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    鋼管退火時(shí)多少溫度會(huì )開(kāi)始脫碳?

    作者:董敬松 時(shí)間:2023-06-30閱讀數:人閱讀

    鋼管退火時(shí)多少溫度會(huì )開(kāi)始脫碳?


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    答:

    個(gè)人認為:一般超過(guò)此材料的Ac1溫度就容易造成脫碳………………

    脫不脫碳不僅跟溫度有關(guān),還決定于金屬或合金的種類(lèi),并且決定于加熱介質(zhì)。比如含硅的鋼就容易脫碳,不銹鋼就不容易脫碳,耐熱鋼也不容易脫碳,如果是還原性介質(zhì),你加熱到熔化狀態(tài)也不會(huì )脫碳,如果是氧化性介質(zhì),則主要看氧化性的高低了,如果在空氣中加熱,則脫碳情況就更不好說(shuō)了,只能夠具體問(wèn)題具體的分析,一般碳鋼大約在570度產(chǎn)生強烈的氧化脫碳。

    脫碳與否與化學(xué)成分、加熱溫度、保溫時(shí)間、碳在金相組織中的存在形式、環(huán)境氣氛等都有很大關(guān)系。僅僅靠化學(xué)成分無(wú)法判定材料表面造成脫碳需要的加熱溫度。

    鋼鐵材料表面脫碳與含碳量或者碳當量有關(guān)。以60Si2Mn為例,脫碳敏感區在1150-1250度左右。
    脫碳還跟加熱氣氛、加熱時(shí)間等有關(guān)。

    另外需要考慮的是氧化和脫碳一般同時(shí)存在,如果氧化速度大于脫碳,那么即使在高溫區也不會(huì )造成材料脫碳,只是表面氧化鐵皮厚度增加。35CrMo一般用于生產(chǎn)高強度緊固件,一般要求吐絲溫度不要超過(guò)880度,冷卻速度在0.8-0.85度/s區間,脫碳層可控制在(0.2-0.4)D%之間。這個(gè)脫碳層是可以忍受的,后續的冷鐓和力學(xué)性能可以保證。


    那么鋼的加熱工藝會(huì )產(chǎn)生哪些缺陷?下文給您詳細的道來(lái)!

    鋼管退火時(shí)多少溫度會(huì )開(kāi)始脫碳?(圖1)


    一、 鋼的加熱缺陷

    鋼在加熱過(guò)程中,爐子的溫度和氣氛必須調整得當,如果操作不當,會(huì )出現各種加熱缺陷,如氧化、脫碳、過(guò)熱、過(guò)燒等。這此缺陷影響鋼的加熱質(zhì)量,重則造成廢品,所以加熱過(guò)程中必須嚴格執行工藝,避免上述缺陷產(chǎn)生。


    (一) 鋼的氧化及其影響因素

    鋼在高溫爐內加熱時(shí),由于爐氣中含有大量的O2、CO2、H2O(六軋廠(chǎng)使用的燃氣為高爐煤氣,主要由可燃成分CO、H2、CH4和不可燃成分CO2、N2組成,其中CO30%左右,H2CH4的數量很少,高爐煤氣含有大量的CO2N2,約占60%70%)。鋼的表面層要發(fā)生氧化。氧化不僅造成鋼的直接損失——成材率下降,而且在除鱗不凈的情況下軋制會(huì )將氧化鐵屑壓入鋼的表面而造成成品鋼材表面麻點(diǎn)缺陷。如果氧化層過(guò)深,會(huì )使鋼錠的皮下氣泡暴露,軋后造成廢品。氧化鐵皮的導熱系數比鋼低,所以鋼表面上覆蓋了氧化鐵皮,雙惡化了傳熱條件,降低了爐子生產(chǎn)率,增加了能源的消耗。

    鋼的氧化影響因素有:加熱溫度、加熱時(shí)間、爐氣成分、鋼的成分,這此因素中加熱溫度、爐氣成分、鋼的成分對氧化速度有較大的影響,而加熱時(shí)間主要影響鋼的燒損量。

    1、 加熱溫度的影響:

