随着钢铁产业的发展，热轧产品的表面质量问题受到越来越广泛的关注，常见的热轧产品表面质量缺陷包括：氧化铁皮不易去除、氧化物压入、表面红锈、带状“麻点”及“麻面”等问题［1-4］。针对这些缺陷，众多学者从不同的角度进行研究。陈连生［5］等人发现钢坯在加热炉中长时间、高氧气氛加热过程中形成的初生氧化铁皮较厚，并呈多层结构，与板坯本体有较强的界面结合力，高压除鳞水很难彻底将其清除，从而在随后的轧制过程中压入带钢表面，形成各种缺陷；另有研究表明［6］，高压水除鳞后钢坯表面残留的铁皮不仅会从根本上影响成品的表面质量，造成表面缺陷、增加后续酸洗和机械去除氧化铁皮的难度，还会直接影响后续的轧制过程，例如会影响轧机咬入、加剧轧辊表面质量的恶化等。

目前很多学者专注于对成品热轧钢材的表面氧化铁皮和缺陷等进行研究，但对于除鳞后、进入轧机前的钢坯表面氧化铁皮形貌，及其与基体钢坯的结合形态、厚度、相组成、钢基脱碳情况等，却很少涉及。本文以热轧厚板为原料，对原料进行加热及高压水除鳞，对除鳞后的钢坯表面形貌进行了研究，以便找出钢板表面残余氧化铁皮形貌、钢坯表面脱碳等随加热工艺的演变规律。

6.中药防治。发生仔猪流行性腹泻或传染性胃肠炎，可用中药治疗：党参、白术、茯苓各50 g，煨木香、藿香、炮姜、炙甘草各30 g。取汁加入白糖200 g，拌少量饲料喂服。或添加具有止泻功效的中草药饲料添加剂于哺乳母猪和仔猪日粮中，可有效防止仔猪拉稀，提高仔猪成活率和断奶窝重。

1 实验方法

实验选用厚度为80 mm的Q235热轧厚钢板为原料，采用普通的室状炉将钢板加热到不同温度，保温不同时间后，利用温度为23℃、压力为4.5 MPa的冷却水冲洗钢板表面氧化铁皮，然后空冷至室温。利用JSM-6480LV扫描电镜观察试样表面和断面的氧化铁皮形貌，利用X’pert-Powder型X射线衍射仪分析试样表面氧化铁皮组成，利用饱和苦味酸溶液+洗涤剂腐蚀除鳞后的钢板试样，利用ZEISS光学显微镜观察基体钢坯的金相组织，利用JJ224BC型电子天平测量试样氧化烧损。试验用钢板的化学成分：w（C）=0.15%，w（Si）=0.1%，w（Mn）=0.75%，w（P）≤0.018%，w（S）≤0.010%。

2 结果与分析

2.1 钢坯表面氧化铁皮形貌

图1给出了1 000～1 200 ℃加热30～90 min的钢坯经高压水除鳞后的表面形貌。钢坯经高温加热再除鳞后，大部分氧化铁皮被高压水打掉，但仍有少部分氧化铁皮残留在钢坯表面。特别是在加热温度较低时，氧化铁皮厚度较薄，与基体钢坯的附着力较强，残留较多。加热温度较高，加热时间较长时，氧化铁皮厚度增加，与基体之间的附着力减弱，容易被高压水冲掉。

同时，该发动机在运转一段时间后，还伴随有排气歧管烧红的故障现象。车主反映车辆以前没有发现异常，在近期进行了发动机的保养作业后才出现。对于常规的保养作业如何会导致发动机出现性能严重变差的故障这个问题，笔者初期也非常不解，如果单独对前述的数据流进行分析，得到的结论可能是空气流量传感器严重偏离特性，由于进气量信号过大，导致电脑控制的喷油时间过长，导致混合汽过浓，致使发动机燃烧速率放缓，发动机功率下降。

  

图1 经过不同温度和时间加热高压水除鳞后钢坯的表面形貌Fig.1 Surface morphology of steel billets heated at different temperatures and for different holding times after high pressure water descaling

