降低GCr15冷拔坯脱碳层深度的工艺探讨

降低GCr15钢冷拔坯料脱碳层深度的工艺探讨周建峰孙军王芝林(西宁特殊钢集团有限责任公司)摘要：本文介绍了GCr15钢Φ26mm规格冷拔坯料的脱碳质量问题，分析了脱碳产生机理，根据加热炉的各项参数，进行加热工艺优化，同时采用钢锭表面喷涂保护涂层技术，有效地降低了冷拔坯料表面脱碳层深度。关键词：GCr15钢脱碳层深度降低1前言对于GCr15钢来说，脱碳层深度超标是一种质量缺陷，对于我公司二轧作业区生产的Φ26mm规格冷拔坯料，脱碳造成的危害更为严重。冷拔坯料脱碳层深度偏高，增加了后续冷拔材生产过程中的工序和劳动量，提高了生产成本，同时也存在脱碳层未完全消除带来的质量隐患。对于最终成品材来说，脱碳将使钢材表面的耐磨性、疲劳强度等性能降低，往往达不到要求的硬度，调质处理淬火时有可能出现裂纹、软点等问题。脱碳主要是钢锭在加热炉内加热时产生的，在加热过程中，由于受加热温度、加热时间、炉气成份等的影响，导致钢锭表面引起脱碳。因此，为从根源上降低冷拔坯料表面脱碳层深度，必须研究电渣锭在加热条件下，表面脱碳的形成原因，并根据具体原因优化生产工艺，降低脱碳层深度。2产生脱碳的机理分析我公司GCr15钢冷拔坯料生产工艺流程：280×280mm电渣锭→连续式加热炉加热→650轧机开过程坯→300/500轧机轧制Φ26mm冷拔坯料→穿水控冷→入坑保温。钢在加热条件下发生氧化和脱碳两个过程，并且这两个过程是同时发生的，最后在钢的表面形成氧化铁皮和脱碳层。氧化过程是指加热炉内氧向钢中扩散形成氧化铁皮，并且钢中的铁向外扩散不断与氧反应使钢的表面氧化铁皮厚度逐渐增加；脱碳过程是指钢表层的碳原子在高温条件下发生扩散而迁移至表面与加热炉内的脱碳气体发生反应形成含碳气体，导致钢表层碳原子流失的现象。其反应机理如下：（1）氧化反应1）与O2的反应2Fe+O2→2FeO6Fe+O2→2Fe3O44Fe3O4+O2→6Fe2O32)与CO2的反应Fe+CO2→FeO+CO3Fe+4CO2→Fe3O4+4CO3FeO+CO2→Fe3O4+4CO2Fe3O4+CO2→3Fe2O3+CO3)与H2O的反应Fe+H2O→FeO+H23Fe+4H2O→Fe3O4+4H23FeO+H2O→Fe3O4+H22Fe3O4+H2O→3Fe2O3+H2（2）脱碳反应1）与O2的反应2Fe3C+O2→6Fe+2CO2)与CO2的反应Fe3C+CO2→3Fe+2CO3)与H2O的反应Fe3C+H2O→3Fe+CO+H2电渣锭加热过程中，氧化与脱碳是同步进行的，温度较低时，脱碳速度大于氧化速度，氧扩散与铁扩散的相互作用要小于碳扩散，脱碳层深度随温度升高逐渐增加；当脱碳层深度达到最大之后，氧化速度大于脱碳速度，氧与铁的扩散作用大于碳的扩散，脱碳层开始变小，氧化铁皮厚度增大。另外，高温时由于氧化物急剧膨胀，使氧化层变得疏松容易脱落，从而进一步加剧了氧化反应，使脱碳层急剧下降。加热炉内影响GCr15电渣锭脱碳的原因主要有：炉气成分、加热温度、加热时间等。(1)炉气成分我公司加热炉目前使用混合煤气，引起脱碳的炉气成分有H20、C02、02等。炉气成分对脱碳的形响是根本性的。使用混合煤气的加热炉，燃烧产物对于易脱碳的GCr15钢来说都是饱和性氧化气氛，即使空气消耗量很低，仍然产生一定的脱碳量。因此，在实际生产时必须控制好炉内气氛，使得电渣锭氧化速度和脱碳速度控制在合理范围内，方可有效减少脱碳。(2)加热温度一般随着电渣锭加热温度的升高，脱碳层就越深。电渣锭温度在800℃以前脱碳很轻徽，900℃以后随着加热温度的升高,钢中的铁离子、碳原子及炉气中的氧化性气体的活动能力增强，加速了钢中铁离子、碳原子扩散至表面与加热炉内的氧化性气体发生反应，加速钢的氧化和脱碳。加热温度越高，电渣锭表层中的铁离子、碳原子迁移速度越快，与炉气反应后流失也越多，造成的氧化和脱碳也就越严重，在此期间脱碳层迅速增加，在1150℃左右，脱碳层深度最高，此后脱碳层深度随温度增高而减小。因此，在电渣锭加热时，应避开产生脱碳的温度峰值。(3)加热时间在加热温度一定的情况下，加热时间越长，钢中与炉气接触到的新的铁离子和碳原子越多，钢的脱碳越严重。加热时间与脱碳的关系基本符合抛物线规律，即脱碳层深度与加热时间的平方根成正比。3生产原因分析根据我公司目前生产现状，对650连续式加热炉进行各项参数调查及分析，找出冷拔坯料脱碳产生的原因。3.1参数调查(1)燃气成分该加热炉使用的是高、焦混合煤气，热值约为8.0MJ/m3，成分主要含CO、H2、CO2、CH4。