（材料物理与化学专业论文）921a钢氧化铁皮形成机理及其控制研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 9 2 1a 钢氧化铁皮形成机理及其控制研究 摘要 转炉连铸9 2 1 a 钢是国家“十五”重点科按攻关项目。9 2 1 a 钥属n i c r - m o v 系的低合金钢。通常含n i 、c r 钢板表面形成的氧化铁皮很难去除，严重地影响了 铡板表面质量。国内外除采用高压水除鳞外，有的采用机械打磨等手段，甚至有的 采用包铁皮的方法来减少氧化。因此大大地提高了钢材生产的成本。能否采用合 理的钢坯加热工艺来解决这一难题，将对生产的经济效益带来巨大影响。为此， 本文首先利用金相显微镜，扫描电镜和x 射线衍射等微观分析手段，对9 2 1 a 钢 坯在加热中，按常规加热制度形成的氧化铁皮的形成规律，进行了分析研究。在 此分析结果的基础上，提出分段加热的新方法，并在实验室进行了试验，得到以 下的研究结果： 1 观察分析发现常规工艺形成的氧化铁皮附近的基体中合金元素发生了不均匀 的重新分布，使氧化铁皮以树根式向基体内生长，即形成所谓的咬合层。厚度 1 5 0 u r n 它是造成含n i 、c r 钢氧化铁皮难除净的根本原因。 2 分段加热的不同加热制度的所有试样表面形成的氧化铁皮中的咬合层均比连 续升温的常规工艺( 1 7 号试样) 的咬合层薄，这就是分段加热工艺的显著优 点。 3 分段加热工艺第二段形成的氧化层分为：第一层呈黑色致密的氧化层；第二层 类似虎皮花纹的氧化层，层内有氧化了的奥氏体晶界隐约可见；第三层是由氧 化了的晶界和弥散分布的细小氧化斑点组成的初始氧化层。初始氧化层随加热 时间增加，逐渐向基体内推移，原来的位置被虎皮层代替，虎皮层又被第一层 取代，这就是氧化层逐渐向基体内推进的过程，随时间增长推进速度减慢。第 二，三层总合称为咬合层。 4 从实验室分段加热形成咬合层前沿的扫描电镜观察发现：奥氏体晶界首先被氧 化，表明晶界是o 向基体内扩散的通道，然后再向晶粒内部扩散，形成细小 弥散的氧化物斑点。 5 不同的分段加热工艺，形成的咬合层厚度不同，前沿平直度不同。低温段，相 一l i 东北大学硕士学位论文摘要 同温度加热，保温时间长的咬合层宽度小、前沿较平直；其中1 0 0 0 。c 保温两 小时加热制度形成的咬合层最薄，前沿平直，氧化铁皮容易去除。 6 x 射线衍射分析表明：分段加热形成的氧化铁皮也是由f e 2 0 3 、f e 3 0 4 、f e o 组 成。 关键词：镍铬合金钢、氧化机理、氧化铁皮、咬合层、分段加热 i 儿一 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho f9 2 1 as t e e lo x i d es c a l eg r o w t h a n dc o n t r o l a b s t r a c t w b 咄so ft h i sp a p e rw e r ec a r r i e do u ti n t e g r a t i n gw i t ho n eo b j e c to ft h et e n t h f i v ey e a r sp r o j e c t9 2 1 as t e e l 9 2 1 as t e e li sn i - c r m e vs e r i e ss t e e l u s u a l l yi ti sv e r y d i f f i c u l tt or e m o v et h eo x i d es c a l eo nt h en i - c ra l l o ys t e e l ，a n dt h eo x i d es c a l e d e c r e 够et h es u r f a c eq u a l i t yo ft h es t e e ls e r i o u s l y b e s i d e sh i g hp r e s s u r eh y d r a u l i c r e m o v i n gm e t h o d ，s o m ep r o d u c e r sa d o p tt h em e t h o d so f m e c h a n i c a lp o l i s h i n gm e t h o d ， a n de v e ni r o ns h e e tc o v e r i n gm e t h o dt of i tt h i sp r o b l e m a st h er e s u l t ，t h ec o s to f p r o d u c t i o ng o e sh i g h e r i tw i l lb eb e n e f i c i a l ，i ft h eh e a t i n gp r o g r a mc o u l db ec h a n g e d ， a n dc o u l dg i v es o m eh e l pt os e t t l