低碳鋼盤條氧化鐵皮形成機(jī)理及其控制研究

王克杰

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津 300301）

低碳鋼盤條氧化鐵皮形成機(jī)理及其控制研究

王克杰

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津 300301）

低碳鋼盤條表面氧化鐵皮的質(zhì)量是影響冷拉絲前除磷效果影的主要因素之一，采用熱模擬試驗機(jī)研究了對低碳鋼盤條在不同加熱溫度和冷卻工藝下形成氧化鐵皮的厚度、顯微組織、相結(jié)構(gòu)及其組成成分、相對含量和分布特征，分析出了生成氧化鐵皮控制方向和理想的吐絲溫度和冷卻工藝。研究結(jié)果表明，溫度過高，生成氧化鐵皮疏松易脫落，溫度過低，生成氧化鐵皮太薄起不到保護(hù)作用；冷卻速度越快，生成氧化鐵皮越致密，表面質(zhì)量越好，F(xiàn)e3O4層的厚度較厚，冷卻速度過快則氧化皮就過薄。終軋溫度950℃、吐絲溫度930℃、冷卻速度0.5～1℃/s的冷卻工藝能得到厚度適中，致密度較高的氧化鐵皮，且容易機(jī)械除鱗。

低碳盤條 氧化鐵皮 控制 機(jī)械除鱗

1 引言

熱軋盤條表面的氧化鐵皮硬而脆，應(yīng)在拉拔前去除，這一過程稱為機(jī)械除鱗。受氧化鐵皮形成條件差異的影響，其厚度、顯微組織以及相結(jié)構(gòu)等會出現(xiàn)差異，導(dǎo)致氧化鐵皮機(jī)械除鱗效果不同。機(jī)械除鱗效果較差時，盤條表面會殘存較多的氧化鐵皮，并在拉拔時刮傷模具和鋼絲表面，使?jié)櫥Ч陆?，影響拉絲模壽命，嚴(yán)重時會引起斷絲。因此，在保證盤條性能的前提下，優(yōu)化盤條的軋制和冷卻工藝，改善氧化鐵皮結(jié)構(gòu)與機(jī)械除鱗性能，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高機(jī)械除鱗效果，改善后工序加工性能具有重要的意義。

2 試樣

試驗材料采用天津鋼鐵集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的Φ6.5 mm SAE1018熱軋盤條，化學(xué)成分：C：0.190、Si：0.145、Mn：0.640、P：0.029、S：0.027。

3 試驗及分析

3.1 氧化鐵皮生成機(jī)理、相變原理及結(jié)構(gòu)特征

一般來說，氧化鐵皮分為3種。在加熱爐中，由于鋼坯高溫下與氧接觸，表面形成一層很厚的氧化鐵皮，稱為一次氧化鐵皮，由安裝在加熱爐出口附近的高壓水除鱗機(jī)將其去除。經(jīng)除鱗機(jī)除鱗后，進(jìn)入粗軋機(jī)組軋制，因鋼坯溫度高，表面仍繼續(xù)氧化，在粗軋過程中和粗軋后生成二次氧化鐵皮，它可通過粗軋剝離或由二次除鱗機(jī)去除。隨后，進(jìn)入精軋機(jī)組軋制，在精軋過程中和精軋后生成三次氧化鐵皮。三次氧化鐵皮在隨后盤卷和冷卻過程中，進(jìn)一步生長并發(fā)生結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。因此，三次氧化鐵皮影響盤條表面最終的氧化皮厚度。低碳鋼盤條一般采用緩冷方式冷卻，氧化皮較厚；高碳鋼一般采用加強(qiáng)型冷卻，氧化皮較薄。根據(jù)Chen R Y的觀點,鋼鐵表面的氧化皮主要是由三層構(gòu)成，即厚的氧化亞鐵（FeO）內(nèi)層、薄的四氧化三鐵（Fe3O4）中間層和非常薄的三氧化二鐵（Fe2O3）表層組成，有時還更加復(fù)雜。在1 000℃形成的氧化皮各成分的比例為FeO：Fe3O4：Fe2O3=95:4:1。在較好的氧化皮中，氧化皮結(jié)構(gòu)連續(xù)，主要是FeO相。加熱溫度、加熱時間與碳鋼氧化燒損量a之間具有一定的函數(shù)關(guān)系，可用如下經(jīng)驗公式表示:

