Fe-0.2Si鋼和Fe-2Si鋼在水蒸氣條件下高溫氧化動(dòng)力學(xué)研究

王建明,劉曉鳳,孫 彬,張連永,高 煒

(沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110044)

Fe-0.2Si鋼和Fe-2Si鋼在水蒸氣條件下高溫氧化動(dòng)力學(xué)研究

王建明,劉曉鳳,孫 彬,張連永,高 煒

(沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110044)

利用熱重法對Fe-0.2Si和Fe-2Si鋼在水蒸氣條件下進(jìn)行氧化動(dòng)力學(xué)測定,計(jì)算上述兩個(gè)鋼種的單位面積質(zhì)量增重量和激活能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在水蒸氣條件下高溫氧化,Fe-0.2Si的單位氧化增重量要大于Fe-2Si鋼,Fe-0.2Si的激活能小于Fe-2Si的激活能,即Fe-0.2Si鋼比Fe-2Si鋼更容易被氧化.

硅鋼;高溫氧化;氧化動(dòng)力學(xué);表面形貌

鋼在熱軋過程中與空氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng),產(chǎn)生大量鐵皮,浪費(fèi)鋼鐵資源并影響鋼材的表面質(zhì)量,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重.向鋼中加入適量的Si元素可以降低鋼材在高溫下的氧化程度[1-2].其抗氧化機(jī)理是:高溫下,Si元素會(huì)在界面處聚集形成一個(gè)保護(hù)層(主要由FeO+Fe2SiO4組成),這層物質(zhì)能減緩Fe元素和O元素的擴(kuò)散繼而影響氧化速率[3].本文對Fe-0.2Si鋼和Fe-2Si鋼在水蒸氣條件下進(jìn)行高溫氧化實(shí)驗(yàn),通過對兩個(gè)鋼種單位面積上質(zhì)量增重量、氧化速率常數(shù)及激活能的計(jì)算,建立氧化動(dòng)力學(xué)模型,比較兩者抗氧化性差異.

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用Fe-0.2Si鋼和Fe-2Si鋼.兩種鋼種的化學(xué)成分見表1.

將實(shí)驗(yàn)所用的兩種材料各自加工成4個(gè)15 mm×10 mm×2 mm的試件,使用800#～1500#SiC砂紙將試件打磨平整,在圖1所示的位置鉆一個(gè)直徑為3 mm的孔,超聲波清洗干凈后干燥待用.

表1 實(shí)驗(yàn)所用鋼的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of tested steels

使用高溫?zé)嶂胤治鰞x進(jìn)行氧化動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn),模擬實(shí)驗(yàn)過程曲線如圖2所示.具體過程為:把試件放入熱重分析儀的爐膛內(nèi),將爐膛抽真空;為保證在升溫過程中試件不被氧化,向爐膛以20 mL·min-1的速率通入氬氣達(dá)到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的穩(wěn)定狀態(tài),之后將試件以30 ℃·min-1的速率升溫至所設(shè)定的等溫溫度,進(jìn)入時(shí)長為120 min等溫氧化階段,此時(shí)爐膛內(nèi)以50 mL·min-1的速率通入相對濕度為95%的空氣和水蒸氣的混合氣體;氧化階段完成后,爐膛以20 mL·min-1的速率通入氬氣并以40 ℃·min-1的速率降至室溫后取出;在此過程中,設(shè)備內(nèi)的電子天平會(huì)記錄下此實(shí)驗(yàn)過程中試件的重量變化;實(shí)驗(yàn)的等溫溫度分別設(shè)定為900、1 000、1 100、1 200 ℃;用掃描電子顯微鏡(SEM)對試件的表面進(jìn)行觀察[4].

圖1試件鉆孔位置
Fig.1 Specimen borehole location

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后使

圖2實(shí)驗(yàn)過程示意圖
Fig.2 Diagram of experimental process

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1氧化動(dòng)力學(xué)曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得試件質(zhì)量變化數(shù)據(jù)繪制氧化動(dòng)力學(xué)曲線,試件單位面積氧化增重量隨氧化時(shí)間和氧化溫度變化的關(guān)系如圖3所示,其中Fe-0.2Si如圖3a所示,Fe-2Si鋼如圖3b所示.可以看出,在同一鋼種中,單位面積氧化增重量隨著溫度的升高而增大,說明氧化時(shí)間相同,升高溫度能加快氧化速率;在各個(gè)溫度下,試件單位面積氧化增重量均隨著時(shí)間的增加而逐漸變大,說明氧化溫度相同,氧化時(shí)間越長,試件被氧化得越嚴(yán)重.

圖3 Fe-0.2Si與Fe-2Si鋼的氧化增重曲線Fig.3 Oxidation increase curves of Fe-0.2Si steel and Fe-2Si steel(a)—Fe-0.2Si鋼;(b)—Fe-2Si鋼.

2.2恒溫氧化動(dòng)力學(xué)模型

氧化產(chǎn)物的生長符合拋物線方程,由kofstad[5],質(zhì)量增重量與氧化速率常數(shù)的方程為

式中:ΔW為質(zhì)量增重量;Kp為氧化速率常數(shù);t為氧化時(shí)間.根據(jù)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出Fe-0.2Si鋼和Fe-2Si鋼在各個(gè)溫度下的Kp值見表2.可以看出,在900、1 000和1 100 ℃下,Fe-0.2Si鋼的氧化速率常數(shù)均大于Fe-2Si鋼的氧化速率常數(shù);且Fe-0.2Si鋼和Fe-2Si鋼的氧化速率常數(shù)均隨著溫度的升高而變大,即生成氧化物的量隨著溫度的升高而增加.

