化学成分对氧化铁皮形成的影响3.11

钢化学成分对氧化铁皮形成的影响

钢的化学成分是加热过程中影响氧化的内因，合金元素对氧化铁皮的结构有一定的影响。

促进氧化铁皮生成元素：

碳、硅、镍、铜、硫促进氧化铁皮生成，例如硫与钢发生化学反应生成液态的硫化铁，不但促进氧化铁皮生成而且增加氧化铁皮与金属的接触粘度，增加氧化铁皮的消除难度。

减缓氧化铁皮生成元素：

锰、铝、铬可以减缓氧化铁皮生成，一些元素如Cr，Al，Si 等元素都能显著提高钢的抗氧化性，这些元素能在钢的表面形成致密的氧化膜，造成除鳞困难。

一、含Si 量对氧化铁皮形成的影响：

含硅量高的钢氧化铁皮剥离性差,氧化铁皮容易残留下来。其机理如下:

(1) 决定氧化铁皮剥离性的主要因素是空冷时的氧化铁皮裂纹的形态,而这在很大程度上又受氧化铁皮中气孔状态的影响。含硅量高的钢由于铁皮中气孔直径大[1 ] ,空冷时的裂纹容易在氧化铁皮厚度中间停止,除鳞时裂纹与基底金属相平行传播,导致基底金属侧的氧化

铁皮容易残留下来,所以氧化铁皮剥离性不好。

(2) 含硅量高于0.2 %的钢在加热(1 250 ℃以上) 时,在氧化铁皮与基底金属界面产生层状的Fe2SiO4[2 ] ,除鳞时界面温度使Fe2SiO4 成液相还是成固相,对氧化铁皮剥离性有很大影响。界面温度Fe2SiO4

的凝固温度1 170 ℃以下时,由于氧化铁皮对基底金属的附着力增强,导致剥离性不好。基于上述理论,含硅量较高的钢由于高温时剥离性不好,加上连轧除鳞时界面温度很少能达到1 170 ℃以上,因此FeO 容易残留下来,致使除鳞不彻底。在R1 (第一架粗轧机) 机架间及

精轧前同样存在除鳞不好的问题。

此时除鳞后的氧化反应为:3FeO + 1/ 2O2 = Fe3O4

2Fe3O4 + 1/ 2O2 = 3Fe2O3

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2Fe + O2 = 2FeO

由于Fe2O3 和Fe3O4 氧化膜结构致密,阻止氧的继续渗入,所以氧化

速度较慢,致使铁皮中Fe2O3 的比例比较高。

从前述H2O 与钢的化学反应可以看出,钢板在层冷中不产生Fe2O3 ,

因此钢板在卷取前表面覆盖一层水膜,阻止空气中的氧气与钢板接触,有利于防止产生红色氧化色。

钢板卷取后仍在与空气中的氧气发生反应,此时反应产物中的Fe2O3 比例较大,使铁皮中Fe2O3 比例进一步增大,导致钢板表面呈现红色。由于较厚的钢板在层冷时表面与芯部存在温度梯度,卷取后钢板表面温度回升,钢卷冷速较慢,与O2 反应充分,Fe2O3 比例更大,所以红色相对更重。

边部100 mm以内红色相对重一些是由于板坯出炉后边部冷速较快,造成边部的温度比中部的低,导致除鳞时铁皮比中部残留多,所以边部

红色相对中部更重。

含硅量( ≤0.05 %) 较低的钢高温时氧化铁皮的剥离性较好。

Si 形成铁橄榄石(2FeO. SiO2 ) 粗糙的次氧化铁皮界面,使氧化铁皮附着力强难以去除。铁橄榄石在低于1 177 ℃会凝固,如果不完全除去,则导致剩余红锈及铁皮坑的形成。有资料显示,含Si 量大于0. 2 %的钢进行热轧时,完全防止麻点的产生是极度困难的。

文献举例：

以八钢1750 热轧轧制X60 管线钢除鳞情况进行分析，X60 管线钢成分见表1。从表1 可以看出X60 管线钢的成分中Si 含量为0.22％，这与文献报道[3]含硅量（0.2％～0.3％）相对较高的钢将会在钢与氧化层界面形成铁橄榄石层相吻合。当板坯加热温度和Si 含量较高时，在热激活作用下，钢中的Si 为选择性氧化，Si 元素易于向FeO 和钢表面之间界面处扩散，并形成熔融状态的由FeO 和2FeO·SiO2 组成的液化膜。该液化膜会浸入粗大的奥氏体晶界，同时，由液化膜的组成可知，其与FeO 层之间存在良好的浸润性。在低于一定温度（1170～1178℃）时，会发生共晶反应，形成一层夹在基体与氧化层之间的铁橄榄石层，铁橄榄石层以楔形侵入鳞与铁质中, 与奥氏体形成“锚”式结合，同时与较松散的FeO 层形成良好的界面匹配，界面强度较高，除鳞过程难以将铁橄榄石以及附着在其上的FeO 层除掉。在轧制X60 管线钢时，尽量避开铁橄榄石层的形成区间，对加热炉温度制度做了调整：适当调整空然比在2.0～2.2，适当增加大氧化层的厚度，达到满足除鳞效果，而又不增加烧损量。加热温度调整为：预热段1100℃，一加、二加、均热全部控制在1160- 1170℃；延长在炉时间，不少于

240min，保证较低温度能够将板坯烧透，为后续的轧钢减轻负荷，满足性能要求。

二、(Ni) （Cr）对氧化铁皮形成的影响

钢中含Ni 时,如果发生氧化,Ni 集中的部分就会凸起,界面形状凸凹不平,使鳞的剥离性恶化。当钢中的w (Ni) 量达到0. 2 %以上时,铁质表面凸凹严重,鳞剥离更困难[4 ]

N i 在钢中是一种较难氧化的元素, 所以在氧化时,能优先氧化, 在氧化铁皮内层就产生N i 的富集, 形成富N i的金属网丝和颗粒, 并随着温度的升高而发展这种富N i 的金属网丝把氧化铁皮与金属基

体联接起来，由于它的塑性和热膨胀系数等和金属基体相似, 即使在高压水的冲击下, 仍然不易剥落另外, 在含N i 钢中产生晶界的选

择性氧化, 使F eO , 铁橄揽石或其共晶沿晶界呈楔形浸入金属基体, 分散了氧化铁皮与金属间的应力从而提高了含N i钢的氧化铁皮粘附性这被称为“楔形”作用。

除上述因素外, 含N i钢的过渡层厚度也大于无N i 钢, 而当N i, Cr 元素共存时厚度的增加尤为明显.

以上讨论可归纳为:

1.少量C r对氧化皮的结构不发生影响.N i 在1 15 0 ℃以上使晶界发生选择性氧化, 在过渡层出现富N i 的金属颖粒和网丝.

2.少量C r对粘附层厚度的影响不明显,N i 增加其厚度,N i,Cr 共存时有其厚度明显增加。

3.氧化皮粘附性的强弱主要取决于过渡层的厚度和结构, 因此, 少