6.2 金属加热工艺——金属加热时的氧化、脱碳、过热与过烧在线视频

接下来我们学习一下第二小节内容

金属加热时的氧化脱碳

过热与过烧

金属在加热过程中

在表面会发生氧化脱碳

甚至发生过热 过烧

这些加热过程中的缺陷

不仅影响金属的质量和产量

而且可能使被加热的金属报废

在加热过程中

应该想办法尽量减少或者是避免

本节 重点讨论上述缺陷发生过程

影响因素和防止的办法

钢在加热过程中

高温下与氧接触发生氧化反应

生成氧化铁皮

如这张图里就是氧化铁皮的一张图

钢的氧化不但会造成0.5%到3%的

直接氧化烧损损失

而且会造成一系列的间接损失

比如说生成的氧化铁皮落在炉内

会侵蚀炉体 缩短炉子寿命

为了去除氧化铁皮

需要增设高压水冲洗 酸洗

喷丸等设备

增加了生产工序与成本

如果氧化铁皮没有及时去除干净

在轧制时就会将氧化铁皮压入钢坯

从而影响到钢材的质量

钢的氧化过程是铁 氧

两种元素的物理扩散

加化学反应过程

首先 是炉气中的氧原子

通过钢表面向钢料内部扩散

而铁离子则由钢料内部向外部

进行扩散

当两种元素相遇

在一定的条件下

就会发生化学反应 生成氧化物

由此可见

钢在加热过程中发生氧化

要有三个基本条件

一是要有氧或氧化性介质

比如水蒸气 二氧化碳等

这些氧化物的存在

二是要有氧或者是氧化介质

和铁相接触而进行的扩散

三是要有一定的化学反应条件

如反应温度 反应浓度等

如果我们从钢的表面取下一块

氧化铁皮

分析其化学成份

就可以呈现它是分层的

如图所示

最外层的为三氧化二铁

最内层的为氧化亚铁

中间为四氧化三铁

一般情况下

三氧化二铁约占10%

四氧化三铁约占50%

氧化亚铁约占40%

可认为氧化铁皮的平均成分

接近于四氧化三铁

含铁量约为75%

三氧化二铁的熔点为

1560摄氏度左右

四氧化三铁的熔点为

1538摄氏度左右

氧化亚铁的熔点为1370摄氏度

由于钢中其他元素的氧化物

和氧化铁皮起作用

或者是和耐火材料起作用

都会使氧化铁皮的熔点

降到1300摄氏度甚至是更低

当钢加热温度过高时

氧化铁皮会软化 熔化

引起粘钢问题

或者是熔渣堆积在炉底上

侵蚀炉底耐火材料

妨碍正常的生产进行

影响氧化的因素有以下四点

加热时 炉内气氛 加热温度

钢的成分和加热时间

一般情况下

炉气氧化性越强

氧化速度越快

钢表面温度越高氧化速度越快

钢的成分中

含有铬 镍 硅 锰 铝等元素

可以降低氧化速度

对钢加热时间越长氧化量越大

下面 我们逐一进行分析

首先 来看炉内气氛对氧化影响

钢在火焰中加热时

炉气中一般含有氧气 二氧化碳

水蒸气 一氧化碳 氢气 甲烷

二氧化硫和氮气等

它们与钢的化学反应有不同的特点

高温条件下

氧与铁的化学反应

如以下方程所示

铁与氧结合生成氧化亚铁

氧化亚铁进一步与氧进行结合

生成四氧化三铁

四氧化三铁再与氧进行反应

生成三氧化二铁

由于氧化亚铁的分压很小

所以 即使很小的氧气浓度

也能使钢产生氧化

因此 炉气中应该尽量去除

自由的氧

炉气中的二氧化碳

对高温加热的钢起氧化作用

而一氧化碳起还原作用

它们的化学反应式为

铁与二氧化碳 可逆反应

生成氧化亚铁和一氧化碳

氧化亚铁与二氧化碳 可逆反应

生成四氧化三铁和一氧化碳

一定温度下

可逆反应的方向

取决于二氧化碳和一氧化碳的浓度

若增大一氧化碳的浓度

在一定条件下使反应向左进行

就能避免或减少钢的氧化

如图所示

为铁与一氧化碳 二氧化碳的