由Arrhenius及S.Nevio Balo[6],氧化速率常數(shù)與鋼種的激活能之間的關(guān)系為

式中:K0為模型常數(shù);Q為鋼種的激活能;θ為氧化溫度;R為氣體常數(shù).

對式(2)等號兩邊取對數(shù)得出方程

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,已知各個(gè)溫度下兩個(gè)鋼種的Kp、R、θ值,可通過計(jì)算求出lnkp和1/θ[7].通過對各溫度下lnKp和1/θ的擬合,繪制直線如圖4,其中圖4a為Fe-0.2Si鋼的擬合曲線,圖4b為Fe-2Si鋼的擬合曲線.

表2 各實(shí)驗(yàn)溫度下氧化速率常數(shù)Kp值Table 2 The constant value Kp of the oxidation rate at each experimental temperature

圖4 實(shí)驗(yàn)鋼種ln(Kp)與1 000/θ所得擬合曲線Fig.4 Steel fitted curve of ln(Kp) and 1 000/θ(a)—Fe-0.2Si鋼;(b)—Fe-2Si鋼.

通過直線的斜率(-Q/R)可計(jì)算出Fe-0.2Si鋼的激活能為186.043 kJ·mol-1,Fe-2Si鋼的激活能為960.632 kJ·mol-1,即Fe-2Si鋼的激活能大于Fe-0.2Si鋼的激活能.說明在高溫水蒸氣條件下,Fe-2Si鋼的抗氧化性優(yōu)于Fe-0.2Si鋼.

在Fe-2Si鋼1 200 ℃的氧化實(shí)驗(yàn)中,由于Fe-2Si鋼的氧化速率特別快,在短短的十幾分鐘氧化增重量就超過熱重分析儀天平的量程,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不全面.可以根據(jù)上文已經(jīng)計(jì)算出的Fe-2Si鋼激活能Q及等式(1)、式(3),計(jì)算出在1 200 ℃下Fe-0.2Si鋼的單位面積上的氧化增重量為15.459 6 mg·mm-2,將Fe-0.2Si鋼與Fe-2Si鋼的單位面積氧化增重量隨氧化溫度的變化數(shù)據(jù)繪制在同一圖中,如圖5所示.

圖5兩種鋼材氧化增重量對比
Fig.5 Oxidation increasement of the two kinds of steels

可以看到,氧化時(shí)間和氧化氣氛相同,Fe-2Si鋼的單位面積氧化增重量在900、1 000、1 100 ℃時(shí)均小于Fe-0.2Si鋼,只有在1 200 ℃時(shí)Fe-2Si鋼的單位面積氧化增重量大于Fe-0.2Si鋼,這是因?yàn)镕e-2Si鋼經(jīng)高溫加熱后,氧化產(chǎn)物中存在大量Fe2SiO4相[8],如圖6所示.而Fe2SiO4的液相溫度是1 173 ℃[9],所以在加熱溫度為1 200 ℃的實(shí)驗(yàn)中,Fe-2Si鋼中的Fe2SiO4相發(fā)生液化,液化的Fe2SiO4相分別向氧化鐵皮內(nèi)部和鋼基體中快速擴(kuò)散,液化的Fe2SiO4在擴(kuò)散的同時(shí)會(huì)帶動(dòng)其他陽離子和陰離子擴(kuò)散,從而失去了保護(hù)鋼基體的作用,加快了氧化速率[10].而Fe-0.2Si鋼,由于Si的含量較低,Fe2SiO4相很少量的存在或是不存在,即Fe2SiO4相的液化對Fe-0.2Si鋼的氧化速率影響不大.所以在1 200 ℃時(shí),位面積氧化增重量和氧化速率遠(yuǎn)大于Fe-0.2Si鋼.

Fe-2Si鋼的單

圖6 Fe2SiO4相
Fig.6 The phase of Fe2SiO4

3 結(jié) 論

(1) 對Fe-0.2Si鋼和Fe-2Si鋼進(jìn)行熱重分析實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在同一高溫水蒸氣下氧化120 min后,在900、1 000和1 100 ℃下Fe-0.2Si鋼的單位面積的氧化增重量均大于Fe-0.2Si鋼,在1 200 ℃下,Fe-0.2Si鋼的單位面積的氧化增重量小于Fe-0.2Si鋼.

(2) 通過計(jì)算可得Fe-0.2Si鋼的激活能為186.043 kJ·mol-1,Fe-2Si鋼的激活能為960.632 kJ·mol-1.即Fe-2Si鋼的激活能大于Fe-0.2Si鋼.說明在同一高溫水蒸氣條件下,Fe-0.2Si鋼要較Fe-2Si鋼更容易被氧化.

(3) 1 200 ℃時(shí),Fe-2Si鋼的氧化產(chǎn)物中存在大量的Fe2SiO4相,Fe2SiO4相的液化使鋼基體失去作用,從而加快了Fe-2Si鋼的氧化速率.

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OxidationDynamicsofFe-0.2SiandFe-2SiSteelsunderWaterVaporatHighTemperature

WangJianming,LiuXaofeng,SunBin,ZhangLianyong,GaoWei

(College of Mechanical Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China)

Isothermal oxidation kinetics of Fe-0.2Si and Fe-2Si steel was studied under water vapor by thermogravimetry,and the mass gain and activation energy were calculated.The result shows that Fe-0.2Si steel has larger mass gain than Fe-2Si steel.The activation energy of Fe-0.2Si steel is smaller than Fe-2Si steel.So the Fe-0.2Si steel is easier oxidation than Fe-2Si steel under water vapor at high temperature.

silicon steel;high temperature oxidation;oxidation kinetics;surface morphology

2017-06-14

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51301111);遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201602523).

王建明(1963-),男,江西寧都人,沈陽大學(xué)教授.

2095-5456(2017)05-0349-04

TG 111.5

A

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