Немного об окалине

ОкалинаВ силу ряда особенностей горячей прокатки и последующего охлаждения горячекатаных полос  их поверхность покрыта окалиной неодинаковой толщины и различного фазового состава. В результате взаимодействия железа с кислородом среды, в которой оно находится при сравнительно высоких температурах, образуются три устойчивых окисла: вюстит (FeO), магнетит  (Fe3O4) и гематит (Fe2O3). Слои, составляющие окалину, располагаются таким образом, что непосредственно к металлу примыкает слой окисла с наименьшим содержанием кислорода FeO, далее следует средний слой промежуточного состава  Fe3O4, наружный слой окалины состоит из высшего окисла  Fe2O3. Соотношение толщин слоев и одновременное существование всех трех окислов зависят от условий окисления поверхности железа.

Важная характеристика окалины – ее сплошность (пористость). Трещины  и поры возникают в слое окалины в период охлаждения металла в результате преобразований структуры. При образовании окалины, состоящей из вюстита, приращение объема составляет 1,76 , а из магнетита и гематита соответственно 2,1 и 2,4. Чем выше температура окисления, тем больше образуется различных окислов, обладающих разной пластичностью. Превращение их приводит к возникновению внутренних напряжений, вызывающих образование  трещин и пор. При травлении в соляной кислоте быстрее всего растворяется закись железа (вюстит), образующий наиболее пористый слой. Однако вюстит обычно содержится только в слое окалины, прилегающем к металлу. Наружный слой состоит из магнетита и гематита, которые растворяются незначительно. Наличие пор и трещин в окалине ускоряет травление. Раствор кислоты проникает через эти несплошности к поверхности металла и слою вюстита. Наряду с растворением вюстита происходит взаимодействие ионов водорода кислоты с металлическим железом. По мере растворения слоя вюстита уменьшается прочность сцепления окалины с основным металлом. Выделяющийся водород восстанавливает высшие окислы железа до закиси. Процесс растворения окалины, не  содержащей вюстита, протекает медленнее и связан с повышенными потерями металла.

Опыт работы травильных линий показывает, что продолжительность травления окалины в значительной степени связана  с  температурой смотки, которая влияет на толщину и структуру окалины. Обычно сокращение продолжительности травления с уменьшением температуры смотки связывают со снижением  степени превращения вюстита (FeO) в магнетит (Fe3O4), а также с уменьшением опасности появления гематита (Fe2O3) по кромкам полосы. При этом предполагается, что удаление окалины происходит путем растворения вюститной фазы вдоль  границы раздела сталь-окалина и подвода кислоты к границе металла. При взаимодействии кислоты с железом образуется водород, который способствует отслоению окалины. При высокой температуре смотки на границе раздела фаз окалина-сталь вюстит отсутствует, т.е. основным механизмом удаления окалины является на отслоение гематита и магнетита, а их растворение.

С целью выяснения механизма влияния температуры смотки на продолжительность травления изучали фазовый состав окалины. Образцы железной окалины были отобраны от головной, средней и хвостовой частей полос, температура смотки которых составляла 580-600, 640-680 и 700-730 0С. Изучение окалины проводили комплексными методами. На начальных этапах использовали химические методы селективного изолирования фаз. Общий состав оксидных фаз изолировали методом галогенирования в атмосфере сухого газообразного хлора при температуре 3500С. После удаления хлора путем вымораживания смесь оксидов и хлоридов нагревали до температуры возгонки. После возгонки FeCl2 оксидные фазы переводили в раствор путем сплавления с персульфатом калия и количественный анализ по составляющим элементам вели химическим и атомно-абсорбционными методами на спектрофотометре.

Таблица 1 – Фазовый состав железной окалины при различной температуре смотки полос

Температура смотки, 0С

Фазовые составляющие *,  %

SiO2

Al2O3

Fe3O4

FeO

Fe2O3

Fe (метал.)

