提高軸承鋼加熱產(chǎn)量的工藝控制實(shí)踐

供稿|劉艷華, 趙德忠, 李卯華, 王曉武/LIU Yan-hua, ZHAO De-zhong, LI Mao-hua, WANG Xiao-wu

本鋼特鋼廠的主要產(chǎn)品是碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼、不銹鋼等品種。2006年，本鋼特鋼廠兩臺(tái)步進(jìn)加熱爐進(jìn)行改造，改造后其碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)量為120 t(單爐)，能夠滿足軋制能力的需要。近幾年以來，軸承鋼的生產(chǎn)逐漸以連鑄坯工藝為主，且產(chǎn)量逐漸增加，到2012年，軸承鋼的月產(chǎn)量達(dá)到2.8萬(wàn)t，占本鋼特鋼廠月總產(chǎn)量的30%左右。受軸承鋼鋼種特性、工藝特性、加熱爐能力等綜合因素的影響，隨著軸承鋼產(chǎn)量的逐漸增加，其原有加熱能力(單爐50～55 t/h)和軋制能力(200 t/h)的不能滿足生產(chǎn)需要，已經(jīng)影響到整個(gè)軋線的能力發(fā)揮。為此，加熱車間在保證質(zhì)量的前提下，對(duì)最大限度地提高加熱小時(shí)出鋼量做了有益的嘗試和試驗(yàn)，并取得明顯效果，有利的保證了產(chǎn)量的要求。

軸承鋼鋼種生產(chǎn)工藝流程

150 t轉(zhuǎn)爐(45 t電爐)→LF精煉爐→RH(VD)真空處理→連鑄矩形坯(中方坯)→步進(jìn)式加熱爐→初軋機(jī)→24架連軋→包裝、稱重、標(biāo)識(shí)→檢查、檢驗(yàn)、上交。

軸承鋼鋼種的標(biāo)準(zhǔn)成分和質(zhì)量特性

參照GB/T18254-2002中軸承鋼，其中代表鋼種GCr15(SiMn)，其標(biāo)準(zhǔn)成分見表1。

表2 軸承鋼連鑄坯兩種原料類型

軸承鋼質(zhì)量特性和加熱特點(diǎn)

以軸承鋼為原料制作的成品零件要在拉伸、壓縮、變形剪切、交變等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和高應(yīng)力值下長(zhǎng)時(shí)間的高速工作。而碳化物液析屬于三角晶系碳化物，硬度極高，它的存在會(huì)使軸承零件熱處理時(shí)產(chǎn)生淬火裂紋；使用過程中處于表面層的液析碳化物容易剝落而成為磨損源，顯著降低軸承零件的耐磨性；處于內(nèi)部的液析、帶狀碳化物和脆性?shī)A雜物一樣同是疲勞裂紋源、顯著降低軸承零件的疲勞壽命[1]。而在加熱工序，由于軸承鋼為高碳含鉻鋼，碳含量0.95%～1.05%，鉻含量1.40%～1.65%，由于導(dǎo)熱性差，冷卻過程中偏析嚴(yán)重，并有較大的殘余應(yīng)力。因此應(yīng)注意入爐溫度即預(yù)熱期(溫度應(yīng)力期500～600 ℃)緩慢加熱，防止穿孔開裂(故稱為響裂或炸裂)缺陷[2]出現(xiàn)。在加熱期和均熱期，為了使碳化物完全溶解，達(dá)到組織均勻化，一般要求將鋼坯加熱到較高溫度(1170～1190 ℃)，使產(chǎn)品避免碳化物帶狀分布。由于在加熱過程中，元素鉻在鋼中的擴(kuò)散速度很慢，從而使組織均勻化所需的時(shí)間比碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼長(zhǎng)很多，此外，鉻元素使鋼的導(dǎo)熱性能下降。

軸承鋼生產(chǎn)不僅對(duì)液析、脫碳、帶狀、顯微組織指標(biāo)要求嚴(yán)格，對(duì)加熱工序有較高要求。前期要防止穿孔，后期又要保證高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間，防止液析缺陷。正是由于軸承鋼的加熱工藝溫度制度的特點(diǎn)，決定了軸承鋼在加熱工藝中的長(zhǎng)時(shí)間性，從而影響了加熱爐的產(chǎn)量。因此，在加熱工序中，解決了軸承鋼的穿孔和液析問題，一定程度上就緩解了軸承鋼的加熱產(chǎn)量偏低的弊端。

提高軸承鋼產(chǎn)量的改進(jìn)措施

坯料出爐速度，即加熱爐產(chǎn)量，同坯料的加熱時(shí)間和裝爐量有關(guān)，是決定加熱爐產(chǎn)量的決定性因素，而加熱爐的裝爐量取決于坯料端面尺寸、坯料長(zhǎng)度、加熱爐長(zhǎng)度、和裝爐坯間距等因素。

通過提高加熱溫度，縮短高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間，減少加熱時(shí)間

加熱溫度的高低，直接影響碳化物的溶解速度，采用合理的加熱制度是必要的。溫度過低時(shí)，不利于碳化物的溶解和液析缺陷的消除[3]，提高加熱段和均熱段的溫度20～30 ℃，利于碳化物液析缺陷的消除，達(dá)到減少高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間的目的，通過多次試驗(yàn)不同的加熱溫度、擴(kuò)散時(shí)間和液析檢驗(yàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而使小時(shí)出鋼速度分別提高2支/h或以上，達(dá)到了提高產(chǎn)量的目的。改進(jìn)前后參數(shù)見表3。

