热轧工艺对低碳冷镦钢盘条 表面氧化铁皮的影响 罗志俊李舒笳王丽萍王立峰王猛晁月林 （首钢技术研究院） 摘要采用光学显微镜（ＯＭ）和扫描电子显微镜（ＳＥＭ）的试验方法分析了低碳冷镦钢空气气氛下连 续氧化行为及精轧温度和吐丝温度对盘条表面氧化铁皮厚度及相结构的影响。结果表明，低碳钢盘条在 ７００℃以下氧化速率非常缓慢，９７０，１ １６０℃为快速氧化起点，氧化速率急剧增加；随着精轧温度和吐丝 温度的降低，氧化铁皮的Ｆｅ，Ｏ 层厚度变化较小、Ｆｅ Ｏ，层厚度增加、ＦｅＯ层厚度显著降低，氧化铁皮总厚 度减小，将现场生产精轧温度控制在８９０—９５０℃、吐丝温度控制在８９０～９２０℃，能够获得氧化铁皮厚度 为１５～３０ ｍ、ＦｅＯ含量为６５％～８０％的最佳控制目标；先共析或共析转变生成Ｆｅ， 是机械除鳞率降低 的主要原因，控制４５０～５５０℃的保温时间或冷速是提高机械除鳞率的有效方法。 关键词低碳钢轧制工艺氧化铁皮先共析共析转变 Ｅｆｆｅｃｔ ０ｆ Ｈｏｔ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｍｉｌｌ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｃａｌｅ ｏｆ Ｌｏｗ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｌｄ Ｈｅａｄｉｎｇ Ｓｔｅｅｌ Ｗｉｒｅ Ｒｏｄ ＬＵＯ Ｚｈｉｊｕｎ ＬＩ Ｓｈｕｊｉａ ＷＡＮＧ Ｌｉｐｉｎｇ ＷＡＮＧ Ｌｉｆｅｎｇ ＷＡＮＧ Ｍｅｎｇ ＣＨＡＯ Ｙｕｅｌｉｎ （Ｓｈｏｕｇａｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＯＭ）ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ），ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｆｎｉｓｈ ｒｏｌｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｌａｙｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｘｉｄｅ ｓｃａｌｅ ｏｆ ｈｏｔ ｒｏｌｌｉｎｇ ｗｉｒｅ ｒｏｄ，ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｎ ａｉｒ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｏｆ ｌｏｗ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｌｄ ｈｅａｄｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｌｏｗ ｂｅｌｏｗ ７００ ｃＩ＝．ｂｕｔ ｈａｄ ａ ｓｈａｒｐ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ９７０℃ａｎｄ １ １６０ ｃＩ＝．Ｗｉｈｔ ｈｔｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｎｉｓｈ ｒｏｌｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｌａｙｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｌｉｔｌｔｅ ｃｈａｎｇｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｆｅ３Ｏ４ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｆｅ２Ｏ３ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ＦｅＯ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙ ａｎｄ ｈｔｅ ｔｏｔａｌ ｈｔｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｈｔｅ ｏｘｉｄｅ ｓｃａｌｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｎｉｓｈ ｒｏｌｉｌｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｙｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｗｉｔｈｉｎ ８９０～９５０℃ａｎｄ ８９０—９２０℃ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｏｘｉｄｅ ｓｃａｌｅ Ｗａｓ １５～３０ ｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ ＦｅＯ Ｗａｓ ６５％～８０％，ｗｈｉｃｈ ＷａＳ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｒｅｓｕｌｔ．Ｆｅ３０４ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｒｏｅｕｔｅｃｔｏｉｄ ｏｒ ｅｕｔｅｃｔｏｉｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｗａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃａｕｓｅ ｆｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｃａｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｒ ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ ４５０～５００℃Ｗａｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｃａｌｉｎｇ ｒａｔｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｌｏｗ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ，ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｉｌｌ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｏｘｉｄｅ ｓｃａｌｅ，ｐｒｏｅｕｔｅｃｔｏｉｄ，ｅｕｔｅｃｔｏｉｄ ｔｒａｎｓｆｏｒ－ ｍａｔｉｏｎ 低碳冷镦钢盘条在深加工拉拔前需由机械剥 续加工断丝，加剧模具磨损，从而影响拉丝模具 壳去除表面氧化铁皮。由于氧化铁皮硬而脆，若 寿命。因此，盘条表面氧化铁皮应易于机械剥 除鳞不净可能导致拉拔时钢丝表面损伤，引起后 壳。典型的氧化铁皮结构由最外层较薄的Ｆｅ：Ｏ，、 罗志俊：硕士，工程师。收稿／２０１２－１０．２３ 中间层的Ｆｅ，Ｏ 和靠近基体侧的ＦｅＯ组成－ｌ Ｊ， 且盘条在运输过程中经受微小变形后氧化铁皮还 基本保持完好，且机械除鳞变形达到７％后氧 同精轧温度和９８０，９２０，８５０℃不同吐丝温度 工艺试验，分析不同精轧温度、吐丝温度对热轧 盘条表面氧化铁皮厚度和相结构的影响。 氧化铁皮组织采用１％盐酸酒精溶液腐 蚀 Ｊ，在ＯＭ和ＳＥＭ下观察氧化铁皮断面形貌 和测量氧化铁皮相结构厚度。 化铁皮应较易脱落，以满足氧化铁皮在搬运和运 输过程中不易脱落，但在拉丝前容易机械除鳞的 目的。研究表明，盘条表面氧化铁皮机械除鳞性 能与氧化铁皮厚度和结构有直接关系。低碳钢表 面氧化铁皮总厚度控制在１５—３０ ｍ，其中的 ２试验结果与讨论 氧化铁层比例不大于８０％［２ ３，能获得除鳞性能 较好的盘条。截止目前，有关热轧薄板表面氧化 铁皮和相结构转变的研究较多【３４］，而线材生产 过程中氧化铁皮厚度控制及相结构转变的研究较 少，尚未见报道。 本文在深入分析低碳冷镦钢空气气氛下连续 氧化行为的基础上，研究高线热轧生产过程中不 同精轧和吐丝温度对氧化铁皮厚度及相结构的影 响，为现场生产低碳冷镦钢氧化铁皮控制提供技 术依据。 １试验材料与方法 试验钢的化学成分见表１。 表１试验钢的化学成分 ％ 成分 Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｆｅ 含量０．２ ０．０３ ０．８ ０．０１５ ０．００５ Ｂａ１． 在实验室内采用ＳＴＡ４４９Ｃ型同步热分析仪 模拟盘条热轧生产过程中的温度和气氛，分析盘 条表面氧化铁皮生长的热力学和动力学过程。试 样尺寸为４，５ ｍｌｎ×３ ｍｍ，抛光并保证表面无锈， 试验前用酒精超声波清洗，试样加热过程为：在 空气气氛条件下，连续升温至１ ２００ ｃＩ＝，升温速 度为１０￣Ｃ／ｒａｉｎ。根据材料加热和保温过程中的 重量变化和热信号变化分析材料氧化组织转变 特征。 在实验室进行低碳钢氧化铁皮相结构转变等 温试验（简称为ｃ曲线测定），分析结构转变过 程。将热轧盘条在马弗炉里加热到５００℃，分别 保温１Ｏ，５０，１００，２００，１ ０００ ｓ后，通过光学 显微镜（ＯＭ）和扫描电子显微镜（ＳＥＭ）进行 组织观察和机械除鳞率测试。 在高线生产现场进行９８０，９５０，８９０℃不 ２．１ 连续氧化行为分析 在空气气氛下低碳冷镦钢氧化的差示扫描量 热曲线（ＤＳＣ）及微商热重曲线（ＤＴＧ）如图１ 所示。 ０．５ ＼ ０．４ 毫 ０．３目 ０：２ 嘲 １悃１ 凸 ｏ．。莹 ０ 图１在空气气氛下低碳冷镦钢氧化 的ＤＳＣ及ＤＴＧ曲线 由图１可见，ＤＳＣ曲线表示加热和保温过 程重量变化和热信号变化，通过ＤＳＣ热信号对 应的温度来衡量不同组织状态下的氧化过程以分 析材料组织转变特征。实线代表热信号，表示加 热过程的相变转变特性；点划线为氧化增重曲 线；虚线为氧化增重速率曲线。 ９７０，１ １６０℃是低碳冷镦钢快速氧化起点， 氧化速率和总氧化铁皮含量急剧增加。高于７００ ℃盘条开始氧化，低于７００℃盘条氧化极其缓 慢；高于９５０℃氧化快速增加，９７６．９℃时出 现氧化速率最高峰，氧化铁层快速生成。因此， 控制热轧盘条（表面）氧化（氧化铁皮层厚度 和相比例）主要是降低盘条在９５０℃以上温度 的停留时间，即控制精轧温度和吐丝温度，增加 ７００℃以上盘条的冷却速度。但低碳冷镦钢在相 变区过快的冷速可能导致盘条魏氏体组织比例增 多，对盘条的强度及深加工性能带来不利影响。 Ｆｅ Ｏ 和仅．Ｆｅ三相平衡。但受其他元素影 响¨ ，当温度降至５７０ ｏＣ左右时并未发生共析 反应，而是有一定的过冷度，在更低的温度下发 生共析反应： ４Ｆｅｌ制７００～９７０℃的冷速，即控制精轧温度和吐丝 ∞ 胁 ：８∞ 温度，增加７００ ｏＣ以上盘条的冷却速度。 ＼辟罄 警暴 ２）随着精轧温度和吐丝温度的降低，氧化 铁皮总厚度减小，ＦｅＯ厚度显著减少，Ｆｅ Ｏ 厚 度增加，Ｆｅ Ｏ 厚度变化较小。现场生产低碳冷 Ｏ Ｆｅ３Ｏ４＋（１－４ｙ）Ｆｅ 这种迟滞现象在实际生产中更为普遍。