热轧时钢铁材料高温氧化铁皮的研究进展分析

徐 挺

近年来我国钢铁也发展迅速，为社会和经济发展做出了重要贡献。高温热轧是钢铁加工的重要工序，所以受到了人们的广泛关注。热轧不禁改善了铸造和组织，也消除了纤维和组织缺陷，细化了钢材晶粒，使钢组织更加地密实，提高了力学性提高。在热轧过程中，钢材会接触空气，经过了氧化反应后会产生氧化铁皮，这会造成资源浪费，导致产品质量降低，从而给企业带来一定经济损失。热轧和锻造以及调质热处理时，会损失钢总量的7%～10%的资源，所以高温氧化会影响铁皮形成和结构，导致一些缺陷出现。钢铁当前是用量较大的一种材料，这种材料的性能比较优良，而且生产成本较低，综合性非常的好，是一种性价比较高的金属材料，所以当前应用范围比较广泛。但是普通的钢材在韧性方面表现的较差，并且可焊性也较差，为了有效地提升普通钢材的应用性，需要进行特殊的加工和处理，才能有效地改变这些问题。钢材的改性加工，当前的工艺较多。其中热轧钢是比较常用的方法，主要是通过高温进行处理，从而改变钢材性能，经过热轧的钢材会形成结晶温度，达到了结晶温度后，轧制的钢材属性会发生变化，性能也会变得优良。虽然热轧钢有较好的优势，但是会出现氧气反应，在高温的作用会出现氧化铁皮，会造成材料损失，并且对于热轧件表面也会产生影响。

1 热轧钢的工艺分析

热轧钢就是通过高温加热的方式所轧制而成的钢件，加工所采用的工艺，一般需要先进行炼铁和炼钢，然后再进行模铸和热轧，最后再进行冷轧。这种工艺的优势，可以有效地改善焊接的韧性和强度，并很大程度地提高了热轧钢性能，同时还使用了镀合金工艺，对于不同的合金材料，影响程度有很大不同，所以这种镀合金工艺，比传统的热轧钢工艺有明显的优势。我国现在正处于经济发展的转型时期，随着相关技术的不断发展，促进了许多工艺的发展和创新，在热轧工艺上也有了很大程度地提高，这不仅有效地提高了生产效率，也很大程度地降低了生产成本，提高了企业的经济效益，为企业发展做出了重要贡献。当前在具体生产和加工是虽然还存在一些问题，但是相信通过不断的努力和改进，一定可找到有效方法改变当前的问题。

2 表面氧化物结构和类型

2.1 氧化物的基本结构分析

在热轧钢表面会有一定的氧化物，结构大概分了三层，分别是FeO和Fe3O4，以及Fe2O3，氧化物的颜色也有一定的差别，分别是蓝灰色和灰色以及红色。其中的FeO晶体是氧化钠离子，结构的空隙相对较大，而且比较易溶于酸，但是在酸环境下，比较容易被腐蚀，这种情况的氧化反应式是：2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3。其中的Fe3O4是晶体结构，一般是黑色的离子晶体，而且结构比较紧致，不易溶于酸，耐腐蚀性也较强。而Fe2O3是晶体结构，是六方晶体结构，结构非常的紧致，但是也不溶于酸。所以在具体工作中，应当充分考虑这些元素的影响，有效地提高生产质量。

2.2 氧化物的主要类型

热轧过程中会进行三次氧化皮。这三次的氧化物条件有很大不同，氧化程度也有很大差异，具体表现如下：首先，是一次的氧化铁皮。发生条件是1200℃，温度的持续时间一般是3h～4h之间。到高温加热炉进行加热时，持续的加热时间一般为3h～4h，温度应当在1200℃左右，这会使表面的铁离子与氧离子发生反应，产生较厚的氧化物，这就是一次的氧化铁皮。因为是在炉内发生的，也可以叫炉生的氧化铁皮，这种铁皮有较强的结合力，而且氧化层比较厚，结构非常的密集，浪费情况也比较严重。其次，是二次的氧化铁皮。钢材出炉后要进行初步的热轧，也可以叫做粗轧，需要用高压水流进行处理，这个步骤要反复多次，要在高温环境下进行，反复热轧时会出现氧气反应，从而出现了二次的氧化铁皮。由于时间较短，二次氧化的铁皮较薄，所以结合面比较稀疏。最后，三次的氧化铁皮。这个过程采用的是精轧工艺，而且轧速比较高，时间大概是5s～30s之间，发生的氧化物，就是三次的氧化铁皮。由于精轧时间短，所以铁皮量较少，结合面非常地稀松，表面容易受到温度影响，从而影响热轧质量，在实际工作中，要高度重视温度的影响。

