第20卷 第9期 中 国 水 运 Vol.20 No.9 2020年 9月 China Water Transport September 2020
收稿日期：2020-04-06
作者简介：盛雪红（1994-），男，昆明理工大学硕士生。
盛雪红，王仕博，杨世亮
（昆明理工大学 复杂有金属资源清洁利用国家重点实验，云南 昆明 650000）
摘 要：为探究钢块高温氧化烧损的影响机理，提出了单位面积烧损的概念，实验中考虑了目标温度、保温段时间、炉内气氛三个主要影响因素。通过正交试验，得到了氧化烧损与在炉时间成正比，即在相同的条件下，在炉时间越长，氧化生成的铁皮越厚、越多；氧化性气体浓度越大，钢块的烧损情况越严重，钢块在21%O 2体积浓度下的氧化烧损大于21%CO 2氛围下的烧损量。通过SEM 扫描电镜和EDS 能谱分析，粗略得到铁皮成分：铁皮最外层是Fe 2O 3和Fe 3O 4的混合物，依次往里是Fe 3O 4和FeO 的混合物、纯FeO、FeO 和铁基体两种物质的混合物。 关键词：Q235B 钢块；氧化铁皮；氧化烧损；目标温度；炉内气氛 中图分类号：TG307 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）09-0079-03
丙酮酸乙酯一、研究背景
钢坯在加热炉加热过程中会因各种原因产生氧化铁皮，减少钢坯的氧化烧损成为各钢铁企业节能减排的一项重要内容。由于在加热炉加热过程中，氧原子与铁原子发生反应从而造成了钢坯的氧化。而氧化铁皮是加热炉内的氧化性气体与钢中铁元素发生氧化反应生成的[1-3]。钢坯的氧化烧损是不可避免的，国内轧钢加热炉在加热过程中钢的氧化烧损率一般为1.5%，由此造成的损失甚至超过燃料消耗的经济损失，同时还会带来其它诸多不利影响。因此，降低氧化烧损率的经济效益是显而易见，对如何降低钢坯氧化烧损的研究极为必要[4]。P （O 2）是影响氧化烧损最主要的因素，降低P （O 2）能显著降低钢坯氧化烧损。降低加热温度能有效降低钢坯氧化烧损，但是相比之下，降低P（O 2）-即volO 2比降低温度能减少钢坯的氧化烧损更多[5]。因此研究钢块氧化烧损的主要影响因素且由此得出减少钢块烧损的措施，具有现实的实际意义。本文在前人的研究基础上，通过炉子温度、炉子气氛氧化性强度、钢块加热时间三个关键参数，采取正交试验，得到各个因素对钢块氧化烧损的影响；通过将出炉钢块镶进装有环氧树脂的模具里，采用扫描电镜观察铁皮的断面形貌，并做了EDS 粗略分析铁皮成分。
二、钢块在室状管式炉里氧化烧损情况分析 1．钢块氧化后单位面积烧损
实验采用Q235B 钢，尺寸大约取20×20×6（单位mm），委托昆钢分析测试中心进行元素分析，分析结果如表1所示。
表1 Q235B 钢的成分
元素 C Si Mn S P 含量（%）
0.15
0.080
0.19
0.009
0.014
低碳钢中主要金属元素为铁、锰，也有少量钙、镁等；非金属元素主要包含碳、硅、磷、硫，也有微量氢、氧。钢块在高温、高氧化性氛围的加热炉中，会发生复杂的化学反
应，在整个进程中因吸收了氧气等物质而质量有所增加，因此钢块氧化前后的单位面积烧损公式如下：
-=
出炉时钢块质量进炉时钢块质量
钢块进炉时表面积
钢块单位面积烧损 （1）
钢块氧化后的单位面积烧损单位主要有kg/m 2、mg/cm 2，本文采用后者mg/cm 2。
试验装置图如图1
所示。
1-气体钢瓶；2-减压阀；3-紧压阀；4-气体质量流量计；5-管式炉；
6-刚玉坩埚；7-样品（钢块）；8-硅钼棒；9-塑料管
图1 试验装置图
2．钢块在炉内不同氧化气氛下的烧损情况 （1）1,100℃下不同P（O 2）下的氧化烧损
钢块在1,100℃下不同P（O 2）氛围的氧化情况见图2，可以看出：随着炉内氧气体积占比越来越小，钢块的氧化烧损越来越小。取空气状态下的烧损为100%，以其为参照，计算其它气氛下的相对氧化烧损，计算公式如下：
mpeg1 mpeg2
⨯k m (O)w 100%m(O )
∆∆=
∆ （2）
式中：△w 为相对氧化烧损；△m（O）为单位面积氧
80 中 国 水 运 第20卷 化烧损；△m（O k ）是空气气氛下的单位面积氧化烧损[5]
。
图2 钢块在1,100℃不同P（O 2）条件下的氧化烧损 Q235B 钢在1,100℃、不同P（O 2）气氛下（21%O 2、5%O 2、1%O 2）保温1h 后（后文所取保温时间相同）的氧化烧损的比较情况如表2所示。从表中看出，5%O 2下的氧化烧损是干空气下的74.4%，1%O 2气氛下的氧化烧损量是干空气下的60.9%。
表2 Q235B 钢在1,100℃下不同P（O 2）气氛下的氧化烧损比较
P（O ）/%
氧化烧损/（mg/cm ）
氧化烧损的相对分数/（%）
21% 53.2 100% 5% 39.6 74.4% 1%
32.4
60.9%
（2）1,150℃下不同气氛下的氧化烧损
Q235B 钢在1,150℃下，21%O 2、5%O 2、21%CO 2
