钢的氧化及其控制.

钢的氧化及其控制专题讲座一、前言钢的自然氧化简介钢自然氧化的过程钢氧化与其它金属氧化的区别控制自然氧化常用的措施二、钢在加热情况下的氧化一般情况下经过多次加热后金属的总烧损可达４－５％，我们公司是一次加热（有很少部分的回炉），总烧损达到了1.8%左右，按26万吨产量计算，钢坯消耗27.08万吨，钢坯氧化量达到了4875吨，钢坯价格按到厂3200元/吨计算，年损失为：4875x3200=15600000(1560万元),如果扣除氧化铁皮的价值4875x700=3412500(341万元)，净损失额为1219万元。二、钢在加热情况下的氧化（一）、氧化过程从钢坯表面取一块氧化铁皮，就可以发现它往往是分层的。分析一下它的化学组成，最外层的为Fe2O3，最内层的为FeO,中间为Fe3O4，一般情况下Fe2O3占约１０％，FeO占约４０％，Fe3O4约５０％。（一）、氧化过程许多研究证明钢的氧化是由于两种元素在相反的方向上扩散的结果，即炉气中的氧原子通过表面向钢料的内部扩散，而铁的离子则由钢的内部向外扩散，当两种元素相遇在一定的条件下，起化学反应而生成氧化物。铁在氧化时，内层的铁离子较多，氧较少，常生成低价的氧化物，而外层则多为高价氧化物。（一）、氧化过程FeO熔点为1370℃，Fe3O4的熔点为1538℃，Fe2O3熔点为1560℃.由于这三种氧化物在铁皮中成固溶体而存在且含有杂质，故氧化铁皮的熔点通常认为是1300--1350℃。（一）、氧化过程因为氧化过程不仅是化学反应过程，而且更主要是扩散过程，故金属表面上已经生成的氧化铁皮将阻碍氧化的继续进行。而氧化铁皮在炉内的熔化和脱落，使金属露出更新的表面，将促进氧化迅速进行。由此可以看出，钢在加热过程中的氧化的基本条件有三：首先需要氧或氧化性介质（如；水蒸汽和二氧化碳等）的存在。其次是氧（或氧化介质）和铁相接触而进行扩散；最后是还需要一定的化学反应条件，如温度、浓度、时间、等。二、钢在加热情况下的氧化（二）影响钢氧化的因素影响氧化的因素包括加热时炉内的气氛、钢的成分、加热温度和加热时间。在这些因素中，炉内气氛、钢的成分和加热温度对氧化速度有很大影响，加热时间则主要影响钢的烧损量。（二）影响钢氧化的因素１、炉内气氛的影响钢在炉内加热时，炉内一般有O2、CO2、H2O、CO、H2、CH４、、H２S和N２等，这些气体与钢的反应有不同的特点：１、炉内气氛的影响O2:它在热加工温度条件下，甚至很小的浓度也能使钢氧化。而且反应不可逆。化学反应如下：Fｅ＋１/2O2----FeO3FeO+1/2O2---Fe3O42Fe3O4+1/2O2-----3Fe2O3１、炉内气氛的影响CO2和CO：CO2对高温加热的钢氧有化作用，而CO起还原作用，反应式为(可逆反应)：Fe+CO2---FeO+CO3FeO+CO2----Fe3O4+CO上述反应是可逆的，一定温度下化学反应的方向取决于CO２CO的浓度，若增大CO的浓度，在一定条件下反应向左进行，即能避免或减少钢的氧化。１、炉内气氛的影响H2O和H２:它们与钢之间的化学反应为（可逆反应）：Fe+H2O---FeO+H23FeO+H2O—Fe3O4+H22Fe3O4+H2O---3Fe2O3+H23Fe+4H2O---Fe3O4+4H2由上述可知，水蒸汽对钢有氧化作用。H2含量的增加有助于减少钢的氧化，因为H２可以使反应逆向进行。１、炉内气氛的影响CH4:它与钢可发生反应(可逆反应)３Fe+CH4----Fe3C+2H2CH4使钢增碳，H２能使钢脱碳。