3 合金元素产生的主要影响

在进行热轧时合金元素会产生一定的影响，尤其是对氧化铁皮的影响，在显微结构方面还有厚度方面的影响最大，所以在实际工作中，要对这些情况要重点关注。在进行高温氧化时，一般情况下合金元素会积累在铁皮和基体界面处，对于这个部位应当重点关注。这个部位的合金元素，作用主要有两个方面。第一，是可以在一定程度上加强铁皮和基体交界面强度，可以有效地抑制气泡的出现。第二，有效地阻碍了铁离子扩散，海洋氧离子的扩散情况，很大程度地减慢了氧化速率。在实际工作中由于阻碍了离子的扩散程度，使得合金钢当中的Fe2O3和海洋中的Fe3O4厚度发生了一定改变，在百分比方面高于了低碳钢。但是对于Cu和Cr，还有Ni和Si这四种合金，通过相关研究发现了，具有一定阻止氧化能力，其能力大小的具体情况是Cu＜Cr＜Ni＜Si，而其中的抑制铁皮，产生的气泡能力大小情况是Ni＜Cr＜Cu＜Si。

3.1 Si元素的影响情况分析

Si是重要的元素，在自然界中广泛地存在，而且存在量也比较大，在地壳当中的储量排在了第二，仅次于氧元素含量，而且这种元素的价格比较便宜，使用成本比较低。Si元素在氧化过程中具有重要作用，尤其是在钢的氧化中，具有不可替代的作用，所以要对这种元素的影响进行充分分析。Si元素在氧化时，主要的作用是会在界面处位置，聚集和形成保护层，这个保护层可以有效地减缓Fe和O元素扩散，很大程度地降低了扩散速度，从而影响了氧化速率。在低碳钢热轧时，可以加入一定Si元素，这种元素经过了高温加热以后，会导致原子扩散，而Si原子会汇集到界面处，并与氧气发生一定的反应，生成了SiO2元素，之后继续还可以发生一些比较复杂的反应，会生成Fe2SiO4元素，而这一层结构主要是由FeO+Fe2SiO4组成。含有一定的Si元素，这时的氧化铁皮结构会发生一定的改变。这层的氧化铁皮是由Si和O，以及Fe元素组成，该氧化物层可以阻碍O离子和Fe离子发生反应。当温度达到了相应温度时，或者是高于这个温度是，会产生液相层。要想出现这样的情况，一般情况下温度要在173℃以上，钢基体和氧化铁皮才会出现Fe2SiO4液相层。当这个液相层出现以后，会向外侧和内侧进行渗透，渗透到外侧时会起到钉扎的作用，有效地增加了铁皮的粘附性，但是在后续除鳞时会比较麻烦，会很难除干净。如果是渗透到了内部，会使平直度下降，增大了除鳞难度。在热轧是要充分考虑Fe2SiO4的影响，如果液化比较严重，会降低除鳞性，这样会引起红色的铁皮，以及氧化铁皮的压入，导致表面出现缺陷。通过相关的研究发现，如果硅含量比较高时，应当引起注意，当高于0.15%时就要特别注意，碳钢经过了高温氧化后，就会出现富硅层。在具体操作时，如果发现硅含量高于0.15%，而低碳钢的问题在1143℃～1203℃之间，也就是FeO和Fe2SiO4共晶温度，就会产生空气当中的氧化作用，这时就会发现两者都有富硅层，而且Fe2SiO4的液相层，表现为结合致密，FeO大多是混合微粒，而且有部分的孔洞出现。之所以出现富硅层，是因为生产中Fe2SiO4液相温度不是1173℃，只是理论的液相温度，与实际温度有一定的差异，一般都会比这个温度低，由于钢种的成分不同，所以液相温度也有一定的差别。在热轧过程中，到冷轧后的处理，整个过程都会形成SiO2，可以把钢基体的表层分布的SiO2称为内氧化层，内氧化层形成后，将无法高压除鳞。随着氧化的进行，内氧化层当中的SiO2会发生一定的变化，如果与氧化铁皮发生了反应以后会生成Fe2SiO4，从而形成了混合相。随着Si的增加，氧化机制会发生改变，由内氧化机制变成了外氧化机制，对于这种改变在具体工作时，应当特别关注。

