连续式炉钢管保护气氛热处理工艺的研究和应用

1连续式炉钢管保护气氛热处理工艺的研究和应用邓尔康摘要：分析了钢管保护气氛热处理炉的保护气氛类型及性能，对钢管保护气氛热处理炉内气氛的化学过程动态分析了无氧化的平衡条件。介绍了保护气氛热处理主要工艺参数的确定及汽车用管、精密结构用管、电站锅炉用管的保护气氛热处理实例分析。关键词：钢管；保护气氛热处理；气氛类型；热处理工艺参数；钢管性能中图分类号：TG15文献标识码：B文章编号：1001－2311（2000）01－0026－05ResearchandApplicationConcerningTechniqueofHeat－TreatingSteelTubesinContinuousFurnacewithProtectiveAtmosphereDENGEr－kang(ShanghaiSteelTubeCorporation,Ltd.,Shanghai200940,China)Abstract：Analysisismadeontypesandperformancesofprotectiveatmospheresofthesteeltubeheattreatmentfurnacewithprotectiveatmosphere,andalsodynamicanalysisonthenon－oxidationequilibriumconditionsofthechemicalprocessofatmosphereofthesaidfurnaceismade.Inaddition,theauthordescribeshowtosetupthebasicprocessparametersofheattreatmentwithprotectiveatmosphere,andgivesuscaseanalysisconcerningprotectiveatmosphereheattreatmentofautomobiletube,precisionstructuraltubeandpowerstationboilertube.Keywords：Steeltube;Protectiveatmosphereheattreatment;Atmospheretype;Heattreatmentprocessparameters;Steeltubeperformance0前言随着国民经济的发展，各行各业对钢管提出了更高的质量要求，不仅要求精度高，机械、工艺性能好，同时对钢管的表面状态也提出了更高的要求（即要求钢管表面呈无氧化光亮状态）。桑塔纳轿车用管采用的是按德国DIN2391，DIN2393标准生产的无缝精密钢管和焊接冷拔冷轧精密钢管。其中，大部分钢管要求按GBK状态交货，即要求进行保护气氛热处理。在开始试制桑塔纳轿车用管时，由于没有进行GBK处理的工艺设备，凡要求GBK处理的钢管只能以光亮拔制软性（即末道冷拔采用小变形量冷拔状态）或低温退火（即钢管表面有少量氧化铁皮存在）状态来供货。天线用30CrMnSiA钢管要求表面无全脱碳层，以满足其高强度的要求，但是在无保护气氛热处理的条件下是难以做到的。用户对冷拔精密结构用无缝钢管，2也提出了既要求具有良好的机械性能和工艺性能，又要求具有无氧化的表面状态，所以在钢管生产中采用保护气氛热处理工艺，是一项迫切的新课题，使我公司生产的汽车用管、锅炉用管及其他精密钢管质量水平上一个新的台阶的标志之一。1保护气氛选用保护气氛类型及特点列于表1。表1保护气氛的类型及特点类型特点适用范围放热型气体不完全燃烧；产生成本低，有脱碳；低温易析出碳黑光亮退火吸热型无脱碳，冷却时析出碳黑光亮淬火、退火氮气纯度≥99.95％退火氮基型含氢5％～20％，具有还原性能各类光亮热处理氨分解还原性能好各类光亮热处理氮气是一种惰性气体，无毒安全，是用途广泛的保护气体。当氮气中含氧0.001％时，就会使钢材氧化和脱碳，所以一般不使用单一的氮气，而加入少量的添加剂，如H2，CO等还原性气体来防止氧化。