彈簧鋼脫碳優(yōu)化控制實踐

供稿|張艷軍，譚貝，毛赟 / ZHANG Yan-jun, TAN Bei, MAO Yun

內(nèi)容導(dǎo)讀

脫碳層的厚度是評價彈簧鋼性能的一個重要指標。中天特鋼第六軋鋼廠雙蓄熱高爐煤氣加熱爐受燒嘴形式所限，在爐內(nèi)很難獲得均勻可控的爐內(nèi)氣氛，同時受限于粗軋機的生產(chǎn)能力無法采用低溫加熱工藝來抑制彈簧鋼表面脫碳。文章在分析彈簧鋼產(chǎn)生脫碳的原理的基礎(chǔ)上，通過確定更優(yōu)的加熱溫度、調(diào)整加熱爐的相關(guān)參數(shù)、控制加熱時間等手段控制彈簧鋼在加熱過程中脫碳層的產(chǎn)生，并取得了較為理想的效果。

脫碳的影響因素

鋼中含碳量和加熱爐爐氣之間的碳勢差是加熱過程中鋼表面產(chǎn)生脫碳的根本動力。當(dāng)雙方之間的碳勢差越大時，鋼在加熱過程中的脫碳傾向越大；碳勢差越小脫碳傾向越小。而加熱時間是決定加熱過程中鋼表面產(chǎn)生的脫碳層厚度的另一關(guān)鍵因素。

爐氣氛圍對脫碳的影響

加熱爐內(nèi)不同的氣體對鋼的脫碳影響是不同的。工業(yè)加熱爐內(nèi)主要的氣體有CO、CO2、O2、N2、H2、CH4、H2O等，其中脫碳能力最強的介質(zhì)是H2O，其次是CO2與O2；而CO和CH4則會抑制鋼的脫碳。圖1所示為60Si2MnA表面脫碳隨爐氣內(nèi)CO含量變化的情況，實驗加熱溫度為1100℃，加熱時間為60 min。

加熱溫度對脫碳的影響

圖2 為60Si2MnA中碳勢、爐氣碳勢(CO質(zhì)量分數(shù)為96.77%)和兩者碳勢差在不同加熱溫度下的變化。圖3為60Si2MnA在CO質(zhì)量分數(shù)為96.77%的爐氣內(nèi)加熱60 min，不同加熱溫度下的脫碳層厚度。

從圖中可以看出：隨著溫度的升高，爐氣的碳活度不斷降低，但降低速率不斷減??；60Si2MnA中的碳活度也呈逐漸降低的態(tài)勢，降低速率以1150℃為界先減小后增大；碳勢差以1150℃為界先增大后減小。

實際生產(chǎn)中往往采用低溫加熱來控制脫碳，但由于彈簧鋼質(zhì)地硬，變形困難，低溫軋制對粗軋機組的能力要求很高。中天特鋼第六軋鋼廠受限于粗軋機組的能力，在大規(guī)模生產(chǎn)中很難將加熱溫度降低到1080℃以下。因此，本文介紹了高溫隨爐加熱實驗，將加熱爐高溫段加熱溫度控制在1220~1250℃，驗證高溫加熱對脫碳的影響。

彈簧鋼脫碳控制實踐

加熱爐相關(guān)控制參數(shù)的調(diào)整

由于加熱爐為步進式高爐煤氣雙蓄熱加熱爐，這種加熱爐受限于燒嘴的形式，爐內(nèi)的氣氛很難特別均勻，很容易形成局部氧化性氣氛或還原性氣氛。針對這種情況，首先在不改變煤氣、空氣壓力的情況下，將空氣閥門開度減小至60%~70%，拉長火焰。將換向周期從原來的90 s，縮短到了45 s。經(jīng)過調(diào)整后，爐內(nèi)氣氛的均勻度有了明顯好轉(zhuǎn)。

高溫防脫碳工藝驗證

鋼加熱溫度與脫碳層深度直接相關(guān)。當(dāng)加熱溫度在1220~1250℃時，加熱爐內(nèi)碳勢差相對處于較低水平，有利于脫碳控制。采用60Si2MnA彈簧鋼標樣隨爐加熱的方式，驗證高溫加熱工藝的有效性。由于實驗測得的標樣脫碳層厚度是相當(dāng)于坯料在加熱過程中產(chǎn)生的脫碳厚度。因此，需要將該厚度用公式折算成不同規(guī)格成品的脫碳層厚度。

◆ 鋼坯脫碳層厚度與成品脫碳層厚度的折算公式

假設(shè)鋼坯出爐時脫碳層厚度為H，成品脫碳厚度h，假設(shè)出爐后鋼坯的脫碳厚度不會再變化，依據(jù)體積不變定律，則兩者脫碳厚度關(guān)系如下：

