(宝钢股份中央研究院(武钢有限技术中心)，湖北 武汉 420107)

钢坯在加热炉内会产生氧化铁皮，既损坏钢材的组织，又增加了氧化层的去除处理工序，在很大程度上降低了刚拆生产过程的金属收得率。国内热轧加热炉中钢坯的氧化烧损率大致在1%～1.5%，严重的可达3%，而国外轧钢加热炉的氧化烧损率一般都控制在0.5%左右。为降低钢坯在炉内的氧化烧损，国内外许多专家学者对钢坯氧化的影响因素如加热制度、炉内气氛以及钢的种类进行了详细的研究，提出了许多针对性的意见。

但由于炉内气氛的复杂性、不稳定性，以及气氛对钢坯的氧化的影响与钢坯自身成分和加热制度密切相关，要使研究能够有效地结合实际指导生产，有必要对现有技术和成果进行归纳总结，并明确今后的研究思路。本文将从纯氧、CO2、SO2、H2O以及多组分几种不同氧化性气氛入手，归纳总结国内外研究现状和成果，并对今后工作开展提出建议和展望。

1 不同氧化气氛下钢坯氧化行为研究现状

1.1 O2

钢坯在高温加热的条件下，即使O2的浓度很低，也会导致钢坯发生氧化，因此O2对钢坯的氧化起着非常重要的作用。高温下，氧气与铁反应生成FeO、Fe3O4和Fe2O3，且反应不可逆，因此只有尽可能减少炉气中的氧含量，才能减小钢坯氧化烧损现象。

国外关于氧气气氛下钢坯氧化行为的研究较早，其中H.Abuluwefa[1]研究了低碳钢在氧氮混合气体中的氧化行为，当氧浓度在1% ～15% ，温度在1 000～1 250 ℃，且氧化层厚度低于0.4～0.5 mm时，钢坯的氧化厚度遵循线性规律；当氧化层厚度超过这一范围时，钢坯的氧化厚度遵循抛物线规律。氧化速率由混合气中氧气浓度决定，氧浓度越高，线性氧化速率常数越高，并且线性速率常数对混合气中氧浓度的敏感性大于对氧化温度的敏感性。纯铁和碳钢在氧气气氛中的高温氧化实验表明[2-3]，在一定的氧气压力范围内，氧分压只影响钢的氧化初期阶段，而对后期稳定氧化阶段影响不大。在一定温度和氧化气体浓度下，存在临界供氧速率，当供气速度低于该临界供氧速率，氧化速率随气速的降低而降低，当供气速度在临界供气速率以上，则钢的氧化速度与供气速度无关。

李硕[4]5在纯氧气氛下，针对U71Mn钢进行了氧化实验，试验温度分别为800、900、1 000、1 100、1 200 ℃。结果显示重轨钢氧化速率随着氧化温度的升高而逐渐加剧，特别是当温度达到1 000 ℃以上，氧化皮明显加厚，同时拟合了纯氧气气氛下重轨钢氧化曲线方程。

赵丹、谷聪敏[5]针对08AI板高温氧化烧损过程进性模拟研究，结果显示：氧化烧损随着O2体积分数的降低而明显减少，氧体积分数小于0.1%时钢坯的氧化烧损要比氧体积分数为4%时降低70%以上；而保持氧体积分数4%不变，加热温度由1 250 ℃降低至1 200 ℃，08AI钢的氧化烧损降低12%左右，因此，降低氧气体积分数比降低加热温度更有利于降低氧化烧损。

1.2 CO2

CO2在高温下会对钢坯起氧化作用，生成FeO、Fe3O4和CO，尽管这一反应在CO浓度足够高时是可逆的，能够抑制钢坯氧化，但实际工况下CO浓度很低，因此CO2对钢坯的氧化作用不容忽视。

Abuluwefa[6]等人研究了低硅钢和低碳钢在H2O-N2-CO2混合气氛中，800～1 150 ℃的氧化行为，钢坯在混合气氛中总的氧化速率与二氧化碳在混合气氛中的分压比成比例增长，也就是氧化性气氛的多少对氧化速率起决定性作用。F.Goutier[7]等人对304L不锈钢在纯CO2气氛下的氧化行为进行了试验研究。试验所有气体在压力为105 Pa，试验温度为1 193～1 293 K工况下，钢坯氧化速率初始阶段增长迅速，随后转为抛物线规律。 Piyorose Promdirek[8]等研究了AISI 441铁素体不锈钢在纯二氧化碳气氛下的氧化动力学，以了解其氧化机理。结果表明，在低温(800～900 ℃)工况下，反应动力学行为呈线性，在高温(925～1 000 ℃)工况下先呈线性后呈抛物线性。氧化铁皮主要由富含 Cr2O3的氧化物组成，顶部为MnCr2O4和分散的TiO2。