此外，由图1还可观察到，随着钢坯加热温度的提高和时间的延长，晶粒间空洞数量减少、尺寸缩小，这是因为钢被氧化后形成氧化铁皮体积膨胀，氧化铁皮晶粒的生长占据了钢坯表面，但经过高压水除鳞后，残留氧化铁皮局部出现了较为明显的裂隙，见图1h，这可能是由于氧化铁皮应力得到释放，超过氧化铁皮晶粒间结合屈服强度，导致出现了裂纹。

  

图2 氧化铁皮平均晶粒直径与加热温度、保温时间的关系Fig.2 The relationship of average grain diameter of iron oxide layer with heating temperature and holding time

图2给出了用截线法随机测量的高压水除鳞后氧化铁皮晶粒尺寸随加热温度和保温时间的变化规律。由图2曲线可知，当加热温度为1 000℃时，钢坯残留氧化铁皮晶粒度尺寸随保温时间的延长增长较为缓慢，保温90 min后，氧化铁皮晶粒尺寸增长了12 μm；但在1 200℃条件下保温相同的时长后，晶粒尺寸增长了63 μm，可见钢坯的加热温度越高，其表面残留氧化铁皮的晶粒度随保温时间延长而增大的速率越快。

2.2 氧化铁皮物相组成

The resistance values Roff and Ron correspond to w = 0 and to w = wmax respectively.

  

图3 钢坯除鳞后表面残留氧化铁皮X射线衍射分析结果Fig.3 Results of X ray diffraction analysis of surface residual oxide layer after billet descaling

2.3 氧化铁皮断面形貌

图7为实验钢的氧化烧损量曲线。由图可知，在1 000℃加热30 min后，钢坯的平均氧化烧损较低，为247.5 g/m2，随着保温时间的延长，钢坯的氧化量显著增大，当保温时间延长到90 min后，平均氧化烧损量增大到3 202.5 g/m2；而在1 100℃加热30 min后，平均氧化烧损已经达到了577.6 g/m2，说明加热温度的提高能够增大钢坯的氧化烧损量。当加热温度提高到1 200℃时，钢坯在氧化90 min后，平均氧化烧损达到10 013.8 g/m2。

  

图4 经过不同温度和时间加热高压水除鳞后钢坯的断面形貌Fig.4 Morphology of cross section of the steel billets heated at different temperatures and for different holding times after high pressure water descaling

在CD阶段，釜内甲烷气体在高压和低温环境的双重作用不断成核、生长为水合物，釜内压力快速下降。并且在CD段不同体系的温度曲线均出现3～4个拐点，说明此阶段均出现了3～4次较快规模的水合物生成，反应过程中积聚的放热量使釜内温度出现了短暂的升高。随着反应的进行，釜内的实验曲线不断接近相平衡曲线，说明此时釜内的甲烷水合反应已经完成，反应体系为甲烷气-水-水合物三相状态。

如图5所示，在钢基氧化层产生的氧化物尺寸大小不均，靠近氧化铁皮的氧化物尺寸较大而密集，最大在6.4 μm左右，沿基体方向氧化物尺寸逐渐减小，直径最小在0.9 μm左右，并逐渐呈零星分布，直至基体内部完全消失。

本文提出了HRsg 色彩空间下的模糊粒子滤波算法。新的色彩空间和模糊隶属度的引入能够使得算法更好地区分视频中背景和被识别目标，特别是针对夜间视频素材，识别和目标和背景区分度不高，进而提高目标识别的可靠性和准确性。仿真对比试验验证了本文提出算法在夜间视频目标识别的有效性和可靠性。

  

图5 经过1 100℃加热5 h高压水除鳞后钢板的断面形貌Fig.5 Section morphology of the steel billets heated at 1 100 C for 5 h after high pressure water descaling

  

图6 经过不同温度和时间加热高压水除鳞后钢坯的断面组织Fig.6 Section microstructure of steel billets heated at different temperatures and for different holding times after high pressure water descaling