3.2 Cr元素的影响

Cr元素也是重要的元素，这种元素是呈现银白色的，有一定的光泽金属，而且质地极硬，非常地耐腐蚀。这种元素不仅可以增强钢的耐磨性，也可以增强力学性能，这在实际使用中具有一定优势，有效地增加了钢的淬透性，也在一定程度上增强了钢的抗变形能力，还增强了钢的耐蚀性，提高了钢的耐热性，加强了抗磁性，有效地提高了钢的弹性。由于Cr的抗腐蚀性较强，将它与铁和镍组合，就成为了不锈钢，这种材料常用于生产切削工具，生产出来的产品质量也较好，受到了用户的广泛好评。这种元素的抗氧化机理也有一定的特点，就是在界面处聚集可以生成保护性的氧化产物，也就是Cr2O3和FeCr2O4元素，这层氧化物可以充分地保护钢材表面，有效地降低了Fe和O元素的扩散，起到了防腐作用。

3.3 其他元素的影响

在热轧时除了Si和Cr的影响，其他元素也有重要的影响。主要产生影响的元素是C和Si元素，还有Mn和P元素，以及S元素这几种，这是钢的五大元素，由于钢铁本身存在了一定的C元素，在氧化过程中如果与氧气发生了反应，就会释放出CO气体，这会得氧化铁皮开裂，也会导致鼓泡情况。而Mn和P元素会直接发生反应，导致氧化铁皮出现起皮现象。钢发生了氧化反应，如果Cu元素被排斥，那么在金属的基体和氧化物界面上，就会出现一些变化，当Cu含量高于8%的时候，会出现富铜分离相，而富铜分离相的温度在1096℃时，就会产生熔化，这是在金属的基体，还有氧化物间会出现一层膜，这样的情况会导致热脆性，同时还会出现表面缺陷。在这五种元素中，Ni是较难氧化的，在被氧化时，Fe元素会优先氧化，在氧化铁的内层会产生Ni元素，形成了Ni金属网丝，从而使钢的基体和氧化铁皮间的接触面发生变化，这时的氧化铁皮是很难被剥离的，就是使用高压水进行冲击，也不会容易剥落，导致了表面缺陷，而且这种缺陷会随Ni含量的变化而产生变化，如果是增加了会变的更严重。Al元素的影响也比较重要，被氧化后形成保护层，有效地降低了氧化速率。而Mn元素在低碳钢中，一般都是存在于FeO层当中，影响比较小可以忽略。稀土元素也具有一定的作用，主要是净化钢质作用，而且氧化膜的结晶度较好，实际使用中有着非常好的表现。

4 工艺制度的影响

在热轧钢板时应当注意工艺的影响，尤其是铁皮结构的不同，会对除鳞过程产生重要影响，所以应当充分地了解铁皮结构，还要掌握厚度和温度情况，以及卷取温度和冷却速度问题，有效地提高热轧质量。

4.1 终轧温度的影响

在终轧时要考虑氧化铁皮厚度问题，这与终轧温度有一定的关系，在进行轧制时，轧制时间一般相差不大，而氧化铁皮的厚度会增加，增加的幅度与温度有关。如果终轧温度较高时，轧制时间也比较短，氧化时间也会在一定程度上减少，而氧化铁皮厚度也比较薄。典型的三层结构比例一般是1：4：95，热轧时要注意温度影响，随着温度的降低，FeO元素的驱动力会变大，FeO层也会逐渐减少，但是Fe2O3和Fe3O4含量会增加。相反如果终轧温度升高，其中的FeO含量也会增加，Fe2O3和Fe3O4层含量会相应减少。随着温度的不断降低，FeO也会发生转变，导致驱动力加大。如果温降幅度增大，FeO的变化也就越大，FeO量也会变多。如果开轧温度不变，终轧的温度就会越低，FeO就会发生转变。如果终轧温度降低了，那么FeO层会不断地减少，而Fe3O4层会不断地增加，Fe2O3厚度变化较小，但铁皮的总厚度会改变，Fe2O3含量也会根据温度变化而发生改变。

4.2 卷取温度的影响

卷取温度也是重要的影响因素，一般情况下卷取温度应当在500℃～700℃之间，当高于570℃时，结构中会有少量的FeO/Fe3O4分布于界面上。当温度在450℃卷取时，组织比例一般较高，而冷却速率也会越小，共析组织的含量也会越高。当温度在350℃卷取时，结构中的FeO会被大量保留，但是没有共析组织。不同温度下的FeO层，也会发生一定的转变，根据相关研究显示，FeO共析转变应当遵循“C”曲线规律。在这个温度下FeO转变最快，最适宜进行卷取。低碳钢的转变也应当遵循“C”曲线规律。