李硕[4]6在纯CO2气氛下，针对U71Mn钢分别进行了800～1 300 ℃不同温度条件下的氧化实验。U71Mn钢在纯CO2气氛下的氧化随着加热温度的升高而逐渐加剧，尤其当温度达到1 000 ℃以上，氧化皮厚度显著增加。

1.3 SO2

如果钢坯表面氧化层中存在FeS，会降低氧化皮与基体的黏附性，进而导致氧化皮和基体的分离，而在高温条件下，上述现象将导致金属的过度氧化，而当温度降低后，FeS对基体又具有很强的黏附性，影响除鳞率，进而影响钢铁产品质量，因此研究SO2气氛中钢坯的氧化行为十分必要，但目前国内对钢坯在高温下SO2气氛腐蚀的研究较少，国外的研究相对较多且时间较早。

Jolanta[9]研究了800 ℃下，SO2分压分别为0.03 Pa和1Pa时出铁的氧化腐蚀现象，发现短程的晶界扩散是氧化过程的主要扩散途径，SO2通过氧化皮中不连续的微孔不断向内扩散。Young[10]等研究了1 000 ℃，SO2-CO2-CO-N2混合气氛中的金属的氧化行为，证明了FeS 的存在，且其富集物的生长遵循抛物线定律。G.McAdam[11]等研究了800 ℃下，SO2-CO2-CO-N2混合气氛中的纯铁及铁锰合金(锰的质量百分比分别为2%、15%、25%和50%)的氧化行为。不同气氛下纯铁的腐蚀产物均为FeO和FeS， 锰的加入并没有大大改变鳞片的形态。 在氧化和硫化的反应条件下，需要很高水平的锰来降低腐蚀速率。

徐海卫[12]等研究低碳钢在1200℃时，SO2浓度分别为0、100、200、500和1 000 mg/m3的SO2-CO2-O2-N2混合气氛中的氧化行为。结果表明，当混合气氛中SO2浓度高于 200 mg/m3时，基体抗高温腐蚀性能明显降低。当SO2浓度高于500 mg /m3时，在氧化层和基体的界面处开始生成较为完整的FeS层。在实验的 SO2浓度范围内，外层氧化层的Fe2O3层和Fe3O4，FeO混合层的结构几乎保持不变。因此，通过有效控制气氛中SO2含量，可以有效控制FeS在界面处的偏聚，从而减少低碳钢的高温硫化腐蚀，降低后期氧化皮去除难度，提高产品的表面质量。

1.4 水蒸气

关于水蒸气对钢材的氧化烧损研究,多以燃煤电站锅炉、核电站等长期服役在高温高压水或水蒸气环境中钢材为研究对象, 但对普通钢坯加热炉内水蒸气的氧化形为研究较少。

Rexy.Che和W.Y.D.Yue[13]对两种低碳钢在水蒸气和氮气混合气氛中的氧化行为进行实验研究，其中水蒸气的体积分数为17 %，加热温度为900 ℃。结果表明，两种低碳钢的氧化除在初期有所不同外，都是先遵循直线规律，而后遵循抛物线规律。Yisheng R.Chen[14]等研究了水蒸气气氛下60Si2MnA弹簧钢在700～1 000 ℃的氧化行为。当钢在17%H2O-N2气氛中时，在所有温度下都会形成很薄的鳞片(6 m) ，鳞片组织仅含有雾状铁素体，并且当含氧气氛中存在水蒸气时，钢的氧化程度随含水量的增加而加剧。

翟雪怡、王志武[15]等对通过实验研究了20 g钢分别在600,800 ℃高温条件下的氧化行为，其氧化动力学曲线近似于三条斜率不同的直线，氧化初期的氧化速率较大，随后趋于平缓，随着温度的升高氧化速率变大；氧化膜的氧化物为Fe3O4，呈针状及片状。石振斌[16]等也得到相似结论，分别在600和800 ℃温度条件下对T91钢水蒸气氧化进行试验研究，结果显示，600 ℃时T91钢的氧化遵循抛物线规律；800 ℃时遵循双直线规律。耿波[17]等通过实验研究了水蒸气温度和流量对T91钢氧化行为的影响。研究结果表明：T91钢在水蒸气中的氧化过程先遵循线性规律，且氧化速度较快；再进入抛物线及线性氧化阶段，且氧化速度较慢。初始线性氧化阶段的氧化速率随水蒸气温度的升高而增大，但水蒸气流量对初始氧化速率影响很小；并且最大单位面积增重值随着水蒸气流量增加而呈线性增长，温度越高增速越快。