et h i sp r o b l e m f o rt h i sr e a s o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c ht h e g r o w t hr u l eo ft h eo x i d es c a l eu n d e rc o m i t l o nh e a t i n gp r o g r a mt h r o u g ht h em e t h o do f m i c r o s c o p e ，s e m ，xr a y a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，t h i sp a p e rc a r r i e do u tan e wh e a t i n g p r o g r a m ，a n di nl a bc o n d i t i o ng o tt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： 1 a l l o ye l e m e n ti nt h es a m p l ea d j a c e n tt oo x i d es c a l ei sf o u n dr e - d i f f u s e dd u r i n g c o m m o nh e a r i n gp r o g r a m ，t h e nt h es c a l eg r o w t hr o o tw a y , t h e nt h eo c c l u d i n gr l g a i so b s e r v e d t h e1 5 0 u r no c c l u d i n ga r e ai st h ek e yr e a s o nw h yt h eo x i d es c a l ei s h a r dt ob er e m o v e d 2 a l lt h es a m p l e so fs e p a r a t eh e a t i n gp r o g r a mh a v et h es m a l l e ro c c l u d i n ga r c at h a n t h es a m p l eo fn o 。1 7w h i c hi sh e a t e dw i t ho l l ep e r i o d ( o r d i n a r yh e a t i n gp r o g r a m ) t h i si st h ee x c e l l e n c eo fs e p a r a t eh e a t i n gp r o g r a m 3 t h eo x i d es c a l eo fs e p a r a t eh e a t i n gp r o g r a mi sm a d eu po ft h r e es u b - s c a l e ：t h e f i r s ts u b s c a l ei st h i c kb l a c ko x i d es c a l e ；t h es e c o n ds u b - s c a l ei st i g e rs k i np a r e r s c a l e ，t h eb o u n d a r yo fa u s t e n i t i ei se v i t a b l e ；t h et h i r ds u b - s c a l ei sm a d eu po f o x i d eb o u n d a r ya n dd i s p e r s i n go x i d e ，a n dt h i ss u b s c a l ei sc a l lp r i m a r yo x i d es c a l e t h ep r i m a r ys c a l eg r o wf o r w a r d ，a n dt h es e c o n ds u b - s c a l ei sr e p l a c e db yi t , a n dt h e f i r s ts u b - s c a l ei sr e p l a c e db yt h et i g e rs k i ns u b - s c a l et o o t h i si st h ep r o c e d u r eo f g r o w t h a st h et i m eg o i n gt h es p e e ds l o wd o w n t h es e c o n da n dt h i r ds u b s c a l ei s c e l l e do c c l u d i n gs c a l e 一i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 4 a st h es a m p l ew i t hs e p a