2.4 钢基体的晶粒度及表面脱碳

图6为钢坯经过不同温度和时间加热再高压水除鳞后的断面组织。如图6a所示，在1 000℃加热30 min除鳞后，钢坯基体晶粒细小，表层未出现脱碳层；如图6b所示，当保温时间提高60 min以上，钢坯基体表层晶粒铁素体含量大大降低，出现了明显的脱碳层；如图6c所示，1 000℃保温90 min除鳞后钢坯基体的全脱碳层厚度在71.4 μm左右。由图6g可看出，钢坯在1 200℃加热30 min后，晶粒尺寸显著增大，基体表层已经出现了明显的脱碳层；如图6i所示，在1 200℃加热90 min后，全脱碳层厚度在240 μm左右。可以得出脱碳层厚度和晶粒尺寸会随着加热温度的提高和保温时间的延长显著提高。

图3给出钢坯除鳞后表面残留氧化铁皮X射线衍射分析结果。如图3a所示，在1 000℃下加热30 min的钢坯经高压水除鳞后，表面残留氧化皮的物相组成为Fe3O4和单质Fe，此时残留铁皮中仍有部分铁原子，说明温度较低、氧化时间较短时，钢基体表面的氧化铁皮较薄；当温度达到1 200℃，加热90 min后再经高压水除去表面氧化铁皮后，表面的物相组成为Fe3O4和Fe2O3，说明此时钢坯表面已经被完全氧化成铁的高价氧化物，氧化反应进行得比较充分，钢基体表面的氧化铁皮层比较厚。氧化铁皮的形成过程是氧和铁两种元素的扩散过程，氧由表面向铁的内部扩散，外层氧的浓度大，内层氧的浓度小，内层铁皮氧化不完全，生成铁的低价氧化物；而加热温度的提高和保温时间的延长会加剧外层铁皮氧化，生成更多疏松多孔的氧化物，为氧气进入内部提供更多通道，同时由于高温会迅速提升氧的扩散速率，故在1 200℃加热90 mim出炉后的钢坯表面被完全氧化成铁的氧化物。

在加热过程中，CO2和O2会通过表面疏松的氧化铁皮进入到钢坯基体表层，与渗碳体中的碳元素结合，造成钢坯机体表层的脱碳情况。在加热温度较低、保温时间较短时，钢坯经冷却水除鳞后，基体表层残留未完全氧化的铁皮，铁皮较为致密，有效阻止了脱碳气氛进入到钢坯内部；随着加热温度的提高和保温时间的延长，钢坯基体表层残留铁皮被完全氧化和由于晶粒过分长大造成的裂纹，使脱碳气体顺利进入到基体，加剧了脱碳，从而形成厚度较大的脱碳层。

 

钢在加热过程中的脱碳机制如下：

通过扫描电镜观察，可发现钢坯表面氧化铁皮呈现晶状结构，随着加热温度的提高和保温时间的延长，氧化铁皮的晶粒度显著增大。如图1a所示，1 000℃保温30 min后的钢坯表面经高压水冲洗后，残留氧化铁皮晶粒较为细小，直径约为0.67～6 μm，只在局部位置发现少量未冲掉的直径约为10～23 μm的氧化铁皮。在相同温度下，随着保温时间的延长，钢坯表面残留氧化铁皮晶粒尺寸显著长大，最小直径在3 μm左右，最大可达到26 μm，见图1c。

资料表明，脱碳将使其机械性能下降、硬度降低、耐磨性差和疲劳强度降低等，工件表面脱碳之后极易引起淬火裂缝、扭曲，并能使工件的抵抗性及耐疲劳极限降低，脱碳层缺陷在随后的轧制过程中可能遗传给成品带钢，脱碳层在轧制过程中只是厚度逐道次减薄，并不能完全消除［7］。因此在钢坯加热过程中，应尽量避免产生脱碳情况的发生。

