加熱氣氛對Q345B鋼表面氧化鐵皮結(jié)構(gòu)的影響

郭云俠，于 帥，張 迪，郭愛民，黃貞益，王道遠

（安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243032）

科學技術(shù)的飛速發(fā)展對鋼鐵材料的質(zhì)量要求越來越高。鋼鐵材料在加熱過程中，材料表面的鐵原子與加熱爐氣氛中的O2，H2O，CO2等發(fā)生化學反應產(chǎn)生氧化鐵皮[1-4]。鋼鐵企業(yè)不得不增加除鱗工序如高壓水除鱗、酸洗除鱗、機械除鱗等以清除材料表面的氧化鐵皮。但增加除鱗工序不僅消耗大量能源資源、對環(huán)境造成不利影響，而且在除鱗不盡的情況下后續(xù)軋制中會使殘存的氧化鐵皮壓入鋼坯表面，惡化產(chǎn)品表面質(zhì)量，加劇設(shè)備磨損，甚至會直接導致產(chǎn)品殘次報廢。此外，鋼坯表面產(chǎn)生的氧化皮會堆積在加熱爐爐底，易使耐火 材料遭受侵蝕，降低爐體壽命，嚴重的會導致加熱爐停產(chǎn)[5-7]。因此，控制鋼鐵材料表面氧化鐵皮的生成至關(guān)重要。

鋼鐵材料在加熱過程中表面生成的鐵氧化物包括FeO(方鐵礦)、Fe3O4(磁鐵礦)和Fe2O3(赤鐵礦)。其中：方鐵礦為疏松多孔結(jié)晶結(jié)構(gòu)，較為脆弱，出爐后易漲裂脫落；磁鐵礦是以結(jié)晶狀態(tài)存在的致密結(jié)構(gòu)，密度較低，塑韌性較好，且具黏附性。對于爐生氧化鐵皮，要使其在粗軋軋制前易用高壓水除鱗去除，應使FeO(方鐵礦)的含量較高[8-9]。陳宇杰等[10]通過高溫氧化模擬實驗分析了保溫溫度和保溫時間對爐氧化鐵皮結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明鋼鐵在高溫氧化后表面會產(chǎn)生分層的氧化鐵皮；李忠友等[11]通過對熱板氧化鐵皮生成原因與解決措施的分析，探討影響鋼坯在加熱爐內(nèi)氧化的主要因素，結(jié)果顯示板坯在加熱過程中通常會產(chǎn)生氧化鐵皮，氧化鐵皮的生成量與鋼種、加熱溫度、加熱時間、爐內(nèi)氣氛及操作水平等因素有關(guān)。鑒于上述研究成果，文中針對某鋼廠加熱爐的生產(chǎn)特點，研究加熱爐預熱段、加熱段與均熱段的空氣過剩系數(shù)對氧化鐵皮結(jié)構(gòu)及含量的影響，以期對現(xiàn)場生產(chǎn)具有一定的指導作用。

1 實驗材料及方法

實驗鋼取自某鋼廠生產(chǎn)的Q345B，將Q345B鑄坯加工成170 mm×110 mm×12 mm 尺寸的鋼坯試樣，其化學成分如表1。根據(jù)加熱爐生產(chǎn)特點，采用載坯實驗進行加熱爐全流程加熱[12]，將實驗鋼坯放置在正常連鑄坯中部，然后置于加熱爐中加熱，鑄坯擺放位置如圖1。本實驗需依托鋼廠的工業(yè)加熱爐，考慮到鋼廠生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期，結(jié)合鋼廠技術(shù)人員的現(xiàn)場經(jīng)驗，制定表2 所示的加熱方案。加熱總時間設(shè)定為150～180 min，出爐溫度(1 190±10)℃。對于加熱后的試樣，用冷卻水澆注其下底面冷卻至室溫，以保持爐生氧化鐵皮的原始結(jié)構(gòu)和形貌。采用火花線切割機將實驗鋼坯切割成10 mm×10 mm×8 mm 尺寸的試樣，為避免氧化鐵皮脫落影響實驗效果，將試樣在拋光機上去除毛刺后，置于質(zhì)量分數(shù)為99.5%的無水乙醇溶液中用超聲波清洗去除試樣表面的乳化液。在XQ-2B型金相鑲嵌機上用鑲嵌料對試樣進行鑲嵌、機械磨拋，然后用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液深度腐蝕，在JFC-1600 型真空鍍金儀上噴金。用JSM-6510LV 型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察氧化鐵皮表面微觀組織結(jié)構(gòu)形貌，結(jié)合能譜儀(energy disperse spectroscopy，EDS)對局部區(qū)域進行能譜分析，并用X射線衍射儀(X ray diffraction，XRD)對手動剝離的氧化鐵皮上下表面和基體表面進行成分分析。