r a t e dh e a t i n gp r o g r a mo b s e r v e da tf r o n te d g ec l o s et o o c c l u d i n g a r e a ：a n s t e n i t i cb o u n d a r yi so x i d i z e df i r s t l y , a n dt h i sr e v e a lt h a t a u s t e n i t i ci st h ec h a n n e lf o r0d i f f u s i n g , a n dt h e nt h ec r y s t a li so x i d i z e ds e q u e n t ， a n do x i d i z e da r e ar i s ef i n es p o tw i t hd i s p e r s a lp a t t e r n 5 u n d e rd i f f e r e n th e a t i n gp r o g r a mt h ew i d t ho fo c c l u d i n ga r e ai sd i f f e r e n t ，a n dt h e l i n e rm e a s u r ei sd i f f e r e n t u n d e rl o w e rt e m p e r a t u r e ，哇t l ls a m eh e a t i n gt e m p e r a t u r e ， m o r eh e a tp r e s e r v a t i o nt i m el e s so c c l u d i n ga r e aw i d t h ，m o r ef i a tl i n e rm e a s u r e ； u n d e r1 0 0 ( f c ，a n dh e a tp r e s e r v a t i o n2h o u r si st h eb e s to n e ，a n dt h eo x i d es c a l ei s e a s yt ob er e m o v e d 6 xr a yd i f f r a c t i o na n a l y s i sr e v e a lt h a tt h eo x i d es c a l ei sm a d eo ff e 2 0 3 、f e 3 0 4 、 f e o k e yw o r d s ：n i c y a l l o ys t e e l 、o x i d et h e o r y 、o x i d es c a l e 、o c c l u d i n gs c a l e 、s e p a r a t e h e a t i n g v 一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彬弋 日期：w 彤，j 2 ； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名 榻弋f 签字日期：7 咖石) 弓 导师签名： 签字日期： 摹砰孝玉 o芦司厶 东北大学硕士学位论文第一章序言 第一章序言 1 1 研究背景 钢铁产量是衡量一个国家综合经济实力的重要标志之。它对国民经济的发 展起着举足轻重的作用。国民经济各主要部门，如采矿、运输、机械制造和农业 发展，如果离开了钢铁材料则无法想象。 钢铁材料具有资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样可靠、价格低廉、 使用方便和便于回收等特点，是工业生产和人民生活 j - 。泛使用的材料。进入2 1 世纪的今天，钢铁材料仍然以其极具竞争力的特性而处于结构材料的主体地位。 随着科学技术的飞速发展，钢铁材料已经能够很好地和一些新型材料复合在一起， 例如塑料与不锈钢的复合就是一种制造家具非常好的材料，它还可以用来装饰汽 车、房屋或建筑物的内壁等，这也决定了钢铁材料在新型材料和传统材料中的桥 梁纽带作用。 现在钢材的使用领域主要有铁路交通；煤矿、地质；石油化工：轻工、纺织； 建筑：电力；船舶i 农林：汽车；机械制造；邮电等。 随着社会经济的发展，钢铁消费需求对产量和质量的要求提高得很快。所以， 对传统的钢铁材料生产采用特殊工艺，大幅度提高其产量，避免生产损耗，有效 地提高资源的利用率，已经成为目前钢铁材料研究领域的热点。 但是合金钢热轧过程中氧化铁皮的去除问题一直困扰着钢铁制造商。钢在轧 制过程中加热形成的氧化铁皮，一方面通过氧化消除t i m 扳的初始表面缺陷；另 一方面又使轧制后的钢材表面存留大量残余氧化铁皮，使后续去除工作很困难。 有时为了得到满意的表面质量，不得不采取深度打磨的办法来去除，这造成了巨 大的工时消耗，和材料浪费吐 1 2 目前对氧化铁皮的生长机理研究 氧化在钢的轧制生产中的作用是多方面的，它在消除板坯表面缺陷的同时， 又会产生大量的材料损耗，同时，如果在后续的除鳞工作中氧化铁皮没有清除千 一1 东北大学硕士学位论文第一章序言 净，残余的氧化铁皮会被轧辊压入板坯基体中，而造成难以去除的表面缺陷。