加热温度与钢坯氧化烧损的关系成指数关系, 单位面积上生成的氧化膜量W与温度T有如下关系[4]:W=ατexp0.5e-bT ( g/cm2),式中τ--时间/min;T--温度/ K。
在600~1100℃温度范围内,α=6.30,b =9000。由上式可知,单位面积上生成的氧化膜量W与温度T呈指数关系。常温下钢的氧化速度非常慢,600℃以上开始有显著变化,钢温达到900℃以上时,氧化速度急剧增大,氧化膜生成量增加[6]。
1.3.2 加热时间的影响
在相同的加热条件下,钢的加热时间越长,则生成的氧化膜越厚。根据文献提供,温度高于570℃时,铁的氧化物主要成分是氧化亚铁(FeO);低于570℃时,氧化物的主要成分是磁铁矿(Fe3O4),因而,氧化膜的重量由下式求得:
t>570℃时 2Fe+O=2FeO
y=144/32x=4.5x (1)
t>570℃时 3Fe+2O2=Fe3O4
y=232/64x=3.625x (2)
式中:x为参加反应的氧量;y为生成氧化膜的重量。试样的氧化率为
P=y/G (3)
式中:G为试样的初始重量;P为试样的氧化率[6]。
纪国富[6]在利用差热天平研究钢在高温下氧化特性时发现,相同钢材在不同温度下保温时,氧化率随时间的增长是不同的。温度越高,氧化率增长速度越快;而且时间越长,氧化率增长速度越慢。这是因为氧化膜不断加厚,使得氧的扩散能力减弱,从而使氧化过程减慢。在900℃下保温时,氧化率增长速度较快;而在600℃下保温时,随着时间的延长氧化率趋于不变。并发现降低出钢温度,减少钢坯在高温段的停留时间。因此把握好钢的出炉温度和钢坯在炉内高温段的停留时间,对减少氧化烧损非常有效。
1.3.3 炉气成分的影响
一般情况下炉气中含有一定的氧化性、中性和少量的还原性气体,炉气的氧化能力取决氧化性气体和还原性气体的比例,在加热炉的操作条件下,炉气总是氧化性的。而炉气成分决定于燃料的成分、空气消耗系数、完全燃烧程度等。炉气中一般含有CO2、H2O、O2、SO2、CO、H2、CH4 和N2, 它们与钢的化学反应各有不同。其中O2、CO2、H2O、SO2等为氧化性气体,氧化性最强的是O2, 其次是SO2、H2O和CO2。氧化膜的生成过程,也就是钢与这些氧化性气体发生反应的过程。一般认为,还原性气氛能有效地抑制钢坯脱碳过高,但具体情况还有待进一步研究[4,9]。
1.4 低合金钢的氧化特性
低合金钢的氧化与脱碳对钢材性能具有显著影响,因此众多学者对低合金钢的氧化脱碳性能进行了大量的研究,并针对不同合金元素对钢材氧化的影响进行了分析[3]。
1.4.1 Al元素
由氧化反应热力学计算可见,铝比铁活泼,所以钢基体中的铝先于基体中的铁氧化而形成Al2O3。一般地说,氧化物的比容与该金属的比容的比值越大,氧化物的电导越小,熔点越高,因此氧化物的生成能越高,所起的保护作用也越大。由此可见,铝对钢具有防氧化作用。文献综述
1.4.2 Si元素
对于低合金钢,硅可有效防止氧化层疏松、脱落的性能,增加低合金钢的抗氧化性能。分析认为硅减少钢氧化和脱碳的原因是由于加热时硅优先氧化,在钢表面形成含Fe2SiO4的致密氧化膜,阻碍了氧和碳的扩散,从而降低了钢的氧化和脱碳倾向。
1.4.3 Cr元素
可知Cr元素较Fe元素更为活泼,使氧化层中形成y-Cr2O3和FeCr2O4化合物,而y-Cr2O3和FeCr2O4均为等轴系的尖晶石结构,根据合金化原理,如果加入的合金元素能生成尖晶石型或复杂的尖晶石结构,则可使氧化层致密化,从而有效阻碍了Fe与O的扩散,因此可起到降低氧化速度的作用。