熱軋時(shí)鋼鐵材料高溫氧化鐵皮的研究進(jìn)展分析

徐 挺

近年來我國鋼鐵也發(fā)展迅速，為社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。高溫?zé)彳埵卿撹F加工的重要工序，所以受到了人們的廣泛關(guān)注。熱軋不禁改善了鑄造和組織，也消除了纖維和組織缺陷，細(xì)化了鋼材晶粒，使鋼組織更加地密實(shí)，提高了力學(xué)性提高。在熱軋過程中，鋼材會接觸空氣，經(jīng)過了氧化反應(yīng)后會產(chǎn)生氧化鐵皮，這會造成資源浪費(fèi)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量降低，從而給企業(yè)帶來一定經(jīng)濟(jì)損失。熱軋和鍛造以及調(diào)質(zhì)熱處理時(shí)，會損失鋼總量的7%～10%的資源，所以高溫氧化會影響鐵皮形成和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致一些缺陷出現(xiàn)。鋼鐵當(dāng)前是用量較大的一種材料，這種材料的性能比較優(yōu)良，而且生產(chǎn)成本較低，綜合性非常的好，是一種性價(jià)比較高的金屬材料，所以當(dāng)前應(yīng)用范圍比較廣泛。但是普通的鋼材在韌性方面表現(xiàn)的較差，并且可焊性也較差，為了有效地提升普通鋼材的應(yīng)用性，需要進(jìn)行特殊的加工和處理，才能有效地改變這些問題。鋼材的改性加工，當(dāng)前的工藝較多。其中熱軋鋼是比較常用的方法，主要是通過高溫進(jìn)行處理，從而改變鋼材性能，經(jīng)過熱軋的鋼材會形成結(jié)晶溫度，達(dá)到了結(jié)晶溫度后，軋制的鋼材屬性會發(fā)生變化，性能也會變得優(yōu)良。雖然熱軋鋼有較好的優(yōu)勢，但是會出現(xiàn)氧氣反應(yīng)，在高溫的作用會出現(xiàn)氧化鐵皮，會造成材料損失，并且對于熱軋件表面也會產(chǎn)生影響。

1 熱軋鋼的工藝分析

熱軋鋼就是通過高溫加熱的方式所軋制而成的鋼件，加工所采用的工藝，一般需要先進(jìn)行煉鐵和煉鋼，然后再進(jìn)行模鑄和熱軋，最后再進(jìn)行冷軋。這種工藝的優(yōu)勢，可以有效地改善焊接的韌性和強(qiáng)度，并很大程度地提高了熱軋鋼性能，同時(shí)還使用了鍍合金工藝，對于不同的合金材料，影響程度有很大不同，所以這種鍍合金工藝，比傳統(tǒng)的熱軋鋼工藝有明顯的優(yōu)勢。我國現(xiàn)在正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的轉(zhuǎn)型時(shí)期，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了許多工藝的發(fā)展和創(chuàng)新，在熱軋工藝上也有了很大程度地提高，這不僅有效地提高了生產(chǎn)效率，也很大程度地降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。當(dāng)前在具體生產(chǎn)和加工是雖然還存在一些問題，但是相信通過不斷的努力和改進(jìn)，一定可找到有效方法改變當(dāng)前的問題。

2 表面氧化物結(jié)構(gòu)和類型

2.1 氧化物的基本結(jié)構(gòu)分析

在熱軋鋼表面會有一定的氧化物，結(jié)構(gòu)大概分了三層，分別是FeO和Fe3O4，以及Fe2O3，氧化物的顏色也有一定的差別，分別是藍(lán)灰色和灰色以及紅色。其中的FeO晶體是氧化鈉離子，結(jié)構(gòu)的空隙相對較大，而且比較易溶于酸，但是在酸環(huán)境下，比較容易被腐蝕，這種情況的氧化反應(yīng)式是：2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3。其中的Fe3O4是晶體結(jié)構(gòu)，一般是黑色的離子晶體，而且結(jié)構(gòu)比較緊致，不易溶于酸，耐腐蝕性也較強(qiáng)。而Fe2O3是晶體結(jié)構(gòu)，是六方晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)非常的緊致，但是也不溶于酸。所以在具體工作中，應(yīng)當(dāng)充分考慮這些元素的影響，有效地提高生產(chǎn)質(zhì)量。

