内层氧化铁皮膜厚度为45 ~ 90µm

中碳钢氧化铁皮的横截面组织(图3,第二行)显示了取对比根本钢构成的氧化铁皮有较着分歧的布局,外层氧化铁皮厚度正在600 ~ 700 μ m之间,内层氧化铁皮厚度正在25 ~ 70 μ m之间。外层是一个稠密的氧化铁皮布局,横向裂痕贯穿此中,外层取内层氧化铁皮部门是分隔的。内层氧化铁皮底部对金属基体有较着的根状渗入,其金属基体的渗入深度可达100µm,如许的氧化铁皮取金属基体有较强的附出力。正在内层也能够看到铁的金属,并随机分布正在内层和次表层。分歧氧化铁皮层的化学阐发表白,外层和内层氧化铁皮平分别存正在雷同的铁基氧化物和铁硅基氧化物。Raman光谱显示,外条理要是Fe2O3和Fe3O4相,内层是Fe2SiO4和Fe3O4相的夹杂物,这表白,钢中的碳改变了钢的氧化铁皮的形态(布局和厚度),但对氧化铁皮层的化学成分和存正在的相是没有影响的。

本研究中利用的钢的成分如表1所示,这套尝试室铸态钢试样包罗:低碳含硅含锰对比钢样,中碳中硅中锰钢,低碳中硅高锰钢和高碳高硅中锰钢。铸态钢试样精加工尺寸为165mm× 110mm× 20mm,加工去除铸态钢试样概况便于本文的研究。加工后的样品利用60目粒碳化硅湿法研磨完成,利用3D光学轮廓仪(Nanovea, Model PS50 Micro Photonic Inc.)丈量研磨试样的概况质量,Ra达到0.271µm。为了防止正在尝试前试样生锈,样品概况用乙醇清洗并风干保留。

本研究获得了法国Peaslee钢铁制制研究核心的支撑,做者感激Peaslee钢铁制制研究核心行业征询委员会的支撑和指点。

(图左上:燃烧气体成分,多通道气体供应管;左下:炉内氧化氛围的节制。图中上:35KW线圈;中下:节制炉内氛围。图左上:温度热电偶插入口;左下:节制炉内氛围示企图,热电偶,各类气体进入陶瓷管,铸态钢试样,陶瓷线KW线圈,高岭土耐火纤维,绝缘垫,浇铸成型耐材腔体件。)

钢中特定元素如C、Mn和Si若何影响除鳞效率,钢铁出产企业常感乐趣的。不良的除鳞效率对热轧过程发生晦气影响,以及若何节制高压水参数来提高除鳞机能,[1]影响最终轧制产物的概况质量。除鳞过程中残留正在铸坯概况的氧化铁皮就会构成缺陷,

加热氧化后的铸钢试样利用分歧的撞击力IF高压水除鳞,为了从这些尝试中获得定量数据,将除鳞概况的质量分为三类概况(图4):

对根本对比钢的概况阐发和质量量化见图5所示的分歧撞击力IF分歧除鳞效率下具有较着不同。察看到低的喷嘴撞击力前提下完万能够去除外层氧化铁皮(Fe-oxides)和断根了部门内层氧化铁皮(夹杂Fe-Si氧化物),即A类概况占70%以上,30%概况是B类和C类,B类和C类概况残留的氧化铁皮含有内层和亚概况渗入进去的氧化层。将撞击力IF添加到中等程度后,残留氧化铁皮由20%削减至12%,出格是B类概况残留氧化铁皮削减,添加了A类概况的比例,残留氧化铁皮厚度由5-12µm范畴削减至3-5µm。的氧化铁皮,特别是C类概况残留氧化物,是由捕捉的亚表层金属颗加强凝结氧化铁皮形成。正在最高的撞击力IF前提下,大量的氧化铁皮曾经去除,看到的氧化物是除鳞后构成的二次氧化物,基体试样金属概况裂纹内构成的氧化铁皮也被去除,除鳞后裂纹四周构成了二次氧化物,量化概况质量:洁净概况占94%,其余6%有点氧化铁皮,为C类概况氧化铁皮布局,正在概况的氧化铁皮厚度小于5µm。

