熱軋時(shí)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(chǎng)部 安徽馬鞍山 243000)

鋼鐵是一種性能較為優(yōu)良，成本相對(duì)較低，綜合性能較好的金屬材料，應(yīng)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(yīng)用屬性，需要經(jīng)過特殊的加工工藝對(duì)鋼材進(jìn)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(jīng)過高溫?zé)彳埖匿摬亩家潭私Y(jié)晶溫度，達(dá)到結(jié)晶溫度以上軋制而成的鋼材屬性內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，鋼材的使用性能也變得更加優(yōu)良。雖然熱軋鋼的改性在應(yīng)用性能方面有著較好的優(yōu)勢(shì)，但是熱軋的過程中鋼材與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，在高溫作用下產(chǎn)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(dá)10%，并且對(duì)于熱軋件的表面質(zhì)量也會(huì)形成負(fù)面影響。研究熱軋鋼高溫氧化鐵皮的發(fā)生對(duì)于控制高溫氧化鐵皮的產(chǎn)生和優(yōu)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(yīng)用優(yōu)勢(shì)是軋制件的韌性、強(qiáng)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(duì)于剛材表面的質(zhì)量和氧化程度影響不同。鍍合金工藝優(yōu)于傳統(tǒng)的熱軋鋼工藝。

2 熱軋鋼表面氧化物的結(jié)構(gòu)及其氧化物類型

2.1 氧化物的結(jié)構(gòu)

熱軋鋼表面的氧化物結(jié)構(gòu)總共三層，自內(nèi)而外分別是FeO、Fe3O4、Fe2O3，氧化物顏色分別呈藍(lán)灰色、灰色和紅色。FeO的晶體結(jié)構(gòu)為氧化鈉離子，結(jié)構(gòu)空隙較大，易溶于酸，且酸環(huán)境下易被腐蝕，氧化反應(yīng)式為，2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3。Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)為黑色離子晶體，結(jié)構(gòu)緊致，既不容易溶于酸，也耐腐蝕。Fe2O3的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體，結(jié)構(gòu)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(huì)發(fā)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(chǎn)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(fā)生的條件為1200℃，且溫度持續(xù)時(shí)間為3-4小時(shí)。將鋼材防治到高溫加熱爐內(nèi)加熱，持續(xù)加熱3-4小時(shí)1200℃的溫度，在這種環(huán)境下，鋼坯表面的鐵離子與空氣中的氧離子發(fā)生反應(yīng)，在表明氧化產(chǎn)生一層較厚的氧化物，這種氧化物就是一次氧化鐵皮。因?yàn)檠趸h(huán)境發(fā)生在爐內(nèi)，因此也叫爐生氧化鐵皮。一次氧化鐵皮有著較強(qiáng)的結(jié)合能力，因此氧化層較厚，結(jié)構(gòu)較為密集，造成的鋼材浪費(fèi)也較為嚴(yán)重。

2.二次氧化鐵皮

經(jīng)過加熱的鋼材出爐后需要初步熱軋，熱軋過程中需要應(yīng)用高壓水流對(duì)一次氧化鐵皮處理。初步熱軋也稱粗軋，粗軋要反復(fù)多次，熱軋環(huán)境依舊為高溫，反復(fù)熱軋的過程中熱軋件表面的鋼材繼續(xù)與空氣中的氧氣反應(yīng)，這個(gè)過程會(huì)發(fā)生二次的氧化反應(yīng)，出現(xiàn)二次氧化鐵皮。由于粗軋的時(shí)間相較于爐內(nèi)熱軋較短，因此二次氧化鐵皮厚度較薄，結(jié)合面也較為稀疏。

3.三次氧化鐵皮

熱軋鋼粗軋后還要經(jīng)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(shí)間為5到30秒，這個(gè)過程中發(fā)生的鐵與空氣中的氧氣反應(yīng)的氧化物就是三次氧化鐵皮。由于精軋的時(shí)間較短，氧化鐵皮的量較少，僅為薄薄的一層，結(jié)合面稀松，因此表面極易受溫度和卷取的影響發(fā)生變化，最終影響熱軋剛件的表層質(zhì)量。三次氧化鐵皮在冷卻及卷取中的變化會(huì)導(dǎo)致氧化鐵層發(fā)生共折反應(yīng)，進(jìn)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(shí)易發(fā)生共折反應(yīng)。首先是氧化鐵層發(fā)生共折反應(yīng)，共折為四氧化三鐵，其結(jié)構(gòu)為四邊形狀。隨著卷取溫度減低，氧化鐵還可能會(huì)繼續(xù)發(fā)生共折反應(yīng)，再共折為板條狀的四氧化三鐵或鐵，并呈現(xiàn)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(huì)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(jié)構(gòu)緊致的氧化鐵表征，而它也是影響熱軋鋼表面質(zhì)量和抗腐蝕性的重要因素。

3 高溫氧化鐵皮產(chǎn)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(kuò)散能力，同時(shí)也可以預(yù)防氧離子向內(nèi)的能力。不同的不僅在熱軋鋼中的應(yīng)用對(duì)于熱軋鋼表面質(zhì)量有著不同的影響。在應(yīng)用對(duì)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(cè)試中，抗氧化能力從強(qiáng)到弱分別是Si﹥Ni﹥Cr﹥Cu。抑制熱軋鋼表面發(fā)生氣泡層的作用從強(qiáng)到弱的元素風(fēng)別為為 Ni

1. Si 元素的影響

硅元素在地殼中的儲(chǔ)量較大，價(jià)格相對(duì)便宜，應(yīng)用硅元素作為防氧化鍍層首先是生產(chǎn)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(huì)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(fā)生反應(yīng)后形成二氧化硅，繼續(xù)反應(yīng)會(huì)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(nèi)發(fā)展的作用。簡(jiǎn)而言之，尖晶石化合物組織了氧氣與鋼基體繼續(xù)反應(yīng)，因此會(huì)減少氧化物的產(chǎn)生，減小熱軋件表面可能發(fā)生的缺陷。

2. Cr 元素的影響

鉻元素的本身具有耐腐蝕、質(zhì)地堅(jiān)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(qiáng)度。它的原理與硅元素的氧化反應(yīng)類似。鉻元素通過氧化反應(yīng)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(nèi)擴(kuò)散和鐵離子向外擴(kuò)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(fā)生過程來看，氧化層厚度的產(chǎn)生與三層氧化熱軋溫度時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。也就是說終軋的溫度時(shí)間會(huì)影響氧化鐵皮的厚度，當(dāng)終軋的溫度越長(zhǎng)，氧化層的厚度越厚。因此，熱軋中可以通過適當(dāng)?shù)目刂平K軋的溫度時(shí)間來減少氧化層的發(fā)生。

2.卷取溫度的影響

由于冷卻速度回影響氧化鐵發(fā)生共折發(fā)應(yīng)的程度，因此卷取的冷卻速度也會(huì)影響高溫氧化鐵皮的厚度。以570℃為例，當(dāng)溫度低于570℃時(shí)，隨著溫度降低氧化層表層共折反應(yīng)發(fā)生并擴(kuò)大，而大于570℃時(shí)，則不發(fā)生共折反應(yīng)。因此建議在﹥570℃以上的條件實(shí)施卷取。

4 結(jié)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(chǎn)生量、面積、形態(tài)的重要因素。鑒于高溫氧化鐵皮對(duì)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(yīng)該通過有效的改善加工工藝預(yù)防和減少高溫氧化鐵皮的產(chǎn)生，科學(xué)合理的控制氧化皮結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(qiáng)熱軋件表面質(zhì)量控制，避免鋼材浪費(fèi)。