表3 加熱爐溫度制度同擴(kuò)散時(shí)間、出爐速度對(duì)比

事實(shí)上，加熱溫度的提高，是有限度的，但不能盲目追求提高溫度，一定要充分考慮溫度的提高對(duì)鋼材脫碳層、顯微孔隙和過熱、過燒的影響。

提高加熱爐的裝爐量

加熱爐的連續(xù)生產(chǎn)中，在加熱時(shí)間一定的情況下，提高裝鋼重量的辦法，也是提高產(chǎn)量的一個(gè)途徑之一。在步進(jìn)梁式加熱爐中，影響裝爐量的因素有坯間距、坯料斷面尺寸、長(zhǎng)度坯料、合同結(jié)構(gòu)、合同安排等有關(guān)。

合理改變坯間距，提高加熱爐的裝鋼重量是提高產(chǎn)量的另一個(gè)途徑。

按加熱爐設(shè)計(jì)主要技術(shù)性能及設(shè)備參數(shù)，見表4，給出的坯間距為150 mm，加熱爐的有效長(zhǎng)度為29700 mm，因而對(duì)于生產(chǎn)的兩種連鑄坯而言(見表2)，最大裝爐量分別為96支和71支，對(duì)應(yīng)裝鋼重量分別為通過調(diào)整坯間距能夠獲得的裝鋼重量和小時(shí)出鋼量，可知，坯間距越小，裝鋼支數(shù)、重量越大，對(duì)應(yīng)的小時(shí)產(chǎn)量也越大，見表5。

表4 加熱爐設(shè)計(jì)主要技術(shù)性能及設(shè)備參數(shù)

表5 坯間距對(duì)應(yīng)裝爐重量、小時(shí)產(chǎn)量對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)于坯間距的調(diào)整，一定要綜合平衡加熱坯料的透燒性，加熱能力、步進(jìn)梁式加熱爐的承載能力，裝鋼、出鋼等條件綜合評(píng)定。

縮短加熱時(shí)間，防止穿孔

穿孔是冷裝鋼坯在加熱升溫過程中，造成的熱應(yīng)力、冷卻應(yīng)力和內(nèi)部的殘余應(yīng)力相疊加，在晶間結(jié)合力最薄弱的地方產(chǎn)生穿孔缺陷。所以軸承鋼的特性是在低溫階段導(dǎo)熱性差，幾乎沒有塑性，硬而脆。連鑄坯冷卻過程中，鑄坯含碳量高，如果冷卻速度和斷面越大，冷卻應(yīng)力就越大，缺陷產(chǎn)生的幾率也就越大。如何減少鋼錠內(nèi)部應(yīng)力是提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵[4]。軸承鋼坯采用熱送熱裝工藝，可以避免組織應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加產(chǎn)生裂紋和穿孔缺陷。采用熱送熱裝工藝是鋼坯在高溫條件下即進(jìn)入了加熱爐加熱，減少了低溫升溫速度的限制，增加了高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間，有利于液析的控制[5]。生產(chǎn)實(shí)踐證明， 軸承鋼的熱送熱裝工藝由于大幅度減少加熱時(shí)間，從而極大的提高加熱爐的小時(shí)產(chǎn)量。

分析改進(jìn)和實(shí)際效果

(1) 矩坯軸承鋼從工藝質(zhì)量和生產(chǎn)角度優(yōu)先執(zhí)行組織熱裝，或保溫或帶溫入爐，提高預(yù)熱期的加熱速度提高產(chǎn)量；

(2) 矩坯軸承鋼入爐前單爐100支左右鋼坯的計(jì)劃應(yīng)為矩坯，按整號(hào)(或4的倍數(shù)的支數(shù))排產(chǎn)，優(yōu)先排產(chǎn)產(chǎn)材速度較慢的(如短尺材、初軋材、定尺材或需要多次調(diào)尺)，這樣來合理減慢軋制節(jié)奏，減少對(duì)軋鋼產(chǎn)量的影響；

(3) 軸承鋼入爐前單爐100支避免小號(hào)集中排產(chǎn)裝爐，盡可能的將同鋼種、同坯型、同組別、同尺寸的坯料一起排產(chǎn)；

(4) 通過對(duì)軸承鋼加熱溫度、合理的爐內(nèi)裝鋼量及熱裝入爐等合適的工藝措施，以及合理的生產(chǎn)安排、合同結(jié)構(gòu)，既保證了質(zhì)量的要求，同時(shí)也穩(wěn)步提升產(chǎn)量要求，適應(yīng)了軋線軸承鋼產(chǎn)量的提升需要。

結(jié) 論

(1) 通過適當(dāng)提高加熱溫度，可以減少高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間，從而提高加熱爐軸承鋼產(chǎn)量；

(2) 合理改變坯間距，提高加熱爐的裝鋼重量，也是提高加熱爐軸承鋼小時(shí)產(chǎn)量的途徑；

(3) 熱裝工藝的推行，由于能在預(yù)熱期提高加熱速度，將極大的提高加熱爐軸承鋼小時(shí)產(chǎn)量；

(4) 生產(chǎn)安排 、合同組距、合同結(jié)構(gòu)的合理性對(duì)加熱爐的產(chǎn)量也會(huì)有較大的影響。

[1] 董國(guó)強(qiáng). GCr15鋼碳化物液析與加熱工藝關(guān)系的研究. 河北冶金,2007, (4):9

[2] 曲克. 軋鋼工藝學(xué). 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1991: 20

[3] 劉艷華, 趙德忠. 軸承鋼碳化物液析缺陷的控制工藝探討. 金屬世界, 2012, (1): 49

[4] 曹季林, 毛志剛, 趙向政. 大型鋼錠軋板開裂和穿孔缺陷分析及澆注工藝優(yōu)化. 特殊鋼, 2013, 34(4): 36

[5] 王 剛, 張小華, 許正周. 降低軸承鋼液析級(jí)別的技術(shù)措施. 江蘇冶金, 2008, 36(4): 8