平衡曲线

可以看出 温度越高

要想保持铁不氧化比值就越小

也就是说

一氧化碳的比例要增加

水蒸气和氢气与钢的化学反应为

铁与水蒸气 可逆反应

生成氧化亚铁和氢气

氧化亚铁和水蒸气可逆反应

生成四氧化三铁和氢气

四氧化三铁和水 可逆反应

生成三氧化二铁与氢气

可见 水蒸气对钢起氧化作用

而氢气起还原作用

如图所示为铁与氢气 水蒸气的

平衡曲线

可见 为防止水蒸气对钢的氧化

炉气中应有足够的氢气含量

甲烷与钢的反应方程为

铁与甲烷可逆反应

生成碳化铁和氢气

该反应生成产物中有碳化铁

说明甲烷与氢气的比值

与钢的含碳量和温度

有一定的平衡关系

在某一温度下反应向右进行

甲烷使钢增碳 生成渗碳体

而在某一温度下反应向左进行

氢气使钢脱碳

同时 由于上述反应

将影响炉气中氢气的浓度

所以会间接的影响到钢的氧化作用

此外 二氧化硫能大大提高

铁的氧化速度

因为它与铁生成硫化亚铁

而使氧化铁皮的熔点降低到

1190摄氏度

加剧了氧化铁皮的熔化

使氧化能够深入的向钢材内部进行

而氮气对钢的氧化来讲

属于中性气体

但它能影响炉气中其他气体浓度

从而影响化学反应速度

对上述气体氧化能力进行实验比较

有以下结论

水蒸气 氧气是主要的氧化剂

能力比二氧化碳大一倍

而二氧化硫可大大提高氧化速度

由上述分析可知

氢气与水蒸气

一氧化碳与二氧化碳含量比值

对氧化有着重要的影响

在实际中 这四种气体

又往往是同时存在的

它们之间还存在有如下反应关系

一氧化碳与水蒸气 可逆反应

生成二氧化碳和氢气

这个反应称为水煤气反应

四种气体与铁在不同温度下的

理论平衡曲线如图所示

图中AB线为铁被氧化或还原的

分界线

可见 在一定温度下

为防止加热时钢的氧化

对炉气中的二氧化碳与一氧化碳

水蒸气与氢气的比值

是有一定要求的

比如 当温度为1250摄氏度时

只有控制二氧化碳与一氧化碳比例

小于等于0.3

以及水蒸气与氢气的比例

小于等于0.85时

在有可能使铁处于还原区

第二个影响氧化的因素为温度

随着温度的升高

各种成分的扩散加速

使得金属的氧化加剧

需要强调的是

温度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

在实际生产中

提高炉温不仅不会增加氧化

反而可能因为加热时间的缩短

而使氧化损失减小

如图所示

为钢的氧化烧损与温度的关系

可见 当温度在200摄氏度以前

氧化是非常缓慢的

当温度在200到500摄氏度时

仅仅在钢的表面上生成一层

很薄的氧化层

当温度升高到600至700摄氏度时

开始显著的生成氧化铁皮

当温度达到900到1000摄氏度时

氧化速度剧烈的增长

当温度高于1300摄氏度时

由于氧化铁皮熔化掉落

造成暴露出的金属表面进一步氧化

使得氧化强烈的增加

氧化烧损与温度的关系

近似符合指数规律

实验表明

提出条件一定时

1300摄氏度时

钢的氧化量是900摄氏度时

钢的氧化量的7倍

影响氧化的第三个因素

是钢的化学成份

钢的含碳量对于氧化的影响是复杂

大体上说

增加含碳量可以提高

钢的抗氧化性能

合金元素的影响

主要体现在它们是否能够生成

连续的致密的牢固附着于

金属基体上的氧化膜

从而阻碍扩散的进行

如图所示

为合金元素对钢的抗氧化性能的

影响图

可见

铬 硅 锰 铝等合金元素的存在

可以减少氧化

镍本身对钢的抗氧化性能没有影响

但它与铬合作

可使得钢的氧化速度大大降低

研究表明