2.2 氧化物的主要類型

熱軋過程中會進(jìn)行三次氧化皮。這三次的氧化物條件有很大不同，氧化程度也有很大差異，具體表現(xiàn)如下：首先，是一次的氧化鐵皮。發(fā)生條件是1200℃，溫度的持續(xù)時(shí)間一般是3h～4h之間。到高溫加熱爐進(jìn)行加熱時(shí)，持續(xù)的加熱時(shí)間一般為3h～4h，溫度應(yīng)當(dāng)在1200℃左右，這會使表面的鐵離子與氧離子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生較厚的氧化物，這就是一次的氧化鐵皮。因?yàn)槭窃跔t內(nèi)發(fā)生的，也可以叫爐生的氧化鐵皮，這種鐵皮有較強(qiáng)的結(jié)合力，而且氧化層比較厚，結(jié)構(gòu)非常的密集，浪費(fèi)情況也比較嚴(yán)重。其次，是二次的氧化鐵皮。鋼材出爐后要進(jìn)行初步的熱軋，也可以叫做粗軋，需要用高壓水流進(jìn)行處理，這個(gè)步驟要反復(fù)多次，要在高溫環(huán)境下進(jìn)行，反復(fù)熱軋時(shí)會出現(xiàn)氧氣反應(yīng)，從而出現(xiàn)了二次的氧化鐵皮。由于時(shí)間較短，二次氧化的鐵皮較薄，所以結(jié)合面比較稀疏。最后，三次的氧化鐵皮。這個(gè)過程采用的是精軋工藝，而且軋速比較高，時(shí)間大概是5s～30s之間，發(fā)生的氧化物，就是三次的氧化鐵皮。由于精軋時(shí)間短，所以鐵皮量較少，結(jié)合面非常地稀松，表面容易受到溫度影響，從而影響熱軋質(zhì)量，在實(shí)際工作中，要高度重視溫度的影響。

3 合金元素產(chǎn)生的主要影響

在進(jìn)行熱軋時(shí)合金元素會產(chǎn)生一定的影響，尤其是對氧化鐵皮的影響，在顯微結(jié)構(gòu)方面還有厚度方面的影響最大，所以在實(shí)際工作中，要對這些情況要重點(diǎn)關(guān)注。在進(jìn)行高溫氧化時(shí)，一般情況下合金元素會積累在鐵皮和基體界面處，對于這個(gè)部位應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注。這個(gè)部位的合金元素，作用主要有兩個(gè)方面。第一，是可以在一定程度上加強(qiáng)鐵皮和基體交界面強(qiáng)度，可以有效地抑制氣泡的出現(xiàn)。第二，有效地阻礙了鐵離子擴(kuò)散，海洋氧離子的擴(kuò)散情況，很大程度地減慢了氧化速率。在實(shí)際工作中由于阻礙了離子的擴(kuò)散程度，使得合金鋼當(dāng)中的Fe2O3和海洋中的Fe3O4厚度發(fā)生了一定改變，在百分比方面高于了低碳鋼。但是對于Cu和Cr，還有Ni和Si這四種合金，通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)了，具有一定阻止氧化能力，其能力大小的具體情況是Cu＜Cr＜Ni＜Si，而其中的抑制鐵皮，產(chǎn)生的氣泡能力大小情況是Ni＜Cr＜Cu＜Si。

