焊接用熱軋盤條表面氧化鐵皮結(jié)構(gòu)優(yōu)化

呂建勛，蔣艷菊，鄧國光，朱江

（本溪鋼鐵集團(tuán)北營公司棒線材研究所，遼寧本溪117017）

焊接用熱軋盤條表面氧化鐵皮結(jié)構(gòu)優(yōu)化

呂建勛，蔣艷菊，鄧國光，朱江

（本溪鋼鐵集團(tuán)北營公司棒線材研究所，遼寧本溪117017）

本溪鋼鐵集團(tuán)北營公司生產(chǎn)的H08A盤條所制焊條在下游客戶使用過程中，出現(xiàn)焊接煙塵量較大問題。檢測(cè)分析結(jié)果表明，盤條母材表面氧化鐵皮結(jié)構(gòu)異常是導(dǎo)致焊接煙塵量大的主要原因。通過優(yōu)化軋制工藝，調(diào)節(jié)盤條冷卻溫度及冷卻速度，加快盤條在900～800℃區(qū)間及600～450℃區(qū)間的冷卻速度，在不影響盤條正常組織的前提下，合理改善表面氧化鐵皮結(jié)構(gòu)，消除內(nèi)層Fe3O4，增大FeO比例，降低焊條使用時(shí)的焊接煙塵量，改善了焊接作業(yè)環(huán)境。

熱軋盤條；氧化鐵皮；Fe3O4；冷卻速度；焊接煙塵

盤條氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)組成對(duì)盤條的保護(hù)及使用性能有著重要作用，尤其在下游細(xì)拉為焊條的生產(chǎn)過程中，需要對(duì)氧化鐵皮進(jìn)行酸洗或機(jī)械除鱗，若氧化鐵皮結(jié)構(gòu)合理，則清除過程比較順利，不僅清除成本低，同時(shí)可以避免未除凈的氧化鐵皮夾帶潤滑粉遺留在焊條中。據(jù)客戶反映，采用本溪鋼鐵集團(tuán)北營公司（以下簡(jiǎn)稱本鋼北營公司）生產(chǎn)的H08A盤條所生產(chǎn)的焊條在使用過程中焊接煙塵量較大。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，盤條母材表面氧化鐵皮結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，而在Φ2.5 mm試樣表面也存在未除凈的氧化鐵皮。因此，對(duì)氧化鐵皮的形成機(jī)理及結(jié)構(gòu)異常原因進(jìn)行了分析，確定出造成焊接煙塵量較大的主要原因，并制訂了具體改進(jìn)措施，以杜絕此類問題再次發(fā)生。

1 試驗(yàn)分析

客戶反饋，本鋼北營公司生產(chǎn)的規(guī)格為Φ6.5 mm的H08A盤條在后續(xù)拉拔至Φ2.5 mm過程中，雖

然拉拔效果良好，但成品焊條在焊接過程中產(chǎn)生的焊接煙塵量偏多，對(duì)焊接作業(yè)環(huán)境造成影響。盤條拉拔后有黑色油性物質(zhì)附著在表面，相關(guān)人員到現(xiàn)場(chǎng)取樣并進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析過程及結(jié)果如下。

1.1 宏觀形貌

將盤條母材及拉拔至Φ2.5 mm的試樣用濃鹽酸酸洗20 min，酸洗后效果見圖1。

圖1 盤條母材及拉拔至Φ2.5 mm試樣酸洗后照片

從圖中可以看出，酸洗一端表面大部分呈光亮狀，但仍有少量黑色物質(zhì)存在，說明試樣表面黑色物質(zhì)并非盤條表面油類，疑似氧化鐵皮未除凈，酸洗后殘留黑色物質(zhì)疑為潤滑粉（Ca系）熔化后殘留所致，不易被酸腐蝕。