氧化铁皮的构成布局复杂,[1,4~8]除鳞工艺参数、包罗喷嘴设想、[9~11]水压参数[12~13]和工艺设备的机械设想等对除鳞效率有很大影响。构成的氧化铁皮特征遭到钢的化学成分、加热温度和炉内氛围前提的影响,因为这些要素之间的彼此感化和影响,火急需要对轧钢出产中的除鳞工艺进行全面阐发。钢的化学成分和微量杂质元素含量程度都影响氧化铁皮/钢基体界面的不服均性,据报道,高镍含量会障碍铸坯和轧件的除鳞,[14]含硅钢的除鳞坚苦是因为正在较高温度(1200℃以上)下构成FeO-SiO2氧化物共晶产品(铁橄榄石)相关,这种液态的氧化铁皮渣钢的界面具有很强潮湿性,推进了界面的强附出力,从而障碍了氧化铁皮的去除。

本文对中碳钢和几种含Si含Mn的合金钢正在尝试室前提下对铸坯概况氧化进行了试验研究。通过对轧钢加热炉内燃烧气体的氛围进行热模仿试验,采用数控机构特殊除鳞安拆节制板坯和喷嘴的距离,进行模仿热轧除鳞试验。

图3 除鳞前,正在1200℃加热的钢中呈现的横截面背散射电子(BSE)图像和氧化铁皮布局和化学成分

图3最一行显示的是低C中Mn和中Si的根本对比钢正在1200℃温度燃烧氛围中下氧化90分钟后构成的氧化铁皮的横截面组织。氧化铁皮由外层(外层和两头层)向内(内层取次表层归并)发展构成,外层氧化铁皮厚度为850 ~ 1000µm,内层氧化铁皮膜厚度为45 ~ 90µm。外部氧化铁皮层具有持续致密的布局特征,而内层氧化铁皮正在金属氧化物纠缠的氧化铁皮/钢鸿沟之间存正在较高的孔隙率,内层的氧化铁皮布局正在分歧的截面上是不服均不持续的,正在某些截面上还取基体粘连,而正在其它截面上则取基体完全分手。EDX化学阐发表白,氧化层外部含有铁基氧化物,Raman光谱了解别表白该氧化层中存正在Fe2O3和Fe3O4相,内层含有纯铁取微量铜、铁基氧化物和铁硅基氧化物的夹杂化学成分。相辨别表白该层为Fe2SiO4和Fe3O4的夹杂,正在内部还构成了一个随机分离的包含氧化物袋状的点状层,并叠加正在金属基底上,从氧化铁皮/钢鸿沟向基底延长约30µm深。该层的化学性质表白存正在夹杂的Fe-Si- Mn基氧化物。

为了模仿轧钢加热炉加热过程中氧化铁皮的构成,将试样正在35 kw的LSZ炉(LSZ-35型)中加热,炉有一个200mm × 130mm × 25mm的室,该室嵌入正在一个封锁的外壳中,能够节制熔内氛围(图1)。正在加热过程中,炉腔顶部用高岭土耐火纤维笼盖。加热炉具有多通道气体夹杂系统,采用陶瓷管将气体送入炉膛,模仿轧钢加热炉的氛围是天然气燃烧氛围的比例夹杂来模仿的(表2),夹杂气体的构成由多通道质量流量节制系统和温度受控的水饱和系统节制。正在察看轧钢加热炉操做前提的根本上,选择2%的过量氧含量的氛围进行研究。供应到加热腔体室的气体流量为6000 ml/ min,正在反映区的气体流速为2 cm/s,计较了正在这个流量下反映区气体并不缺乏。通过正在板坯上插入k型热电偶来节制加热过程中的温度,热电偶能够调理炉膛加热功率,将加热温度节制正在±10℃以内。尝试的加热温度为1200℃,时间为90分钟,这是轧钢加热炉均热段温度和保温时间。

这个中碳钢的氧化铁皮具有渗入基体内部的能力(内层和亚概况)(图3)。利用低的高压水喷嘴撞击力除鳞前提表示出完全去除外层氧化铁皮和部门内层氧化铁皮(B类和渗入到亚概况C类)(图6)。除鳞后残剩的氧化铁皮的厚度可达20µm。概况质量的定量阐发表白,正在低IF前提下,约50%的氧化铁皮(B类和C类)仍残留正在概况,由Fe2SiO4和Fe3O4氧化相构成,这些氧化物取基体毗连优良,由于正在这种化学成分的钢有大量的渗入到金属基体内部氧化物。正在中等撞击力IF前提下,残留氧化铁皮量显著削减,特别是正在概况B类上,没有渗入到基体的氧化铁皮,正在C类概况氧化铁皮没有太复杂的布局,残剩氧化铁皮厚度范畴下降到约13µm和占25%的量化概况笼盖,而清洁优良的概况占75%的笼盖率。察看到大大都的氧化物渗入到基体(C类)有分歧的标的目的:垂曲、程度和扭曲几何状取分歧的渗入角度,C类残留氧化铁皮大部门为复合氧化物。正在高撞击力IF前提下,察看到有渗入的复合氧化物被部门去除。垂曲标的目的的渗入的氧化物被去除,而扭曲和倾斜标的目的的氧化物渗入只被部门去除。正在这种高的IF前提下,残留氧化物次要为概况C类(12%),氧化铁皮厚度约为10µm,近85%的概况被量化为洁净概况(A类)。

