專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)定熱軋氧化鐵皮及其中氧化物相面密度的方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)定熱軋氧化鐵皮面密度的方法和用途，具體地說(shuō)， 是用于測(cè)定帶鋼、盤(pán)條等熱軋鋼鐵產(chǎn)品單位面積的表面所含氧化鐵皮的質(zhì) 量數(shù)，即面密度，而且根據(jù)面密度數(shù)值和已知體積密度還可以計(jì)算較大面 積范圍內(nèi)氧化鐵皮平均厚度。
背錄技術(shù)
熱軋鋼鐵產(chǎn)品如帶鋼，其表面在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)生成軋制狀態(tài)的氧化鐵 皮，這種氧化鐵皮的生長(zhǎng)機(jī)理不同于自然狀態(tài)生長(zhǎng)的氧化鐵皮。一般，自 然狀態(tài)生長(zhǎng)的氧化鐵皮孔隙率很髙，氧原子擴(kuò)散充分，生長(zhǎng)快，皮層厚； 熱軋狀態(tài)的氧化鐵皮，由于高溫時(shí)，其韌塑性好，經(jīng)軋制后，皮層薄而致 密，外界的氧原子擴(kuò)散困難。
通過(guò)專(zhuān)利及其他文獻(xiàn)檢索，還沒(méi)有涉及有關(guān)測(cè)定熱軋氧化鐵皮面密度 的內(nèi)容， 一些文獻(xiàn)對(duì)熱軋帶鋼表面氧化鐵皮的厚度進(jìn)行描述，其測(cè)定氧化 鐵皮厚度的方法一般是使用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡，這就涉及氧化鐵皮制 樣問(wèn)題，由于制樣造成的測(cè)量誤差有時(shí)很大，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)，這尚 有爭(zhēng)議。另外，厚度的測(cè)量?jī)H是針對(duì)有限數(shù)量的點(diǎn)，其范圍很小，由于熱 軋條件下的氧化鐵皮與鋼基體界面比較粗糙，一般Ral.3 2.5，且不均勻， 因此，熱軋氧化鐵皮的厚度測(cè)量值代表性較差，只能算是半定量測(cè)量，而 測(cè)定熱軋氧化鐵皮面密度，才是在較大面積范圍內(nèi)更準(zhǔn)確地表征鋼鐵產(chǎn)品 表面氧化鐵皮含量的方法。
《鋼鐵》第38巻第9期介紹奧鋼聯(lián)林茨鋼廠采用比重計(jì)方法確定酸 洗時(shí)間，耗時(shí)長(zhǎng)，而且酸洗時(shí)間不到20s時(shí)難以準(zhǔn)確確定，該法也無(wú)法提 供任何有關(guān)電化學(xué)反應(yīng)的信息?；谘趸牧想娢粶y(cè)量的酸洗終點(diǎn)判定方 法，結(jié)果準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，有助于了解酸洗過(guò)程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。但 該方法需要相應(yīng)的電位儀，而且，如果氧化鐵皮酸洗不均勻，仍然存在酸 洗終點(diǎn)難判斷的問(wèn)題。
測(cè)定鋼鐵產(chǎn)品表面鍍層金屬的單位表面質(zhì)量(面密度)的實(shí)驗(yàn)方法已 廣泛應(yīng)用，如GB/T 1839-2003鋼鐵產(chǎn)品鍍鋅層質(zhì)量試驗(yàn)方法，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 了鋼鐵產(chǎn)品單位面積上鍍鋅層質(zhì)量試驗(yàn)方法的原理、試驗(yàn)溶液、試樣、步