这种以氮气为主的气氛称为氮基气氛，是广泛使用的钢材热处理用保护气氛，而放热型、吸热型保护气氛在使用中有一定局限性。目前国外介绍的PSA供氮系统，使用空气制取氮气，纯度99.5％，只要加入少量添加剂H2就可使氮基气氛具有还原性，其成本很低，比国外传统应用的液氮降低了热处理成本，而效果则同样可靠。我国近年来使用的氨燃烧法制取含H25％～20％的氮基气氛，已成功应用于工业生产（如上海冶金设计研究院设计的30m3氨燃烧装置）。使用稀释法、氨分解气也可以得到氮基气氛。在具有制氧车间的工厂，其副产品氮气经净化纯度达到99.5％以上，配上一台氨分解装置，用稀释法配制的氮基气氛，可用于钢材的保护气氛热处理生产，且成本低廉。表2列出了1kg液氨用不同方法可提供的氮基气氛及氨分解气量。表21kg液氨可提供的氮基气氛及氨分解气量方法产气量/m3气体成分氨分解2.635含H275％余N2氨然烧4.05含H210％余N2氮稀释法19.75含H210％余N2氨分解气是一种还原性能强的保护气氛，它制取方便、气氛稳定，可用于各类要求高的光亮热处理工艺，但制取成本较高。2连续保护气氛热处理炉工艺分析32.1连续式炉保护气氛用气量的确定2.1.1清洗炉内空气的用气量估算当空气中含有5.35％～76％的氨分解气时，点火就会发生爆炸，所以冷炉开炉前必须仔细进行炉内空气的清洗。当空气残留量在安全范围内时，方可点燃火封。其清洗过程是通过不断地送进保护气氛或氮气使炉内含O2量下降，清洗的用气量则随炉型不同而变化。由工艺试验可知，清洗总用气量与炉子的总容积成正比，可用公式估算V=NV0式中V--清洗总用气量，m3；N--换气次数；V0--炉膛总容积，m3。两端炉口开启的连续式炉，其N20时方能达到清洗炉内空气的要求，使氨分解气安全实现点火操作。如果清洗用气使用氮气或含H25％的氨燃烧气，点火操作就更加安全可靠。2.1.2保护气氛热处理用气量的估算钢管光亮热处理用气量与炉型、炉膛总容积、生产率、密封形式、气氛纯度要求等因素有关。在连续式保护气氛钢管热处理过程中，为了确保炉内气氛稳定，必要条件是炉子保持微正压。试验证明，耗气量与炉口开启大小成正比例关系，钢管外径愈大，炉口开启愈大，则用气量增加。本炉型可用下列经验公式进行估算V1=2K.B.H式中V1--炉子用气量，m3/h；K--炉型系数，m3/cm2.h；B--炉口宽度，cm；H--炉口帘门开启高度，cm。经过对各种规格钢管的热处理试验证明，要保持炉内炉气稳定呈微正压状态，应使K=0.04～0.05m3/cm2·h。2.2炉气与钢管的化学反应2.2.1加热区炉气与钢管的化学反应以还原气体H2作为添加剂形成含H2的氮基气氛，氮气是惰性气体，所以气氛为H20－H2的气氛炉中的主要化学反应为2Fe＋O22FeO（1)3Fe＋2O2Fe3O4（2)（3)（4)（5)从化学反应式（1）,（2）可以看到，少量O2的存在也会产生不可逆的氧4化反应，而实际生产中又必然会带入空气、水分等氧化性气氛，所以单用工业纯氮保护钢材表面也会产生微量的氧化，甚至生成薄层氧化膜，而不能达到无氧化的光亮状态。因此，必须在氮气中加入适量的还原性添加剂，使炉中通过化学反应改变氧化气氛，从而获得符合无氧化加热条件的保护气氛。H2进入炉中遇到氧会立即燃烧，去除炉中的残氧（见反应式（3）)。图1是Fe在含H2－H2O氮基气氛中的平衡曲线。化学反应（4），（5）是可逆反应，其反应向哪一边进行取决于[H2]/[H2O]的比值。图1Fe在含H2－H2O氮基气氛中的平衡曲线1-氧化区2-还原区温度对反应的影响如图1所示，随着温度的下降，气氛对H2O的氧化敏感性上升。同一比值的保护气氛在高温下呈还原性，化学反应式(4)，(5)向左进行；当温度下降气氛就会呈氧化性，反应向右进行，使钢管氧化。含H2量对反应的影响。在热处理过程中保护气氛进入炉膛后，通过化学反应，改变原始气氛的组成。