正在高硅含量钢的环境下(图3第三行),氧化铁皮布局的特征是正在外层通过内层的次概况随机分布孔洞,外层氧化铁皮厚度为1000 ~ 1200µm,内层厚度为80 ~ 190µm。内层氧化铁皮布局和亚概况氧化布局归并,夹带有大量的金属颗粒。氧化铁皮内层取金属基体连系优良,正在某些部位取外层分手,且该层不服均。元素映照显示,内层是硅基氧化物层,此中有一些铁基氧化物。正在氧化铁皮/钢的鸿沟处,内层氧化铁皮取基体相连。这种布局可能是低熔点(1180°C)铁橄榄石共晶构成的成果。相图识别支撑了该相的存正在,正在内层的氧化铁皮有Fe2SiO4和Fe3O4相的夹杂物,该相正在1200°C加热时能够熔化。

热轧前加热炉出来的板坯概况除鳞是提高带钢概况质量的主要环节。采用加热的体例,正在尝试室完全模仿轧钢板坯加热炉燃烧的炉内氛围,正在加热炉内节制氛围,对高硅、高锰和中碳钢进行氧化模仿。试样构成氧化铁皮后利用高压水喷嘴除鳞,模仿铸坯加热后分开加热炉后,正在辊道上高压水除鳞行为。研究了喷嘴撞击力(N/mm2)对分歧钢种的除鳞机能的影响。会商了除鳞所需的撞击力的临界值。

正在热轧带钢前,将连铸板坯从头加热到其变形温度是轧钢工序中一个常见步调,以便于轧机对铸坯和轧件的压下和成形,最终成为热轧带钢盘卷。正在铸坯加热过程中,铸坯正在含有氧化性成分(如氧、二氧化碳和水蒸气)的炉内燃烧氛围中,导致构成不需要的氧化铁皮,能够厚达几毫米,影响热轧带钢的概况质量。[1]铸坯概况构成的氧化铁皮对热轧钢材的概况质量、轧辊带钢界面行为及其它不良影响,需要正在热轧变形前给取断根。[2,3]除鳞凡是是通过高压水(最高可达4000psi,即27.5MPa)从喷嘴打出的射流撞击到铸坯概况实现的。除鳞过程可进一步分为初级和二级除鳞阶段,初级除鳞过程凡是正在板坯加热炉加热后进入第一粗轧热轧机架之前的辊道长进行,为了无效地去除正在连铸工序和加热炉加热过程中构成的初始的氧化铁皮,正在热轧压下道次中,这种除鳞过程可能会反复进行,有时需要反复三次。正在某些环境下,为了削减连铸过程中构成的氧化铁皮的影响,正在铸坯和加热炉之间可能会插手一个额外的初级除鳞步调。二次除鳞是正在粗轧机和精轧机之间的辊道长进行,目标是去除热轧过程中轧件正在空气中构成的二次氧化铁皮。若是这两个阶段还不克不及达到所需的带钢概况质量,有时就需要对连铸板坯概况进行进一步修磨处置,出格是对钢的概况可能会构成高粘度和难以正在热轧过程中去除氧化铁皮,所以正在连铸工序中将铸坯概况修磨清洁。

用于除鳞的水力参数凡是利用所谓的撞击力(IF)进行数值表征,该撞击力描述为喷嘴的总冲击力(IT)取总笼盖面积(IT/A)的比值,,[10] 高压水水力学参数如影响撞击力的喷嘴到铸坯的距离[10]已被证明对除鳞效率有很强的影响,[16]然而,阐发钢中合金元素对除鳞机能影响的研究较少,无效除鳞所需的撞击力临界值的消息也是很无限的。