驟、結(jié)果計(jì)算等，這對(duì)本發(fā)明有一定的參考價(jià)值。但該方法測(cè)定的是鋼鐵 產(chǎn)品表面異類(lèi)金屬鍍鋅層的質(zhì)量，其溶解終點(diǎn)比較容易控制。而氧化鐵皮 是鋼鐵產(chǎn)品表面同類(lèi)金屬的復(fù)雜氧化物，酸洗終點(diǎn)較難判斷。此外，測(cè)定 熱軋氧化鐵皮面密度主要還存在以下問(wèn)題
1、 有關(guān)熱軋氧化鐵皮定量分析的參考文獻(xiàn)很少，對(duì)中國(guó)、美國(guó)、日本、 英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、瑞士七國(guó)專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)和歐洲、世界兩組織專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù) 及維普期刊數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)表文獻(xiàn)檢索，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有關(guān)測(cè)定熱軋氧化鐵皮面密 度方法的文獻(xiàn)介紹。
2、 酸洗法是去除氧化鐵皮的有效方法，鋼基體與表面氧化鐵皮中都含 有鐵元素，如何準(zhǔn)確判斷酸洗終點(diǎn)是關(guān)鍵?；谘趸牧想娢粶y(cè)量的酸洗 終點(diǎn)判定方法需要相應(yīng)的電位儀，而且，如果氧化鐵皮酸洗不均勻，仍然 存在酸洗終點(diǎn)難判斷的問(wèn)題。
3、 熱軋氧化鐵皮在快速冷卻和緩慢冷卻條件下，其微觀結(jié)構(gòu)、物相組
成、性能差別m大，特別是緩慢冷卻條件下的氧化鐵皮，其粘附性好，一 定條件下，酸洗不均勻，準(zhǔn)確判斷酸洗終點(diǎn)困難。酸洗溫度太高、太低， 氧化鐵皮酸洗反應(yīng)速度太快、.太慢，也無(wú)法準(zhǔn)確判斷酸洗終點(diǎn)，這需要優(yōu) 選恰當(dāng)?shù)乃嵯礈囟取?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為熱軋、酸洗工藝的科研、生產(chǎn)提供了一套完整的 測(cè)定氧化鐵皮面密度的方法，而且根據(jù)面密度數(shù)值和已知體積密度還可以 計(jì)算較大面積范圍內(nèi)氧化鐵皮平均厚度。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)測(cè)定熱軋氧化鐵皮及其中氧化物相 面密度的方法，包括以下步驟
取樣熱軋板快速冷卻后，用線(xiàn)切割方式取小的試樣；
酸洗酸洗液為160 200g/L濃度的HCL，酸洗溫度為30~40"C ,當(dāng)氧 化鐵皮以片層狀剝離方式快速溶解，層狀剝離、洗凈時(shí)為酸洗終點(diǎn)，停止 酸洗；
稱(chēng)量及計(jì)算用稱(chēng)重法，測(cè)定試樣酸洗前后的質(zhì)量，質(zhì)量差即為所溶 解的氧化鐵皮的質(zhì)量數(shù)值，根據(jù)表面待測(cè)定的熱軋氧化鐵皮面積，計(jì)算氧 化鐵皮的面密度數(shù)值。