表1 實驗鋼化學成分，w/%Tab.1 Chemical composition of experimental steel，w/%

圖1 實驗鋼坯擺放示意圖Fig.1 Layout of experimental billet

表2 現(xiàn)場實施方案Tab.2 Actual implementation plan

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 成分分析

圖2為氧化鐵皮上下表面和基體的X射線衍射圖譜。由圖2(a)可知：加熱氣氛1基體表面的氧化鐵皮成分為Fe3O4，F(xiàn)e2O3和FeO，其中FeO含量占比最大且分布較為均勻；加熱氣氛2基體表面的氧化鐵皮成分主要由Fe3O4，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)eO及少量Fe組成，其中Fe3O4含量最高，F(xiàn)eO次之；加熱氣氛3基體表面的氧化鐵皮由大量FeO及少量Fe組成。由圖2(b)可知：氧化鐵皮表層主要成分為Fe3O4，F(xiàn)e2O3以及少量FeO；加熱氣氛3氧化鐵皮表面的Fe3O4含量最少；加熱氣氛1氧化鐵皮表面的Fe3O4含量最多。由圖2(c)可知：氧化鐵皮下表面主要成分為Fe3O4和FeO以及少量Fe2O3；加熱氣氛3下表面氧化鐵皮Fe3O4成分含量較少，而FeO含量較多；加熱氣氛1下表面氧化鐵皮的Fe3O4成分含量最多，F(xiàn)eO含量最少。

圖2 氧化鐵皮上下表面和基體的X射線衍射圖譜Fig.2 XRD patterns of upper and lower surface and matrix of oxide scale

2.2 形貌分析

2.2.1 加熱氣氛1氧化鐵皮表面形貌

圖3為加熱氣氛1氧化鐵皮表面的微觀形貌。

圖3 加熱氣氛1基體氧化鐵皮表面微觀形貌Fig.3 Surface micro morphology of the base oxide scale in heating atmosphere 1

從圖3 可看出：加熱氣氛1 實驗鋼爐生氧化鐵皮存在明顯的分層；氧化鐵皮外層破裂邊緣某特定區(qū)域1處存在柳絮狀的Fe2O3以及少量蜂窩狀的Fe3O4；氧化鐵皮中層某特定區(qū)域2處出現(xiàn)較多蜂窩狀結(jié)構(gòu)和一些細小裂紋，判斷此處氧化鐵皮成分為Fe3O4；氧化鐵皮內(nèi)層某特定區(qū)域3處存在大量不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)的FeO，這與圖2所示結(jié)果相符。

利用能譜儀對圖3(a)中橫線區(qū)域進行線掃描，得到的元素分布如圖4。從圖4 可看出，掃描距離為0～18 μm時，氧與鐵的原子數(shù)之比約2∶1，大于Fe2O3中的氧鐵原子數(shù)之比。結(jié)合圖3可知：Fe2O3含量較少，氧、硅含量有所下降，鐵含量有所上升，氧鐵原子數(shù)之比基本符合Fe3O4中的氧鐵原子數(shù)之比，因此該掃描區(qū)域氧化鐵皮成分主要為Fe3O4；掃描距離為25～46 μm時，氧、鐵、硅含量均上升，考慮到實驗鋼中硅含量較多，高溫下易在氧化鐵皮-基體界面形成Fe2SiO4[13-14]，除去該化合物對氧鐵原子數(shù)之比的影響外，氧鐵的原子數(shù)之比大致為1.09∶1，符合FeO中的氧鐵原子數(shù)之比1∶1[15]；掃描距離在46～100 μm時，氧、硅含量急劇下降，鐵含量急劇上升后處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，判定該范圍是鐵基體。

圖4 加熱氣氛1基體氧化鐵皮表面能譜分析Fig.4 Energy spectrum analysis of the base oxide scale surface in heating atmosphere 1