式中，h為成品脫碳厚度；H為坯料脫碳厚度；R為成品半徑；B為坯料厚度；W為坯料寬度；L為坯料長度；l為成品長度。

兩者簡化，則

即在成品規(guī)格一定的條件下，成品脫碳厚度與坯料的寬度、厚度成反比，與坯料的脫碳厚度成正比。

◆ 實驗步驟

選用我廠生產(chǎn)的48圓60Si2MnA作為試驗材料，分別跟隨軸承鋼和20管鋼坯的加熱生產(chǎn)進行試樣的加熱實驗(加熱條件見表1)，并選取試樣橫截面的組織進行金相分析(圖4)，注意試樣焊接方向應(yīng)與鋼坯長度方向垂直，避免試樣檢測面正對加熱爐燒嘴。

◆ 實驗結(jié)果與分析

實驗表明，1220~1250℃高溫長時間加熱試樣a、b都沒有全脫碳，只存在部分脫碳層，可以驗證在1220~1250℃的加熱溫度下氧化性的加熱氣氛內(nèi)可以較好地控制彈簧鋼表面的脫碳層厚度。

優(yōu)化加熱時間

正常連續(xù)生產(chǎn)過程中，在保證生產(chǎn)節(jié)奏的前提下減小成品脫碳，可根據(jù)不同鋼種生產(chǎn)要求及其鋼種特性要求，采用適當(dāng)布爐方式來減少坯料的加熱時間，以分批進爐為例，驗證分批進爐對脫碳控制的效果。

表1 標樣加熱試樣加熱條件對比

◆ 實驗內(nèi)容

以生產(chǎn)55Cr3φ26 mm規(guī)格產(chǎn)品為例，采用分批入爐的方法，對當(dāng)天生產(chǎn)的55Cr3鋼坯進行入爐排布。55Cr3加熱工藝如表2所示。

均熱段和加熱一段為高溫加熱區(qū)域，在此溫度范圍內(nèi)脫碳最為嚴重[1]，生產(chǎn)時應(yīng)盡量減少鋼坯在此區(qū)間的加熱時間，特別是長時間停臺時，鋼坯不能停在均熱段和一加段，中天特鋼第六軋鋼廠步進式加熱爐四個加熱段長度如圖5所示。

其中均熱段總步數(shù)：21步；加熱Ⅱ段總步數(shù)：21步，這兩段為高溫加熱段。

由于55Cr3需要鋸切下線，生產(chǎn)效率低，導(dǎo)致爐內(nèi)鋼坯加熱時間長，使得脫碳層加深，根據(jù)計算，對于φ26 mm的成品，中天特鋼第六軋鋼廠大冷床容量為12支鋼坯，故本實驗決定采用12支鋼坯一組進行間隔布料。

表2 55Cr3加熱工藝

12支鋼坯鋸切下線所需用時約70 min，φ26 mm規(guī)格產(chǎn)品的出鋼節(jié)奏為105 s。所以，每批間的空步數(shù)應(yīng)為40步，小于高溫段的總步數(shù)42步，此時當(dāng)?shù)谝慌撆鬈埻旰?，第二批鋼坯已?jīng)進入高溫段，如果上一批鋼在鋸切過程中出現(xiàn)故障，此時下一批鋼將不好處理。而且經(jīng)過測算220 mm×260 mm斷面坯料在高溫段加熱45~50 min即可燒透。綜合考慮后確定兩批坯料之間空52步。當(dāng)上一批坯料軋完后，下一批坯料仍處于加熱Ⅰ段的中間部位，處于低溫區(qū)間。該批坯料步進時無需按照105 s的步進周期，可以視上一批的鋸切情況，靈活調(diào)整步進周期，將高溫段加熱時間控制在55~70 min之間。

◆ 實驗結(jié)果分析

對采用分批入爐的55Cr3取樣進行脫碳分析，并和常規(guī)入爐批次進行對比，結(jié)果如表3。

由表3可知，常規(guī)入爐的55Cr3由于等鋸切熱停時間長，部分批次加熱時間長，導(dǎo)致脫碳層深度超標，并且存在嚴重全脫碳層(圖6)。因此，采用分批入爐的批次，脫碳明顯改善。

表3 分批入爐55Cr3脫碳實驗結(jié)果

結(jié)束語

(1) 高溫加熱(1220~1250℃)能夠有效減少脫碳。雙蓄熱式加熱爐由于降溫困難，實際生產(chǎn)中如遇到故障停臺，可以采用此方法來控制脫碳；

(2) 不同規(guī)格的坯料加熱所需的時間與坯料的厚度成正比，而成品表面脫碳層厚度與坯料斷面積成反比；

(3) 實際生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)計劃和坯料、交貨期等因素的限制，部分脫碳敏感的鋼種需要長時間加熱，可以合理的改變?nèi)霠t方式，減少加熱時間，達到減少脫碳的目的。