氧化鐵皮酸洗達(dá)到酸洗終點(diǎn)后，立即將含F(xiàn)^+、 Fe"的酸液倒入大小適 合的容器中封閉，避免F^+的進(jìn)一步氧化。用測(cè)定酸液鐵離子含量的分析 法，定量測(cè)定試驗(yàn)后的酸液中所含F(xiàn)e2+、 Fe"的摩爾數(shù)，計(jì)算所溶解的氧 化鐵皮中"化學(xué)意義"的FeO、 Fe203的摩爾數(shù)，從而不僅可以計(jì)算出溶解 的氧化鐵皮質(zhì)量數(shù)值，而且可以提供"化學(xué)意義"的FeO、 Fe203組分比例， 可以定量計(jì)算熱軋后快速冷卻狀態(tài)下，熱軋氧化鐵皮的真正物理晶體學(xué)意 義上的各氧化物相的含量及其面密度數(shù)值。
根據(jù)所測(cè)定的面密度數(shù)值Pa和已知的體枳密度Pv，可以計(jì)算取樣面積 范圍內(nèi)的氧化鐵皮的平均厚度d。
本發(fā)明的有益效果是定義了 "化學(xué)意義"的FeO、 Fe203這一概念， 以區(qū)別于真正物理晶體學(xué)意義上的FeO、 Fe304、 Fe203物相概念，把lmol 的Fe304看作是lmol的FeO和lmol的Fe203在化學(xué)意義上的混合。解決 了如何判斷氧化鐵皮酸洗終點(diǎn)的問(wèn)題。
本發(fā)明通過(guò)測(cè)定氧化鐵皮面密度數(shù)值，可以定量計(jì)算熱軋后快速冷卻 狀態(tài)下，熱軋氧化鐵皮中各氧化物物相的面密度數(shù)值，而且可以根據(jù)面密 度數(shù)值和已知體積密度計(jì)算較大面積范圍內(nèi)氧化鐵皮平均厚度值。
熱軋氧化鐵皮面密度數(shù)值表征了熱軋鋼鐵產(chǎn)品表面氧化鐵皮的質(zhì)量控 制水平，不僅對(duì)熱軋生產(chǎn)提供重要的反饋信息，而且對(duì)氧化鐵皮去除工藝， 特別是應(yīng)用廣泛的酸洗生產(chǎn)工藝的控制，有重要的參考價(jià)值。


圖1所示為快速冷卻條件下，氧化鐵皮形成2層結(jié)構(gòu)的截面形貌。 圖2所示為正常緩慢冷卻條件下，氧化鐵皮形成具有相析出特征的交 織結(jié)構(gòu)截面形貌。
圖3所示為HCL酸液溫度對(duì)某SPHC帶鋼表面軋氧化鐵皮酸洗時(shí)間的影 響趨勢(shì)的比較。
具體實(shí)施例方式
1、取樣方式的選擇依據(jù)和優(yōu)選
理論上，正常的熱軋氧化鐵皮主要由FeO、 Fe304、 Fe203三種氧化物相 組成，F(xiàn)e304含量較高，F(xiàn)e203含量次之，F(xiàn)eO較少。
大量試驗(yàn)研究表明，在快速冷卻和正常緩慢冷卻工藝條件下，氧化鐵 皮形成2種截面形貌，如圖1、圖2所示，分別是2層結(jié)構(gòu)(快速冷卻)、 相析出的交織結(jié)構(gòu)(正常緩慢冷卻)。EBSD分析進(jìn)一步從晶體學(xué)角度表明， 2層結(jié)構(gòu)(快速冷卻)的氧化鐵皮主要由外層Fe304、內(nèi)層FeO組成，極少 量的Fez03分布在Fe304層內(nèi)和最外表面，且Fe203的含量與Fe304相比可 以忽略。
由于快冷和慢冷的熱軋氧化鐵皮具有明顯不同的結(jié)構(gòu)，其酸洗機(jī)理也
不同。前者是片層狀剝離式快速溶解，氧化鐵皮與基體的粘附性差，在較
低酸溫下，F(xiàn)e304難溶，而.FeO易溶；后者是彌散溶解，氧化鐵皮與基體 的粘附性好，在較低酸溫下，氧化鐵皮的酸洗溶解不均勻，準(zhǔn)確判斷酸洗 終點(diǎn)困難。
大量試驗(yàn)還表明，從約700"C高溫冷卻.至室溫過(guò)程中，無(wú)論快冷，還是 在低氧分壓環(huán)境下、緩慢冷卻，熱軋氧化鐵皮的增厚甚微，特別是巻曲狀 態(tài)的帶鋼氧化鐵皮，由于外層氧化鐵皮致密，外界的氧原子向內(nèi)部擴(kuò)散更 加困難，氧化鐵皮的增厚幾乎停止。因此，在工程學(xué)意義上，熱軋氧化鐵 皮在慢冷和快冷條件下，其質(zhì)量數(shù)值可以認(rèn)為是等價(jià)的。