4.3 冷却速率的影响

冷却速率影响主要体现FeO层结构，主要影响的是相变时间，一般情况下低冷却速率给FeO共析转变，提供了比较充足的时间，这有利于共析反应发生。同样卷取温度条件下，较低冷却速率有利于共析反应。当高于25℃/min时，氧化铁皮中无Fe3O4/Fe，但是铁皮会继续生长，到了570℃温度以上时，会保持三层结构。如果温度降到了570℃以下时，此时的FeO层非常的不稳定，会发生相变反应。不同冷却速率下，FeO产物也不同，显微结构也不相同。一般情况下冷却速度越快会越好，所以当前很多的热轧厂都采用高温快轧方法。在实际工作中要充分卷曲温度的影响，还有冷却速度的影响，尤其是FeO层的影响，还要考虑曲线问题。当实际温度是650℃时，此时的冷却速度一般是15℃/min，会产生铁皮层，这时的铁皮层中含有FeO，但是其中有少部分FeO，会先进行共析反应，进而生成了Fe3O4，这是一种析出物，但是大部分的FeO层还是存在的。当实际温度是500℃时，要充分考虑冷却速度问题，这时的应当是5℃/min，再这样的情况下铁皮类型应当是II类，此时的铁皮FeO层当中，会存在一定量的Fe3O4析出物，这时的类型要比I的多。当温度是500℃时，冷却速度一般是2℃/min时，而铁皮的类型也会发生一定改变，大多数情况下是类型III，这时铁皮当中的FeO，大部分会变成Fe3O4/Fe。当出现共析物时，还会有少量的Fe3O4和FeO。此外还有一定的类型I～II，以及II～III，分别是介于两者之间。如果FeO的剥离性比较好，那么会比较易被酸洗掉，冷却速度也会越快，其中的FeO发生相变的可能也会越少，那么被保留下来的可能也会越多。所以在热轧的过程中，要注意温度650℃情况，因为这时的冷却速度是越快越好的，这也是最佳的温度，所以当前在实际生产过程中，被广泛地使用，生产出来的材料性能也是最好的，具有很高的使用价值。

4.4 其他因素影响

在热轧过程中还会受到加热条件的影响，因为加热的气氛会对氧化铁皮产生影响。当碳钢加热时，随着炉内温度升高，以及加热时间的延长，会导致水蒸气和氧气增加，这些情况都都会加快氧化速度。如果炉内加入了一定量的一氧化碳和氢气，以及还原性气体时，可以就减缓氧化速率，从而得到较高质量钢板。但是炉内的气氛比较复杂，会产生H2O和CO气体，还会产生CO2和H2，以及SO2等其他的气体，这些气体都会与钢板发生一定的反应，可以通过改变气体比例，来降低能源消耗，减少氧化铁皮。但是在实际生产过程中，会受到加热方式以及一些条件限制，所以难以实现真空保护。

4.5 表面情况分析

一般在三种条件下，对于热轧氧化铁皮会出现二次电子特征，也就是表面的观砂砾情况，以及疏松状的氧化物，这些情况的出现主要是终扎后冷导致的，各种元素呈现的是不规则分布情况，在氧化铁皮表现非常容易碎，而且疏松的氧化物也比较容易脱落，这些情况在具体工作中不容易被观察，但是经过一定处理后，会可以观察到一些氧化物。当卷取以后，应当进行取样，但是要注意快速冷却，因为高温会产生一定的影响，在经过了十几个小时以后，就会冷却到平整前温度，但是有时会出现表面裂纹增加的情况，这是由于卷取状态决定的，所以热轧时要沿着基本方向操作，才能使其分布均匀，间隔也比较合理。

随着我国经济的不断发展，带动了许多行业的发展，其中钢铁业发展非常迅速，在这样快速的发展形式下，应当不断加强相关工艺的研究和发展，这样才能生产出高品质产品，并且为相关技术的发展和创新做出贡献。

5 结语

在实际生产过程中合理地控制氧化铁皮，对提高钢的产量和表面质量具有重要作用，不仅提高了耐蚀性，也有效地提高了利用率。在热轧过程中有效地控制氧化铁皮情况，控制其结构和生长情况，对改善热轧表面质量，避免氧化皮和麻点情况具有积极的作用，还能很大程度地降低材料损失和资源浪费。