3.1 Si元素的影響情況分析

Si是重要的元素，在自然界中廣泛地存在，而且存在量也比較大，在地殼當(dāng)中的儲量排在了第二，僅次于氧元素含量，而且這種元素的價(jià)格比較便宜，使用成本比較低。Si元素在氧化過程中具有重要作用，尤其是在鋼的氧化中，具有不可替代的作用，所以要對這種元素的影響進(jìn)行充分分析。Si元素在氧化時(shí)，主要的作用是會在界面處位置，聚集和形成保護(hù)層，這個(gè)保護(hù)層可以有效地減緩Fe和O元素?cái)U(kuò)散，很大程度地降低了擴(kuò)散速度，從而影響了氧化速率。在低碳鋼熱軋時(shí)，可以加入一定Si元素，這種元素經(jīng)過了高溫加熱以后，會導(dǎo)致原子擴(kuò)散，而Si原子會匯集到界面處，并與氧氣發(fā)生一定的反應(yīng)，生成了SiO2元素，之后繼續(xù)還可以發(fā)生一些比較復(fù)雜的反應(yīng)，會生成Fe2SiO4元素，而這一層結(jié)構(gòu)主要是由FeO+Fe2SiO4組成。含有一定的Si元素，這時(shí)的氧化鐵皮結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定的改變。這層的氧化鐵皮是由Si和O，以及Fe元素組成，該氧化物層可以阻礙O離子和Fe離子發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)溫度達(dá)到了相應(yīng)溫度時(shí)，或者是高于這個(gè)溫度是，會產(chǎn)生液相層。要想出現(xiàn)這樣的情況，一般情況下溫度要在173℃以上，鋼基體和氧化鐵皮才會出現(xiàn)Fe2SiO4液相層。當(dāng)這個(gè)液相層出現(xiàn)以后，會向外側(cè)和內(nèi)側(cè)進(jìn)行滲透，滲透到外側(cè)時(shí)會起到釘扎的作用，有效地增加了鐵皮的粘附性，但是在后續(xù)除鱗時(shí)會比較麻煩，會很難除干凈。如果是滲透到了內(nèi)部，會使平直度下降，增大了除鱗難度。在熱軋是要充分考慮Fe2SiO4的影響，如果液化比較嚴(yán)重，會降低除鱗性，這樣會引起紅色的鐵皮，以及氧化鐵皮的壓入，導(dǎo)致表面出現(xiàn)缺陷。通過相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，如果硅含量比較高時(shí)，應(yīng)當(dāng)引起注意，當(dāng)高于0.15%時(shí)就要特別注意，碳鋼經(jīng)過了高溫氧化后，就會出現(xiàn)富硅層。在具體操作時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)硅含量高于0.15%，而低碳鋼的問題在1143℃～1203℃之間，也就是FeO和Fe2SiO4共晶溫度，就會產(chǎn)生空氣當(dāng)中的氧化作用，這時(shí)就會發(fā)現(xiàn)兩者都有富硅層，而且Fe2SiO4的液相層，表現(xiàn)為結(jié)合致密，F(xiàn)eO大多是混合微粒，而且有部分的孔洞出現(xiàn)。之所以出現(xiàn)富硅層，是因?yàn)樯a(chǎn)中Fe2SiO4液相溫度不是1173℃，只是理論的液相溫度，與實(shí)際溫度有一定的差異，一般都會比這個(gè)溫度低，由于鋼種的成分不同，所以液相溫度也有一定的差別。在熱軋過程中，到冷軋后的處理，整個(gè)過程都會形成SiO2，可以把鋼基體的表層分布的SiO2稱為內(nèi)氧化層，內(nèi)氧化層形成后，將無法高壓除鱗。隨著氧化的進(jìn)行，內(nèi)氧化層當(dāng)中的SiO2會發(fā)生一定的變化，如果與氧化鐵皮發(fā)生了反應(yīng)以后會生成Fe2SiO4，從而形成了混合相。隨著Si的增加，氧化機(jī)制會發(fā)生改變，由內(nèi)氧化機(jī)制變成了外氧化機(jī)制，對于這種改變在具體工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別關(guān)注。