根據(jù)上述分析，選擇快速冷卻的取樣方式，對(duì)熱軋氧化鐵皮進(jìn)行酸洗 試驗(yàn)，酸洗以片層狀剝離式快速溶解，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷酸洗終點(diǎn)，且判 斷酸洗終點(diǎn)不需要電位儀輔助識(shí)別，從而使試驗(yàn)的操作、控制比較容易掌 握。及時(shí)取出試樣進(jìn)行漂洗、烘干，可以忽略酸液對(duì)基體的溶解。以熱軋 帶鋼為例，在巻曲后30~60分鐘內(nèi)，對(duì)鋼巻尾部取樣，都能獲得具有2層 結(jié)構(gòu)、酸洗時(shí)以片層狀剝離式快速溶解的熱軋氧化鐵皮，和實(shí)際鋼巻正常 緩慢冷卻方式相比較，2種冷卻條件下熱軋氧化鐵皮質(zhì)量數(shù)值是等效的， 但取樣方式的不同所產(chǎn)生的試驗(yàn)控制效果則截然不同。
特別需要說(shuō)明，快冷熱軋氧化鐵皮不能用剪板方法取樣，應(yīng)用線(xiàn)切割 方式取小的試樣，因?yàn)?，這種狀態(tài)的氧化鐵皮脆性大，邊部氧化鐵皮容易 造成破碎或剝落，影響后續(xù)酸洗的均勻性及測(cè)定的準(zhǔn)確性。
2、 酸洗溫度的優(yōu)選
酸洗溫度是影響熱軋氧化鐵皮的酸洗溶解過(guò)程的重要因素之一。圖3 比較了 HCL酸液溫度對(duì)某SPHC帶鋼表面軋氧化鐵皮酸洗時(shí)間的影響趨勢(shì)。 從圖中可以看出，提高酸液溫度，軋氧化鐵皮酸洗時(shí)間急劇減少，對(duì)酸洗 試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，酸洗終點(diǎn)很難控制；酸液溫度較低時(shí)，酸液滲透慢，軋氧化鐵 皮酸洗時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)酸洗試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，酸洗終點(diǎn)也很難把握。
試驗(yàn)表明，160 200g/L濃度的HCL酸液，優(yōu)選酸液溫度在30 40"C時(shí)， 對(duì)快速冷卻取樣的熱軋氧化鐵皮進(jìn)行酸洗試驗(yàn)，容易實(shí)現(xiàn)酸洗終點(diǎn)的準(zhǔn)確 控制，這就進(jìn)一步解決了如何判斷氧化鐵皮酸洗終點(diǎn)的問(wèn)題。
3、 解決帶鋼上、下表面氧化鐵皮酸洗時(shí)間不同步的問(wèn)題 對(duì)熱軋帶鋼來(lái)說(shuō)，有時(shí)還存在上、下表面載化鐵皮酸洗時(shí)間不同步的
問(wèn)題，通過(guò)遮蔽法，如使用耐酸漆、油性涂料等，將不霈要酸洗的表面和 截面遮蔽處理。
4、 稱(chēng)重法測(cè)定氧化鐵皮的質(zhì)量數(shù)值及面密度
制取表面面積已知的試樣，用稱(chēng)重法，測(cè)定試樣酸洗前后的質(zhì)量，試 樣酸洗前后的質(zhì)量差即為所溶解的氧化鐵皮的質(zhì)量數(shù)值，根據(jù)酸洗表面的 面積，計(jì)算氧化鐵皮的面密度pA。
5、 計(jì)算氧化鐵皮中各氧化物相的面密度
如前所述，區(qū)別于物理晶體學(xué)意義上的FeO、 Fe304、 Fe203物相概念， 把1 mol的Fe304看作是1 mol的FeO和1 mol的Fe203在化學(xué)意義上的混合。
