SPAH钢的高温氧化行为

沈卫东， 朱远志， 蒙 毅， 张 帆， 林宇龙

(1.国网冀北电力有限公司 经济技术研究院， 北京 100041；2.北方工业大学 机械与材料工程学院， 北京 100144)



沈卫东1， 朱远志2*， 蒙 毅2， 张 帆1， 林宇龙1

(1.国网冀北电力有限公司 经济技术研究院， 北京 100041；2.北方工业大学 机械与材料工程学院， 北京 100144)

SPAH钢在热轧过程中氧化不仅会影响到产品的表面质量还会影响到材料的收得率.在热轧温度范围733～1 333 K，对该钢进行了热轧试验，利用扫描电子显微镜、能谱分析和X射线衍射等方式研究了其高温氧化行为.研究表明，当温度低于833 K时，钢的高温氧化非常轻微.在钢的温度低于1 133 K时，其表面氧化膜均比较致密.如果温度超过1 133 K，所形成的氧化膜松而脆，而且此时随着温度的升高，表面氧化速率显著增加.进一步数值分析表明，提高轧制过程中的冷却速率或提高轧制速度可以减少表面氧化.

SPAH钢； 氧化； 高温； 连铸连轧

SPAH钢是一种抗大气腐蚀的结构钢，常常用于集装箱制造等[1-3].这种钢在大气及海水环境下具有良好的抗腐蚀能力,这种抗腐蚀能力主要和材料的成分有关.实际上，材料的氧化主要受材料的成分、组织结构以及环境温度和介质等的影响[4-5].SPAH钢是一种低碳结构钢，低碳结构钢热轧冷却后，微观结构上主要是以铁素体为主，铁素体钢具有良好的耐腐蚀性能.人们对该钢在室温条件下的抗大气腐蚀行为做过大量的研究[6-8]. 少量的铬、镍可以进一步提高材料的抗大气腐蚀性.加入微量的铜和磷，可以提高空气环境条件下所形成氧化膜的致密性，从而提高了材料的抗大气腐蚀性能.然而作为一种结构材料，人们不仅要关注它的使用性能，还要关注它在加工过程中的性能如何，这样才能保证高效地生产出性能可靠的产品.如SPAH钢热轧性能、其在热轧过程中抗氧化性能等等.如果钢在热轧过程中发生严重氧化，脱落的氧化皮容易被压入钢材表面，影响到产品的表面质量.氧化越严重，氧化所损失的材料越多，会影响到钢材的收得率.因此，研究SPAH钢的高温氧化行为，特别是在热轧温度范围内的氧化行为，具有现实意义.然而到目前为止，对于SPAH钢在热轧温度范围附近的氧化行为的研究并不多.本文主要通过热氧化等方法研究该钢在热轧温度范围附近的氧化行为.

1 试验

从热轧钢板上截取尺寸为10 mm×10 mm×3 mm样品多块.样品的成分见表1.

表1 SPAH钢的主要化学成分

所截取的样品用不同目数的砂纸进行打磨抛光，打磨过程中应该注意尽量使每个样品表面光洁度基本一致.打磨抛光后的样品放入酒精溶液中，用超声波设备进行表面清洗，清洗时间10 min.然后干燥清洗完的样品，干燥好的样品在马弗炉中以不同的温度进行氧化试验.氧化前后的样品用分析天平进行称重，以确定材料的抗氧化速率.用扫描电子显微镜，能谱分析和X射线衍射等手段对氧化后样品的氧化膜结构和成分进行研究.

2 试验结果与讨论

2.1 氧化增重

SPAH钢高温下的氧化增重曲线见图1.

图1 SPAH钢的高温氧化增重曲线Fig.1 Mass gain of the SPAH steel in oxidizing at elevated temperatures

图1表明，当氧化温度在733～ 833 K之间时，SPAH钢的氧化速率随着温度的升高只产生微小的增加.当温度超过1 133 K，随着氧化温度的升高，该钢的氧化速率显著增加.

2.2 SPAH钢的氧化动力学方程

图1氧化试验数据表明，SPAH钢的氧化行为基本符合抛物线规律.有:

(Δmg/cm2)2=Kpt+c,

(1)

式中，Δmg/cm2为单位面积的质量增加，t为氧化时间，c是常数，Kp是氧化动力学常数.Kp的值越大，说明钢越容易受氧化.

不同温度下的Kp值可以用最小二乘法进行计算：

1)若(Δmg/cm2)2=X2，t=Y，方程(1)可以改写为：Y=X2/Kp+C.

2)整个方程组为：

(2)

把所算得的Kp值代入方程 (2)，就可以得到不同温度下的抛物线氧化方程(3):

表2 SPAH 钢不同温度下氧化的Kp值

T=733 K (Δmg/cm2)2=2.23×10-3t+C1,

T=833 K (Δmg/cm2)2=1.11×10-2t+C2,

T=933 K (Δmg/cm2)2=2.02×10-2t+C3,

T=1033 K (Δmg/cm2)2=4.13×10-2t+C4,

T=1133 K (Δmg/cm2)2=7.52×10-2t+C5,

T=1233 K (Δmg/cm2)2=63.38×10-2t+C6.

(3)

方程(3)表明，当温度超过1 133 K以后，材料的氧化显著增加.实际上，材料氧化过程中氧化膜的生长受控于氧原子及钢中铁原子的扩散速率.因而，氧化膜的生长动力学过程应该符合扩散定律：

Kp=Ae-Q/RT，

(4)

其中，Kp为氧化动力学常数；A为常数；T为氧化温度；Q为氧化过程的激活能.(4)式表明，温度越高，氧化速率越快，因而生成的氧化膜越厚.