3.2 Cr元素的影響

Cr元素也是重要的元素，這種元素是呈現(xiàn)銀白色的，有一定的光澤金屬，而且質(zhì)地極硬，非常地耐腐蝕。這種元素不僅可以增強(qiáng)鋼的耐磨性，也可以增強(qiáng)力學(xué)性能，這在實(shí)際使用中具有一定優(yōu)勢，有效地增加了鋼的淬透性，也在一定程度上增強(qiáng)了鋼的抗變形能力，還增強(qiáng)了鋼的耐蝕性，提高了鋼的耐熱性，加強(qiáng)了抗磁性，有效地提高了鋼的彈性。由于Cr的抗腐蝕性較強(qiáng)，將它與鐵和鎳組合，就成為了不銹鋼，這種材料常用于生產(chǎn)切削工具，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量也較好，受到了用戶的廣泛好評。這種元素的抗氧化機(jī)理也有一定的特點(diǎn)，就是在界面處聚集可以生成保護(hù)性的氧化產(chǎn)物，也就是Cr2O3和FeCr2O4元素，這層氧化物可以充分地保護(hù)鋼材表面，有效地降低了Fe和O元素的擴(kuò)散，起到了防腐作用。

3.3 其他元素的影響

在熱軋時(shí)除了Si和Cr的影響，其他元素也有重要的影響。主要產(chǎn)生影響的元素是C和Si元素，還有Mn和P元素，以及S元素這幾種，這是鋼的五大元素，由于鋼鐵本身存在了一定的C元素，在氧化過程中如果與氧氣發(fā)生了反應(yīng)，就會釋放出CO氣體，這會得氧化鐵皮開裂，也會導(dǎo)致鼓泡情況。而Mn和P元素會直接發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氧化鐵皮出現(xiàn)起皮現(xiàn)象。鋼發(fā)生了氧化反應(yīng)，如果Cu元素被排斥，那么在金屬的基體和氧化物界面上，就會出現(xiàn)一些變化，當(dāng)Cu含量高于8%的時(shí)候，會出現(xiàn)富銅分離相，而富銅分離相的溫度在1096℃時(shí)，就會產(chǎn)生熔化，這是在金屬的基體，還有氧化物間會出現(xiàn)一層膜，這樣的情況會導(dǎo)致熱脆性，同時(shí)還會出現(xiàn)表面缺陷。在這五種元素中，Ni是較難氧化的，在被氧化時(shí)，F(xiàn)e元素會優(yōu)先氧化，在氧化鐵的內(nèi)層會產(chǎn)生Ni元素，形成了Ni金屬網(wǎng)絲，從而使鋼的基體和氧化鐵皮間的接觸面發(fā)生變化，這時(shí)的氧化鐵皮是很難被剝離的，就是使用高壓水進(jìn)行沖擊，也不會容易剝落，導(dǎo)致了表面缺陷，而且這種缺陷會隨Ni含量的變化而產(chǎn)生變化，如果是增加了會變的更嚴(yán)重。Al元素的影響也比較重要，被氧化后形成保護(hù)層，有效地降低了氧化速率。而Mn元素在低碳鋼中，一般都是存在于FeO層當(dāng)中，影響比較小可以忽略。稀土元素也具有一定的作用，主要是凈化鋼質(zhì)作用，而且氧化膜的結(jié)晶度較好，實(shí)際使用中有著非常好的表現(xiàn)。

4 工藝制度的影響

在熱軋鋼板時(shí)應(yīng)當(dāng)注意工藝的影響，尤其是鐵皮結(jié)構(gòu)的不同，會對除鱗過程產(chǎn)生重要影響，所以應(yīng)當(dāng)充分地了解鐵皮結(jié)構(gòu)，還要掌握厚度和溫度情況，以及卷取溫度和冷卻速度問題，有效地提高熱軋質(zhì)量。