氧化鐵皮酸洗達(dá)到酸洗終點(diǎn)后，立即將含F(xiàn)e"、 F^+的酸液倒入大小適 合的容器中封閉，避免F^+的進(jìn)一步氧化。用測(cè)定酸液鐵離子含量的分析 法，定量測(cè)定試驗(yàn)后的酸液中的Fe2+、 F^+的摩爾數(shù)，計(jì)箅所溶解的氧化 鐵皮中"化學(xué)意義上"的FeO、 Fe203的摩爾數(shù)，從而不僅可以計(jì)算出溶解 的氧化鐵皮質(zhì)量數(shù)值，而且可以計(jì)算出化學(xué)意義上的FeO、Fe203組分比例， 可以定量計(jì)算熱軋后快速冷卻狀態(tài)下，熱軋氧化鐵皮中FeO、 Fe304、 Fe203 物相的實(shí)際含量，其中Fe203物相含量極少，可以忽略或者算作Fes04物 相的組分，進(jìn)一步可以計(jì)算該狀態(tài)下的熱軋氧化鐵皮中FeO、 Fe304的面密
度pAFeO、 PAFe304數(shù)值o
6、 計(jì)算出取樣面積范圍內(nèi)的氧化鐵皮的平均厚度
根據(jù)所測(cè)定的面密度數(shù)值Pa和己知的體枳密度pv，可以計(jì)算出取樣面 積范圍內(nèi)的氧化鐵皮的平均厚度d。
下面結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明
試樣為快速冷卻的熱軋帶鋼，非酸洗表面用油性涂料遮蔽處理，尺寸
為一般為30mmX20mmX S (厚度)，表面待測(cè)定的熱軋氧化鐵皮面積(單 面)為A;試樣淸潔、干燥后，測(cè)定試樣酸洗前的質(zhì)量M, (g)。
180g/L濃度的HCL酸液，優(yōu)選酸液溫度為35士1"，酸洗總時(shí)間5(T60s， 氧化鐵皮以片層狀剝離方式快速溶解，層狀剝離、洗凈的時(shí)間僅約10s， 酸洗終點(diǎn)容易控制，酸洗終點(diǎn)時(shí)，快速停止酸洗，將試樣漂洗、清潔、干 燥后，測(cè)定試樣酸洗后的質(zhì)量M2 (g)。
計(jì)算所溶解的氧化鐵皮的質(zhì)量數(shù)值M、面密度pA為
pA= M /A = (M'，M2) /A
分析法測(cè)定試驗(yàn)后酸液中的Fe2+、 Fe"的摩爾數(shù)為NFe2+、 NFe3+ 氧化鐵皮酸洗溶解化學(xué)反應(yīng)式如下
Fe304 (Fe203+FeO) +8HCL-2FeCL3+FeCL2+4H20 (1)FeO+2HCL=FeCL2+H20 (2) Fe304、 Fe203、 FeO的摩爾質(zhì)量分別為232g/mol、 160g/mol、 72g/mol, 根據(jù)上述化學(xué)反應(yīng)式(1)、 (2),可以計(jì)算
所溶解的氧化鐵皮中，化學(xué)意義上的FeO、 Fe203組分摩爾比是 NKe2+: 0.5xNFe3+
用上述稱(chēng)重法可以測(cè)定所溶解的氧化鐵皮質(zhì)量M (化學(xué)意義上的FeO、 Fe203),也可以根據(jù)Fe2+、 Fe3+的摩爾數(shù)NFe2+、 >^3+計(jì)算如下
M =72g/molxNFe2++160g/molx0.5xNFe3+ =72NFC2++80NFe3+ 所溶解的氧化鐵皮中，實(shí)際所含F(xiàn)e304、 FeO的質(zhì)量分別是
MFe304= 232g/molx0.5xNFe3+=116NFc3+
MFe0=72g/molx (NFe2+-0.5xNFe3+) =72NFe2+-36NFe3+
氧化鐵皮及氧化鐵皮中的FeO、 Fe304的面密度數(shù)值分別為
pA=M/A= (M廣M2) /A (失重稱(chēng)重法)
pA=M/A= (M廣M2) /A=72NFe2++80NFe3+ (鐵離子測(cè)定法)
pAFeO= MFe0/A; pAFe304= MFc304/A