铬含量为12%至25%

镍含量大于10%

铁含量小于60%的铬镍铁系合金钢

也就是通常我们所说的不锈钢

它们的抗氧化性能最好

这张表中所列出的是

合金元素抗氧化的性能及特点

可见 含3%到10%的硅元素

可提高钢的抗氧化性

但其氧化膜较脆 易破碎 脱落

铝元素能显著提高钢的抗氧化性

工业上 常用价格低廉的

表面渗铝材料

来代替耐热钢材料

但渗铝生成的氧化铝

氧化亚铁薄膜的机械性能较差

不便于进行加工

铬是主要的抗氧化合金

当含铬大于12%时

由于生成致密 坚实的氧化薄膜

使钢在1000摄氏度时的抗氧化能力

提高上百倍

同时铬的存在

会使镍钢在含硫气氛中的

抗氧化性能显著的提高

最后 是加热时间对氧化的影响

在其他条件相同时

加热时间越长扩散进行得越充分

氧化烧损也就越大

在氧化介质中

烧损量与时间的关系如左图所示

钢在空气中氧化铁皮生成量

如右图所示

可以看出 氧化烧损量与加热时间

呈近似的抛物线关系

烧损量增长速度随时间而减慢

其原因是已生成的氧化铁皮

对进一步氧化有阻碍作用

当氧化铁皮在炉内脱落时

其保护作用降低

时间的影响将更加显著

极端情况下

如果氧化铁皮全部及时脱落

这氧化烧损量将与时间成正比

值得注意的是

增加金属的加热面积

会使得氧化介质与金属的接触面积

增加

但也使得金属加热时间缩短

从实际生产数据来看

总的效果是氧化量减小

如该表所示

当钢坯由单面加热改为双面加热时

氧化烧损有不同程度的减小

从上述分析我们可以得到

减少氧化的方法

一是要准确控制金属加热温度

使其不超过所要求的加热温度

二是在严格控制金属加热温度的

前提下

尽可能实现加速加热

减少加热时间

三是控制炉内气氛

在保证燃料完全燃烧的条件下

尽量减少燃料用过剩空气量

降低炉内自由氧的含量

尽量保证炉内高温区的微正压操作

防止冷空气的吸入

四是隔离炉气与金属

实现间接的无氧化加热

如罩式炉和辐射管加热炉

在实际生产中

人为设置燃烧空气消耗系数小于1

使碳氢燃料在炉内严重的

不完全燃烧

生成含有大量一氧化碳的烟气

造成还原性气氛

从而减少氧化

这种方法称为明火无氧化加热法

当空气消耗系数较小时

会造成燃烧温度达不到

金属加热的要求

为了提高不完全燃烧时的

理论燃烧温度

一般有下面几个途径

预热空气和煤气

或者是用氧进行助燃 即富氧燃烧

又或者是空气预热

结合少量的富氧燃烧

需要注意的是

明火无氧化加热时

不完全燃烧产物中含有大量的

化学热

可在炉子的低温段 如预热段

或者在炉外的换热设备中

供入补燃空气组织二次燃烧

以避免能源的浪费

当氧化铁皮粘附于金属表面

而且在轧制之前没有能及时去除时

在扎制中

将会被压入钢材表面

在酸洗或喷丸后产生麻点

进而影响钢材的质量

什么情况下氧化铁皮粘附牢固

不容易脱落呢

实际表明

疏松多孔的氧化铁皮不易脱落

致密的氧化铁皮容易脱落

也就是说

黑色的氧化亚铁不容易脱落

具有灰色光泽的四氧化三铁

较容易脱落

弱氧化气氛中生成的氧化铁皮

不容易脱落

强氧化气氛中生成的氧化铁皮

较易脱落

对于一些表面质量要求较高的钢种

如含镍低碳钢

生产中可采用低炉压 大风量

高炉温 强氧化的加热制度

使其生成较易脱落的氧化铁皮

当然也可以采用明火无氧化加热

使其生成很薄的氧化铁皮

后续采用酸洗进行去除

这样就不会影响到钢材的质量

另一种在加热过程中会出现的缺陷

是脱碳

脱碳是钢表面层碳分降低的现象

与钢的化学反应分别如下