取高硅钢类似,高Mn钢显示的除鳞效率较低(图8),最后的高锰钢氧化铁皮布局的特点是大量的金属夹带和下部氧化层的渗入到基体内(图3)。的氧化铁皮正在低撞击力IF下是70%,而正在最高的IF下降低到40%。跟着撞击力IF的提高,A类量化概况百分比逐渐提高,IF最低时候A类只要30%,IF正在最高时候达到60%。氧化铁皮(B类和C类)的特征是氧化物渗入到金属基体中,同时有Fe2SiO4氧化物相附着,正在氧化铁皮内层的氧化物/钢鸿沟处表示出强烈的毗连。低撞击力IF前提下除鳞后测得的氧化铁皮厚度为40µm摆布,最高撞击力IF前提下降低到只要20µm摆布。概况C类是次要的氧化物类型,从氧化物/钢界面鸿沟向基材延长了50µm。

对比除鳞后残剩的氧化铁皮(B级和C级的),跟着撞击力IF的添加氧化铁皮的厚度减小(图10)。正在2.2 N/mm2的撞击力IF前提下,除鳞后高硅钢的氧化铁皮厚度最大(60µm),其次是高锰钢的(18µm),而中碳钢和根本对比钢的氧化铁皮厚度均小于10µm。成果表白,次要合金元素(Mn和Si)对钢的除鳞效率有较大的影响,此次要是因为这些钢正在燃烧气体中加热时构成的氧化铁皮界面布局的复杂性的来由。

对除鳞前的原始氧化铁皮布局的表征显示,内层氧化铁皮构成机制复杂,包罗可能构成了液态的铁橄榄石(图3),因为内层氧化铁皮中存正在大量的孔隙和空地,内层也是不服均的,氧化铁皮的厚度最高可达190µm,最低可达80µm。正在低撞击力IF前提下,只要34%的概况质量优良,氧化铁皮被完全去除(A类)(图7),剩下的氧化铁皮正在B类概况(27%)和C类概况(39%)的夹杂物,残留氧化铁皮层厚度可达85µm,约为原内层氧化铁皮厚度的一半。正在中等撞击力IF前提下,概况干净率没有较着变化,正在根本对比试验和中C钢试验中可见这种情况。残留的氧化铁皮量达50%摆布,B类残留量下降9%(从27降至18%),C类残留量下降5%(从39降至34%)。氧化铁皮的特征是夹杂的铁橄榄石和夹带的金属层,表示出强烈的附出力。正在最高撞击力IF前提下,定量化的概况质量取之前的IF比拟没有较着改善,此时总体洁净概况占53%,残留氧化铁皮概况占47% (B类为17%,C类为30%),残留氧化物以C类为从,察看到的量是B类量的差不多两倍。对残留氧化铁皮的察看表白,一些残留氧化铁皮强烈地附着正在氧化铁皮渗入到亚概况的底部,因为正在除鳞过程中无法间接取冲击的高水压接触,因而很难去除。残留氧化铁皮厚度约为60µm,较第一次IF前提(1.0 N/mm2)削减了15µm。总的来说,高硅钢显示出显著的抗高压水除鳞结果,这能够从其量化的氧化铁皮的百分比来看,这能够归因于该钢内层中构成的氧化物的复杂性。

高锰钢的外层氧化铁皮厚度不服均,正在900 – 1100µm之间(图3,底部一行),正在外层氧化铁皮和内层鸿沟处察看到横向裂纹和浮泛,内层的氧化铁皮厚度正在50 ~ 80 μ m之间,其特征是多相氧化物夹杂物渗入到金属基体中。该层金属颗粒量大,金属粒径可达50µm。高锰钢亚概况构成了大量的氧化物口袋,内层正在氧化铁皮/钢基体鸿沟处具有分歧的布局。外层的氧化铁皮化学阐发察看到纯氧化铁取微量锰。内层由夹杂化学成分构成,从外部界面到内部界面Mn的浓度添加。内层(内部和次表层)的相阐发确定了Fe2SiO4和Fe3O4相的存正在,而正在亚概况构成的口袋中检测到含锰氧化物。正在这些小口袋中没有识别出相,热力学模仿预测了MnSiO3和Mn2SiO4相的构成

基于数控的除鳞过程的测试方式答应正在单个测尝尝样样本上改变撞击力IF测试前提,并获得除鳞测试成果,同时利用多个测尝尝样样本来最小化发生的误差。图9为分歧试验钢种的撞击力对除鳞效率的影响,察看到,正在中等(1.4 N/mm2)和高档(2.2 N/mm2)之间的临界IF前提下,脚以去除基准对比钢试样样品的氧化铁皮,氧化铁皮笼盖率约为6%,概况都是B级和C级,A类概况洁净率为94%。正在中碳钢的环境下,很高撞击力IF前提仅脚以去除近90%的氧化铁皮,然而,C类氧化铁皮是次要的氧化物类型,可能需要其他的除鳞方式往来来往除。对于高合金钢(Mn和Si),察看达到到90%以上除鳞效率所需的临界IF前提为2.2 N/mm2,由于这些钢概况残留氧化物具有很高的B类和C类概况,而且氧化铁皮的厚度较着较高(图10)。

