彈簧鋼盤條脫碳質(zhì)量改善生產(chǎn)實(shí)踐

張小可,林仁敢,紀(jì)仁峰

(寶鋼特鋼長材有限公司,上海 200940)

近年來,汽車零部件領(lǐng)域?qū)椈僧a(chǎn)品質(zhì)量的要求日趨嚴(yán)格[1-2],尤其下游用戶逐步更換采用自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)之后。原材料表面質(zhì)量、脫碳性能以及組織合格率等指標(biāo)的不穩(wěn)定,將嚴(yán)重制約下游用戶的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。55SiCr彈簧鋼系列,用戶已由原來的熱卷簧逐步更新為冷卷簧生產(chǎn),原有線材脫碳質(zhì)量已不能滿足新工藝的質(zhì)量要求。

本文采用現(xiàn)場工藝試驗(yàn)、金相觀察和統(tǒng)計(jì)分析等方法,對寶鋼特鋼長材有限公司彈簧鋼工藝改進(jìn)前后盤條產(chǎn)品表面脫碳進(jìn)行了對比分析。結(jié)合鋼坯精整、鋼坯表面涂層以及降低鋼坯在爐時(shí)間等進(jìn)行研究,力求快速穩(wěn)定和提升產(chǎn)線產(chǎn)品表面脫碳質(zhì)量水平。

1 彈簧鋼盤條生產(chǎn)工藝及存在問題

寶鋼特鋼長材有限公司彈簧鋼盤條鋼種主要是55SiCr,生產(chǎn)工藝為:電爐+LF+VD→CC→初軋開坯→坯料精整→軋線盤條→檢驗(yàn)→包裝→合格出廠。主要化學(xué)成分見表1。

表1 55SiCr彈簧鋼成分控制

寶鋼特鋼長材有限公司彈簧鋼盤條原主要用于熱卷彈簧加工,對表面全脫碳0.02 mm以內(nèi)可以滿足使用要求,但冷卷彈簧加工對盤條表面全脫碳控制要求更高,不允許有表面全脫碳存在。

寶鋼特鋼長材有限公司彈簧鋼坯料全部采用兩火材,坯料通過剝皮后再進(jìn)行軋制,軋制溫度采用低溫。但是由于加熱爐設(shè)計(jì)等原因,鋼坯在爐時(shí)間比較長,造成軋制后盤條表面存在全脫碳情況,最嚴(yán)重可達(dá)到0.05 mm。2018年現(xiàn)場生產(chǎn)彈簧鋼線材成品全脫碳情況如圖1所示(每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表一個(gè)軋制批次,共65批次),典型全脫碳形貌如圖2所示(全脫碳0.025 mm,總脫碳0.082 mm)。

圖1 彈簧鋼線材全脫碳情況

圖2 工藝改進(jìn)前彈簧鋼盤條顯微組織

2 原因分析

55SiCr彈簧鋼中含有比較高的Si元素,Si元素的添加會(huì)加劇鋼基體在加熱過程中與爐氣中的CO2、O2、H2O等氧化性氣體發(fā)生化學(xué)作用,導(dǎo)致彈簧鋼表面發(fā)生嚴(yán)重的氧化脫碳[3]。而且,由于彈簧鋼碳含量高,在加熱過程中碳活度增大,會(huì)引起碳元素從鋼材的內(nèi)部向鋼材的表層進(jìn)行擴(kuò)散,表層的碳元素與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng),引起彈簧鋼的表面碳含量減少,產(chǎn)生脫碳,從而降低彈簧鋼的疲勞極限[4]。因此,彈簧鋼生產(chǎn)時(shí)應(yīng)避免加熱和冷卻過程中長時(shí)間在鐵素體和奧氏體兩相區(qū)及略高于Ac3的溫度范圍內(nèi)停留[5]。

橫向?qū)Ρ蠕摴軛l鋼事業(yè)部高線以及國內(nèi)其他同行的彈簧鋼生產(chǎn),在加熱條件相仿的情況下,其彈簧鋼鋼坯在爐極限時(shí)長要求在120 min以內(nèi),正常生產(chǎn)平均在爐時(shí)間約90～100 min,因產(chǎn)線故障等導(dǎo)致鋼坯在爐時(shí)長超出120 min時(shí)拉爐處理。由于加熱爐以及產(chǎn)線設(shè)計(jì)的局限性,寶鋼特鋼在生產(chǎn)彈簧鋼線材時(shí)平均加熱總時(shí)長達(dá)到193 min,鋼坯在高溫區(qū)長時(shí)間的停留導(dǎo)致成品脫碳質(zhì)量低于國內(nèi)同行業(yè)水平。

3 改善措施及效果

針對成品全脫碳的產(chǎn)生,一方面可考慮最大限度降低鋼坯在爐時(shí)間,避免過長的高溫區(qū)等待時(shí)間;另外,由于加熱過程鋼坯表層的碳元素與加熱爐內(nèi)的殘余氧氣發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生脫碳。目前,行業(yè)內(nèi)開始逐步采用的鋼坯表面涂覆技術(shù),即利用涂覆材料在一定時(shí)間吸收擴(kuò)散到其中的氧,達(dá)到鋼材本體不與氧接觸而被氧化的目的,抑制彈簧鋼表面的碳擴(kuò)散,也可達(dá)到防止或減輕脫碳的目的[6]。因此,在降低鋼坯在爐時(shí)間的基礎(chǔ)上,再利用鋼坯表面涂覆技術(shù),是目前寶鋼特鋼長材有限公司改善彈簧鋼線材脫碳質(zhì)量的有效途徑。