2.3 氧化膜的微观结构

2.3.1 温度的影响 通过扫描电子显微镜对SPAH钢表面形成的氧化膜进行观察，结果见图2.图2表明，在633 K氧化30 min的样品表面可以看到明显的剪切磨削痕迹，这些痕迹应该是氧化前抛光过程中形成的.这一温度下，样品表面没有发现明显的氧化物.但当温度升高到833 K，样品表面的磨削痕迹变得模糊.样品表面可以看到棒状氧化物.微观结构分析表明，1 133 K氧化时，钢表面形成的氧化物形貌明显不同于633 K和833 K时的情况.1 133 K氧化时样品表明可以观察到团族状氧化物.这些团族内部包含大量的氧化物颗粒，这时形成的氧化膜相对低温时较为疏松.当氧化温度升高到1 333 K，样品的表面的氧化膜更加疏松.氧化膜的表面还可以看到许多微裂纹，说明这时形成的氧化膜比较脆.这种微裂纹是在氧化膜形成、生长及冷却过程中，由于其膨胀系数和基体存在较大差异所形成的残余应力所导致的.

(a) 633 K/30 min,(b) 833 K/30 min,(c) 1 133 K/30 min,(d) 1 333 K/30 min

氧化膜横截面的微观结构见图3.图3表明，在633 K氧化30 min样品表面的氧化膜完整而致密.所形成的氧化膜厚度约为50 μm，氧化膜附近的铁素体晶粒尺寸大约为10 μm.当温度升高到1 133 K时，样品表面的氧化膜厚度增加到80～100 μm，此外还可以看到氧化膜表面有少量微裂纹，氧化膜附近的铁素体晶粒尺寸为15～20 μm.当氧化温度继续提高到1 333 K时，氧化膜变得更加疏松，氧化膜表面可以看到大量的微裂纹.这时氧化膜的厚度达到200 μm.氧化膜附近的铁素体晶粒尺寸长大到20 μm左右.研究表面微观结构发现，氧化温度的变化不仅会影响到氧化膜的结构，还会影响到基体的晶粒尺寸的大小.

(a) 633 K/30 min.(b) 1 133 K/30 min.(c) 1 333 K/30 min

2.3.2 所形成氧化物 用X射线衍射对不同温度下形成氧化物进行分析.分析结果见图4.图4表明，当样品在低于733 K氧化后，其表面X射线衍射图谱中基体铁的谱线仍然十分明显，表明只形成了少量的Fe2O3.当氧化温度升高到1 033 K时，样品表面衍射峰中含有明显的Fe峰和Fe2O3峰.当温度进一步升高到1 133 K，氧化膜中除了主要的FeO以外，还含有少量Fe3O4.

图4 不同温度下氧化30 min后SPAH钢样品表面形成的氧化物组成Fig.4 X-ray diffraction patterns of the surface of the samples oxidized for 30 min at different temperatures

2.3.3 SPAH钢热轧时的氧化 如果要研究热轧过程中的氧化行为，那么我们应该了解热轧时钢板表面的温度变化情况.因为钢在轧制过程中的速度非常快，要精确测量钢板表面温度动态变化是非常困难的.另外，热轧时的水汽和表面的氧化均会对所测试温度的准确性产生影响.本文利用有限元的方法对热轧过程中钢板表面的温度变化进行研究.

模拟时，根据现场加热炉温度情况，初始温度选用1 473 K，导热系数选用普通低碳钢的导热系数[9]，单机架的轧制时间为1 s，用有限元程序进行计算，计算结果见图5.

图5 热轧过程中钢板表面的温度变化Fig.5 The surface temperature of the plate in hot rolling

结果表明，单道次轧制后，钢板表面温度将为1 073 K，那么意味着这时所形成的氧化物为FeO和少量的Fe3O4，这与上面的试验结果是相符合的.当提高冷却速率，可以有效降低钢板表面温度.增加轧制速度，可以减少钢板在高温段的停留时间.通过增加冷却速率或提高轧制速率，均可以减少热轧氧化.

3 结论

1) 当氧化温度低于833 K，SPAH钢表面的氧化比较轻微．

2) 当温度低于1 133 K，所形成的氧化膜相对比较致密．

3) 当温度超过1 133 K，氧化膜变得脆而疏松，这时随着温度升高，氧化速率显著增加.

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The oxidization of SPAH steel at elevated temperatures

SHEN Weidong1， ZHU Yuanzhi2， MENG Yi2， ZHANG Fan1， LIN Yulong1

(1.State Grid Jibei Electric Economic Research Institute， Beijing 100041; 2.School of Mechanical and Materials Engineering， North China University of Technology， Beijing 100144)

Oxidization of SPAH steel in hot rolling would affect the surface quality and the yield rate of the produced steel products. Oxidization experiments were performed at temperatures ranging from 733 K to 1 333 K. SEM, EDX and XRD were used to investigate this kind of oxidization behavior. It is shown that the oxidization of the steel was very slight at a temperature lower than 833 K. The oxide scale of the steel was dense when the temperature was lower than 1 133 K. However, as the temperature increased above 1 133 K, the oxide scale became loose and brittle, along with the raise of the oxidization rate. Further numerical studies implied that the high water cooling rate and the high rolling speed would reduce the oxidization rate of the steel on a rolling mill in the steel plant.

SPAH steel； oxidization； elevated temperature； compact strip production

2015-09-15.

科技部国际合作项目( 2013DFG12750);北京市长城学者资助项目 (CIT&TCD20140301);北京市自然科学基金项目(3142007).

1000-1190(2015)06-0916-04

TG161

A

*通讯联系人. E-mail: tozyz1@163.com.