2.2.2 加熱氣氛2氧化鐵皮表面形貌

圖5為加熱氣氛2氧化鐵皮表面微觀形貌。由圖5可看出：與加熱氣氛1相比，加熱氣氛2氧化鐵皮表面無明顯的分層；氧化鐵皮表面區(qū)域1有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，判斷此處氧化鐵皮成分為Fe3O4，區(qū)域3中也呈明顯的類似結(jié)構(gòu)；區(qū)域2和3中存在大量不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)的FeO，同時區(qū)域2中有類似團絮狀的Fe2O3。這與圖2所示結(jié)果相符。

采用X射線能譜儀對氣氛2氧化鐵皮表面橫線區(qū)域進行掃描分析，結(jié)果如圖6。從圖6可看出，氧原子個別峰值波動較大，且氧峰值急劇降低的地方硅峰值也急劇降低，結(jié)合圖5(a)發(fā)現(xiàn)，峰值急劇降低的地方存在小凹坑，是微小裂縫造成的。掃描距離為0～25 μm時，氧鐵原子數(shù)之比約1.41∶1，基本符合氧化鐵皮中Fe2O3的氧鐵原子數(shù)之比，因此該區(qū)域內(nèi)氧化鐵皮主要成分為Fe2O3；掃描距離為25～200 μm時，氧鐵原子數(shù)之比約1.32∶1，大致符合氧化鐵皮中Fe3O4的氧鐵原子數(shù)之比，因此在該掃描區(qū)域內(nèi)氧化鐵皮主要成分為Fe3O4；掃描距離為200～370 μm時，除硅的氧化物造成的氧原子數(shù)增多外，氧鐵原子數(shù)之比約1.1∶1，大致符合FeO中的氧鐵原子數(shù)之比，因此該掃描區(qū)域中氧化鐵皮成分主要為FeO，這與前述氧化鐵皮形貌分析基本相符。

圖5 加熱氣氛2基體氧化鐵皮表面微觀形貌Fig.5 Surface micro morphology of the base oxide scale in heating atmosphere 2

圖6 加熱氣氛2基體氧化鐵皮表面能譜分析Fig.6 Energy spectrum analysis of the base oxide scale surface in heating atmosphere 2

2.2.3 加熱氣氛3氧化鐵皮表面形貌

圖7為加熱氣氛3氧化鐵皮表面的微觀形貌。從圖7可看出：加熱氣氛3氧化鐵皮表面無明顯的分層現(xiàn)象，區(qū)域1處明顯存在塊狀結(jié)構(gòu)，判斷此處氧化鐵皮成分為FeO；區(qū)域2處存在大量類似蜂窩狀結(jié)構(gòu)，判定此處氧化鐵皮成分為Fe3O4。區(qū)域3處存在塊狀結(jié)構(gòu)，此處因體積效應產(chǎn)生內(nèi)應力形成許多裂紋[16]，判定此處為疏松FeO層的微裂紋。圖8為橫線區(qū)域氧化鐵皮線掃描的能譜分析。

圖8 加熱氣氛3基體氧化鐵皮表面能譜分析Fig.8 Energy spectrum analysis of the base oxide scale surface in heating atmosphere 3

由圖8可看出：掃描距離為0～280 μm時，氧、鐵、硅3種元素含量走勢相對較為平穩(wěn)，除去硅氧化物造成的氧原子數(shù)增加外，氧鐵原子數(shù)之比約保持在1.1∶1，與FeO中的氧鐵原子數(shù)之比基本吻合，認為該掃描區(qū)域內(nèi)氧化鐵皮主要成分是FeO；掃描距離為360～380 μm和395～440 μm時，各元素原子數(shù)急劇下降，結(jié)合圖7(a)，該掃描范圍為裂縫；掃描距離為380～395 μm和440～500 μm時，除去硅和氧元素的影響，氧鐵原子數(shù)之比約1.14∶1，大致符合FeO中的氧鐵原子數(shù)之比，因此該掃描區(qū)域內(nèi)FeO為主要存在相。

3 結(jié) 論

1)3種加熱氣氛下Q345B鋼表面的爐生氧化鐵皮均由鐵的3種氧化物FeO、Fe3O4和Fe2O3組成；

2)與基體界面相比，氧化鐵皮界面因體積效應產(chǎn)生內(nèi)應力出現(xiàn)微小裂紋和裂縫，這可為機械除鱗提供有利條件；

3)加熱氣氛1和加熱氣氛2生成的氧化鐵皮Fe2O3和Fe3O4含量較高、FeO含量較低，加熱氣氛3氧化鐵皮中FeO厚度最大、氧化鐵皮的綜合特征較好，因此加熱氣氛3是較理想的加熱氣氛。