冷却速度对帘线钢氧化铁皮的影响

桂江兵 夏艳花 吴 超 周 勇 鲁修宇

（武汉钢铁（集团）公司研究院 湖北 武汉：430080）

氧化铁皮是影响帘线钢使用性能的重要指标之一，氧化铁皮硬而脆，它的存在会导致钢丝表面的损伤，加剧模具的磨损，从而会影响拉丝模寿命，严重时会引起断丝。因此，在拉丝前需要清除盘条表面的氧化铁皮，尤其一些特殊用途的盘条，比如帘线钢盘条，为便于机械剥皮，对其表面氧化铁皮的厚度及成分都要求严格［1］。

1 铁的氧化物

氧化铁皮的形成是由于空气或加热炉中的氧原子（来自O2、H2O、CO2等气体）吸附在钢材表面上，并与钢中铁原子化合，生产氧化铁膜。此后铁原子和氧原子将通过膜进行扩散。

铁的氧化物有三种：FeO、Fe3O4、Fe2O3。其中氧的理论含量（重量%）分别为22.28%、27.63%和30.06%，三种氧化物的特性如下。

FeO：实际上不可能稳定的获得FeO（含氧量22.28%），通常得到的FeO含氧量较高，在23.15%－25.60%之间（据温度而异）。密度大约为5.99 t／m3，是酸中最易溶解的氧化物。

Fe3O4：晶格类型为四方晶格，呈兰黑色，具有显著的金属特性和良好的导电性。密度为5.2 t／m3，化学稳定性也较好，在酸中较少溶解。

Fe2O3：晶格类型属四方晶系，呈红棕色。当温度＜1100℃时可稳定的存在，在较高温度下局部分解，而在1565℃时完全分解。密度为5.1t／m3，化学稳定性很好，在热的浓酸中也几乎不溶解。

2 帘线钢氧化铁皮的要求

目前国内外钢帘线生产企业大都采用弯曲法去除氧化铁皮，弯曲法去除氧化铁皮是利用氧化铁皮脆而延伸性小的特征。若使钢丝变形，则脆的氧化铁皮不能同时变形，最终被拉裂。

为了提高氧化铁皮的去除效果，需要正确设计弯曲辊的辊轮直径、弯曲轮的布置形式、钢丝的后处理工艺等，当然，同样重要的是合理设计盘条氧化铁皮的形貌和成分。

弯曲法去除氧化铁皮，需要氧化铁皮具有一定的厚度和结构，对于帘线钢来说，理想的氧化铁皮如图1所示，由FeO和Fe3O4组成，厚度在6μm－14μm之间，其中FeO的厚度约占整个氧化铁皮厚度的80%，并处在Fe基体与Fe3O4之间。

理想的氧化铁皮经弯曲辊弯曲时成块脱落，如图2所示，酸洗后，钢丝表面清洁，残留物少，见图3。

3 帘线钢氧化铁皮的形成

一般来说，盘条表面最终氧化铁皮由三种因素决定：第一，加热工艺。在加热炉中，由于钢坯高温下与氧接触，表面形成一层很厚的氧化铁皮，称为一次氧化铁皮，由安装在加热炉出口附近的高压水除鳞机将其去除，因此一次氧化铁皮对最终氧化铁皮影响较小。第二，轧制工艺。铸坯经除鳞机除鳞后，进入粗轧机、中轧机以及精轧机轧制，由于温度较高，表面仍继续氧化，生成二次氧化铁皮，二次氧化铁皮可由轧机剥离或由二次除鳞机出除，因此，二次氧化铁皮对最终氧化铁皮的影响也较小。第三，精轧后的冷却工艺。盘条精轧后温度仍较高，会生成三次氧化铁皮。三次氧化铁皮在随后的冷却过程中，进一步生长并发生结构转变，形成最终的氧化铁皮保留在盘条表面。由此可见，精轧后的冷却工艺是影响盘条最终氧化铁皮的主要因素。