1.2 金相檢測(cè)分析

一般正常的熱軋盤條的氧化鐵皮結(jié)構(gòu)為三層：內(nèi)層是疏松的FeO，中間層為致密的Fe3O4，最外層是柱狀結(jié)晶的Fe2O3。氧化鐵皮的三層物相組織中，F(xiàn)eO易酸洗，F(xiàn)e3O4致密性強(qiáng)，起到耐銹蝕作用，但不易酸洗［1］。將該批盤條所制試樣用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行進(jìn)一步觀察分析，見圖2。從圖2（a）可見，盤條母材組織為正常F+P，盤條表面氧化鐵皮出現(xiàn)四層結(jié)構(gòu)，在正常氧化鐵皮與基體之間存在額外的一層4～6 μm厚的氧化層；從圖2（b）可見，經(jīng)過機(jī)械除鱗，拉拔至Φ2.5 mm試樣表面仍留有6 μm厚的氧化鐵皮，可見這層氧化鐵皮為母材表面內(nèi)層氧化鐵皮，不易清除。氧化鐵皮為高溫氧化產(chǎn)物，在高溫區(qū)服從拋物線氧化定律。在570℃以下，氧化速度較慢且主要發(fā)生結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，即FeO→Fe3O4+Fe［2］，見圖3。由此推斷，圖2（b）中試樣表面6 μm厚的薄層為570℃以下FeO分解所產(chǎn)生的Fe3O4，在下游除鱗過程中難以除凈，為證實(shí)這一推斷，還需進(jìn)行成分分析。

圖2 金相圖

圖3 鐵氧系相圖

1.3 電子顯微鏡分析

Φ2.5 mm試樣表面及表面測(cè)試點(diǎn)A、B的掃描電鏡圖片見圖4，A、B點(diǎn)成分見表1。由圖4和表1可以看出，盤條拉拔后試樣表面存在大量的Ca系物質(zhì)，B點(diǎn)處Fe含量為51.1%，氧含量較多，為30.9%，有氧化鐵皮殘留。A點(diǎn)處物質(zhì)為潤滑粉在拉拔過程中受盤條形變發(fā)熱而熔化后凝固在未除凈的氧化鐵皮縫隙中。一方面，F(xiàn)e3O4呈黑色，結(jié)構(gòu)致密，與鐵結(jié)合性強(qiáng)不易除凈，F(xiàn)e含量相對(duì)較少［3］，高溫氧化鐵皮（FeO）在冷卻到570℃時(shí)會(huì)發(fā)生

FeO→Fe+Fe3O4的轉(zhuǎn)變過程，冷卻速度快慢直接影響氧化鐵皮在室溫的相結(jié)構(gòu)和分布，低冷卻速率情況下會(huì)造成FeO內(nèi)層中有Fe3O4析出。故造成此次焊接煙塵量大的主要原因?yàn)闈櫥勰淘谠嚇颖砻? μm厚Fe3O4中不易清除所致。

圖4 掃描電鏡圖片

表1 A、B點(diǎn)成分%

2 工藝優(yōu)化

針對(duì)以上分析結(jié)果，進(jìn)行了軋制工藝調(diào)整，主要在吐絲溫度及斯太爾摩風(fēng)冷線控冷兩方面進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行生產(chǎn)跟蹤。整改后的工藝方案如下。

2.1 吐絲溫度

為了避免氧化鐵皮過厚而致使后期清除不徹底，考慮到由吐絲機(jī)到盤條進(jìn)入第一個(gè)保溫罩間存在一定溫差，將吐絲溫度由（940±10）℃下調(diào)至（920±10）℃，可以縮短盤條在氧化鐵皮形成區(qū)間900～800℃的停留時(shí)間，目的在于減小氧化鐵皮生成量，同時(shí)又不影響盤條在鐵素體區(qū)的停留時(shí)間以免造成強(qiáng)度偏高。

