一种降低钢铁氧化烧损的方法及应用与流程

本发明涉及高温氧化与防护领域，具体地说是一种通过调控气氛降低钢铁氧化烧损的方法及应用。

背景技术：

钢坯热扎成型过程中因氧化而烧损是不可避免的过程，其中加热炉中的高温氧化是钢材损耗的主要原因。不同钢厂及不同钢种，耗损比例虽有差别，但总量也十分可观。目前热轧工艺水平国内一般的热轧厂的氧化烧损达到1.5％甚至更高，而热轧工艺水平国内领先的企业氧化烧损也有1.0％左右。如果能使氧化烧损降低0.5％，全国目前钢铁年产量达8亿吨，则每年可减少400万等钢铁损耗，相当于一中大型钢厂的产能，钢铁价格按3500元/吨计算，每年可节省120亿元人民币，因而具有可观的经济效益和节能降耗减排的社会效益。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通过调控气氛降低钢铁氧化烧损的方法及应用，通过对环境气氛调控处理，使钢铁热生长氧化皮的结构发生改变，由缺陷浓度高的多孔结构转化为较致密的氧化皮，从而导致氧化皮的抗氧化性提高，钢铁的氧化进程变慢，铁氧化烧损降低。

本发明的技术方案是：

一种降低钢铁氧化烧损的方法，采用环境气氛调控的钢铁氧化进程改变技术，对钢铁氧化皮组成结构进行改性，从而降低氧化烧损。

所述的降低钢铁氧化烧损的方法，环境气氛调控的要素在于控制环境气氛中的氧浓度。

所述的降低钢铁氧化烧损的方法，环境气氛中的氧分压变化为0.21至0.001。

所述的降低钢铁氧化烧损的方法，环境气氛调控显著改变钢铁的氧化皮的结构特征，从缺陷浓度高的多孔氧化皮转变为致密度高的氧化皮，其致密度达到99％以上。

所述的降低钢铁氧化烧损的方法，环境气氛调控使钢铁表面热生长的氧化皮无明显缺陷。

所述的降低钢铁氧化烧损的应用，采用环境气氛调控技术，使钢铁的氧化速度显著降低。

所述的降低钢铁氧化烧损的应用，采用环境气氛调控技术，钢铁的氧化速度总的随温度升高而降低幅度越大。

所述的降低钢铁氧化烧损的应用，在1150～1250℃的范围内，氧分压从0.21降至0.04以及0.001，钢铁氧化2h烧损量分别降到原来的20％以下。

本发明的设计思想是：

传统观点认为：钢铁氧化以铁的氧化为主，570℃以上铁的氧化物由外及里由Fe2O3、Fe3O4和FeO三层组成，且FeO内层的生长是控制步骤，其生长主要受Fe3O4/FeO界面的氧分压控制，因而按照金属氧化理论，铁的氧化速度几乎与环境氧分压无关[参考文献：李美栓编著，《金属的高温腐蚀》，冶金工业出版社，2001年11月出版]。因此，调控环境气氛改变氧分压难以影响钢铁的氧化速度。

本发明研究发现，钢铁氧化皮结构缺陷浓度高且在高温下氧化皮的三层结构所在比例变化大，认为Fe的氧化皮热生长型的钢铁，其氧化受环境气氛中氧分压得变化敏感，通过合理调控加热炉气氛可显著降低钢铁的氧化速度。本发明否定调控气氛降低钢铁氧化烧损不可行的传统观点，可为钢厂热轧生产线通过调控气氛降低钢坯的氧化烧损提供指导。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明通过气氛调控技术促使低钢铁热生长氧化皮致密度明显提高、氧化速度显著降低，从而极大降低钢铁的氧化烧损，可望为钢厂钢坯热轧成型过程中降低氧化烧损提供实验和技术基础。

2、本发明通过环境气氛调控技术使钢铁的氧化皮结构发生显著改变，从缺陷浓度高的多孔氧化皮转变为致密度高的氧化皮，导致钢铁氧化皮热生长的氧化速度显著降低，也即极大降低钢铁的氧化烧损。

3、本发明的气氛调控优化技术工艺简单、需投入成本低、可推广性强，可以为冶金行业降低钢铁的氧化烧损提供新的途径。

附图说明

图1为本发明实施例1中钢种1在1250℃不同气氛下的氧化动力学曲线。图中，曲线1、2及3为相应气氛1、2及3中获得的曲线；曲线4为温度变化曲线。横坐标Time代表时间(h)，纵坐标(左)Mass gain代表每平方厘米增重(mg/cm²)，纵坐标(右)Temperature代表温度(℃)。

