加热气氛对Q345B钢表面氧化铁皮结构的影响

郭云侠，于 帅，张 迪，郭爱民，黄贞益，王道远

（安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243032）

科学技术的飞速发展对钢铁材料的质量要求越来越高。钢铁材料在加热过程中，材料表面的铁原子与加热炉气氛中的O2，H2O，CO2等发生化学反应产生氧化铁皮[1-4]。钢铁企业不得不增加除鳞工序如高压水除鳞、酸洗除鳞、机械除鳞等以清除材料表面的氧化铁皮。但增加除鳞工序不仅消耗大量能源资源、对环境造成不利影响，而且在除鳞不尽的情况下后续轧制中会使残存的氧化铁皮压入钢坯表面，恶化产品表面质量，加剧设备磨损，甚至会直接导致产品残次报废。此外，钢坯表面产生的氧化皮会堆积在加热炉炉底，易使耐火 材料遭受侵蚀，降低炉体寿命，严重的会导致加热炉停产[5-7]。因此，控制钢铁材料表面氧化铁皮的生成至关重要。

钢铁材料在加热过程中表面生成的铁氧化物包括FeO(方铁矿)、Fe3O4(磁铁矿)和Fe2O3(赤铁矿)。其中：方铁矿为疏松多孔结晶结构，较为脆弱，出炉后易涨裂脱落；磁铁矿是以结晶状态存在的致密结构，密度较低，塑韧性较好，且具黏附性。对于炉生氧化铁皮，要使其在粗轧轧制前易用高压水除鳞去除，应使FeO(方铁矿)的含量较高[8-9]。陈宇杰等[10]通过高温氧化模拟实验分析了保温温度和保温时间对炉氧化铁皮结构的影响，结果表明钢铁在高温氧化后表面会产生分层的氧化铁皮；李忠友等[11]通过对热板氧化铁皮生成原因与解决措施的分析，探讨影响钢坯在加热炉内氧化的主要因素，结果显示板坯在加热过程中通常会产生氧化铁皮，氧化铁皮的生成量与钢种、加热温度、加热时间、炉内气氛及操作水平等因素有关。鉴于上述研究成果，文中针对某钢厂加热炉的生产特点，研究加热炉预热段、加热段与均热段的空气过剩系数对氧化铁皮结构及含量的影响，以期对现场生产具有一定的指导作用。

1 实验材料及方法

实验钢取自某钢厂生产的Q345B，将Q345B铸坯加工成170 mm×110 mm×12 mm 尺寸的钢坯试样，其化学成分如表1。根据加热炉生产特点，采用载坯实验进行加热炉全流程加热[12]，将实验钢坯放置在正常连铸坯中部，然后置于加热炉中加热，铸坯摆放位置如图1。本实验需依托钢厂的工业加热炉，考虑到钢厂生产成本和生产周期，结合钢厂技术人员的现场经验，制定表2 所示的加热方案。加热总时间设定为150～180 min，出炉温度(1 190±10)℃。对于加热后的试样，用冷却水浇注其下底面冷却至室温，以保持炉生氧化铁皮的原始结构和形貌。采用火花线切割机将实验钢坯切割成10 mm×10 mm×8 mm 尺寸的试样，为避免氧化铁皮脱落影响实验效果，将试样在抛光机上去除毛刺后，置于质量分数为99.5%的无水乙醇溶液中用超声波清洗去除试样表面的乳化液。在XQ-2B型金相镶嵌机上用镶嵌料对试样进行镶嵌、机械磨抛，然后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液深度腐蚀，在JFC-1600 型真空镀金仪上喷金。用JSM-6510LV 型扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)观察氧化铁皮表面微观组织结构形貌，结合能谱仪(energy disperse spectroscopy，EDS)对局部区域进行能谱分析，并用X射线衍射仪(X ray diffraction，XRD)对手动剥离的氧化铁皮上下表面和基体表面进行成分分析。

表1 实验钢化学成分，w/%Tab.1 Chemical composition of experimental steel，w/%

图1 实验钢坯摆放示意图Fig.1 Layout of experimental billet

表2 现场实施方案Tab.2 Actual implementation plan

2 实验结果与分析

2.1 成分分析

图2为氧化铁皮上下表面和基体的X射线衍射图谱。由图2(a)可知：加热气氛1基体表面的氧化铁皮成分为Fe3O4，Fe2O3和FeO，其中FeO含量占比最大且分布较为均匀；加热气氛2基体表面的氧化铁皮成分主要由Fe3O4，Fe2O3，FeO及少量Fe组成，其中Fe3O4含量最高，FeO次之；加热气氛3基体表面的氧化铁皮由大量FeO及少量Fe组成。由图2(b)可知：氧化铁皮表层主要成分为Fe3O4，Fe2O3以及少量FeO；加热气氛3氧化铁皮表面的Fe3O4含量最少；加热气氛1氧化铁皮表面的Fe3O4含量最多。由图2(c)可知：氧化铁皮下表面主要成分为Fe3O4和FeO以及少量Fe2O3；加热气氛3下表面氧化铁皮Fe3O4成分含量较少，而FeO含量较多；加热气氛1下表面氧化铁皮的Fe3O4成分含量最多，FeO含量最少。

图2 氧化铁皮上下表面和基体的X射线衍射图谱Fig.2 XRD patterns of upper and lower surface and matrix of oxide scale

2.2 形貌分析

2.2.1 加热气氛1氧化铁皮表面形貌

图3为加热气氛1氧化铁皮表面的微观形貌。

图3 加热气氛1基体氧化铁皮表面微观形貌Fig.3 Surface micro morphology of the base oxide scale in heating atmosphere 1

