加热过程中钢的氧化

钢胚料在高温炉内加热时，由于炉气中含有大量O2、CO2、H2O，钢表面层要发生氧化。钢坯每加热一次，有0.5%~3%的钢由于氧化而烧损。随着氧化的进行及氧化铁皮的产生造成了大量的金属消耗，增加了生产成本，因此烧损指标是加热炉作业的重要指标之一。

钢的氧化不仅造成钢的直接损失，而且氧化后产生的氧化铁皮堆积在炉底上，特别是实炉底部分，不仅使耐火材料受到侵蚀，影响炉体寿命，而且清除这些氧化铁皮是一项很繁重的劳动，严重的时候加热炉会被迫停产。

氧化铁皮还会影响钢的质量，它在轧制过程中压在钢的表面上，就会使表面产生麻点，损害表面质量。如果氧化层过深，会使钢坯的皮下气泡暴露，轧后造成废品。为了清除氧化铁皮，在加工的过程中，不得不增加必要的工序。

氧化铁皮的导热系数比纯金属低，所以钢表面上覆盖了氧化铁皮，又恶化了传热条件，炉子产量降低，燃料消耗增加。

钢的氧化过程及氧化铁皮结构

钢在加热过程中，其表层的铁与炉气中氧化性气体O2、CO2、H2O、SO2等接触发生化学反应并生成氧化铁皮，这个反应叫钢的氧化。根据氧化程度的不同，生成几种不同的铁的氧化物—FeO、Fe3O4、Fe2O3。

氧化铁皮的形成过程也是氧和铁两种元素的扩散过程，氧由表面向铁的内部扩散，而铁则向外部扩散，外层氧的浓度大，铁的浓度小，生成铁的高价氧化物。所以氧化铁皮的结构实际上是分层的，最靠近铁层的是FeO，依次向外是Fe3O4和Fe2O3。各层大致的比例是FeO占40%，Fe3O4占50%，Fe2O3占10%。这样的氧化铁皮其熔点在1300~1350℃。

影响氧化的因素

影响氧化的因素有：加热温度、加热时间、炉气成分、钢的成分，这些因素中炉气成分、加热温度、钢的成分对氧化速度有较大的影响，而加热时间主要影响钢的烧损量。

（1）加热温度的影响。因为氧化是一种扩散过程，所以温度的影响非常显著，温度愈高，扩散愈快，氧化速度愈大。常温下钢的氧化速度非常缓慢，600℃以上时开始有显著变化，钢温达到900℃以上时，氧化速度急剧增长。这时氧化铁皮生成量与温度之间有如下关系：

钢温（℃） 900 1000 1100 1300

烧损量比值 1 2 3.5 7

（2）加热时间的影响。在同样的条件下，加热时间越长，钢的氧化烧损量就越多。所以加热时应尽可能缩短加热时间。例如提高炉温可能会使氧化增加，但如果能实现快速加热，反而可能使烧损由于加热时间缩短而减少。又如钢的相对表面越大，烧损也越大，但如果由于受热面积增大而使加热时间缩短，也可能反而使氧化铁皮减少。

（3）炉气成分的影响。火焰炉炉气成分对氧化的影响是很大的，炉气成分决定于燃料成分、空气消耗系数n、完全燃烧程度等。

按照对钢氧化的程度分：氧化性气氛、中性气氛、还原性气氛，炉气中属于氧化性的气体有O2、CO2、H2O及SO2，属于还原性的气体有CO、H2及CH4，属于中性的气体有N2。

加热炉中燃料燃烧生成物常是氧化性气氛，在燃烧生成物中保持2%~3%CO对减少氧化作用不大，因为燃料燃烧不完全，炉温降低，将使加热时间延长而使氧化量增加。由于钢与炉气的氧化还原反应是可逆的，因此，炉内气氛的影响主要取决于氧化性气体与还原性气体之比。如果在炉内设法控制炉气成分，使反应逆向进行，就可以使钢在加热过程中不被氧化或少氧化，对于正常工作的加热炉无法实现还原性气氛，因为炉气中不可能存在大量的H2和CO，所以在连续加热炉中要实现控制气氛的加热是相当困难的。

当燃料中含S或H2S时，燃烧后SO2气体或极少量H2S气体，它们对FeO作用后生成低熔点的FeS，熔点为1190℃，这会使钢的氧化速度急剧增大，同时生成的氧化铁皮更加容易熔化，这都大大加剧了氧化的进行。

（4）钢的成分。对于碳素钢随其C含量的增加，钢的烧损量有所下降，这很可能是由于钢中的C氧化后，部分生成CO而阻止了氧化性气体向钢内扩散的结果。

合金元素如Cr、Ni等它们极易被氧化成为相应的氧化物，但是由于它们生成的氧化物薄层组织结构十分致密又很稳定，因而这一薄层的氧化膜就起到了防止钢的内部基体免遭再氧化的作用。耐热钢之所以能够抵抗高温下的氧化，就是利用了它们能生成致密而且机械强度很好又不易脱落的这层氧化薄膜，比如铬钢、铬镍钢、铬硅钢等都具有很好的抗高温氧化的性能。

减少钢氧化的方法

操作上可以采取以下方法减少氧化铁皮：

保证钢的加热温度不超过规程的规定温度。

采取高温短烧的方法，提高炉温，并使炉子高温区前移并变短，缩短钢在高温中的加热时间。

保证煤气燃烧的情况下，使过剩空气量达最小值，尽量减少燃料中的水分与硫含量。

保证炉子微正压操作，防止吸入冷风贴附在钢坯表面，增加氧化。

待轧时要及时调整热负荷和炉压，降炉温，关闭闸门，并使炉内气氛为弱还原性气氛，以免进一步氧化。