(2)加热炉各段炉温及电渣锭温度通过加热炉控制电脑显示的各段炉温以及电渣锭在炉内实际测量的温度的对比，可看出电渣锭实际加热温度过高，电渣锭在高温段停留时间过长，加剧了脱碳的产生。(3)加热炉各段空燃比了解了加热炉内燃气总量、空气总量以及各段空、燃比，如果炉内按弱氧化性气氛控制，即空气过剩系数a=1.02时，空燃比应设置为1.8:1，但现场设定的偏高。(4)各段炉压操作工艺规定的炉压是2～5Pa，但实际测得的加热炉各段炉压大都为负压状态。3.2原因分析综合上述，通过对加热炉各项参数的分析，电渣锭加热产生严重脱碳主要有以下几个原因。(1)空燃比不合理，整个加热炉的空气供入量普遍偏大，炉内气氛为过氧化性。(2)现场温度仪表显示的温度偏低，加热工据此调节空煤气供给量，造成加热温度过高，由于生产结凑较慢，使钢锭在高温段停留时间过长。(3)炉压非常不稳定，大多数情况下呈负压，导致加热炉内吸入了很多冷空气，炉内气氛过化性，将加剧脱碳层深度。(4)加热时间的长短与脱碳层深度有明显关系。加热时间长，脱碳层深度越深。4工艺措施由上述几个方面的原因分析来看，为有效降脱碳层深度，主要方法为：正确选择加热温度避开脱碳峰值温度点；缩短电渣锭在高温状态的停留时间，合理控制好加热炉气氛，但避免出现过化性气氛；同时，采用钢锭表面喷涂保护涂料的新技术，阻止炉内氧化气体与钢发生反应，降低脱碳。(1)制定合理的钢锭加热温度根据轧制工艺的要求和钢种特点，确立钢锭的加温度。在满足轧制温度的条件下尽量降低钢锭加热温度，执行工艺要求温度的中下限，即1180℃～1200℃。(2)优化加热制度连续加热炉的预热段较长，应控制预热段度，应在800℃以下。在保证加热质量的前提下加热段和均热段应尽量快速加热，缩短钢锭在高温区的停留时间。加热时尽避免脱碳峰值温度，避免钢锭在1150℃左右加热。尽量减少热停时间，制定合理的热停加热制度，控制钢锭加热时间，控制钢锭在加热炉内高温段的停留时间。（3）控制炉内气氛及压力脱碳的实质是钢中的碳被氧化而流失，故一般认为加热炉内保持还原性气氛则可以抑制电渣锭脱碳。但就目前我公司采用的混合煤气的加热炉来说，炉内均为氧化性气氛，但只要合理控制各项参数，使电渣锭氧化速度大于脱碳速度，也可确保最小的脱碳层。在炉内加热段，空气消耗系数控制在1.02～1.10，空燃比为1.8：1～2.0:1，炉气为弱氧化性气氛，保证电渣锭氧化与脱碳最小，并使氧化速度大于脱碳速度；炉内均热段，空气消耗系数控制在0.90～1.00，空燃比为1.6:1～1.75：1，使炉内气氛为还原性气氛，有利于阻止电渣锭在高温扩散阶段进一步发生脱碳。稳定炉内压力是控制炉内气氛和温度的基础，一般炉压都以保持在微正压状态为目标。根据连续炉炉况，炉压应控制在4～5Pa范围内较好。据长期生产情况来看，当炉压显示为4～5Pa时炉内压力较为稳定，基本能维持在微正压状态。(4)操作过程要严格实行“三勤”。操作过程中要勤观察、勤联系和勤调整，及时了解轧制情况(待轧、换辊、事故处理、交接班等)，根据不同情况调节加热炉各段的燃料分配、炉温分布和空气、燃气配比，做到及时出钢又能保证钢锭不过热、过烧。（5）采用钢锭表面喷涂保护涂料的新技术大量研究及生产实践证明，在对电渣锭装炉加热之前，先在表面喷涂一层保护涂料，随着加热时炉内温度的升高，涂层逐渐软化并进而达到熔融的状态，在钢基体表面形成致密的薄膜，阻碍高温炉气向钢基体的渗透，从而能够有效地避免因氧化性炉气与电渣锭表面发生氧化和脱碳，保护涂层对减少GCr15钢表面脱碳层有明显效果。5结论对连续式加热炉进行现场调试，优化了加热制度及各项参数，并在GCr15电渣锭装炉前表面均匀喷涂保护涂层，成功地降低了钢锭加热时产生的脱碳层深度，轧制生产的Φ26mm冷拔坯料脱碳层深度已明显得到降低，有脱碳现象的试样只是局部少量脱碳，而且脱碳层深度也较低。电渣锭因高温加热出现氧化和脱碳是不可避免的，但通过采取一定的工艺措施，是可以控制和减少的。通过分析研究GCr15钢氧化与脱碳规律和机理，制定了降低氧化烧损和脱碳层深度的工艺技术措施，成功的解决了钢材质量问题，同时提高了钢材成材率，减轻了后部工序的负担，稳定和提高了产品质量。参考文献[1]张务林.轴承钢棒线材生产技术的研究与应用[J].特殊钢技术,1997（3）：7-10.[2]汤澄.弹簧钢在加热炉中脱碳超标的控制[J].江苏冶金,1997.3:32～34[3]曾坤.钢铁高温抗氧化涂料的研究[J].机械科学研究总院学位论文，2007:1-2作者简介周建峰，男，36岁，助理工程师，2004年毕业于青海联合职工大学炼轧专业，现从事特殊钢生产及质量管理工作。