H2S:它在燃烧时生成SO2能大大的提高铁的氧化速度，因为它与铁生成FｅS而使氧化铁皮的熔点降低，（最低可以为1190℃）,加剧氧化铁皮的熔化，是氧化深入进行，因此，炉气中力求减少这种成分。N2:对钢的氧化来说，属于中性成分，它能影响炉气中其它气体的浓度，因而影响化学反应的速度。１、炉内气氛的影响由上述可见：对氧化起主要作用的是H2H2OCOCO2。在实际当中这几种气体又是同时存在的，在一定温度下为防止钢的氧化，对炉气中的CO2/CO和H2O/H2比值有一定的要求，如在1250℃时，只有控制CO2/CO≤0.3及H2O/H2≤０.85时。才有可能出于还原区域范围。（二）影响钢氧化的因素２、温度的影响随着温度的升高，钢的氧化加剧。因为钢的温度升高，各种成份的扩散加速，炉气和钢化学反应的平衡常数也有显著的变化，为加速氧化创造条件。研究发现，在650℃以下，基本不生成氧化铁皮；而当温度为760℃时，氧化铁皮量就可以测量了。温度再升高，氧化损失迅速增加。这里所说的温度的影响是指金属表面的温度而不是炉温，因为氧化反应和扩散过程都是在金属表面上进行的，在实际炉子上，如果控制得好，提高炉温不仅不会增加氧化，反而有可能因加热时间的缩短而使氧化损失减少.。（二）影响钢氧化的因素3、钢的化学成分的影响钢的含碳量对氧化的影响是复杂的，难于找到简单的规律。大体上说，增加含碳量，可提高钢的抗氧化能力。但由于脱碳的影响，在1000～1100℃以上影响的规律性很差。合金元素的影响，概括起来，就在于是否由于它们的存在而生成连续的、致密的、牢固附着于基体上的氧化薄膜。促进生成这种薄膜的（如Cr、Al、Si、Ni等）能增加钢的抗氧化能力；破坏生成这种薄膜的(如W)将减低钢的抗氧化能力。（二）影响钢氧化的因素4、加热时间对氧化的影响在其他条件相同时，加热时间愈长，扩散进行得愈充分，氧化烧损量愈大。在工业炉（如推钢式加热炉）上，氧化铁皮有时在炉内脱落，使这种已生成的氧化铁皮的“保护作用”（阻碍作用）降低，时间的影响将更为显著，在极端情况下，如果氧化铁皮全部及时地脱落。则已经烧损量将与加热时间成正比。（二）影响钢氧化的因素4、加热时间对氧化的影响此外，被加热金属的表面积对烧损量也一影响。表面看来，似乎是被加热金属的相对表面积越大，烧损越多，但实际上由于相对受热面积大而使加热时间缩短，反而有可能使金属是烧损减少。（三）、减少氧化的方法1、准确控制金属加热温度使其不超过所要求的加热温度。必须注意的是“金属温度不是炉温”“金属氧化是在金属表面进行的而不是在炉膛空间进行的”。因此在炉子热工操作中，除根据所需炉温控制供热和供风量外，还需要根据金属温度控制所需炉温（即炉温给定值），即实现数学模型计算机控制，在当前的加热炉上，只要实现这一控制，就可以大大减少金属烧损。（三）、减少氧化的方法2、尽可能实现快速加热在严格控制金属加热温度的前提下尽可能实现快速加热。实际上，实现快速加热并严格控制温度是实现加热炉内减少氧化的最有效的措施。（三）、减少氧化的方法3、控制炉内气氛这方面的措施有：在保证燃料完全燃烧的条件下尽量减少燃烧用过剩空气，即降低空气消耗系数；降低炉内自由氧浓度；尽量保持炉内高温区的正压操作，防止冷空气吸入等。（三）、减少氧化的方法4、隔绝炉气与金属，无氧化加热如采用马弗罩加热、辐射管加热；对特殊要求的热处理，可采用真空加热和通入保护气体。这种加热制度由于受到隔壁材料的限制，多用于较低温的热处理，对于轧、锻前的高温加热，曾试验过在金属表面进行涂层的方法，有效地使金属与火焰隔开，但由于其减少氧化的效果差、影响传热、增加工序和提高了成本等原因，未能成功地应用。