4.1 終軋溫度的影響

在終軋時(shí)要考慮氧化鐵皮厚度問題，這與終軋溫度有一定的關(guān)系，在進(jìn)行軋制時(shí)，軋制時(shí)間一般相差不大，而氧化鐵皮的厚度會增加，增加的幅度與溫度有關(guān)。如果終軋溫度較高時(shí)，軋制時(shí)間也比較短，氧化時(shí)間也會在一定程度上減少，而氧化鐵皮厚度也比較薄。典型的三層結(jié)構(gòu)比例一般是1：4：95，熱軋時(shí)要注意溫度影響，隨著溫度的降低，F(xiàn)eO元素的驅(qū)動力會變大，F(xiàn)eO層也會逐漸減少，但是Fe2O3和Fe3O4含量會增加。相反如果終軋溫度升高，其中的FeO含量也會增加，F(xiàn)e2O3和Fe3O4層含量會相應(yīng)減少。隨著溫度的不斷降低，F(xiàn)eO也會發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致驅(qū)動力加大。如果溫降幅度增大，F(xiàn)eO的變化也就越大，F(xiàn)eO量也會變多。如果開軋溫度不變，終軋的溫度就會越低，F(xiàn)eO就會發(fā)生轉(zhuǎn)變。如果終軋溫度降低了，那么FeO層會不斷地減少，而Fe3O4層會不斷地增加，F(xiàn)e2O3厚度變化較小，但鐵皮的總厚度會改變，F(xiàn)e2O3含量也會根據(jù)溫度變化而發(fā)生改變。

4.2 卷取溫度的影響

卷取溫度也是重要的影響因素，一般情況下卷取溫度應(yīng)當(dāng)在500℃～700℃之間，當(dāng)高于570℃時(shí)，結(jié)構(gòu)中會有少量的FeO/Fe3O4分布于界面上。當(dāng)溫度在450℃卷取時(shí)，組織比例一般較高，而冷卻速率也會越小，共析組織的含量也會越高。當(dāng)溫度在350℃卷取時(shí)，結(jié)構(gòu)中的FeO會被大量保留，但是沒有共析組織。不同溫度下的FeO層，也會發(fā)生一定的轉(zhuǎn)變，根據(jù)相關(guān)研究顯示，F(xiàn)eO共析轉(zhuǎn)變應(yīng)當(dāng)遵循“C”曲線規(guī)律。在這個(gè)溫度下FeO轉(zhuǎn)變最快，最適宜進(jìn)行卷取。低碳鋼的轉(zhuǎn)變也應(yīng)當(dāng)遵循“C”曲線規(guī)律。

4.3 冷卻速率的影響

冷卻速率影響主要體現(xiàn)FeO層結(jié)構(gòu)，主要影響的是相變時(shí)間，一般情況下低冷卻速率給FeO共析轉(zhuǎn)變，提供了比較充足的時(shí)間，這有利于共析反應(yīng)發(fā)生。同樣卷取溫度條件下，較低冷卻速率有利于共析反應(yīng)。當(dāng)高于25℃/min時(shí)，氧化鐵皮中無Fe3O4/Fe，但是鐵皮會繼續(xù)生長，到了570℃溫度以上時(shí)，會保持三層結(jié)構(gòu)。如果溫度降到了570℃以下時(shí)，此時(shí)的FeO層非常的不穩(wěn)定，會發(fā)生相變反應(yīng)。不同冷卻速率下，F(xiàn)eO產(chǎn)物也不同，顯微結(jié)構(gòu)也不相同。一般情況下冷卻速度越快會越好，所以當(dāng)前很多的熱軋廠都采用高溫快軋方法。在實(shí)際工作中要充分卷曲溫度的影響，還有冷卻速度的影響，尤其是FeO層的影響，還要考慮曲線問題。當(dāng)實(shí)際溫度是650℃時(shí)，此時(shí)的冷卻速度一般是15℃/min，會產(chǎn)生鐵皮層，這時(shí)的鐵皮層中含有FeO，但是其中有少部分FeO，會先進(jìn)行共析反應(yīng)，進(jìn)而生成了Fe3O4，這是一種析出物，但是大部分的FeO層還是存在的。當(dāng)實(shí)際溫度是500℃時(shí)，要充分考慮冷卻速度問題，這時(shí)的應(yīng)當(dāng)是5℃/min，再這樣的情況下鐵皮類型應(yīng)當(dāng)是II類，此時(shí)的鐵皮FeO層當(dāng)中，會存在一定量的Fe3O4析出物，這時(shí)的類型要比I的多。當(dāng)溫度是500℃時(shí)，冷卻速度一般是2℃/min時(shí)，而鐵皮的類型也會發(fā)生一定改變，大多數(shù)情況下是類型III，這時(shí)鐵皮當(dāng)中的FeO，大部分會變成Fe3O4/Fe。當(dāng)出現(xiàn)共析物時(shí)，還會有少量的Fe3O4和FeO。此外還有一定的類型I～I(xiàn)I，以及II～I(xiàn)II，分別是介于兩者之間。如果FeO的剝離性比較好，那么會比較易被酸洗掉，冷卻速度也會越快，其中的FeO發(fā)生相變的可能也會越少，那么被保留下來的可能也會越多。所以在熱軋的過程中，要注意溫度650℃情況，因?yàn)檫@時(shí)的冷卻速度是越快越好的，這也是最佳的溫度，所以當(dāng)前在實(shí)際生產(chǎn)過程中，被廣泛地使用，生產(chǎn)出來的材料性能也是最好的，具有很高的使用價(jià)值。

