冷卻速度對(duì)簾線鋼氧化鐵皮的影響

桂江兵 夏艷花 吳 超 周 勇 魯修宇

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院 湖北 武漢：430080）

氧化鐵皮是影響簾線鋼使用性能的重要指標(biāo)之一，氧化鐵皮硬而脆，它的存在會(huì)導(dǎo)致鋼絲表面的損傷，加劇模具的磨損，從而會(huì)影響拉絲模壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起斷絲。因此，在拉絲前需要清除盤條表面的氧化鐵皮，尤其一些特殊用途的盤條，比如簾線鋼盤條，為便于機(jī)械剝皮，對(duì)其表面氧化鐵皮的厚度及成分都要求嚴(yán)格［1］。

1 鐵的氧化物

氧化鐵皮的形成是由于空氣或加熱爐中的氧原子（來自O(shè)2、H2O、CO2等氣體）吸附在鋼材表面上，并與鋼中鐵原子化合，生產(chǎn)氧化鐵膜。此后鐵原子和氧原子將通過膜進(jìn)行擴(kuò)散。

鐵的氧化物有三種：FeO、Fe3O4、Fe2O3。其中氧的理論含量（重量%）分別為22.28%、27.63%和30.06%，三種氧化物的特性如下。

FeO：實(shí)際上不可能穩(wěn)定的獲得FeO（含氧量22.28%），通常得到的FeO含氧量較高，在23.15%－25.60%之間（據(jù)溫度而異）。密度大約為5.99 t／m3，是酸中最易溶解的氧化物。

Fe3O4：晶格類型為四方晶格，呈蘭黑色，具有顯著的金屬特性和良好的導(dǎo)電性。密度為5.2 t／m3，化學(xué)穩(wěn)定性也較好，在酸中較少溶解。

Fe2O3：晶格類型屬四方晶系，呈紅棕色。當(dāng)溫度＜1100℃時(shí)可穩(wěn)定的存在，在較高溫度下局部分解，而在1565℃時(shí)完全分解。密度為5.1t／m3，化學(xué)穩(wěn)定性很好，在熱的濃酸中也幾乎不溶解。

2 簾線鋼氧化鐵皮的要求

目前國內(nèi)外鋼簾線生產(chǎn)企業(yè)大都采用彎曲法去除氧化鐵皮，彎曲法去除氧化鐵皮是利用氧化鐵皮脆而延伸性小的特征。若使鋼絲變形，則脆的氧化鐵皮不能同時(shí)變形，最終被拉裂。

為了提高氧化鐵皮的去除效果，需要正確設(shè)計(jì)彎曲輥的輥輪直徑、彎曲輪的布置形式、鋼絲的后處理工藝等，當(dāng)然，同樣重要的是合理設(shè)計(jì)盤條氧化鐵皮的形貌和成分。

彎曲法去除氧化鐵皮，需要氧化鐵皮具有一定的厚度和結(jié)構(gòu)，對(duì)于簾線鋼來說，理想的氧化鐵皮如圖1所示，由FeO和Fe3O4組成，厚度在6μm－14μm之間，其中FeO的厚度約占整個(gè)氧化鐵皮厚度的80%，并處在Fe基體與Fe3O4之間。

理想的氧化鐵皮經(jīng)彎曲輥彎曲時(shí)成塊脫落，如圖2所示，酸洗后，鋼絲表面清潔，殘留物少，見圖3。

3 簾線鋼氧化鐵皮的形成

一般來說，盤條表面最終氧化鐵皮由三種因素決定：第一，加熱工藝。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，因此一次氧化鐵皮對(duì)最終氧化鐵皮影響較小。第二，軋制工藝。鑄坯經(jīng)除鱗機(jī)除鱗后，進(jìn)入粗軋機(jī)、中軋機(jī)以及精軋機(jī)軋制，由于溫度較高，表面仍繼續(xù)氧化，生成二次氧化鐵皮，二次氧化鐵皮可由軋機(jī)剝離或由二次除鱗機(jī)出除，因此，二次氧化鐵皮對(duì)最終氧化鐵皮的影響也較小。第三，精軋后的冷卻工藝。盤條精軋后溫度仍較高，會(huì)生成三次氧化鐵皮。三次氧化鐵皮在隨后的冷卻過程中，進(jìn)一步生長并發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，形成最終的氧化鐵皮保留在盤條表面。由此可見，精軋后的冷卻工藝是影響盤條最終氧化鐵皮的主要因素。

圖1 理想的氧化鐵皮

圖2 脫落的氧化鐵皮

圖3 酸洗后表面清潔的鋼絲

為了找到簾線鋼82A（化學(xué)成分范圍見表1）精軋后冷卻速度與氧化鐵皮形貌、成分之間的關(guān)系，對(duì)斯太爾摩冷卻工藝進(jìn)行了調(diào)整，結(jié)果見表2。