2.5 钢的氧化烧损情况

图4为钢坯经过不同温度和时间加热高压水除鳞后的断面形貌。由图4a可知，钢坯经1 000℃加热30 min后，再利用高压水冲洗钢板表面氧化铁皮，钢基体与表面氧化铁皮层界面清晰，表面氧化铁皮层厚度均匀且较薄，颜色发亮，但局部凹陷处残留厚度不均的氧化铁皮。说明加热温度较低时，钢坯表面残留的氧化铁皮层较薄，氧化铁皮与钢基体之间的附着力较强，不易去除，氧化物中含有部分铁原子，这与表面形貌及XRD分析结果是一致的。由图4e可知，当温度达到1 100℃，保温60 min后，在钢基体表层氧化物厚度增加，氧化铁皮内部出现气孔，局部出现裂纹，说明氧化铁皮结构比较松散。当温度增加到1 200℃，保温30～90 min后，氧化铁皮层厚度进一步增加，同时，钢基体与氧化铁皮层界面参差不齐，特别是在晶界露头处已经发生氧化。这说明当加热温度较高时，氧进一步扩散进入晶界，使钢基体表层金属发生氧化，导致表层晶粒间彼此结合力大为降低，塑性变坏，这可能导致压力加工过程中的表层发裂或龟裂，这种现象如果持续时间较长时，可能发生钢的整体过热或过烧。

  

图7 钢坯氧化烧损量曲线Fig.7 Curves of steel billet oxidation loss

这说明加热温度越高，平均氧化烧损随保温时间延长而增大的速率越高。有资料表明［8］，钢坯加热温度高、保温时间长不仅会造成严重的氧化烧损、降低成材率，还会使炉底积渣严重，缩短炉子运行周期造成大量的能源（主要为燃料）浪费；长期承受高温热负荷的加热炉高温区内衬耐火材料剥落严重、寿命缩短，不仅增大了维检费用，而且降低炉子作业率。

3 结论

（1）钢坯经过高压水除鳞后，表面残留一定厚度的氧化铁皮，其晶粒度受钢坯加热温度和保温时间影响，1 000℃保温30 min后的钢坯表面经高压水冲洗后，残留氧化铁皮晶粒较为细小，直径约为6 μm以下，1 200℃保温90 min后，晶粒度增长到80 μm以上。

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（2）高温加热使钢坯基体晶粒急剧长大，表面层出现脱碳、晶界氧化等现象，脱碳层深度随着加热温度的提高和保温时间的延长而增加，在1 200℃加热90 min后，全脱碳层厚度高达240 μm，造成轧后钢板表面缺陷。

（3）加热过程中，钢坯的平均烧损量随加热温度增加及保温时间延长显著增加，钢坯在1000℃加热30 min后，平均氧化烧损仅为247.5 g/m2；在1 200℃加热90min后，平均氧化烧损达到10 013.8 g/m2，大大降低了成材率；因此为减少氧化烧损和能源浪费，同时增加加热炉使用寿命，应综合考虑，在合理区间降低钢坯加热温度，缩短加热时间。

参考文献：

［1］崔二宝，杨要兵，尹玉京，等.热轧带钢表面氧化铁皮压入缺陷预防与控制［J］.轧钢，2015，32（3）:73-76.

［2］于洋，王畅，郭子峰，等.热轧酸洗板表面斑状色差产生机理及控制措施［J］.轧钢，2015，32（2）:22-24.

［3］方圆，孙超凡，周旬，等.镀锡基板表面线状缺陷及其工艺控制策略［J］.轧钢，2016，33（3）:20-23.

［4］韩斌，刘振宇，杨奕，等.轧制过程表面氧化层控制技术的研发应用［J］.轧钢，2016，33（3）:49-52.

［5］陈连生，卢玮，宋进英，等.钢板表面氧化铁皮缺陷形貌及产生原因分析［J］.钢铁钒钛，2013，34（1）:32-35.

［6］蔡乔方.加热炉［M］.北京:冶金工业出版社，2012:25-29.

［7］井玉安，胡希达，臧晓明，等.热轧带钢还原冷轧后的表面及横截面形貌［J］.机械工程材料，2014（12）:60-64.

［8］温亚成，罗宝军，杨安林，等.降低板坯加热温度及其综合效果分析［J］.钢铁，2000，18（6）:26-28.