趙惠忠.耐火材料學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010：210.

［6］喬林鎖.含硅鋼的高溫氧化行為和氧化皮形態(tài)［J］.現(xiàn)代冶金，2008（3）：33－38.