李硕[4]10在水蒸气气氛下，在780、900、950、1 180 ℃等不同温度条件下对U71Mn钢分别进行了氧化实验，研究发现，当温度达到800 ℃以上时，重轨钢氧化，并且温度越高，氧化越剧烈。东北大学周丽[18]等研究了高速钢在水蒸气中的氧化行为。试验温度分别设定为500、575、650、725、800 ℃，保温2小时，高速钢在500～575 ℃氧化速率很低，在650～725 ℃逐渐升高，在725 ℃以下时氧化增重明显，到达800 ℃时，则增重缓慢，并且在水蒸气气氛下温度对钢坯氧化的影响非常大。

此外，还有大量关于不锈钢及各种合金材料的在水蒸气气氛下的高温氧化行为的研究，与上述文献研究结果的相似之处在于：受研究手段的限制，氧化温度多集中在500～800 ℃，而加热炉内的最高温度可达1 300 ℃以上，根据相关研究结果，温度升高时水蒸气对钢坯的氧化作用会更加显著，因此关于高温状态下水蒸气对钢坯的氧化行为仍需深入研究。

1.5 多组分

除了上述针对单一氧化性气氛对钢坯氧化烧损影响研究外，国内外学者对钢坯在不同组合的混合多组分气氛下的氧化行为进行了大量研究。

D.B.Lee[19]等人分别对高强钢、烘烤硬化钢和低碳钢分别在空气和 85%N2-10%CO2-5%O2混合气两种气氛下的氧化过程进行了试验研究，对比分析不同温度、不同钢种在两种气氛下的氧化规律，其中氧化温度区间为1 100～1 250 ℃，保温时间从30 min～2 h不等。研究发现：钢坯的初始氧化遵循线性规律，随后逐渐过渡为抛物线规律。在相同气氛中三种钢种的氧化规律和氧化速率相似，这是由于三种钢种的合金成分相差不大所致，此外，由于空气中的氧化速率要明显高于混合气氛，这是由于空气中自由氧的浓度更高引起的。

此外，关于钢和铁在混合气氛中的氧化研究较多，大部分研究是在 CO2-CO-N2、H2O-O2-N2和 CO2-H2O-O2-N2等混合气体中进行的，在这些研究中，重点均放在氧化动力学和反应机理[20-23]。

国内的研究主要通过设定不同的空气系数[24-28]，计算相应的燃烧产物，以此为依据进行配气模拟加热炉内气氛，混合气氛主要为CO2-H2O-O2-N2，再对钢坯的氧化进行模拟或实验研究，得出炉气与炉温对钢坯的影响规律，并在此基础上得到合理的空气系数调整范围和燃烧制度。

2 展 望

综上所述，目前关于单一组分对钢坯氧化规律影响的研究仍较少，多在混合组分下通过改变其中某一氧化性组分的浓度或分压来确定该组分对钢坯氧化的影响，且大多停留在利用可控气氛炉上进行的定性试验研究，且研究的重点均放在氧化动力学和反应机理方面，少有根据加热炉内气氛的精准模拟定量研究。由于轧钢生产过程中，钢坯炉内加热的氧化烧损不可避免，还应结合实际，综合考虑钢种的成分、加热制度，炉气各氧化气氛的含量波动范围等因素，精准模拟加热炉的生产状况，通过对不同典型钢种在不同气氛下氧化行为的研究，建立钢坯氧化烧损与炉内气氛的定量关系。相关研究成果对降低钢坯炉内氧化烧损，指导现场生产工艺调整更具有实际意义。

3 结 语

(1)目前研究报道中关于单一组分对钢坯氧化规律影响的研究较少，尤其关于CO2、SO2气氛对钢坯氧化烧损的研究，多是在混合气氛下进行，通过调整CO2或SO2的分压或浓度来研究钢坯的氧化行为，并未得出单一CO2或SO2组分与钢坯氧化的定量关系。已有关于炉内气氛对钢坯氧化过程影响的研究大多停留在利用可控气氛炉上进行的定性试验，相关研究的重点均放在氧化动力学和反应机理，少有对加热炉内气氛的精准模拟的定量实验研究。

(2)高温状态下，关于水蒸气对钢坯氧化烧损的影响研究较少，已有的研究表明：温度升高时水蒸气对钢坯的氧化作用更加显著，由于加热炉内炉温在1 200 ℃以上，因此研究高温状态下水蒸气对钢坯氧化行为的影响对控制钢坯在加热炉内氧化烧损意义重大。

(3)在轧钢生产过程中，钢坯在炉内的氧化烧损不可避免，应结合实际，综合考虑钢种的成分、加热制度，炉气各氧化气氛的含量波动范围等因素，精准模拟加热炉的生产状况，通过对不同典型钢种在不同气氛下氧化行为的研究，建立钢坯氧化烧损与炉内气氛的定量关系，相关研究成果对有效降低钢坯炉内氧化烧损，指导现场生产工艺调整更具有实际意义。