当温 度在５７０℃以上时，过冷氧化铁层中氧含量过 饱和度较大，在氧含量较高处优先反应生成先共 镦钢精轧温度控制在８９０～９５０ ｏＣ，吐丝温度控 制在８９０～９２０ ｏＣ，能够获得满足氧化铁皮厚度 １５～３Ｏ ｍ，ＦｅＯ百分含量在６５％～８０％的最 析Ｆｅ，Ｏ ；随着温度继续下降，在先共析Ｆｅ Ｏ 周围形成一个相对贫氧区，在较远处形成一个相 对富氧区；当温度下降至５７０℃以下时，氧化 铁层达到成分平衡，在贫氧区出现单质铁晶核， 同时在富氧区出现ＦｅＯ形核，二者共同形成一 个共析反应产物的晶核。晶核形成后继续长大， 形成片层状Ｆｅ Ｏ ／Ｆｅ共析转变产物Ｌ１。。。 ５００℃等温时间与机械除鳞率的关系如图 １Ｏ所示。 等温时间／ｓ 图１０ ５００℃等温时间与机械除鳞率的关系 由图１０可见，随着等温时间的增加，机械 除鳞率逐渐降低。 Ｆｅ Ｏ 含量较多的氧化铁皮结构致密，在后 续深加工过程中氧化铁皮与基体粘附性好，是盘 条难于机械剥壳除鳞的主要原因。因此，控制 ４５０～５５０ ｏＣ的保温时间或冷却速度是控制先共 析或共析转变Ｆｅ Ｏ 的思路。 ３结 论 １）９７０，１ １６０℃是低碳冷镦钢快速氧化起 点，氧化速率急剧增加，低于７００ ｏＣ氧化速率 非常缓慢。控制氧化铁皮厚度及相结构主要是控 佳控制范围。 ３）等温过程中氧化铁层发生先共析或共析 转变生成Ｆｅ，Ｏ 是机械除鳞率降低的主要原因， 控制４５０～５５０℃的保温时间或冷却速度是提高 低碳冷镦钢机械除鳞率的有效方法。 参考文献 １ Ｔｏｒｒｅｓａ Ｍ，Ｃｏｌａｓ Ｒ．Ａ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｈｅａｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ａ￣，ｕｓｈ ｔｈｅ Ｏｘｉｄｅ Ｈａｙｅｒ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｄｕｉｒｎｇ Ｈｏｔ Ｒｏｌｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｊ．Ｍａ－ ｔｅｒ．Ｐｒｏｃ￣ｓ．Ｔｅｅｈｎｏｌ，２０００（３）：２５８－２６３． ２李舒笳，王丽萍，王立峰等．线材表面氧化铁皮控制 技术研究［Ｊ］．首钢科技．２０１２． ３孙彬，曹光明，刘振宇等．不同热连轧工艺参数条件下 三次氧化铁皮的分析［Ｊ］．物理测试，２０１０（６）：１－５． ４孙彬，刘振宇，邱以清等．低碳钢表面氧化铁层空气 条件下等温转变行为的研究［Ｊ］．钢铁研究学报， ２０１０（２）：３４－３９． ５ Ｅｄｓｔｒｏｍ Ｊ Ｏ．Ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｒｏｎ Ｏｘ． ｉｄｅｓ［Ｊ］．Ｉｒｏｎ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔ．１９５３，１８８：２８９．３０４． ６李铁藩．金属高温氧化和热腐蚀［Ｍ］．北京：化学 工业出版社，２００４． ７ Ｃｈｅｎ Ｒ Ｙ，Ｙｕｅｎ Ｗ Ｙ Ｄ．Ｏｘｉｄｅ－Ｓｃａｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｆｏｒｍｅｄ ｏｎ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｈｏｔ－－Ｒｏｉｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｓｔｒｉｐ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｆｏｒｍａ・・ ｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ［Ｊ］．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｓ，２００１（１． ２）：８９—１１１． ８ Ｐａｉｄａｓｓｉ Ｊ．Ｓｔｔｒ Ｌａ Ｐｒｅｅｉｒｉｔａｔｉｏｎ Ｄ Ｏｘｙｄｅ Ｆｅ３ Ｏ４ Ｄａｎｓ Ｌｅｓ Ｐｅｌｌｉ－ｅｕｌｅｓ Ｄ Ｏｘｙｄａｔｉｏｎ Ｄｕ Ｆｅｒ Ａｕｘ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ Ｅｌｅｖｅｅｓ［Ｊ］．Ａｅｔａ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ，１９５５（３）：４４７ ４５１． ９ Ｄａｒｋｅｎ Ｌ Ｓ，Ｇｕｒｒｙ Ｒ Ｗ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｍｅｔａｌｓ ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ－Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ，１９５３． １０ Ｂａｕｄ Ｊ，Ｆｅｒｒｉｅｒ Ａ，Ｍａｎｅｎｅ Ｊ．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｔｅ Ｆｉｌｍ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｔ Ｍｅｔａｌ－Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｕｒｉｇｎ Ｃｏｏｌｉｎｇ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ［Ｊ］．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔａｌｓ，１９７８（１２）：３３１． 编辑／崔卫红 英文校ｘ，ｌ／刘清梅