15mmx 20mm尺寸的氧化铁皮试样从分歧的铸钢试样长度上截取,原始的氧化铁皮试样是从没有颠末高压水除鳞钢试样上提取进行阐发。所有提取的试样都被切成横截面,镶嵌正在环氧树脂中,用1200目碳化硅砂纸研磨抛光,或者利用利用0.1µm金刚石研磨料进行机械抛光,利用低抛光压力,以削减氧化铁皮的分裂。利用配备Bruker能量色散光谱(EDX)的TESCAN-ASCAT系统,利用扫描电子显微镜(SEM)阐发原始氧化铁皮和残留的氧化铁皮的描摹、厚度、微不雅布局和化学成分。采用定量方式评价除鳞效率,将除鳞后试样概况分为三种布局,正在从除鳞概况丈量各组织布局,获得的各横截面试样中的百分比。通过正在20 – 100 μ m分歧放大倍率下采集20帧或更多的SEM图像,对提取的除鳞区域的整个宽度(15 mm)进行定量阐发,利用ImageJ软件做为丈量东西对三种分歧的概况分类进行量化。

采用四种尝试室铸钢试样进行加热和除鳞处置,包罗低碳和中碳钢和两种高合金Si和Mn元素的钢种,研究了正在燃烧氛围中加热和除鳞过程中氧化铁皮的构成。采用3种高压水除鳞撞击力(低、中、高的IF)评价试样样品的除鳞效率。这些钢种正在加热过程中构成的氧化铁皮布局正在其内层和外层表示出较着分歧的化学成分和形态(厚度、拓扑布局和平均性),提出了一种基于氧化铁皮标准布局的三类笼盖百分比来量化除鳞效率的方式。除鳞试验表白,氧化铁皮内层和渗入到基体内部亚概况的氧化物是影响除鳞机能的最主要要素。中碳钢的氧化铁皮具有氧化渗入感化,影响其除鳞效率,除鳞后残留氧化铁皮布局中含有根状渗入氧化物。正在合金钢中,高硅钢概况存正在较着的铁橄榄石相,并伴有较着的夹带金属,该层具有较高的除鳞阻力。锰钢还含有根状穿透性氧化物和夹带金属,这些金属强烈附着正在表层垢上,障碍了除鳞过程中取高压水压力的间接接触,从而降低了除鳞效率。合金钢的除鳞效率较低的缘由还包罗内层氧化铁皮厚度和氧化铁皮组织中缺陷的构成分析感化。合金钢无效除鳞所需的临界IF前提为2.2 N/mm2以上,而根本对比钢和中C钢的临界IF前提为1.4 ~ 2.2 N/mm2即可无效地除鳞。

• B类概况质量指完全去除的外层氧化铁皮和部门去除的内层(内层和亚概况)氧化铁皮,出格是存正在Fe2SiO4相时。

试样正在炉内氛围前提下氧化竣事后,将试样小心地从炉腔中取出,并敏捷移送到除鳞室中,以避免正在除鳞前大气中冷却,正在除鳞安拆内用高压水对试样进行除鳞功课。用于除鳞的数控工做台安拆(图2)能够正在除鳞过程中变化喷嘴到试样概况的距离,如许答应正在分歧的喷嘴高度长进行除鳞功课,对应分歧的撞击力IFs (N/mm2)。除鳞过程采用的喷嘴先导角15°,流量为4 l/min,压力为4000psi(27.5MPa),速度为0.01 m/秒。通过软件节制使喷嘴到试样的距离(数控Z距离)正在试样的长度长进行变化,降低喷嘴的高度来惹起响应的IF的添加。喷雾系统无限公司担任的压力表验证了取喷嘴相关的尝试中的撞击力IF,并正在本文中指定为“低IF”为1 N/mm2,“中IF”为1.4 N/mm2,“高IF”为2.2 N/mm2。试样除鳞后,当即用冷水淬火,防止试样的二次氧化。正在用分歧的IF除鳞过程中构成的三个印记被涂上环氧树脂,以保留概况以备后续查抄。

• C类概况质量指完全去除外层和内层氧化铁皮,但含有穿透的亚概况氧化物,根状氧化铁皮布局具有金属粒子夹带。