碳化铁与水蒸气可逆反应

生成铁 一氧化碳与氢气

碳化铁与二氧化碳 可逆反应

生成铁和一氧化碳

碳化铁与氧可逆反应

生成铁和一氧化碳

碳化铁和氢气 可逆反应

生成铁和甲烷

其中 水蒸气的脱碳能力最强

其次是二氧化碳 氧气 氢气

钢的氧化和脱碳是同时进行的

随着氧化铁皮的生成

钢的脱碳将被减弱或抑制

氧化铁皮越厚 越致密

可见脱碳层越薄

火焰炉内影响钢材表面脱碳的因素

仍是炉气成分 加热温度

钢的成分和加热时间这四点

我们分别进行分析

首先是炉气成分

在一般火焰炉内

燃烧产物对于易脱碳钢来说

都是饱和性脱碳气氛

在实际生产中

即使减少炉气的脱碳能力

也不能有效减少脱碳

对于多数钢种而言

最小的可见脱碳层

是在氧化性气氛中得到的

第二是加热温度

一般情况下

钢加热温度越高 脱碳层就越深

但对某些钢种

如60Si2Mn、9SiCr

如图所示

在连续加热炉内加热时

存在着脱碳的峰值温度区间

在此温度区间

脱碳的速度是最快的

第三是钢的成分

一般情况下

含碳量越高的钢越容易脱碳

钢中的合金元素对脱碳

也有很大的影响

含Si、Co和Al的钢

由于这些元素不形成碳化物

而且有使碳游离的倾向

对脱碳是起到促进作用的

Cr、B和稀土元素

可以使钢的脱碳现象减轻

比如 B与氧的亲和力极强

钢中含B会使氧化烧损增加

氧化层的存在却使得脱碳层减小

稀土元素能使钢表面

在高温下形成致密的氧化铁皮

阻碍碳和脱碳气体的扩散

减少了脱碳

最后是加热时间

加热时间越长

钢材的可见脱碳层越厚

两者的关系基本符合抛物线规律

但在800到900摄氏度以下

即使加热时间很长

可见脱碳层也并不显著

因此 要控制钢在高温下的停留

生产上 常采用低温慢预热

高温快加热的方法减少钢材的脱碳

根据上述分析

减少钢材表面脱碳的方法有

一是尽可能的实现高温下的

快速加热

缩短金属在高温段停留的时间

二是对有脱碳峰值的钢种

应使加热避开峰值的温度区间

三是在连续加热炉上

合理的安排装料与出料

比如不要把易脱碳的钢种

安排在加热温度较高的钢种后面

或者是放在两种加热温度

都高的钢种之间

四是采用运料灵活

和温度控制灵活的炉型结构

比如 对于易脱碳的钢材

采用两段步进式加热炉

高温段和低温段分别传动

实现料坯在炉内的慢预热和快加热

除氧化与脱碳外

金属在加热过程中

可能出现的另外两种加热缺陷

是过热与过烧

过热是指加热温度超过钢的

AC3线以上很多

使得晶粒过分长大 粗化

形成过热的组织 塑性降低

钢材过热后

机械性能下降

加工性能变差

压力加工时容易产生裂纹

淬火时内应力增高

易产生变形甚至是开裂

此外 过热不可避免的

会使钢出现严重的氧化和脱碳

而过烧也就是说烧毁

是钢的晶界熔化或者是氧化

晶粒间失去塑性的现象

过烧会使压力加工时产生严重裂纹

造成产品的报废

过热和过烧都是钢在超过

正常加热温度的情况下形成的缺陷

不同之处是过烧形成的温度

较过热的温度更高

过热的钢材可通过热处理的方法

加以改善

过烧的钢材只能通过回炉重炼方法

进行利用

防止过热与过烧的方法主要有

一是根据钢的成分

以及零件的几何形状

制定正确的加热工艺制度

并且严格的执行

二是控制钢的加热温度

为了防止过烧

最高加热温度应该比钢的熔点

至少低100到200摄氏度

三是控制炉内的气氛

使之不具有过于强烈的氧化性

四是在火焰炉中

要避免火焰和加热件直接接触

以防止局部过烧

好 今天的课程就到这里

谢谢大家