三种气氛下的氧化烧损结果如图3所示，可以得出：同样浓度下的CO 2相对于O 2，钢块在21%CO 2气氛下的氧化烧损更低，因此O 2对Q235B 钢的氧化性高于CO 2
。
中国男体
图3 Q235B 钢在1,150℃不同氛围下的氧化烧损 在保温一小时情况下，不同气氛的氧化烧损比较见表3。从表中可以看出，在5%O 2下的氧化烧损相对于空气下减少19.5%，而21%CO 2相对于21%O 2减少23.6%。 表3 Q235B 钢在1150℃下不同气氛下的氧化烧损比较
不同气氛/% 氧化烧损/（mg/cm ）
氧化烧损的相对分数/（%）
VolO =21% 54.3 100% VolO =5% 43.7 80.5% VolCO =21%
41.5
76.4%
3．钢块在整个实验过程中的形貌变化流程图
钢块切割后，经过200、1,100目砂纸打磨，除掉表面铁锈，称重并量尺寸，放入室状炉中加热氧化。随炉冷到200℃左右后取出炉外空冷到室温10℃左右，用铁锤机械
去除表面疏松的氧化铁皮，再放入质量分数为21%的稀硫酸溶液（温度75℃）中酸洗1min，发现有些铁皮被酸洗适中，有些过度。具体流程图如图4。酸洗槽简图如图
5。
图
4 钢块表面形貌变化流程图
修伟良
图5 酸洗槽简图
4．EDS 分析氧化铁皮成分
对钢块试样在炉子中以10℃/min 加热速率加热到1,100℃后保温时间60min，然后随炉冷却到240℃，其中1,100℃到600℃过程降温速率约3℃/min，600℃再到
240℃过程的降温速率约为1.26℃/min，样品在炉时间约9.8h，图6为温度-时间图。对该样品进行EDS 能谱分析，结果如图7和表4所示，其中在铁皮横断面（即样品高度方向）的竖直方向做了5
个点分析。
图6 炉内温度设置程序
第9期 盛雪红等：Q235B 钢块高温氧化烧损的影响机理 81
图7 氧化钢块酸洗后残余铁皮截面的能谱分析
表4 各测点元素含量的能谱分析结果
元素 各测点
Fe（铁）/（%）
O（氧）/（%）
铁原子数/氧原子数
点1 32.25 46.80 0.69 点2 37.22 44.01 0.85 点3 41.32 41.00 1.01 点4 53.09 28.16 1.89 点5
69.31
10.41
6.66
普遍认为，钢块的氧化铁皮分三层，从里到外分别为FeO、Fe 3O 4、Fe 2O 3，其中FeO 层为疏松结
构，保护性较差，另外两层Fe 3O 4、Fe 2O 3为致密结构，保护性较强[6]。EDS 分析了铁皮的C、Si、Fe、O 四大元素含量，其中不同点的铁和氧原子摩尔含量情况如表4。Fe 的氧化物主要有FeO、Fe 2O 3、Fe 3O 4，其中Fe 2O 3中Fe 原子与氧原子数比为0.67，Fe 3O 4中原子比为0.75，FeO 中该值为1。从表5数据可知，测点1该值为0.69，是Fe 2O 3和Fe 3O 4的混合物（Fe 3O 4摩尔占比约22.6%）；测点2为0.85，是Fe 3O 4和FeO 的混合物（Fe 3O 4摩尔占比为27.3%）；测点3为1.01，约等于1，若考虑测量误差，则该物质是纯FeO；测点4原子比为1.89，测点5为6.66，均大于1，应是FeO 和铁基体两种物质的混合物。从铁皮外层到钢基体往里，铁原子占比越来越大。从铁皮的物理位置来看，从上到下，即从测点1到测点5，铁元素含量逐渐增大，这符合随着氧化进程的继续铁原子越来越难由铁基体向铁皮与气体界面处扩散的事实。
酒石酸钾钠三、结论
外语与外语教学本文的试验采用室状炉模拟工业加热炉，所得结论对工厂实践有一定指导意义。
（1）本文对比了不同目标温度、气氛、保温时间下，Q235B 钢的高温氧化烧损情况，通过试验发现：随着目标温度的升高，保温时间（即在炉时间）的增加，气氛中氧气浓度越大，氧化烧损越严重。因此我们在加热炉的预热段、加
热段、均热炉的三个阶段，要一直监控燃料流量和空气流量以及两者比值，使得炉内气氛中氧化性气
体占比在一个合适的范围内，设置好各炉段的过剩空气系数。
（2）通过对比21%O 2和21%CO 2两个气氛下的氧化烧损，可以概括出O 2比CO 2的氧化性更强。21%CO 2气氛下的氧化烧损值是21%O 2的76.4%。
（3）根据SEM 扫描电镜和EDS 能谱分析结果得到，从铁皮外层到钢基体往里，铁原子占比越来越大。铁皮最外层是Fe 2O 3和Fe 3O 4的混合物，依次往里是Fe 3O 4和FeO 的混合物、纯FeO 化合物、FeO 和铁基体两种物质的混合物。
参考文献
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（上接第29页） 通过优化方案实现罐箱安全调度，并且该模型可以平衡配送中心保有量和配送总成本之间的关系，为危险品集装箱多式联运制定调度计划提供一定的参考。
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