质量改进项目总结(脱碳)

1质量改进项目研究阶段性总结——重轨钢坯脱碳加热工艺优化一、理论分析1、钢的脱碳钢在加热过程中，表面除了氧化烧损外，还会造成表层内含碳量的减少，称为钢的脱碳。碳在钢种以Fe3C的形式存在，它是直接决定钢的机械性质的成分。例如高碳工具钢，就是依靠碳获得高的红硬性，如果表面脱碳后，钢的硬度将大为降低。合金钢中除不锈钢外大多数是高碳钢，除了电工硅钢要求脱碳外，其它钢种的脱碳都被认为是缺陷，脱碳后最明显的是硬度下降，抗疲劳强度降低，要淬火的钢还容易出现裂纹。要清除钢的脱碳层，势必增加额外工作量。防止脱碳是加热过程的重要问题。1.1钢的脱碳过程钢的脱碳过程是炉气内的H2O、CO2、O2、H2和钢中的Fe3C反映的结果，这些反映式如下：这些成分脱碳能力强弱依次是：H2O＞CO2＞O2，H2在一定条件下也能促使钢脱碳，如硅钢在湿H2气氛下脱碳。高温下钢的氧化与脱碳是相伴发生的，但是氧化铁皮的生成，有助于抑制脱碳，使扩散趋于缓慢，当钢的表面生成致密的氧化铁皮时，可以阻碍脱碳的发展。2、钢的氧化钢在高温炉内加热时，由于炉气中含有大量的O2、CO2、H2O，钢坯的表面层要发生氧化。而且从钢坯到成品钢材往往加热多次，每加热一次有0.5%—3%的钢由于氧化而烧损。氧化不仅造成钢的直接损失，而且钢氧化后产生的氧化铁皮堆积在炉底，不2仅是耐火材料受到侵蚀。氧化铁皮还会影响钢的质量，它在轧制过程中压入钢的表面，形成麻点，损害表面质量。如果氧化层过深，会使钢坯的皮下气泡暴露，轧后造成废品，例如现有生产的310乙字钢，出现的拉裂就与加热氧化使皮下气泡暴露无法轧合有一定关系。氧化铁皮的导热系数比纯金属低，所以钢表面上覆盖了氧化铁皮，有恶化了传热条件，降低了炉子生产效率，增加了能耗。因此低氧化或无氧化加热是钢坯加热追求的目标。2.1钢的氧化过程钢在常温下也会氧化生锈，在干燥条件下，这一氧化过程是很缓慢的；到了200-300℃，表面会形成氧化膜，如果湿度不大，这时氧化还是缓慢的；温度继续升高，氧化随之加快，到了1000℃以上，氧化过程开始激烈进行；当温度超过1300℃，氧化铁皮开始融化，氧化进行的更加剧烈；如果以900℃时烧损量作为1，则1000℃时为2，1100℃时为3.5；1300℃时为7。氧化的反应过程如下：SO2：O2：CO2：H2O：3氧化铁皮的形成过程也是氧和铁两种元素的扩散过程，氧由表面向铁的内部扩散，而铁则向外部扩散，外层氧的浓度大，铁的浓度小，生成铁的高价氧化物，内层铁的浓度大，而氧的浓度小，生成低价氧化铁。所以氧化铁的结构实际是分层的，最靠近铁的是FeO，依次向外是：Fe3O4，Fe2O3。炉气中一般含有O2、CO2、H2O、SO2等氧化性气体，氧化性的的强弱依次是：SO2O2CO2H2O。3、氧化和脱碳的关系氧化和脱碳都是氧元素与钢坯中的有益元素Fe和C发生了反映。从上面分析可以看出，炉气中O2、CO2、H2O既参与了脱碳反映，也参与了氧化反应。所以脱碳其实也是加热炉内另一种形式的氧化反映。而这三种气体是混合煤气燃烧必然的产物。从以上理论分析和实践证明：在一般工艺条件下，最小的脱碳层不是在还原性气氛下得到的，而是在氧化性气氛下得到的。因为一方面炉气中O2、CO2、H2O参与氧化反应消耗掉了，也就弱化了脱碳能力，其次氧化性气氛加大氧化烧损程度，也可以使被脱碳的钢继续氧化，从而减少加热钢坯的脱碳层厚度。以下实验的数据也证明了这一点：图1.1不同氧化气氛脱碳对比图从图中可以看出随着预热段空气消耗系数的增大脱碳层深度在增加，这是因为12、13号试样的氧化性气氛比11号强，加快了钢坯脱碳的进行。但是12号试样的空气消耗系数比13号试样小，脱碳层深度却比13号试样大，这是因为413号试样在强烈的氧化性气氛下，其氧化速度比脱碳速度要大很多，所以其观察到得脱碳层深度要比12号试样有所下降。这说明，随着氧化性气氛的增强，氧化速度和脱碳速度同时都在增加，但是到一定的时候，氧化速度要比脱碳速度更大，这时，钢坯的脱碳层深度将下降，但是将明显加大金属的损耗。