现 代工业对热轧板的质量要求很严格。比如，要求尺寸精度高，板带钢b h 很大， 厚度一般很小。厚度的微小变化都会引起使用性能和金属消耗的巨大波动：要求 板形平坦，无浪形瓢曲；要求表面质量好，没有气泡，结疤，刮伤，折叠，裂缝， 夹杂和压入铁皮等；要求性能好，主要包括力学性能，工艺性能和某些钢板的特 殊物理和化学性能【3 j 但是由于轧制过程中表面氧化层的影响，使满足上述要求遇到很多困难。 针对这一现实问题，国内外很多科研人员对氧化铁皮的形成作了大量的实验 室研究，他们的工作主要分为两类。 第一类是对碳素钢氧化铁皮的形成规律进行研究。其中r y c h e n 和 w y d y u e n 经过试验，总结了碳素钢形成氧化铁皮的一些规律。他们发现在远离 基体表面的区域，氧的含量逐渐减小，并且加热温度越高，被氧化的区域厚度越 大。当加热温度达到5 2 0 。c 时，在基体表面只形成f e 3 0 4 和f e o 两层结构，未发现 f e 2 0 3 。当温度上升到6 l o - 7 2 0 。c 时，在基体表面开始出现f e 2 0 3 、f e 3 0 4 、f e o 三 层结构。这一规律的出现主要原因在于f e 元素和0 元素在边界区域扩散速度在不 同温度下有差异。与此同时a b a u t i s t a 等人的研究发现，当环境温度超过9 0 0 时氧化层开始快速生成。 第二类是对合金元素n i 、m o 和c r 的抗氧化研究。因为很久以来人们在生产 实践中就发现了n j 、m o 和c r 元素在铁合金中的抗氧化作用，研究人员利用 n i c r m o 合余对n i 、c r 、m o 元素的抗氧化机理进行研究，发现： 1 m o 元素在氧化过程中，本身并不能起到抗氧化的作用。但是当它与n i 和 c r 元素同时存在时会促进这两种元素的抗氧化作用。 2 n i 元素在氧化过程中，形成n i o ，并且随着元素含量的增加氧化物的形念 从开始的斑点状，逐渐生长成不连续的网格状。所以其保护作用有限。 3 c r 元素在氧化过程中，形成一c r 2 0 3 ，如果同时存在n i 元素，还会形成 n i c r 2 0 4 。这些氧化物会在金属基体表面形成致密的层状结构。正是这种致密的氧 化物对金属进一步氧化起到了保护作用。 以上这些研究逐步丰富了钢铁生产中的氧化理论，根据这些理论的指导人们 对实际生产中氧化铁皮的控制方法也得到了迸一步的发展。 东北大学硕士学位论文第一章序言 1 2 1 加热过程中形成的初生氧化铁皮 板坯在热轧之前，在加热炉加热过程中，不可避免的和氧气接触发生氧化反 应而产生氧化铁皮，被称为第一次氧化铁皮，它的厚度一般在o5 30 m m 之州。 随着加热时问的延续和加热温度的升高，铸坯表面的氧化铁皮的厚度也逐渐增加， 形成一层皮壳包裹舟表面。一次氧化铁皮在钢坯轧制之前，必须片j 轧机前的除鳞 箱中的高压水将其除去。1 次鳞的内部存在有较大的空隙，当板坯从加热炉出来后， 经过立轧辊的挤压，鳞层被挤碎，岛压水进入产生的裂缝后，由于高压水的冷却和 压力作用裂缝就会向钢基界面扩展。当裂缝达到钢基界面后，高压水就会进入排列 在钢基界面上的空隙，使沿钢基界面的裂缝连续不断地产生、扩展，从而除去鳞p 】。 若小倒底，将会造成轧制时氧化铁皮的压入；当高压除鳞工作正常，除鳞是否彻 底将取决于氧化铁皮与母体结合力及高压水的除鳞压力；去除一次氧化铁皮后常 见的缺陷是开裂和二次氧化铁皮的产生【) j 。 1 2 2 轧制过程中形成的次生氧化铁皮 在* l 市l j 过程中，由于轧制温度存7 8 0 - 1 1 0 0 之州，在这样的温度下，制坯 表面的铁还将继续和空气中的氧发生反应，生成细小的次生氧化铁皮，为二次氧 化铁皮。这种氧化铁皮斟致密而有隔绝氧气，使其不能和铁反成的作用，是对牛 产有益的：但是同样的氧化铁皮，凼在轧制过程中，被压入钢板表而且有定深 度，喷砂后形成麻点，光洁性差，抗氧化能力较弱，且与基体1 i 为均一整体。 1 2 3 氧化铁皮的组成 次与一次氧化铁皮的组成基本相似，在【e 常板坯轧制的加热温度范围内， 氧化物由i 层组成。最外一层为f e 2 0 3 ，为红棕色；它通常形成温度是8 0 0 。c ，月 在高温r 存在一般约占整个氧化铁皮的1 2 ； 第二层为f e 2 0 和f e o 的混合物，通常写成f e 3 0 4 ，为蓝黑色，约占整个厚 度的1 8 ；最里面与金属本体相连的内层是f e o ，颜色为黑色约占整个氧化铁皮 的8 0 。f e o 存氧化铁皮中的含量随制坯表面温度的增加而增加，且熔点较低， 一般1 3 7 0 。c 1 4 2 5 。c 即熔化。这往往加速氧化铁皮的生成速率，加快向晶界渗透， 从而引起钢材表面的质量问题。同时增加了耗能，降低了钢的屈服强度。 从而引起钢制表面的质量问题。同时增加了耗能，降低了钢的屈月强度。 东北大学硕士学位论文 第一章序言 1 2 1 加热过程中形成的初生氧化铁皮 板坯在热轧之前，在加热炉加热过程中，不可避免的和氧气接触发生氰化反 应而产生氧化铁皮，被称为第一次氧化铁皮，它的厚度一般在o 5 3 0 m m 之问。 