580-600

1,29

2,31

1,51

0,69

0,71

0,93

52,62

47,13

52,65

0,73

1,23

45,40

49,12

43,63

640-680

1,56

2,49

1,83

1,31

1,14

1,17

63,96

53,04

53,53

7,21

11,36

33,17

36,12

32,11

700-730

2,30

1,85

1,60

1,02

1,02

1,00

61,88

47,17

33,05

8,26

43,14

45,95

10,58

8,31

16,07

17,31

18,40

* -  Верхнее, среднее и нижнее значения содержания фаз в каждом диапазоне температур соответствуют головной, средней и хвостовой частям полосы при горячей прокатке

Результаты исследований показывают, что количество оксидов кремния, алюминия и магния существенно не изменяются в окалине, полученной при различных температурах смотки.

Дополнительно для определения оксидных фаз железа в окалине использовали метод ядерной гамма-резонансной спектроскопии (ЯГР). Спектры снимали с образцов окалины без дополнительных физико-химических обработок. Было установлено, что характер кривых спектров, снятых с образцов окалины, полученной при низкой и высокой  температурах смотки, в основном аналогичен. Основной фазой в окалине на металле головной части полосы при низкой температуре смотки является гематит. При высокой температуре смотки в окалине головной части полосы также основной фазой является гематит с небольшой примесью вюстита и гематита (последний, очевидно, появляется за счет дополнительного окалинообразования при охлаждении рулонов с повышенной температурой). Окалина средней части полосы при низкой температуре смотки характеризуется преимущественно магнетитной фазой. Для хвостовых частей полос при низкой и высокой температурах смотки соотношение фаз магнетита и вюстита в окалине колеблется от 1:1 до 1:0,7. Общее количество оксидных фаз в окалине при увеличении температуры смотки с 580-620 до 700-7300С возрастает в среднем в 1,5 раза. Наибольшее количество железа в окалине (43-49%) приходится на полосу с температурой смотки 580-6200С. С увеличением температуры смотки до 700-7300С количество металлического железа в окалине снижается до 16-18%. Количественное соотношение оксидных фаз и металлического железа в окалине, взятой с краев полосы при низкой и высокой температурах смотки, такое же, что и в средней части полосы.

Основной фазой в металлической окалине стали 08Ю может быть не только магнетит, но и вюстит, как при низкой так и при высокой температуре смотки. Гематит в окалине присутствует лишь при высокой температуре смотки. С понижением температуры  смотки общее количество труднорастворимых оксидов (гематита и магнетита) изменяется незначительно, а количество легкорастворимой закиси железа (вюстит) уменьшается. Следовательно, изменение содержания оксидных фаз и их соотношения не могут объяснить увеличение скорости травления металла с понижением температуры смотки. Фактором, объясняющим повышение интенсивности травления металла, является содержание металлического железа, которое увеличивается обратно пропорционально температуре смотки полосы.

Некоторые дефекты металла, связанные с окалиной (фото, описание и как бороться):

Плюс к этому Краткий отчет исследования выкатываемости окалины (Трансформация дефекта «Окалина»)

А также важно понимать для чего необходим ингибитор травления.

В завершение короткое прикольное видео Непрерывно-травильный агрегат для удаления окалины:

Рекомендуем ознакомиться со статьями:

  1. Окалина железа на горячекатаной полосе металла
  2. Механизм образования железной окалины на поверхности стали
  3. Травление металла
  4. Влияние температуры и условий охлаждения на формирование железной окалины
  5. Окалина, дефекты травления металла и зачем нужен ингибитор

3 comments

  1. Александр:

    Хорошо написали про окалину. И в конце инфо про дефекты с окалиной есть. Ваще здорово. А Вы можете еще о дефектах с окалиной рассказать? О всех :) )) Ролик — нормуль! )

    [Ответить]

  2. Роман:

    Хороший пост. Сколько дефектов металла из-за окалины!

    [Ответить]

  3. Вилли:

    Отличный материал!

    [Ответить]

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*