H2气与炉口渗入的空气、钢管带入的油污水分发生化学反应生成H2O，从而使炉气中含H2O量增加，改变了[H2]/[H2O]的比值，当超过平衡状态时就会发生氧化反应。所以钢管在热处理前，应很好烘干，以尽量减少随钢管带入的水分。2.2.2钢管的磷化膜及残余油脂在炉中的化学变化钢管在冷拔、冷轧加工过程中，有一层磷化膜及工业肥皂或润滑油进行润滑。钢管磷化膜主要组成为Zn3（PO4）2，Fe2Zn（PO4）2，在高温下其化学反应如下Zn3(PO4）2→3ZnO＋P2O5Fe2Zn(PO4)2→2FeO＋ZnO＋P2O5ZnO＋H2→Zn＋H2OFeO＋H2Fe＋H2O在高温下，磷化盐薄膜发生了分解，产生了H2O和氧化物，这也会影响保护气氛的组成。钢管表面残留的油脂均系复杂的碳氢化合物，在炉膛内少氧的条件下加热分解，将产生一种稳定的化合物甲烷（CH4），在炉中进行下列反应CH4＋O2→CO2＋2H2CH4＋H2O→CO＋3H2CH4＋CO2→2CO＋2H2CH4在炉中主要发生还原反应。由于钢管表面磷化膜及残余油脂的影响，使炉子气氛变化为以氮气为基的H2－H2O－CH4保护气氛，所以残留少量的油脂对于气氛是无害的，对改善脱碳还有一定益处。但是，过多的油脂会造成碳黑污染，甚至产生局部渗碳。52.2.3前室的炉气组成及化学反应前室是钢管进入加热区炉膛前的过渡段，除与加热区联接附近温度较高外，大部分温度较低，为50～600℃。钢管带入的水分加热蒸发成水蒸气，较高温度区与加热区的化学反应相同，水蒸气及反应产生的气体不断随着保护气氛由加热区向炉口流动并逸出炉口。前室内含H2O的蒸气量较大，系氧化性气氛，但由于钢管处于低温，所以不会发生氧化反应。由于前室的过渡，炉气将带着H2O蒸气不断逸出，从而使加热区炉膛内保持良好的保护气氛。2.2.4炉内冷却段的炉气与钢管的化学反应钢管在冷却段处于800～200℃的温度范围。在氮基H2－H2O保护气氛下，主要的化学反应式如下3Fe＋4H2OFe3O4＋4H2Fe＋H2OFeO＋H2为了使炉子具有还原性气氛，使钢管处于平衡曲线的还原区内，从而使钢管表面得到无氧化的光亮状态，冷却段内气氛的[H2]/[H2O]比值应随着钢管温度的下降而提高。整个炉气的[H2]/[H2O]比值也应以冷却段该比值的要求为指标。考虑到操作中钢管内外表面的水分除不尽，以及炉口渗入空气等因素，选用含H2量10％的氮基气氛比较可行。含H2量高对于保证[H2]/[H2O]比值处于还原区内是有利的，当钢管烘干良好、炉子密封正常时，含H2量5％也可以得到表面呈无氧化光亮状态的钢管。3连续式钢管保护气氛热处理实例分析3.1Φ4mm×0.4mm规格30CrMnSiA天线用无缝钢管的热处理钢管要求高的强度和弯曲回弹复位性能，故采用高强度的30CrMnSiA钢。由于天线钢管壁薄，表面脱碳会影响钢管的强度和弯曲回弹性能，所以特别要求成品钢管无全脱碳层存在。这在常规钢管退火炉中热处理比较难以达到，用套管退火脱碳情况也不稳定。钢材不脱碳的热力学条件是实际分压商≤平衡分压商。气氛中O2，H2O，CO2使钢材易于脱碳，CO,H2等还原性气体则不易使钢材脱碳，故选用氨分解气及工业纯氮进行工艺试验，其结果见表3。表3采用氨分解气、工业纯氮作热处理保护气氛的试验结果保护气氛热处理参数脱碳层/mm钢管外壁钢管内壁热处理前热处理后热处理前热处理后氨分解气900℃加热18min0.000.000.07，半脱碳0.01，半脱碳氨分解气800℃加热18min0.000.000.07，半脱碳0.05，半脱碳6工业纯氮770℃加热18min0.000.000.03，半脱碳0.02，半脱碳用氨分解气作保护气氛，加热炉内气氛的组成为H2，N2，CH4，H2O，其中CH4是由于钢管表面的残余油脂分解而产生。尽量减少钢管带入的H2O，就能使钢管达到不脱碳的要求。用工业纯氮（含N2≥99.5％）作保护气氛，热处理时炉内气氛的组成为H2，CH4，H2O，O2，热处理中尽量控制H2O