随着加热时间的延续和加热温度的升高，铸坯表面的氧化铁皮的厚度也逐渐增加， 形成一层皮壳包裹在表面。一次氧化铁皮在钢坯轧制之前，必须用轧机前的除鳞 箱中的高压水将其除去。1 次鳞的内部存在有较大的空隙，当板坯从加热炉出来后， 经过立轧辊的挤压，鳞层被挤碎，高压水进入产生的裂缝后，由于高压水的冷却和 压力作用，裂缝就会向钢基界面扩展。当裂缝达到钢基界面后，高压水就会进入排列 在钢基界面上的空隙，使沿钢基界面的裂缝连续不断地产生、扩展，从而除去鳞” 。 若不彻底，将会造成轧制时氧化铁皮的压入；当高压除鳞工作正常，除鳞是否彻 底将取决于氧化铁皮与母体结合力及高压水的除鳞压力；去除一次氧化铁皮后常 见的缺陷足开裂和二次氧化铁皮的产生p 】。 1 2 2 轧制过程中形成的次生氧化铁皮 在轧制过程中，由于轧制温度在7 8 0 1 1 0 0 之间，在这样的温度下，钢坯 表面的铁还将继续和空气中的氧发生反应，生成细小的次生氧化铁皮，为二：次氧 化铁皮。这种氧化铁皮因致密而有隔绝氧气，使其不能和铁反应的作用，是对生 产有益的；但是同样的氧化铁皮，因在轧制过程中，被压入钢板表面且有一定深 度，喷砂后形成麻点，光洁性差，抗氧化能力较弱，且与基体不为均一整体。 1 2 3 氧化铁皮的组成 一次与二次氧化铁皮的组成基本相似。在正常板坯轧制的加热温度范围内， 氧化物由三层组成。最外一层为f e 2 0 3 ，为红棕色 它通常形成温度是8 0 0 ，且 在高温下存在，一般约占整个氧化铁皮的1 一2 ； 第二层为f e 2 0 3 和f e o 的混合物，通常写成f e 3 0 4 ，为蓝黑色，约占整个厚 度的1 8 ；最里面与金属本体相连的内层是f e o ，颜色为黑色约占整个氧化铁皮 的8 0 。f e o 在氧化铁皮中的含量随钢坯表面温度的增加而增加，且熔点较低， 一般1 3 7 0 。c 1 4 2 5 。c 即熔化。这往往加速氧化铁皮的生成速率，加快向晶界渗透， 从而引起钢材表面的质量问题。同时增加了耗能，降低了钢的屈服强度。 东北大学硕士学位论丈第一章序言 氧化物生成的反应式为： 0 2 + 2 f e = 2 f e o f e o 十f e 2 0 3 = f e 3 0 d 30 2 + 4 f e = 2f e z 0 3 氧化铁皮的厚度： ( 1 1 ) ( 1 _ 2 ) ( 1 3 ) a d o = n te x p ( - b t ) t 1 - 4 、 式中，a d o 氧化铁皮的厚度m m ，t 为加热时间r a i n ，t 为加热温度k ，a ，b 为 炉内气氛、钢种、化学成份有关的常数“。 但是在实际轧制生产中，各种条件经常变化，并且相互影响。所以在氧化铁 皮的实际生成过程中，氧化层的生长会偏离计算值。 1 2 4 影响氧化铁皮生成的各种因素 加热温度，加热时间，炉内气氛，钢种以及化学成份等因素都将影响氧化铁 皮的生成和生长。 ( 1 ) 加热温度对氧化铁皮的影响： 钢的表面氧化随着加热温度的升高而加快。表面温度越高，氧化越严重。我 们知道，当钢在7 0 0 。c 以下时，氧化速度较慢；7 0 0 。c 以一l z 时氧化速度显著加快； 9 0 0 。c 1 3 0 0 。c 时激烈氧化，若9 0 0 c 时氧化速度为1 ，则1 0 0 0 。c 时为2 ，1 1 0 0 。c 日i j 为3 5 ，到1 3 0 0 。c 时高达7 t 7 】；可用下面一个公式来描述： m = a p t e x p - b ( t + 4 6 0 ) 1 ( i h + 1 w + i l ) ( 1 - 5 ) 式中，h ，w ，l 板坯厚度，宽度和长； m 每单位板坯质量氧化铁皮的损失质量： t 生成氧化铁皮的时间； t 板坯温度； | d 板坯密度； a 卜常数，与钢种和炉内气氛有关。 4 东北大学硕士学位论文 第一章序言 譬 。 岂 _ 鼍鞋 琏 图1 1加热温度对碳素钢烧损量的影响 f i g1 1a f f e c t i o no fh e a t i n gt e m p e r a t u r eo nt h el o s so fc a r b o ns t e e l d u r i n gh e a t i n g 图1 1 表示，在相同加热时间下，随加热温度升高氧化铁皮生成量也升高。 在1 2 7 0 以下生成的氧化铁皮易脱落，在1 3 0 0 。c 以上生成的氧化铁皮不易脱 离”。 当温度高于1 3 0 0 。c 1 5 0 0 。c 时，原来生成的氧化铁皮开始熔化，新的表而暴 露在炉气中，会进一步加重氧化。 应该指出的是：上述所指的是钢的表面温度，而不是我们所说的出炉温度， 对于炉温来说，炉温越高，钢的加热条件会明显得到强化。在高温区，钢的加热 主要靠辐射传热。辐射传热获得的热量若5 0 0 。c 时为1 ，则1 0 0 0 。c 时为8 ；1 5 0 0 。c 时为2 7 ；所以钢在高温时可阻迅速升到规定的出炉温度，减少了加热时间口 。 ( 2 ) 加热时间对氧化铁皮的影响： 一般讲加热时间越长，氧化生成的铁皮越厚，烧损也就越多，尤其是钢在高 温条件下，停留时间越长，氧化铁皮生成量越大，同时氧化铁皮的存在对继续氧 化又有阻止作用，虽然加热时间越长，氧化铁皮加厚的速率越慢，但氧化铁皮的 总厚度总在不断增加。如图1 2 。 4 3 3 2 2 2 ，0 0 东北大学硕士学位论文 第一章序言 譬 量 曩 图1 2 加热时间对碳素钢烧损量的影响 f i g1 2 a f f e c t i o no f t i m eo l lt h el o s so f c a r b o ns t e e ld u r i n gh e a t i n g 图1 2 表示，温度在8 5 0 v 9 0 0 。c 以下，氧化速度很小，在1 0 0 06 c 以上急剧上升， 而加热温度超过13 0 0 时氧化速度大大增加。 加热温度及加热时间周碳钢氧化烧损量a 的函数关系，可用如下经验公式表 玎i ： 盯= 6 3 t 72 e 一9 0 。7 7 ( 1 - 6 】 式中： a f 一氧化烧损量，2 t 加热时间，m i n t 钢的表面绝对温度，k 由以上可知，在高温下快速加热将减少氧化烧损8 1 。 ( 3 ) 炉内气氛可以影响氧化铁皮的生成： 加热炉内的气氛按性质可以分成三类：氧化气氛，有过剩空气和自由氧；含 有燃料完全燃烧的生成物，如c 0 2 和h 2 0 等中性气氛；除完全燃烧生成物外，还 有c o 和h 2 等还原气体。 当炉中的氧化气体增多时，氧化气氛浓度越大，氧化铁皮的生成量愈多。使 钢锭失重的气氛作用按大小排列为h 2 0 ，0 2 ，c 0 2 和空气。 炉中的另一个组成成份，是燃料中含s 时，与空气中的0 2 化合而成s0 2 。 6 东北大学硕士学位论文 第一章序言 s0 2 愈多，生成的氧化铁皮量愈多，低碳钢尤为显著。且硫化物会增加氧化铁皮 与金属问的接触粘度，导致氧化铁皮清除困难。 操作时，供风量不足，燃料燃烧不完全，c o ，h ：，c h 。，n 2 等含量就越多， 炉气就趋于还原性，若供风量过多，炉气中的h 2 0 ，0 2 ，c 0 2 就增多，此时炉气 就趋于氧化性气氛。因此，操作时，恰当地控制炉内气氛是减少氧化的有效办法。 所以，在通常的操作中无论是正常轧钢时的均热段，或是因故待轧炉膛气氛 最好均应控制为还原性。 h ) 合金元素的影响也是眈较显著的： 钢中铬含量增加，钢的抗氧化性增加，氧化皮生成减少。当铬含量大于2 4 ， 氧化皮生成量极少。铬含量为2 1 以下的钢，随钢中镍含量的增加，氧化铁皮生 成量减少。 当镍台量为2 6 以及3 1 时，氧化先随镍含量增加而减少。达到某一镍含量 后，则随镍含量的增加而增加。 钢中含n i 时，如果发生氧化，n i 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n i 量达到o 2 w t n i 以上时，铁质表面凸凹严重，鳞剥离 更困难n 合金元素m o 的存在会对其它抗氧化合金元素作用发挥起到促进作用。 加热合金钢时，除铁氧化外，同时也发生合金元素的氧化。不同合金元素氧 化物形成氧化铁皮，具有不同物理和化学性能，对钢的氧化速度也有影响。 铬，铝，钨，等合金元素的氧化物稳定，生成的氧化皮薄而且致密，很牢固 地粘接在钢的表面上，且能阻碍金属氧化物的扩散。 钴，镍，等合金元素的氧化皮，疏松，多孔，不能阻止氧化物的扩散。 1 。3 目前生产中氧化铁皮的去除方法 对热轧除鳞，国内外有高压水除鳞、机械法除鳞、化学法除鳞、轧制除鳞和气 体除鳞等。较普遍的办法就是高压水除鳞，特殊情况下是高压水除鳞加。 二机械法、 或化学法、轧制法、气体法并举。 ( 1 ) 高压水除鳞 东北大学硕士学位论文 第一章序言 高压水除鳞的简单机理如下：板坯从加热炉出来后，表面覆盖的氧化铁皮急速 冷却，炉内生成的氧化铁皮呈现网状裂纹。在高压水的喷射之下，氧化铁皮表面局部 急冷，产生很大收缩，从而使氧化铁皮裂纹扩大，并有部分翘曲。经高压水流的冲击， 在裂纹中高压水的动压力变成流体静压力而侵入氧化铁皮底部，使氧化铁皮从板 坯表面剥落，达到了清除氧化铁皮之目的t 1 0 】。基本原理示意如图1 3 。 图1 3 高压水除鳞机理示意图 f i g1 3s c h e m a t i cd i a g r m i ao f h i g hp r e s s u r eh y d r a u l i co x i d es c a l er e l n o v a l ( 2 ) 轧制法除鳞 这是一种用剪切式轧制法的轧机，通过减少辊径，用机械法去除热轧板表面的 氧化物。这种轧机至少有两个可沿轴向相对移动的轧辊，辊面呈现s 形，互为反向 安装。轧辊在一个确定的轴向位置时，其辊面可紧密无缝地配合，它能根据热轧板的 不同表面及表面状况除鳞。当两个轧辊沿同一方向作相对移动时，可使中间区增大 若使轧辊沿同一方向的轴向作相对移动时，辊面适于略微凸出的钢板表面，而以相 反方向的轴向作相对移动时，辊面适于钢板中间偏薄、边缘偏厚的板面。 ( 3 ) 机械法除鳞 它是一种去除热轧板表面氧化物的设备，其设备为磨削辊或铣削辊。