二、影响脱碳因素分析1、加热温度的影响，上面脱碳的反应式都是吸热反应，提高温度有利于促使反应向右进行，所以加热温度越高，脱碳程度越深。随着温度升高，碳的扩散程度增加，脱碳层厚度增加。但某些钢种随温度升高，钢的氧化速度增大，低温下脱碳速度大于氧化速度，到了某一温度，氧化速度大于脱碳速。例如硅弹簧钢（60Si2Mn）在1100℃以前，脱碳层厚度随温度升高而很快增加，但超过这一温度后，脱碳层厚度随温度增加又显著减少，其原因是这时氧化速度明显大于脱碳速度，低温时的脱碳层明显被氧化而减少。理论上在加热过程中可以尽量避开1100℃附近的温度范围，但加热炉是连续加热过程，钢坯的加热温度也不可能出现跳变或跃升，所以实际生产过程中很难操作。而重轨钢与弹簧钢的成分除Si以外比较接近，有可比较和借鉴的意义。见下表2.1：表2.1不同钢质成分对照表元素含量钢质CSiMnPSCrNiCu60Si2Mn0.56～0.641.50～2.000.60～0.90≤0.035≤0.040≤0.30≤0.30≤0.20U71Mn0.65～0.760.15～0.351.10～1.40≤0.030≤0.030≤0.15≤0.10≤0.15U75V0.71～0.800.50～0.800.70～1.05≤0.030≤0.030≤0.15≤0.10≤0.15U78CrV0.76～0.820.70～0.800.75～0.82≤0.025≤0.0250.39～0.44≤0.10≤0.15结论：避开某一加热区间，实验室可以实现，在实际连续生产中是不太现实的，很难做到。但在高温区控制加热工艺导致氧化速度大于脱碳速度，是行的。2、加热时间的影响，在低温条件下，及时钢在炉内的时间较长，脱碳也并不显著，但在高温时间停留越长，脱碳越厚。试验统计数见下图：5图2.1脱碳层深度与温度的关系从图可以看出，在保温时间相同的条件下，脱碳层的深度随保温温度的增大而增加，当保温温度大于900℃时，钢坯的脱碳速度将随保温温度的升高而而明显加快。所以，在实际生产加热的过程中，在满足轧制工艺要求的前提下，应尽可能的减小加热炉内的保温温度。结论：我厂加热炉钢坯实际的加热时间一般在300min左右，远大于实际要求的正常加热时间150min，因此属于保温加热，适当降低一加热段、二加热段温度，可以有效的控制脱碳。3、炉气成分的影响炉气成分中的H2O、CO2、O2都能引起脱碳。一般情况下，燃烧过程中不可能大量存在CO、H2，火焰炉内的炉气对易脱碳的钢来说都是饱和性脱碳气氛，即使在敞焰无氧化加热炉中，仍不能避免脱碳。前面的实践证明，最小的脱碳层不是在还原性气氛时，而是在氧化性气氛下得到的。结论：1）现有工艺条件下，还原性气氛的加热条件仍然会有H2O、CO2、O2等炉气成分，加热炉完全避免脱碳是不可能的，而且还原性气氛造成燃烧恶化，能耗升高，而且未完全燃烧的成分并影响其它加热段燃烧，不是很好的操作方法。2）结论1推导出，要真正控制加热钢坯脱碳层较低甚至没有，隔绝加热气氛及钢坯表面喷涂涂料是最直接有效的办法。4、钢的成分的影响钢中含碳量越高，钢的脱碳越容易。合金元素对钢的6脱碳影响不一，铝、钴、钨这些元素能促使脱碳，铬、锰、硼则减少脱碳，硅虽然可以增加碳在钢中的活度，从而增加了碳的化学位，使之从含硅的一边向不含硅的一边扩散，当钢坯表面被氧化时，也促使碳向钢坯表面移动，但这一过程非常缓慢，见图2.2C\%0.63.80%Si0.586C%0.50.478C%0.40.315C%0.441C%0.3-1.0-0.500.51.0图2.2扩散偶在1050℃扩散后碳的分布（13天）因此镍、硅、钒等对脱碳没有太大影响。实际生产过程中U78CrV的脱碳层厚度明显低于其它钢种，这就是因为铬可以使钢坯表面形成较为致密的氧化层，阻止钢坯的脱碳，同时也恶化钢坯的除鳞效果。