热轧碳钢表面氧化皮结构、机械研磨酸洗及无酸酸洗研究

论文摘要

本文对牌号为BRC3、QstE380TM、B510L、SPHC、SS400的热轧碳钢表面氧化皮的结构及成分进行了分析研究。结果表明,BRC3热轧碳钢表面氧化皮主要由Fe2O3外层,Fe3O4中间层及最厚的FeO内层组成;氧化皮的总厚度约为8μm,其中FeO层的厚度约为6μm,Fe3O4层与FeO层的厚度比约为1:3。QStE380TM、B510L、SPHC、SS400热轧碳钢表面氧化皮主要由Fe3O4及Fe/Fe3O4共析组织构成,共析组织中Fe与Fe3O4交替层叠析出,最终形成片层状结构。QStE380TM热轧碳钢表面氧化皮厚度约为7μm,B510L、SPHC、SS400热轧碳钢表面氧化皮厚度约为6μm。常规酸洗研究表明,BRC3、B510L、SS400、SPHC四种热轧碳钢表面氧化皮酸洗动力曲线均基本符合Johnson-Mehl方程。BRC3热轧碳钢表面氧化皮的酸洗速度最快,B510L热轧碳钢表面氧化皮的酸洗速度次之,SS400热轧碳钢表面氧化皮的酸洗速度又次之,SPHC热轧碳钢表面氧化皮的酸洗速度最慢。与常规酸洗相比,采用机械研磨酸洗能够显著缩短酸洗时间。采用最佳玻璃小球粒径进行机械研磨酸洗可使酸洗时间最短。对搅拌、水平振荡、垂直振荡三种机械研磨酸洗方式的研究表明,垂直振荡机械研磨方式的效果最显著。综合采用垂直与水平振荡两种机械研磨方式能够进一步减少酸洗时间。总体而言,采用机械研磨酸洗方式,四种碳钢表面氧化皮的酸洗动力学过程基本遵循线性规律。氢气还原BRC3热轧碳钢表面氧化皮的过程中,当加热温度低于500℃时,其成分及结构基本保持不变;当加热温度达到600℃时,FeO层中会析出大量Fe3O4,当加热至700℃后,氧化皮中变成单一的FeO层。当还原温度为400℃时,氧化皮中仅有表面一小部分被还原;当温度超过500℃时,氧化皮被完全还原;而温度进一步升高至600℃或700℃,氧化皮中仍有少量的FeO未被还原。在还原反应温度由400℃升高至500℃,还原减重ΔW值迅速增大,当温度进一步升高至600℃及700℃,还原减重值反而小幅下降。氢气还原QstE380TM热轧碳钢表面氧化皮的过程中,当加热温度低于500℃时,氧化皮的成分及结构保持不变;当加热温度达到600℃时,部分Fe3O4/Fe组织转变为FeO,当加热温度至700℃,氧化皮完全转变成单一的FeO层;当氢气还原温度为400℃时,氧化皮仅有表面一小部分Fe3O4被还原;当还原温度为500℃及600℃时,氧化皮被完全还原;而还原温度进一步升高至700℃,氧化皮中仍有一定量的FeO未被还原。还原反应温度由400℃升高至500℃及600℃,还原减重ΔW值迅速增大,当还原温度进一步升高至700℃时,还原减重ΔW值反而下降。在一氧化碳还原BRC3热轧碳钢表面氧化皮反应前的加热过程中,氧化皮中的铁氧化物全都转变为FeO。在温度为730℃,一氧化碳的流量为3L/min,还原时间为180s的条件下,还原后的BRC3热轧碳钢表面氧化皮由绝大部分多孔状金属铁及小部分未被还原的灰黑色铁氧化物组成。在还原反应时间为180s及一氧化碳流量为3L/min的条件下,还原反应温度为750℃时,一氧化碳还原氧化皮的效果最佳。在相同的还原温度及反应时间内,一氧化碳的流量越大,一氧化碳还原BRC3热轧碳钢表面氧化皮越彻底。在相同的还原温度及一氧化碳流量条件下,在60s-240s的时间范围内,随着反应时间的增长,氧化皮还原减重增加;而当还原反应时间达到300s后,还原减重反而变小。在一氧化碳还原QstE380TM热轧碳钢表面氧化皮反应前的加热过程中,氧化皮中的铁及铁氧化物全都转变为FeO。