它能均匀 有效地作用在整个钢板表面，从而能去除氧化物。为此，在轧机机架中装有带压下传 动装置的磨削辊，辊中装有辊轴，辊面呈s 形，该辊面的磨削辊能与钢板紧密配合，能 与钢板两侧均匀接触，适当移动磨削辊，可保证将钢板表面的氧化物均匀去除掉。见 图1 4 。 8 东北大学硕士学位论文 第一章序言 2 ， 图1 4有调整和带控制装置的轧机上作辊的示意图 1 控制装置 2 检测装置 f i g1 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f r o l l e ro f r o l l i n gm a c h i n ew i t ha d j u s ta n dc o n t r o le q u i p m e n t 1c o n t r o le q u i p m e n t2 d e t e c t o r 浚控制装置1 ，通过检测装置2 得到钢板表面状况的数据，从而控制有一定辊面 的磨削辊沿轴方向作相对移动，必要时还要调整磨削辊的弯曲负荷，使磨削辊的辊 面与钢板处于最佳耦合。控制装置还配有光学仪表及测量钢板表面氧化物的传感 器，该传感器在扫描时可测出钢板表面在何处存在有氧化物。 f 4 1 化学法除鳞 热轧时采用化学法除鳞一般是针对难除鳞钢种。即：将高压除鳞水设计成一种 封闭式的循环水，在水池中掺入碱金属碳酸盐等，然后再用高压喷射泵将除鳞液喷 射到板坯表面进行除鳞。本方法能提高钢板与鳞界面的剥离性，特别对二次鳞有较 好的除鳞效果 f 5 ) 气体法除鳞 出加热炉的板坯经轧制变形后，很快会在表面形成一层新的薄氧化层，而且在 消除应力阶段还会多次出现氧化铁皮的形成和脱落过程。为减少氧化铁皮的形 成，e p 6 4 0 4 1 3 专利介绍了一种减少氧化铁皮形成的方法。即在热轧钢板离开辊隙 消除应力的一段路径上，把惰性气体( 氮气) 喷吹到离开了辊隙的钢板上。在这个路 段上，钢板用一个密封装置加以屏蔽，惰性气体通入密封装置中，同时也吹入辊隙内， 由于保护性气体的存在，大大减少了钢板表面氧化铁皮的形成。 1 4 本文研究的内容和意义 9 2 1 a 钢是转炉连铸生产的n i c r - m o v 系低合金结构钢，是国家“十“”重点 科技攻关项目。为了解决9 2 1 a 钢板表面氧化铁皮难除问题，本文开展了以下研 究： 一9 东北大学硕士学位论文 第一章序言 ( 1 ) 对9 2 1 a 钢坯表面氧化铁皮进行解剖观察分析。 ( 2 ) 剥9 2 1 a 钢坯表面氧化层难除原因进行分析。 ( 3 ) 采用分段加热方法在试验室模拟氧化铁皮生成。 ( 4 ) 对含n i 、c r 钢的氧化铁皮形成进行机理研究。 东北大学硕士学位论文 第二章9 2 1 a 钢坯表面氧化铁皮的解剖观察与分析 第二章9 2 1a 钢坯表面氧化铁皮的解剖观察 与分析 2 1 前言 转炉连铸9 2 1 a 钢是由鞍钢提供的两种不同规格，厚度分别为1 8 m m 和2 6 m m ， 表面带有氧化铁皮的钢板。该钢板的生产工艺流程为： 铁水预处理转炉复吹炉外精炼连铸切割板坯缓冷 精整一喷沙包装( 喷涂) 铸坯加热轧制探伤热处理精整 入库 本文要解决的氧化铁皮主要是在铸坯于加热炉中加热形成的。铸坯的加热制 度如表2 1 。 表2 19 2 1 a # lr n d h 热制度 t a b l e2 19 2 1 ar o l l i n gh e a t i n gp r o g r a m 2 2 试验方法与结果 2 2 1 金相试样制备 从鞍钢提供的1 8 m m 厚的钢板上，切下金相试样。去掉表面氧化铁皮。按常 规工艺，沿横断面经过磨抛，制备出金相观察试样。在日本进口的u n i m e t u n i o n 8 1 0 6 型金相显微镜下放大5 0 0 倍，对试样上、中、下三个部位进行观察，观察结 果如金相照片图2 1 ( a ，b ，c ，d ) 。由图2 1a ，b ，c 可以看出上，中，下的金相组织 均为板条马氏体和部分铁素体组成。而图d 为最靠近表面的金相组织，其中铁素 体占的比例较大，表明钢板表面有脱碳层，这是正常的。 东北大学硕士学位论文第二章9 2 1 a 钢坯表面氧化铁皮的解剖观察与分析 a1 8 r a m 板上表面组织5 0 0 x c1 8 r a m 板下表面组织5 0 0 x 图2 19 2 1 a 钢板金相组织观察 h1 8 r a m 扳中心组织5 0 0 x d1 8 m m 板表面脱碳5 0 0 x a 上表面组织，b 舨中心组织，c 板下表面组织，d 表面脱碳形貌 f i g 2 1 m i c r o s t r u c t u r eo ft h es a m p l eo f9 2 1 aa u p p e rs u r f a c eb c e n t e ra r e a c ，i o w e rs u r f a c e d s u r f a c ed e c a r b o n i z a t i o n 1 2 。 