2.2 斯太爾摩風(fēng)冷線冷卻控制

風(fēng)機(jī)、風(fēng)門控制情況見表2，保溫罩開啟情況見表3。

表2 風(fēng)機(jī)、風(fēng)門控制情況

表3 保溫罩開啟情況

當(dāng)風(fēng)冷輥道速度為0.25 m/s時(shí)，前四個(gè)保溫罩開啟，第一架風(fēng)機(jī)開啟50%風(fēng)量，以加快盤條在900～-800℃區(qū)間冷卻速度，減少氧化鐵皮生成量。然后打開后四個(gè)保溫罩，以保證盤條在600～450℃區(qū)間冷卻速度提高，以減少FeO→Fe3O4+Fe的轉(zhuǎn)變量，避免FeO層與基體間形成Fe3O4層。

3 改進(jìn)效果

3.1 工藝改進(jìn)后檢測(cè)情況

對(duì)工藝改進(jìn)后盤條及客戶拉拔至Φ2.5 mm進(jìn)行光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡觀察，見圖5。從圖中可以看出，盤條組織正常，表面氧化鐵皮為25 μm，基體與FeO層間無明顯夾層出現(xiàn)，Φ2.5 mm試樣表面有微量氧化鐵皮存在，說明工藝調(diào)整后盤條表面氧化鐵皮得到有效控制，氧化鐵皮的相結(jié)構(gòu)與冷卻開始溫度和冷卻速度有關(guān)。

3.2 效果

經(jīng)客戶反饋，工藝改進(jìn)后H08A盤條使用效

果良好，拉拔過程跟之前比無影響，制成焊條在焊接過程中煙塵量由原來的19.1 mg/m3降至現(xiàn)在的13.0 mg/m3，客戶對(duì)此批盤條給予了滿意的評(píng)價(jià)。

圖5 工藝改進(jìn)后檢測(cè)圖片

4 結(jié)論

（1）H08A盤條表面氧化鐵皮相結(jié)構(gòu)異常，靠近基體表面出現(xiàn)Fe3O4層導(dǎo)致焊接煙塵量增大。

（2）加快盤條在900～800℃與600～450℃的冷卻速度，可防止Fe3O4層的出現(xiàn)，有效改善氧化鐵皮結(jié)構(gòu)。

［1］崔海濤，劉靖.控冷工藝對(duì)高碳鋼氧化鐵皮厚度的影響［J］.河北冶金，2013（4）：47-49.

［2］王克杰.低碳鋼盤條氧化鐵皮形成機(jī)理及其控制研究［J］.天津冶金，2012（5）：1-4.

［3］蔣柯，韓靜濤.20MnSi氧化鐵皮成分和結(jié)構(gòu)研究［J］.軋鋼，1999專輯：117-119.

（編輯 袁曉青）

Optimization of Microstructure of Oxidized Scales on Surface of Hot Rolled Wire Rods for Welding

Lv Jianxun,Jiang Yanju,Deng Guoguang,Zhu Jiang
（Steel Bars and Wire Rods Research Institute of Beiying Company of Benxi Iron&Steel Group Corporation,Benxi 117017,Liaoning,China）

There was the problem that heavy weld fumes occurred in welding by downstream customers when using welding rods made by H08A wire rods produced by Beiying Company of Benxi Iron&Steel Group Corporation.According to the analytical results by detection,the abnormal microstructure of the oxidized scales on the surface of the base wire rods was the major cause leading to heavy weld fumes.So some corresponding measures was taken,which includes adjusting the cooling temperature and cooling velocity for wire rods,increasing the cooling velocity for wire rods between 800℃and 900℃and between 450℃and 600℃by optimizing the rolling process and suitably improving the microstructure of the oxidized scales on the surface of wire rods to eliminate the intimal Fe3O4and increase the proportion of FeO providing that the normal microstructure of wire rods was not influenced.As a result,the amount of weld fumes was decreased and the working environment was improved.

hot rolled wire rod;oxidized scale;Fe3O4;cooling velocity;weld fume

TG335

A

1006-4613（2016）06-0057-04

2016-01-09

呂建勛，助理工程師，2012年畢業(yè)于山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成型專業(yè)。E-mail：jianxun900519@126.com