图1 理想的氧化铁皮

图2 脱落的氧化铁皮

图3 酸洗后表面清洁的钢丝

为了找到帘线钢82A（化学成分范围见表1）精轧后冷却速度与氧化铁皮形貌、成分之间的关系，对斯太尔摩冷却工艺进行了调整，结果见表2。

表1 帘线钢82A化学成分范围（wt%）

表2 冷却工艺调整

图4 疏松的氧化铁皮

图5 疏松氧化铁皮的结构

图6 致密的氧化铁皮

图7 致密氧化铁皮的结构

可见，冷却速度为9.0℃／s时，生成的氧化铁皮较疏松，容易脱落，盘条表面容易形成斑点，Fe3O4层约占整个厚度层的67%。而冷却速度为12.5℃／s时，生成的氧化铁皮较致密、且不易脱落，盘条表面较光滑，Fe3O4层约占整个厚度层的20%。

4 分析

钢在冷却过程中发生氧化，由于是从较高的温度开始反应，所以铁的表面首先是生成含氧量较低的FeO，进一步氧化则在表面依次生成Fe3O4和Fe2O3（因为FeO的含氧量最低，所以最容易首先生成，其次生成Fe3O4，最后生成Fe2O3）。FeO最为致密，其次是Fe3O4，而Fe2O3则比较松脆易脱落。钢在高温氧化过程中，前期氧化速度很快（因为高温时氧的活性很高，同时又能与钢表面充分接触），此时主要生成FeO，随后由于形成了氧化铁皮，氧化铁皮阻止了氧与钢表面的充分接触，起到了保护作用，氧化速度逐步降低，到后期氧化速度很慢，甚至不能进一步氧化钢基体。当氧不能进一步氧化钢基体时，空气中多余的氧将会氧化表面的FeO，生成Fe3O4，导致氧化铁皮中FeO的厚度减小，而Fe3O4的厚度增加，当Fe3O4的厚度达到一定值时，同样由于保护层的作用，氧很难进一步与FeO反应生成Fe3O4，当氧不能氧化FeO时，空气中多余的氧又会与表面的Fe3O4反应，生成Fe2O3。由此可见，理论上，氧化铁皮应该由3部分组成，靠近钢基体的一层为FeO层，靠近钢表面的一层为Fe2O3层，夹在两层之间的为Fe3O4层。但由于Fe2O3很松脆容易脱落，因此，生产时大多在现场已经脱落，取样测量时，得到的氧化铁皮总厚度实际上是FeO与Fe3O4的厚度。

一定条件下，氧化铁皮中FeO、Fe3O4、Fe2O3三层的总厚度是一定的。当冷却速度较快时，钢在高温阶段停留的时间就比较短，FeO进一步氧化生成Fe3O4的量就比较少，同样，Fe3O4进一步氧化生成Fe2O3的量也比较少，因此，快速冷却时，最终氧化铁皮中FeO的含量就比较高，而Fe2O3的含量就比较少，Fe2O3的含量少，氧化铁皮脱落的就少，所以检测到的氧化铁皮总厚度（实际是FeO和Fe3O4的厚度）就厚。由于快速冷却时氧化铁皮大量是FeO，所以，氧化铁皮比较致密，不易脱落。反之，慢速冷却时，FeO含量低，Fe2O3含量高，检测到的氧化铁皮总厚度（实际是FeO和Fe3O4的厚度）就薄，氧化铁皮容易脱落，导致形成斑点状［2－3］。

5 结论

（1）盘条表面最终氧化铁皮由三种因素决定，加热工艺轧制工艺以及精轧后的冷却工艺，但是起决定性作用的是精轧后的冷却工艺。

（2）帘线钢82A 精轧后冷却速度为9.0℃／s时，生成的氧化铁皮较疏松，容易脱落，盘条表面容易形成斑点，Fe3O4层约占整个厚度层的67%。而冷却速度为12.5℃／s时，生成的氧化铁皮较致密、且不易脱落，盘条表面较光滑，Fe3O4层约占整个厚度层的20%。

［1］李玉华等.80钢盘条氧化皮形貌及其厚度的计算［J］.物理测试，2006，（9）：42－43.

［2］袁武华，王 峰.控冷工艺对热轧盘条氧化皮耐腐蚀性的影响［J］.湖南大学学报：自然科学版，2009，（5）：51－56.

［3］潘 燕.冷却工艺对普碳线材氧化铁皮生成的影响［J］.轧钢，1990，（5）：21－25.