4.4 其他因素影響

在熱軋過程中還會受到加熱條件的影響，因?yàn)榧訜岬臍夥諘ρ趸F皮產(chǎn)生影響。當(dāng)碳鋼加熱時(shí)，隨著爐內(nèi)溫度升高，以及加熱時(shí)間的延長，會導(dǎo)致水蒸氣和氧氣增加，這些情況都都會加快氧化速度。如果爐內(nèi)加入了一定量的一氧化碳和氫氣，以及還原性氣體時(shí)，可以就減緩氧化速率，從而得到較高質(zhì)量鋼板。但是爐內(nèi)的氣氛比較復(fù)雜，會產(chǎn)生H2O和CO氣體，還會產(chǎn)生CO2和H2，以及SO2等其他的氣體，這些氣體都會與鋼板發(fā)生一定的反應(yīng)，可以通過改變氣體比例，來降低能源消耗，減少氧化鐵皮。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，會受到加熱方式以及一些條件限制，所以難以實(shí)現(xiàn)真空保護(hù)。

4.5 表面情況分析

一般在三種條件下，對于熱軋氧化鐵皮會出現(xiàn)二次電子特征，也就是表面的觀砂礫情況，以及疏松狀的氧化物，這些情況的出現(xiàn)主要是終扎后冷導(dǎo)致的，各種元素呈現(xiàn)的是不規(guī)則分布情況，在氧化鐵皮表現(xiàn)非常容易碎，而且疏松的氧化物也比較容易脫落，這些情況在具體工作中不容易被觀察，但是經(jīng)過一定處理后，會可以觀察到一些氧化物。當(dāng)卷取以后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行取樣，但是要注意快速冷卻，因?yàn)楦邷貢a(chǎn)生一定的影響，在經(jīng)過了十幾個(gè)小時(shí)以后，就會冷卻到平整前溫度，但是有時(shí)會出現(xiàn)表面裂紋增加的情況，這是由于卷取狀態(tài)決定的，所以熱軋時(shí)要沿著基本方向操作，才能使其分布均勻，間隔也比較合理。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，帶動了許多行業(yè)的發(fā)展，其中鋼鐵業(yè)發(fā)展非常迅速，在這樣快速的發(fā)展形式下，應(yīng)當(dāng)不斷加強(qiáng)相關(guān)工藝的研究和發(fā)展，這樣才能生產(chǎn)出高品質(zhì)產(chǎn)品，并且為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

在實(shí)際生產(chǎn)過程中合理地控制氧化鐵皮，對提高鋼的產(chǎn)量和表面質(zhì)量具有重要作用，不僅提高了耐蝕性，也有效地提高了利用率。在熱軋過程中有效地控制氧化鐵皮情況，控制其結(jié)構(gòu)和生長情況，對改善熱軋表面質(zhì)量，避免氧化皮和麻點(diǎn)情況具有積極的作用，還能很大程度地降低材料損失和資源浪費(fèi)。