东北大学硕士学位论文 第二章9 2 1 a 钢坯表面氧化铁皮的解剖观察与分析 2 2 2 晶粒度观察 将经过抛光的金相试样，用苦味酸饱和溶液+ 洗洁剂腐蚀后进行奥氏体晶粒度 测定，钢板上，巾，下表面的实际奥氏体晶粒如图2 , 2 所示。 a 1 8 n m 板上表面晶粒度4 0 0 xb 。1 8 r a m 板中心晶粒度4 0 0 x c 1 8 m m 板下表面晶粒度4 0 0 x 图2 29 2 1 a 钢晶粒尺寸观察a 上表面组织，b 板中心组织，c 板下表面组织 f i g 2 29 21 a s t e e lc r y s t a ls i z eo b s e r v a t i o na u p p e rs u r f a c eb c e n t e ra r e ac 1 0 w e rs u r f a c e 与标准图谱对比可知：钢板上表面附近的晶粒最细，为8 5 级，板下表面附 近晶粒度次之为7 0 级，板中部晶粒比上f 表面粗，是6 ，5 级。因为晶粒粗细与冷 却速度有关，冷却速度越大，晶粒就越细。钢板上下表面冷却速度大，中部冷却 速度小，故粗细不一样，这是正常的。一般钢板上表面比下表面冷速要大些，所 ，1 3 一 东北大学硕士学位论文 第二章9 2 1 a 钢坯表面氧化铁皮的解剖观察与分析 以e 下表面晶粒粗细有差别。 表2 2 晶粒度 t a b l e2 2c r y s t a ls i z e 综合以上金相组织和奥氏体晶粒的观察，可以肯定9 2 1 a 钢板样品的生产是 正常的，符合一般规律，这表明其上的氧化铁皮也是按正常规律形成的。可以代 表生产的实际情况。 2 2 3 氧化铁皮观察与结果 2 2 3 1 试样制各 从带有氧化铁皮的1 8 r a m 、2 6 m m 钢板上，切下1 0 x 1 0 x 1 8 ( 2 6 ) m i t l 的方块 试样，按图3 所示的部位镶嵌于牙托粉粘合剂中，其目的是保护氧化铁皮的原貌， 避免在磨抛时损伤。凝固后，先用砂轮打平，再用水磨砂纸仔细打磨，磨至1 0 0 0 号的砂纸，然后用去离子水抛光，保持氧化铁皮的完整性和纯洁性。 图2 3 试样制备示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fs a m p l ep r e p a r a t i o n 东北大学硕士学位论文 第二章9 2 1 h 钢坯表面氧化铁皮的解剖观察与分析 2 , 2 3 2 氧化铁皮厚度的测定 使用8 1 0 6 显微镜进行观察，放大倍数为1 5 x 2 0 可以清楚地看到氧化铁皮的 分布情况，由于氧化层与基体间的界面明显，通过螺旋测微器( 精度为o ，0 0 1 m m 格) 来测量氧化铁皮的厚度。测量关系为o ，t r a m 7 4 8 格，对同一试样进行多点测 量，数据列入表2 3 和2 4 表2 31 8 r a m 试样氧化铁皮尺寸 t a b l e2 3 1 8 m m s a m p l eo x i d es c a l ed i m e n s i o n 1 8 z v a n 钢板试样 1 2 6 4 4 3 8 5 7 2 3 5 8 1 5 2 5 0 0 1 2 3 5 1 2 8 1 3 4 2 5 4 6 1 0 8 8 1 4 1 4 5 4 5 8 2 6 1 7 0 6 1 0 6 8 1 0 0 8 1 3 1 7 1 2 3 5 9 2 4 9 9 1 0 0 4 5 5 6 7 5 9 2 3 4 2 3 0 5 9 1 9 1 4 8 1 5 5 0 0 0 6 6 0 4 6 8 4 5 7 1 7 6 2 9 2 0 5 8 1 8 7 5 6 1 2 9 1 4 4 4 1 7 9 1 2 3 5 7 1 1 5 3 9 7 0 4 3 6 6 0 4 4 9 4 1 5 2 9 9 o o o 2 4 3 3 4 3 0 2 7 8 6 1 2 5 0 5 7 3 3 4 8 ，2 5 0 2 4 6 6 4 7 ，2 5 5 5 0 0 5 8 0 1 0 2 5 1 1 2 2 9 7 2 7 3 8 9 5 0 1 2 9 o 9 2 8 1 1 7 4 1 1 5 5 0 0 0 0 9 9 8 7 7 3 0 1 2 0 7 8 8 4 9 2 2 4 6 8 0 0 0 2 8 1 o o 9 8 4 7 8 0 9 8 6 3 7 8 7 6 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 2 9 01 5 5 1 - 1 5 丝m强”蛐笱拍抖丛四仉”舛州”如矾的以印o o 2，4，6 7 8 9加他m”拍撼拇加n卫船m 东北大学硕士学位论文 第二章9 2 1 a 钢坯表面氧化铁皮的解剖观察与分析 - - _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 表2 42 6 m m 试样氧化铁皮尺寸 t a b l e2 42 6 r a ms a m p l eo x i d es c a l ed i m e n s i o n 2 6 m m 钢板