还原后的QstE380TM热轧碳钢表面氧化皮最终会形成包括绝大部分被还原为多孔状金属铁及邻近基体处的少量未被还原的致密铁氧化物的复杂结构。在750℃,一氧化碳流量为3L/min,还原时间为180s的条件下,QstE380TM热轧碳钢表面氧化皮的还原效果最好。当一氧化碳流量由1L/min增大至3L/min时,还原减重ΔW值增大;而当一氧化碳流量继续增大至超过3L/min时,一氧化碳渗碳作用加剧,会使ΔW值反而减小。在还原反应温度730℃,一氧化碳流量为3L/min时,在还原反应时间为60s-180s时间内,还原减重ΔW值随反应时间增加而增大;当还原反应时间达到240s后,还原减重ΔW值反而下降。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1、文献综述
• 1.1 铁氧化物及钢铁的氧化
• 1.1.1 铁氧化物
• 1.1.2 Fe－O 相图
• 1.1.3 纯铁的氧化
• 1.1.4 碳钢的氧化
• 1.2 热轧过程氧化皮的生成及除鳞方法
• 1.2.1 氧化皮的分类
• 1.2.2 碳钢表面氧化皮的结构及性质
• 1.2.3 热轧碳钢除鳞方法
• 1.3 酸洗过程的动力学
• 1.3.1 酸洗的动力学曲线
• 1.3.2 相变动力学
• 1.4 冲蚀磨损
• 1.4.1 冲击
• 1.4.2 影响冲蚀的因素
• 1.5 铁氧化物的还原
• 1.5.1 一氧化碳还原铁氧化物的反应
• 1.5.2 碳的气化反应
• 1.5.3 氢气还原铁氧化物反应
• 1.5.4 铁氧化物还原过程
• 2 热轧碳钢表面氧化皮的结构及成分分析
• 2.1 热轧碳钢的成分及力学性能
• 2.1.1 热轧碳钢的化学成分
• 2.1.2 热轧碳钢的轧制、卷曲温度及力学性能
• 2.2 热轧碳钢的表面氧化皮的形貌及物相组成
• 2.2.1 BR3 热轧碳钢表面氧化皮的形貌及物相组成
• 2.2.2 QStE380TM 热轧碳钢表面氧化皮的形貌及物相组成
• 2.2.3 B510L 热轧碳钢表面氧化皮的形貌及物相组成
• 2.2.4 SPHC 热轧碳钢表面氧化皮的形貌及物相组成
• 2.2.5 SS400 热轧碳钢表面氧化皮的形貌及物相组成
• 2.3 热轧碳钢的表面氧化皮的成分分析
• 2.4 结论
• 3 热轧碳钢表面氧化皮的机械研磨酸洗研究
• 3.1 常规酸洗研究
• 3.1.1 酸洗材料与方法
• 3.1.2 常规酸洗的动力学方程
• 3.1.3 常规酸洗的酸洗速度
• 3.1.4 常规酸洗过程中氧化皮形貌
• 3.2 机械研磨酸洗研究
• 3.2.1 搅拌研磨酸洗
• 3.2.2 水平振荡研磨酸洗
• 3.2.3 垂直振荡研磨酸洗
• 3.2.4 垂直＋水平联合振荡研磨酸洗
• 3.2.5 机械研磨酸洗过程中氧化皮形貌
• 3.2.6 机械研磨酸洗的机理研究
• 3.3 分析与讨论
• 3.4 结论
• 4 氢气还原热轧碳钢表面氧化皮研究
• 4.1 实验装置及实验材料方法
• 4.2 氢气还原铁氧化物的热力学分析
• 4.3 氢气还原热轧碳钢表面氧化皮
• 4.3.1 氢气还原BRC3 热轧碳钢表面氧化皮
• 4.3.2 氢气还原Qst380TM 热轧碳钢表面氧化皮
• 4.4 结论
• 5 一氧化碳还原热轧碳钢表面氧化皮研究
• 5.1 实验装置与方法
• 5.2 一氧化碳还原铁氧化物的热力学分析
• 5.3 一氧化碳还原热轧碳钢表面氧化皮
• 5.3.1 一氧化碳还原BRC3 热轧碳钢表面氧化皮
• 5.3.2 一氧化碳还原QstE380TM 热轧碳钢表面氧化皮
• 5.4 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