式中：a為氧化燒損量，g/cm；t為加熱時間，min；T為鋼的表面絕對溫度，K。

在不同溫度條件下，軋件表面生成三次氧化鐵皮的成分不同，當(dāng)溫度低于900℃時，表面的氧化層主要是FeO，并帶有少量的Fe3O4，而沒有Fe2O3；當(dāng)溫度高于900℃時，隨著溫度的升高，氧化層中FeO減少, Fe3O4增多，同時生成Fe2O3，氧化層的厚度變厚。

氧化鐵皮是高溫氧化產(chǎn)物，在高溫區(qū)服從拋物線氧化定律；在570℃以下，氧化速度較慢且主要發(fā)生結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，即FeO→Fe3O4+Fe。見圖1。

盤條氧化鐵皮由不同的相組成，各相呈層狀分布，靠近基體為FeO相，F(xiàn)e3O4相分布在FeO層外；最外層為Fe2O3，模擬生成氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。經(jīng)能譜線掃描分析，F(xiàn)e含量最外層出現(xiàn)低峰，再往里層Fe含量增加，出現(xiàn)平緩期，與較厚層FeO對應(yīng)，最里層為鐵基體，出現(xiàn)陡峰：O含量最外層出現(xiàn)峰值，F(xiàn)eO層O含量平緩，最里層為鐵基體，O含量迅速降低。由此可見，氧化鐵皮最外層的Fe2O3厚度很薄，大約占2.2%，在圖中不易分辨，F(xiàn)e3O4和FeO兩層氧化鐵皮結(jié)構(gòu)則清晰可見。因此我們主要針對FeO和 Fe3O4兩層氧化鐵皮厚度及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。

圖1 鐵氧系相圖

圖2 激光鏡下氧化鐵皮結(jié)構(gòu)

圖3 電鏡下氧化鐵皮結(jié)構(gòu)及線掃能譜

3.2 熱模擬工藝參數(shù)（見表1）

表1 熱模擬工藝參數(shù)及試驗結(jié)果

根據(jù)相關(guān)資料，當(dāng)鋼在700℃以下時，氧化速度較慢；700～900℃時氧化速度較快；900～1 300℃時激烈氧化。若900℃時氧化速度是1，則1 000℃時為2，1 100℃時為3.5，到1 300℃時高達(dá)7。本文結(jié)合現(xiàn)實生產(chǎn)情況，制定出15個工藝制度，見表1。其中，加熱溫度T1為模擬終軋溫度；不同冷卻溫度T2、T3、T4分別為模擬吐絲溫度和斯太爾摩風(fēng)冷線控冷溫度。

3.3 不同冷卻工藝的試驗結(jié)果及分析

3.3.1 冷卻速度對氧化鐵皮厚度及結(jié)構(gòu)的影響

從表1試驗結(jié)果可以看出，從930℃冷卻溫度開始，以0.5℃/s冷卻速度冷卻，獲得的氧化鐵皮厚度都超過40 μm；以1.5℃/s冷卻速度冷卻獲得的氧化鐵皮厚度只有10.6 μm。說明同一溫度不同冷卻速度，冷卻速度越慢，氧化鐵皮越厚，冷卻速度越快，氧化鐵皮越薄。從氧化層結(jié)構(gòu)看，從930℃開始以0.5℃/s冷卻速度緩慢冷卻時，F(xiàn)eO層對于Fe3O4層有較高的比例。從930℃開始以1.5℃/s較快的冷卻速度進(jìn)行冷卻時，F(xiàn)eO層對于Fe3O4層的比例明顯降低。