下面为一组为生产的统计数据：表2.22013年10月不同钢质脱碳层统计表品种及规格钢质加热时间（平均）脱碳层（平均）备注60kg/mU71Mn2280.393双炉60kg/mU75V2400.349双炉60kg/mU78CrV2260.286双炉136RESS1850.126单炉结论：在发展更高级别的钢轨时，在现有加热工艺不变的前提条件下，可以优化元素组成来获得钢轨更薄的脱碳层。或者为了获得更好的钢轨性能，可以利用这一原理对易脱碳的钢种有选择的进行钢坯喷涂。三、研究数据统计及攻关方向通过以上的理论分析，采取了不同的实验手段来逐一验证理论与实践是否吻合，并找到最佳的加热制度和方法。1、控制炉内气氛的试验7表3.1气氛控制对脱碳的影响方案序号气氛控制钢坯支数脱碳层（mm）S≤0.30.3＜S≤0.40.4＜S≤0.5＞0.5支数率支数率支数率支数率1氧-氧-氧11218.2545.5218.2218.22氧-氧-还17847.1317.6529.415.93还-还-氧18738.9844.4211.115.64还-还-还191263.2526.3210.500.05中-中-氧25832.0728.0520.0520.0图3.1炉内气氛与脱碳的关系表3.2氧化气氛与脱碳关系熔炼号品种及规格钢质脱碳层均热段二加热段一加热段加热时间（min）P14702181115RESS0.131.01.01.0200P14601839115RESS0.151.01.01.0180P14702180115RESS0.121.01.01.1145P14601841115RESS0.211.01.051.1160P14302128115RESS0.11.01.051.05180气氛控制对脱碳的影响18.247.138.963.232.045.517.644.426.328.018.229.411.110.520.018.25.95.60.020.00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0100.0氧-氧-氧氧-氧-还还-还-氧还-还-还中-中-氧各段气氛脱碳率（%）脱碳层（mm）S≤0.3率脱碳层（mm）0.3＜S≤0.4率脱碳层（mm）0.4＜S≤0.5率脱碳层（mm）＞0.5率8P14702174115RESS0.11.01.051.1170P14202106115RESS0.111.01.051.1182P14302223115RESS0.121.21.051.1210P14302224115RESS0.11.01.01.1220P14702271115RESS0.121.01.01.1190由表3.1、图3.2可见，采用方案4“还-还-还”加热的钢脱碳层≤0.3mm的占63.2%，其次是方案2和方案3。使用方案3和方案4时，脱碳层≤0.4mm可达到83.3%、89.5%。但采用方案3、4时，炉头、炉尾冒火严重，烟气温度高，容易造成炉门、换热器等设备损坏。从表4可见，采用同一方案，各段空气过剩系数不同，其脱碳效果也有差别，既要达到降低脱碳深度，又要保证设备安全，方案4实际上在生产中是不可行的，能耗偏高、设备损坏严重；因此实际上优选的、可行的方案是方案二，在此基础上进行进一步优化。表3.2关于136RE钢轨生产时的数据统计表也可以看出，氧化性气氛得到了较低脱碳层的结果。2、控制加热时间的试验通过试验，收集了不同加热时间段的脱碳层数据，分别见下面图表，图一为双炉生产时的数据，图二、表二为单炉生产时的数据。图3.2脱碳与在炉时间关系加热时间与脱碳00.20.40.60.8132148152155159162165168173179182184195210213220232243252334在炉总时间（min）脱碳层（mm）9图3.4脱碳与加热时间关系表3.3在炉时间与脱碳分类统计表时间在炉总时间＜150151~180181~210211~240＞240钢坯支数1037221612脱碳层S≤0.35037.831.862.5250.3＜