上述的四种方法中，前三种是通常采用的方法，特别是第1、2两种方法是减少氧化最有效的措施。三、钢的脱碳和过热、过烧1、钢的脱碳(1)概念：钢加热时表层碳分降低的现象，对于大多数钢种脱碳均被认为是钢的缺陷。(2)危害：一是降低表层的机械性能；二是淬火容易产生裂纹；三是增加出去脱碳层的劳动量，增加了成本和金属损失。(3)脱碳过程：主要是炉气中的O.H2、H2O、CO2、水蒸气的脱碳能力最强，后者其次。三、钢的脱碳和过热、过烧1、钢的脱碳(4)影响脱碳的因素A、加热温度；加热温度越高脱碳层越深。B、加热时间；加热时间越长，脱碳层越厚。C、炉气成分；氧化性和还原性气氛均可引起脱碳，与炉气中的水蒸汽的含量，关系较大。D、钢的成分：含碳量越高，越容易脱碳，稀土元素可以抑制脱碳。三、钢的脱碳和过热、过烧1、钢的脱碳(5)减少脱碳的方法A、尽可能实现高温下的快速加热，缩短金属在高温段的停留时间。B、对有脱碳“峰值”的钢种，应使加热避开“峰值”的温度。C、合理安排装料与出料，不要将易脱碳的钢种安排在加热温度高的钢种后面，或放在两个高温钢种之间，在轧制速度较慢的钢种后面，不要安排易脱碳的钢种。D、采用运料灵活和温度控制灵活的炉型结构（步进炉）等。三、钢的脱碳和过烧及预防2、钢的过热与过烧(1)概念：过热是把钢加热到超过某个温度时，使钢的晶粒变的粗大的现象。过烧是钢在高温下加热，晶粒间界面氧化而出现氧化物或局部熔化的现象。(2)危害：一是机械性能下降，给加工工艺性能带来不利；二是钢件产生裂纹；应当尽量避免钢的过热和过烧。三、钢的脱碳和过烧及预防2、钢的过热与过烧(3)防止过热和过烧方法A、控制钢的加热温度，最高加热温度应比钢的熔点低200℃。B、控制加热炉的气氛，使之不具有过于强列的氧化性。C、不得使火焰与钢直接接触。D、根据钢的成分，制定正确的加热工艺制度。四、氧化烧损的测定与计算氧化烧损一般用烧损率表示：烧损率＝氧化烧损量/被加热金属重量×100％1、氧化烧损测定方法(1)酸洗法：将与被加热金属大小相同的试样，同被加热物一起在炉内加热，一起出炉，然后将试样在盐酸中腐蚀酸洗，称量其加热前和酸洗后的重量，其差值即为氧化烧损量。(2)称量法：选定一根被加热金属作为试样，先称其重量，然后加热轧制，再称其产品重量，差值为氧化烧损量。四、氧化烧损的测定与计算1、氧化烧损测定方法(3)测量氧化铁皮法：在钢出炉时在其表面敲取数块氧化铁皮，测量其厚度加以平均，然后根据加热钢的表面，可数出每块钢的氧化烧损量。氧化烧损量＝δ×F×C×γδ–氧化铁皮厚度m；F－被加热钢的表面积m2。C－铁皮的含铁量(75)％；γ－氧化铁皮的重度γ=5000~5300kg/m3四、氧化烧损的测定与计算2、我公司常用坯料氧化烧损测算公式(1)1502×3m钢坯a=1.3838*δ%(2)1502×2.7m钢坯a=1.3982*δ%(3)1202×3m钢坯a=1.6566*δ%(4)1202×2.5钢坯a=1.6963*δ%(5)1242×3m钢坯a=1.6358*δ%注：δ的单位为ｍｍ四、氧化烧损的测定与计算３、氧化率与表面积和单重的关系（１mm厚)钢坯规格mmxmmxm单坯重Kg/m表面积m2单重表面积M2/kg氧化率％150X150X31731.8450.010661.384150X150X2.71731.6650.010391.398120X120X31131.4690.012991.656120X120X2.51131.2290.01091.696124X124X31201.51880.012651.636124x124x2.51201.27070.010591.652讲座结束谢谢大家