图2为钢种1在1250℃：(a)气氛1、(b)气氛2及(c)气氛3下氧化2h后的截面形貌。

图3为钢种1在1200℃不同模拟环境气氛条件下的氧化动力学。图中，曲线1、2及3为相应气氛1、2及3中获得的曲线；曲线4为温度变化曲线。横坐标Time代表时间(h)，纵坐标(左)Mass gain代表每平方厘米增重(mg/cm²)，纵坐标(右)Temperature代表温度(℃)。

图4为钢种1在1150℃不同模拟环境气氛条件下的氧化动力学。图中，曲线1、2及3为相应气氛1、2及3中获得的曲线；曲线4为温度变化曲线。横坐标Time代表时间(h)，纵坐标(左)Mass gain代表每平方厘米增重(mg/cm²)，纵坐标(右)Temperature代表温度(℃)。

图5为本发明实施例2中钢种2在1250℃不同气氛下的氧化动力学曲线。图中，曲线1、2及3为相应气氛1、2及3中获得的曲线；曲线4为温度变化曲线。横坐标Time代表时间(h)，纵坐标(左)Mass gain每平方厘米代表增重(mg/cm²)，纵坐标(右)Temperature代表温度(℃)。

图6为钢种2在1250℃：(a)气氛1、(b)气氛2及(c)气氛3下氧化2h后的截面形貌。

图7为图6(c)中的氧化皮界面的放大图像。

图8为钢种2在1200℃不同模拟环境气氛条件下的氧化动力学。图中，曲线1、2及3为相应气氛1、2及3中获得的曲线；曲线4为温度变化曲线。横坐标Time代表时间(h)，纵坐标(左)Mass gain代表增重(mg/cm²)，纵坐标(右)Temperature代表温度(℃)。

图9为钢种2在1150℃不同模拟环境气氛条件下的氧化动力学。图中，曲线1、2及3为相应气氛1、2及3中获得的曲线；曲线4为温度变化曲线。横坐标Time代表时间(h)，纵坐标(左)Mass gain代表增重(mg/cm²)，纵坐标(右)Temperature代表温度(℃)。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明通过气氛调控技术使钢铁的氧化皮结构发生显著改变，从缺陷浓度高的多孔氧化皮转变为致密度高的氧化皮，导致氧化速度显著降低，也即极大降低钢铁的氧化烧损。采用环境气氛调控技术，使钢铁热生长的氧化速度显著降低。其中，通过对环境气氛调控处理，使环境气氛中的氧分压变化为0.21至0.001。在1100～1300℃的范围内，钢铁热生长的氧化增重为80mg/cm²以下，氧化皮厚度为10～100μm。

下面，结合附图和实施例详述本发明。

实施例1——钢种1实验结果

本实施例选取钢种1进行实验，其成分经化学分析为(mass％)：0.047C，<0.01Si，0.16Mn，0.020Al，0.017P，0.023S，余量为铁。实验采用样品尺寸为10mm×10mm×6mm，表面磨至800#SiC砂纸并进行倒边倒角处理，在丙酮中超声清洗后吹干备用。氧化动力学实验采用Thermax 700型热重分析仪(精度为0.3μg)，氧化气氛采用氧分压可控的模拟燃烧气氛。本实施例采用三种模拟气氛，氧分压(环境气氛中的氧体积浓度)分别控制在21％(气氛1)、4％(气氛2)及0.1％以下(气氛3)。

如图1所示，钢种1在模拟气氛1(曲线1)、气氛2(曲线2)以及气氛3(曲线3)中于1250℃恒温2h后的氧化动力学曲线。可见，此钢种的氧化速度依次显著降低，说明控制环境氧分压可有效降低钢的氧化烧损。

如图2所示，上述各条件下相应氧化样品的截面扫描电镜(SEM)照片。可以看出，在气氛1条件下，钢种1所生长的氧化皮厚度超过1mm，其中缺陷浓度高，出现平行氧化皮/钢基体界面的裂纹以及大量的微裂纹。气氛2中，氧化皮厚度明显降低，平均厚度为0.7mm，氧化皮中依然有大量的裂纹。气氛3中，氧化皮厚度进一步显著降低，只有0.1mm左右，并且氧化皮致密，无明显缺陷。氧化皮厚薄变化规律与氧化动力学结果完全吻合。

如图3所示，钢种1在模拟气氛1(曲线1)、气氛2(曲线2)以及气氛3(曲线3)中于1200℃恒温2h后的氧化动力学曲线。可见，钢的氧化速度也依次显著降低，即控制环境氧分压可有效降低钢的氧化烧损。但是与1250℃相比，相应气氛中的氧化烧损量有所降低。但是，降低幅度没有气氛调控明显。氧化皮的截面SEM形貌分析结构同样表明，氧化皮的厚度及其中开裂情况随氧分压降低而明显减少，在气氛3条件下氧化皮明显低于100μm，且无明显缺陷发现。