熱軋氧化鐵皮的體積密度pv已知條件下，計(jì)算氧化鐵皮的平均厚度
d=pA/pv
權(quán)利要求
1、一種測(cè)定熱軋氧化鐵皮面密度的方法，其特征是包括以下步驟取樣熱軋板快速冷卻后，用線(xiàn)切割方式取小的試樣；酸洗酸洗液為160～200g/L濃度的HCL，酸洗溫度為30～40℃，當(dāng)氧化鐵皮以片層狀剝離方式快速溶解，層狀剝離、洗凈時(shí)為酸洗終點(diǎn)，停止酸洗；稱(chēng)量及計(jì)算用稱(chēng)重法，測(cè)定試樣酸洗前后的質(zhì)量，質(zhì)量差即為所溶解的氧化鐵皮的質(zhì)量數(shù)值，根據(jù)表面待測(cè)定的熱軋氧化鐵皮面積，按下式計(jì)算氧化鐵皮的面密度數(shù)值，ρA＝(M1-M2)/A，其中ρA為氧化鐵皮的面密度數(shù)值，M1為試樣酸洗前的質(zhì)量，M2為試樣酸洗后的質(zhì)量，A為表面待測(cè)定的熱軋氧化鐵皮面積。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定熱軋氧化鐵皮面密度的方法，其特征是氧化鐵皮酸洗達(dá)到酸洗終點(diǎn)后，立即將含F(xiàn)e2+、 Fe"的酸液倒入大小適合 的容器中封閉，用測(cè)定酸液鐵離子含量的分析法，定量測(cè)定試驗(yàn)后的酸液 中所含F(xiàn)e2+、 Fe"的摩爾數(shù)，進(jìn)而得到Fe304、 FeO的質(zhì)量，按下式計(jì)算 Fe304、 FeO的面密度數(shù)值，pAFe304= MFe304/A， pAFeo= MFe0/A其中pAFe304 為Fe304的面密度數(shù)值，Mpe304為Fe304的質(zhì)量，pAfe0為FeO的面密度數(shù) 值，Mpeo為FeO的質(zhì)量，A為表面待測(cè)定的熱軋氧化鐵皮面積。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定熱軋氧化鐵皮面密度的方法，其特征是通過(guò)遮蔽法，使用耐酸漆或油性涂料，將不需要酸洗的表面和截面遮蔽處 理。
4、 權(quán)利要求1所述的測(cè)定熱軋氧化鐵皮面密度的方法用于測(cè)定氧化鐵皮的平均厚度的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)定熱軋氧化鐵皮面密度的方法和用途，主要用于解決光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡測(cè)量氧化鐵皮厚度存在較大誤差的技術(shù)問(wèn)題。測(cè)定熱軋氧化鐵皮及其中氧化物相面密度的方法，包括以下步驟取樣熱軋板快速冷卻后，用線(xiàn)切割方式取小的試樣；酸洗酸洗液為160～200g/L濃度的HCl，酸洗溫度為30～40℃，當(dāng)氧化鐵皮以片層狀剝離方式快速溶解，層狀剝離、洗凈時(shí)為酸洗終點(diǎn)，停止酸洗；稱(chēng)量及計(jì)算用稱(chēng)重法，測(cè)定試樣酸洗前后的質(zhì)量，質(zhì)量差即為所溶解的氧化鐵皮的質(zhì)量數(shù)值，根據(jù)表面待測(cè)定的熱軋氧化鐵皮面積，計(jì)算氧化鐵皮的面密度數(shù)值。根據(jù)氧化鐵皮的面密度數(shù)值可用于得到熱軋氧化鐵皮的平均厚度。
文檔編號(hào)G01N9/00GK101201309SQ20061014726
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者周桂海, 王銀軍, 董漢君 申請(qǐng)人:上海梅山鋼鐵股份有限公司