3.3.2 溫度對氧化鐵皮厚度及結(jié)構(gòu)的影響

由表1可見，從4號與7號試樣；5號與8號試樣；6號與9號試樣的實驗結(jié)果對比顯示：當(dāng)各溫度區(qū)間冷卻速度相同時，加熱溫度越高，生成氧化鐵皮越厚。這是因為從氧化反應(yīng)熱力學(xué)方面考慮，溫度越高，能量越大，鐵與氧的反應(yīng)更容易被啟動，即反應(yīng)更容易。從氧化反應(yīng)的動力學(xué)方面考慮，溫度越高，試樣的表面鐵氧的擴(kuò)散就越劇烈，這對于鐵的氧化反應(yīng)，這個擴(kuò)散控制速度的反應(yīng)來說，反應(yīng)速度會大大增加。所以，溫度越高，氧化鐵皮生長得越快，也就越厚。

3.3.3 氧化時間對氧化皮厚度及結(jié)構(gòu)的影響

從表1試驗結(jié)果看，盡管2號試樣與15號試樣氧化時間相差達(dá)702 s，但生成氧化皮結(jié)構(gòu)相似、厚度只差1.7 μm。而12號試樣與7號試樣相比，氧化時間雖然只多出5 s，可是生成氧化皮厚度卻超出23 μm，接近1倍的厚度。6號試樣與15號試樣比較，氧化時間多出72 s，而生成氧化皮厚度卻只有15號試樣的五分之一。由此證明，在等溫氧化條件下，除了開始的迅速反應(yīng)外，鐵的長期氧化速率比較穩(wěn)定，并且遵循拋物線速率定律。

3.3.4 模擬工藝的對比分析

從氧化鐵皮的生成特性看有如下特征：（1）氧化鐵皮生成的溫度區(qū)間主要是吐絲溫度到800℃附近的溫度區(qū)間里，在這一區(qū)間中，盤條的冷卻速度對氧化鐵皮厚度影響很大。速度越慢，氧化鐵皮的厚度越大。（2）在830℃、800℃、750℃、600℃以下的冷卻過程中，盤條冷卻速度的快慢對生成氧化鐵皮厚度影響不大。（3）在終軋溫度到吐絲開始的溫度區(qū)間，盤條冷卻速度與生成氧化鐵皮的厚度關(guān)系不大。以上結(jié)果說明冷卻速度慢意味著高溫時間長。所以，生產(chǎn)中嚴(yán)格控制高溫區(qū)的冷卻速度。

由相結(jié)構(gòu)看：有資料表明，F(xiàn)eO層對于Fe3O4層的比例太小或氧化鐵皮太薄，不利于盤條氧化鐵皮的機(jī)械除磷，影響盤條的拉拔性能。6號、9號試樣生成氧化鐵皮太薄；1號、4號、8號試樣生成氧化鐵皮結(jié)構(gòu)不合理。

掃描電鏡分析表明，12號、13號、14號、15號試樣FeO層中含有不同程度的顆粒狀或塊狀物質(zhì)。經(jīng)能譜分析顆粒狀或塊狀物質(zhì)為FeO，其形貌和能譜分析結(jié)果見圖4。顆粒狀或塊狀FeO的出現(xiàn)，致使FeO層不夠均勻致密，影響機(jī)械剝殼效果。

圖4 顆粒狀或塊狀物質(zhì)電鏡及能譜分析

2號和5號試樣的FeO層與基體之間出現(xiàn)溝槽。經(jīng)能譜分析，溝槽處含硅量較高，見圖5。有資料表明，硅含量可影響鐵皮起皮的開始時間，隨著硅含量的增加，促進(jìn)了鐵皮起皮，同時，鋼加熱時在氧化鐵皮與基體金屬界面會產(chǎn)生層狀的Fe2SiO4，很容易破碎、且難去除，而造成軋輥磨損。