表1 簾線鋼82A化學(xué)成分范圍（wt%）

表2 冷卻工藝調(diào)整

圖4 疏松的氧化鐵皮

圖5 疏松氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)

圖6 致密的氧化鐵皮

圖7 致密氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)

可見，冷卻速度為9.0℃／s時(shí)，生成的氧化鐵皮較疏松，容易脫落，盤條表面容易形成斑點(diǎn)，F(xiàn)e3O4層約占整個(gè)厚度層的67%。而冷卻速度為12.5℃／s時(shí)，生成的氧化鐵皮較致密、且不易脫落，盤條表面較光滑，F(xiàn)e3O4層約占整個(gè)厚度層的20%。

4 分析

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)，所以鐵的表面首先是生成含氧量較低的FeO，進(jìn)一步氧化則在表面依次生成Fe3O4和Fe2O3（因?yàn)镕eO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最為致密，其次是Fe3O4，而Fe2O3則比較松脆易脫落。鋼在高溫氧化過程中，前期氧化速度很快（因?yàn)楦邷貢r(shí)氧的活性很高，同時(shí)又能與鋼表面充分接觸），此時(shí)主要生成FeO，隨后由于形成了氧化鐵皮，氧化鐵皮阻止了氧與鋼表面的充分接觸，起到了保護(hù)作用，氧化速度逐步降低，到后期氧化速度很慢，甚至不能進(jìn)一步氧化鋼基體。當(dāng)氧不能進(jìn)一步氧化鋼基體時(shí)，空氣中多余的氧將會(huì)氧化表面的FeO，生成Fe3O4，導(dǎo)致氧化鐵皮中FeO的厚度減小，而Fe3O4的厚度增加，當(dāng)Fe3O4的厚度達(dá)到一定值時(shí)，同樣由于保護(hù)層的作用，氧很難進(jìn)一步與FeO反應(yīng)生成Fe3O4，當(dāng)氧不能氧化FeO時(shí)，空氣中多余的氧又會(huì)與表面的Fe3O4反應(yīng)，生成Fe2O3。由此可見，理論上，氧化鐵皮應(yīng)該由3部分組成，靠近鋼基體的一層為FeO層，靠近鋼表面的一層為Fe2O3層，夾在兩層之間的為Fe3O4層。但由于Fe2O3很松脆容易脫落，因此，生產(chǎn)時(shí)大多在現(xiàn)場已經(jīng)脫落，取樣測量時(shí)，得到的氧化鐵皮總厚度實(shí)際上是FeO與Fe3O4的厚度。

一定條件下，氧化鐵皮中FeO、Fe3O4、Fe2O3三層的總厚度是一定的。當(dāng)冷卻速度較快時(shí)，鋼在高溫階段停留的時(shí)間就比較短，F(xiàn)eO進(jìn)一步氧化生成Fe3O4的量就比較少，同樣，F(xiàn)e3O4進(jìn)一步氧化生成Fe2O3的量也比較少，因此，快速冷卻時(shí)，最終氧化鐵皮中FeO的含量就比較高，而Fe2O3的含量就比較少，F(xiàn)e2O3的含量少，氧化鐵皮脫落的就少，所以檢測到的氧化鐵皮總厚度（實(shí)際是FeO和Fe3O4的厚度）就厚。由于快速冷卻時(shí)氧化鐵皮大量是FeO，所以，氧化鐵皮比較致密，不易脫落。反之，慢速冷卻時(shí)，F(xiàn)eO含量低，F(xiàn)e2O3含量高，檢測到的氧化鐵皮總厚度（實(shí)際是FeO和Fe3O4的厚度）就薄，氧化鐵皮容易脫落，導(dǎo)致形成斑點(diǎn)狀［2－3］。

5 結(jié)論

（1）盤條表面最終氧化鐵皮由三種因素決定，加熱工藝軋制工藝以及精軋后的冷卻工藝，但是起決定性作用的是精軋后的冷卻工藝。

（2）簾線鋼82A 精軋后冷卻速度為9.0℃／s時(shí)，生成的氧化鐵皮較疏松，容易脫落，盤條表面容易形成斑點(diǎn)，F(xiàn)e3O4層約占整個(gè)厚度層的67%。而冷卻速度為12.5℃／s時(shí)，生成的氧化鐵皮較致密、且不易脫落，盤條表面較光滑，F(xiàn)e3O4層約占整個(gè)厚度層的20%。

［1］李玉華等.80鋼盤條氧化皮形貌及其厚度的計(jì)算［J］.物理測試，2006，（9）：42－43.

［2］袁武華，王 峰.控冷工藝對(duì)熱軋盤條氧化皮耐腐蝕性的影響［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，（5）：51－56.

［3］潘 燕.冷卻工藝對(duì)普碳線材氧化鐵皮生成的影響［J］.軋鋼，1990，（5）：21－25.