从图3 可看出：加热气氛1 实验钢炉生氧化铁皮存在明显的分层；氧化铁皮外层破裂边缘某特定区域1处存在柳絮状的Fe2O3以及少量蜂窝状的Fe3O4；氧化铁皮中层某特定区域2处出现较多蜂窝状结构和一些细小裂纹，判断此处氧化铁皮成分为Fe3O4；氧化铁皮内层某特定区域3处存在大量不规则块状结构的FeO，这与图2所示结果相符。

利用能谱仪对图3(a)中横线区域进行线扫描，得到的元素分布如图4。从图4 可看出，扫描距离为0～18 μm时，氧与铁的原子数之比约2∶1，大于Fe2O3中的氧铁原子数之比。结合图3可知：Fe2O3含量较少，氧、硅含量有所下降，铁含量有所上升，氧铁原子数之比基本符合Fe3O4中的氧铁原子数之比，因此该扫描区域氧化铁皮成分主要为Fe3O4；扫描距离为25～46 μm时，氧、铁、硅含量均上升，考虑到实验钢中硅含量较多，高温下易在氧化铁皮-基体界面形成Fe2SiO4[13-14]，除去该化合物对氧铁原子数之比的影响外，氧铁的原子数之比大致为1.09∶1，符合FeO中的氧铁原子数之比1∶1[15]；扫描距离在46～100 μm时，氧、硅含量急剧下降，铁含量急剧上升后处于动态稳定状态，判定该范围是铁基体。

图4 加热气氛1基体氧化铁皮表面能谱分析Fig.4 Energy spectrum analysis of the base oxide scale surface in heating atmosphere 1

2.2.2 加热气氛2氧化铁皮表面形貌

图5为加热气氛2氧化铁皮表面微观形貌。由图5可看出：与加热气氛1相比，加热气氛2氧化铁皮表面无明显的分层；氧化铁皮表面区域1有蜂窝状结构，判断此处氧化铁皮成分为Fe3O4，区域3中也呈明显的类似结构；区域2和3中存在大量不规则块状结构的FeO，同时区域2中有类似团絮状的Fe2O3。这与图2所示结果相符。

采用X射线能谱仪对气氛2氧化铁皮表面横线区域进行扫描分析，结果如图6。从图6可看出，氧原子个别峰值波动较大，且氧峰值急剧降低的地方硅峰值也急剧降低，结合图5(a)发现，峰值急剧降低的地方存在小凹坑，是微小裂缝造成的。扫描距离为0～25 μm时，氧铁原子数之比约1.41∶1，基本符合氧化铁皮中Fe2O3的氧铁原子数之比，因此该区域内氧化铁皮主要成分为Fe2O3；扫描距离为25～200 μm时，氧铁原子数之比约1.32∶1，大致符合氧化铁皮中Fe3O4的氧铁原子数之比，因此在该扫描区域内氧化铁皮主要成分为Fe3O4；扫描距离为200～370 μm时，除硅的氧化物造成的氧原子数增多外，氧铁原子数之比约1.1∶1，大致符合FeO中的氧铁原子数之比，因此该扫描区域中氧化铁皮成分主要为FeO，这与前述氧化铁皮形貌分析基本相符。

图5 加热气氛2基体氧化铁皮表面微观形貌Fig.5 Surface micro morphology of the base oxide scale in heating atmosphere 2

图6 加热气氛2基体氧化铁皮表面能谱分析Fig.6 Energy spectrum analysis of the base oxide scale surface in heating atmosphere 2

2.2.3 加热气氛3氧化铁皮表面形貌

图7为加热气氛3氧化铁皮表面的微观形貌。从图7可看出：加热气氛3氧化铁皮表面无明显的分层现象，区域1处明显存在块状结构，判断此处氧化铁皮成分为FeO；区域2处存在大量类似蜂窝状结构，判定此处氧化铁皮成分为Fe3O4。区域3处存在块状结构，此处因体积效应产生内应力形成许多裂纹[16]，判定此处为疏松FeO层的微裂纹。图8为横线区域氧化铁皮线扫描的能谱分析。

图8 加热气氛3基体氧化铁皮表面能谱分析Fig.8 Energy spectrum analysis of the base oxide scale surface in heating atmosphere 3

由图8可看出：扫描距离为0～280 μm时，氧、铁、硅3种元素含量走势相对较为平稳，除去硅氧化物造成的氧原子数增加外，氧铁原子数之比约保持在1.1∶1，与FeO中的氧铁原子数之比基本吻合，认为该扫描区域内氧化铁皮主要成分是FeO；扫描距离为360～380 μm和395～440 μm时，各元素原子数急剧下降，结合图7(a)，该扫描范围为裂缝；扫描距离为380～395 μm和440～500 μm时，除去硅和氧元素的影响，氧铁原子数之比约1.14∶1，大致符合FeO中的氧铁原子数之比，因此该扫描区域内FeO为主要存在相。

3 结 论

1)3种加热气氛下Q345B钢表面的炉生氧化铁皮均由铁的3种氧化物FeO、Fe3O4和Fe2O3组成；

2)与基体界面相比，氧化铁皮界面因体积效应产生内应力出现微小裂纹和裂缝，这可为机械除鳞提供有利条件；

3)加热气氛1和加热气氛2生成的氧化铁皮Fe2O3和Fe3O4含量较高、FeO含量较低，加热气氛3氧化铁皮中FeO厚度最大、氧化铁皮的综合特征较好，因此加热气氛3是较理想的加热气氛。