圖52 號試樣溝槽形貌及能譜分析

3號、7號、10號、11號試樣生成氧化鐵皮比較均勻致密，F(xiàn)eO層無析出物。與基體結(jié)合缺陷少，見圖6。

圖6 均勻氧化鐵皮形貌（SEM）

這是因為，鋼在冷卻過程中發(fā)生氧化，由于是從較高的溫度開始反應(yīng)，表面首先生成含氧量較低的FeO和Fe3O4，然后進(jìn)一步氧化在最表面生成Fe2O3，F(xiàn)e3O4比較致密，而Fe2O3則松脆易脫落。冷卻速度較快時，F(xiàn)eO和Fe3O4還來不及生成Fe2O3，就以較穩(wěn)定的相固定下來，所以快速冷卻時氧化皮中Fe2O3含量較少，表面質(zhì)量比慢速時好。此外，快速冷卻時.表面氧化皮的組織不容易長大、尺度細(xì)小，所以氧化皮致密。而冷卻速度較慢時，組織充分長大延展并互相連接，這樣就容易形成許多疏松和孔洞，氧化皮表面比較疏松。

4 結(jié)論

（1）從930℃吐絲溫度開始，以0.5℃/S冷卻速度冷卻，獲得的氧化鐵皮較厚，F(xiàn)eO層對于Fe3O4層有較高的比例。以1.5℃/s冷卻速度冷卻，獲得的氧化鐵皮較薄，F(xiàn)eO層對于Fe3O4層比例明顯降低。

（2）試驗溫度相同時，最佳的冷卻速度和氧化時間兩者共同決定最佳的氧化皮厚度；當(dāng)冷卻速度相同時，最佳的氧化皮厚度則由最佳的試驗溫度和氧化時間兩者共同決定。

（3）從終軋（950℃或930℃）到吐絲（930℃或900℃）期間氧化鐵皮生成速度不是很快，對厚度影響不大。剛從成品機(jī)架中出來的盤條雖然有較高的溫度，但盤條表面的氧化鐵皮還是極薄的，而之后的冷卻過程是盤條表面最終氧化鐵皮的主要生成過程。因此冷卻速度對于盤條表面氧化鐵皮性質(zhì)影響是很重大的。

（4）本次實驗中，終軋溫度950℃、吐絲溫度930℃、冷卻速度0.5～1℃/s的冷卻工藝能得到較理想的氧化鐵皮，其厚度適中，致密度較高，與基體結(jié)合較緊密，均勻致密且易于機(jī)械剝殼。

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Research on the Forming Mechanism and Control of Oxide-scale of Low Carbon Steel Wire Rod

WANG Ke-jie
Technology Center,Tianjin Iron&Steel Group Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China

The quality of surface oxide-scale of low carbon steel wire rod is one of main influence factors for mechanical descaling before drawing.By means of thermal simulation test machine,the author researched the oxide-scale thickness,microstructure,phase structure and its composition,the relative content and distribution characteristics formed under different heating temperature and cooling rate in rolling process for the low carbon steel wire rod.The results showed that the oxidescale would be loose and easy to fall off when rolling temperature too high,the oxide-scale would be too thin to play protecting function when rolling temperature too low.The larger the cooling rate is,the denser the oxide-scale is,the better the rod surface quality is and the thicker the ferroferric oxide layer is,and the oxide-scale would be too thin if the cooling rate is too large.When the final rolling temperature is 950℃,the laying temperature is 930℃,the cooling rate is 0.5-1℃/s,the oxide-scale with moderate thickness and higher density can be obtained and descaled easily.

low carbon steel wire rod;oxide-scale;control; mechanical descaling

王克杰（1955—），男，沈陽人，教授級高工，主要從事鋼鐵材料物理性能方面的研究工作，E-mail：WKjie2000@yahoo.com.cn。

（收稿 2012－05－27 編輯 潘娜）