如图4所示，钢种1在中于1150℃恒温2h后的氧化动力学曲线。可见，钢的氧化速度随模拟气氛中的氧分压降低也依次明显降低。氧化皮的截面SEM形貌分析在此温度下虽气氛变化的演化情况同上类似，只是相应气氛中比1200℃下的氧化皮厚度和缺陷(裂纹等)浓度有所降低，但氧化烧损降低幅度同样没有气氛调控那么明显。

以气氛1中单位面积氧化增重为参考，将其氧化烧损值设定为100％，气氛2和气氛3的相对氧化烧损值可用以下公式计算：相对氧化烧损率＝(单位面积氧化增重/21％氧分压气氛中单位面积氧化增重)×100％。根据图1、2和4的氧化动力学数据，计算出的钢种1在气氛2与气氛3相对于气氛1在不同温度的氧化烧损，结果如表1所列。由此可见，氧分压气氛1调低至气氛2和3，氧化烧损在三组温度下皆能分别降低至只有原来的65％和19％，效果特别显著。

表1钢种1不同温度下调控气氛所致的相对氧化烧损

实施例2——钢种2实验结果

钢种2的成分经化学分析为(mass％)：0.054C，<0.02Si，0.19Mn，0.020Al，0.012P，0.006S，以及(Cr+Ni+Cu)≤0.050，余量为铁。实验用样品尺寸、表面打磨处理、清洗方法以及氧化实验同钢种1。本实施例依然采用三种模拟气氛，即氧分压分别控制在21％(气氛1)、4％(气氛2)及0.1％以下(气氛3)。

如图5所示，钢种2在模拟气氛1(曲线1)、气氛2(曲线2)以及气氛3(曲线3)中于1250℃恒温2h后的氧化动力学曲线。可见，氧化速度依次显著降低，说明控制环境氧分压可有效降低钢的氧化烧损。

如图6所示，上述各条件下相应氧化样品的截面SEM照片。可以看出，在气氛1条件下，钢种2所生长的氧化皮厚度约1mm，其中平行氧化皮/钢基体界面的裂纹以及大量孔洞。气氛2中，氧化皮厚度明显降低，平均厚度为0.65mm，氧化皮中开裂程度降低，孔洞数减少。而在气氛3中，氧化皮在相同倍数下几乎不可见，进一步在SEM高倍下分析，发现氧化皮近约0.02mm(20μm)，结果如图7所示，并且氧化皮致密、无明显缺陷。与钢种1相同，钢种2的氧化皮厚薄变化规律与氧化动力学结果一致。

与1250℃相比，钢种2在1200℃相应气氛中的氧化烧损量有所降低。但是，降低幅度没有气氛调控明显。如图8所示，钢种2在模拟气氛1(曲线1)、气氛2(曲线2)以及气氛3(曲线3)中于1200℃恒温2h后的氧化动力学曲线。可见，钢的氧化速度也依次显著降低，即控制环境氧分压可有效降低钢的氧化烧损。氧化皮的截面SEM形貌分析结构同样表明，氧化皮的厚度及其中开裂情况随氧分压降低而明显减少，在气氛3条件下氧化皮同样无明显缺陷发现。

如图9所示，钢种2在中于1150℃恒温2h后的氧化动力学曲线，可见，钢的氧化速度随模拟气氛中的氧分压降低也依次明显降低。氧化皮的截面SEM形貌分析在此温度下虽气氛变化的演化情况同上类似，只是相应气氛中比1200℃下的氧化皮厚度和缺陷(裂纹等)浓度也有所降低，但氧化烧损降低幅度同样没有气氛调控那么明显。

根据前述方法，由图5、8和9的氧化动力学数据，计算出的钢种2在气氛2与气氛3相对气氛1在不同温度的氧化烧损，结果如表2所列。由此可见，氧分压气氛1调低至气氛2和3，氧化烧损在三组温度下皆能分别降低至只有原来的60％和8％，效果更加显著。

表2钢种2不同温度下调控气氛所致的相对氧化烧损

实施例结果表明，本发明通过调控燃烧环境气氛，降低气氛中氧分压可显著降低钢铁氧化烧损，鉴于热轧厂加热炉温度一般在1200℃左右，从本发明实施例结果看，调控气氛降低氧化烧损效果比在热扎温度允许范围内降低温度的效果更好，因而可以推广应用。