結(jié)合寶鋼特鋼長材有限公司彈簧鋼盤條在生產(chǎn)過程中存在的問題,2018年開始進(jìn)行一系列改善措施。首先通過加熱爐步進(jìn)梁及盤卷卸卷小車改造,采取提升加熱爐步進(jìn)梁及卸卷小車速度,來減少鋼坯在爐時(shí)間;第二是通過增加在線噴涂裝置,進(jìn)爐前進(jìn)行鋼坯表面涂覆,減少鋼坯與爐內(nèi)的氧化性氣體結(jié)合而發(fā)生化學(xué)作用。

3.1 減少在爐時(shí)間

鋼坯的不同在爐時(shí)間相應(yīng)成品的脫碳情況如圖3所示(φ12 mm,一個(gè)軋制批次,共70組數(shù)據(jù))。生產(chǎn)現(xiàn)場采用進(jìn)爐空步可將在爐時(shí)間壓縮至148 min左右,隨著軋制生產(chǎn)的開始,在爐時(shí)間逐步延長至205 min,平均總脫碳水平也由0.07 mm增加至0.09 mm。當(dāng)在爐時(shí)間超出180 min以后,全脫碳出現(xiàn)概率大大增加(最嚴(yán)重的達(dá)到0.03 mm)。因此,減少鋼坯在爐時(shí)間對控制成品脫碳具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

圖3 坯料在爐時(shí)間和成品脫碳情況

在提升加熱爐的運(yùn)行周期方面,優(yōu)化加熱爐控制程序,在液壓系統(tǒng)中增設(shè)蓄能系統(tǒng);優(yōu)化液壓系統(tǒng)控制參數(shù),調(diào)整1#步進(jìn)梁給定速度,控制液壓輸出流量盡可能使2段梁同時(shí)到位,為減少設(shè)備抖動(dòng),加熱爐步進(jìn)梁動(dòng)作周期由原先的56 s降低至目前的48 s,加快了8 s。

在盤卷卸卷小車運(yùn)行效率提升方面,由于卸卷小車原設(shè)計(jì)單薄,無法達(dá)到目前軋制要求。通過在閥臺(tái)側(cè)加裝蓄能器以補(bǔ)充流量,同時(shí)改進(jìn)步進(jìn)梁油缸的液控單向閥控制方式,消除步進(jìn)梁下降過程中的抖動(dòng),運(yùn)行周期由102 s優(yōu)化至95 s,加快了7 s。

通過盤條加熱爐步進(jìn)梁及盤卷卸卷小車的設(shè)備改進(jìn),彈簧鋼坯料在爐時(shí)間得到明顯改善,見圖4。從原先的平均在爐時(shí)間193 min,降低至目前的平均156 min,鋼坯平均在爐時(shí)間降低了37 min,有效降低了彈簧鋼因加熱時(shí)間長而導(dǎo)致的脫碳風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 總加熱時(shí)間改善情況

3.2 增加表面噴涂

目前,利用“坯料表面噴涂技術(shù)”改善鋼材表面脫碳水平是一項(xiàng)新技術(shù),國內(nèi)多家同行鋼廠均已新增相關(guān)設(shè)備,并取得良好效果。通過對同行鋼廠和供應(yīng)商的考察與調(diào)研,在鋼坯表面噴涂方面已經(jīng)具備成熟的技術(shù)和成功應(yīng)用的案例。通過增加1臺(tái)“在線坯料表面噴涂裝置”解決鋼坯表面處理問題,進(jìn)而改善盤條表面脫碳水平,滿足用戶的使用要求。

寶鋼特鋼目前采用防脫碳涂料主要成分為Al2O3、SiO2、Cr2O3、MgO以及CaO等物質(zhì)和水的混合溶劑,要求噸鋼噴涂量≥2.0 kg,噴涂設(shè)備壓力≥0.25 MPa。為保證涂層的黏附效果,噴涂前對鋼坯的表面質(zhì)量要求較高,即160 mm×160 mm坯料先全剝皮,再全身4個(gè)角部打磨實(shí)現(xiàn)圓滑過渡,R角25°左右,如圖5所示。通過在線噴涂裝置,鋼坯進(jìn)爐前進(jìn)行噴涂,涂層效果良好,具體如圖6所示。在線噴涂和未噴涂鋼坯間隔進(jìn)爐軋制,成品(φ12 mm)脫碳情況如表2所示,小批量試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,在相同在爐時(shí)間的情況下(180～190 min),增加鋼坯在線涂層對總脫碳和全脫碳質(zhì)量改善明顯。

表2 鋼坯涂層/未涂層軋制成品脫碳情況

4 結(jié)果分析

通過優(yōu)化控制彈簧鋼加熱時(shí)間,即保證加熱時(shí)間在180 min以內(nèi),同時(shí)增加鋼坯表面噴涂,成品脫碳改善效果顯著。改進(jìn)后不同規(guī)格的平均總脫碳厚度為產(chǎn)品直徑的0.5%,并且全脫碳均為0,滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求。穩(wěn)定生產(chǎn)和供貨后,用戶端使用無異常反饋,滿足使用要求。批量生產(chǎn)脫碳質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況如圖7所示(每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表一個(gè)軋制批次,共計(jì)80個(gè)批次,涉及生產(chǎn)量4 300 t),改善后的金相組織如圖8所示(全脫碳0,總脫碳0.057 mm)。

圖7 總脫碳層厚度情況

圖8 工藝改進(jìn)后彈簧鋼的金相組織

5 結(jié)語

通過采用減少鋼坯在爐加熱時(shí)間、增加表面噴涂措施,有效改善了彈簧鋼表面脫碳問題,產(chǎn)品實(shí)物脫碳質(zhì)量可實(shí)現(xiàn)無全脫碳,能夠滿足高端冷卷彈簧用盤條的質(zhì)量要求。