    因為氧化是一種擴散的過(guò)程,所以溫度的影響非常顯著(zhù),溫度愈高,擴散愈快,氧化速度愈大,常溫下鋼的氧化速度非常緩慢,600℃以上時(shí)開(kāi)始有顯著(zhù)變化,鋼溫達到900℃以上時(shí),氧化速度急劇增長(cháng),氧化鐵皮生成量與溫度之間有如下關(guān)系:
                鋼溫/         900       1000      1100      1200
                燒損量比值       1      2       3.5        7

    2、 鋼的成分:

    對于碳素鋼隨其C含量的增加,鋼的燒損量有所下降,這是由于鋼中的C氧化后,部分生成CO而阻止了氧化性氣體向鋼內擴散的結果,因此在同樣的加熱條件下,高碳鋼相對低碳鋼的燒損要輕。合金元素如Cr、Ni等極易被氧化成為相應的氧化物,但是由于它們生成的氧化物薄層組織結構十分致密又很穩定,這一薄層氧化膜起到了防止鋼的內部基體免遭再氧化的作用,因此鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻硅鋼等都具有很好的搞高溫氧化的性能。

    3、 加熱時(shí)間的影響:

    在同樣的條件下,加熱時(shí)間越長(cháng),鋼的氧化燒損量就越多,所以加熱時(shí)應盡可能縮短加熱時(shí)間。


    (二) 脫碳

    鋼在加熱時(shí),在生成氧化鐵皮的基礎上,由于高溫爐氣的存在和擴散作用,未氧化的鋼表面層中的碳原子向外擴散,爐氣中的氧原子也透過(guò)氧化鐵皮向里擴散,當二種擴散會(huì )合時(shí),碳原子被燒掉,導致未氧化的鋼表面層中化學(xué)成分貧碳,這種現象叫做脫碳。

    碳是決定鋼性質(zhì)的主要元素之一,脫碳使鋼的硬度、耐磨性、疲勞強度、沖擊韌性、使用壽命等力學(xué)性能顯著(zhù)降低。對工具鋼、滾珠軸承鋼、彈簧鋼、高碳鋼等質(zhì)量有很大的危害,甚至因脫碳超出規定而成為廢品,所以脫碳問(wèn)題是鋼材生產(chǎn)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

    影響脫碳的因素和氧化一樣,影響脫碳的主要因素是加熱溫度、加熱時(shí)間、爐內氣氛,此外鋼的化學(xué)成分對脫碳也有一定的影響。

    1、 加熱溫度對脫碳的影響:加熱溫度對鋼坯可見(jiàn)脫碳層厚度的影響因鋼種不同也有所不同,一般隨加熱溫度升高,可見(jiàn)脫碳層厚度顯著(zhù)增加,但有一些鋼種隨著(zhù)溫度的升高,開(kāi)始脫碳層厚度增加,但加熱溫度到一定值后,隨著(zhù)溫度的升高,脫碳層厚度卻不僅不增加,反而減少了,如彈簧鋼(60Si2Mn)在1100℃以前脫碳層厚度隨溫度的增加而很快增大,但超過(guò)1100℃后脫碳層厚度隨著(zhù)溫度增高而顯著(zhù)降低,這說(shuō)明在1100℃附近有一脫碳速度的“峰值”。還有不少鋼種也有類(lèi)似的規律,對這些鋼種,在選擇加熱溫度時(shí),應當盡量避開(kāi)這一脫碳速度的“峰值”溫度范圍。

    2、 加熱時(shí)間對脫碳的影響,加熱時(shí)間愈長(cháng),可見(jiàn)脫碳層厚度愈大,所以,縮短加熱時(shí)間,特別是縮短鋼坯表面已達到較高溫度后在爐內的停留時(shí)間,以達到快速加熱,是減少鋼坯脫碳的有效措施,

    3、 爐內氣氛對脫碳的影響:爐內氣氛對脫碳的影響是根本性的,爐內氣氛中H2O、H2、O2、和CO2均能引起脫碳,而COCH4卻能使鋼增碳。實(shí)踐證明,為了減少可見(jiàn)脫碳層厚度,在強氧化氣氛中加熱是有利的,這是因為鐵的氧化將超過(guò)碳的氧化,因而可減少可見(jiàn)脫碳層厚度。

    4、 鋼的化學(xué)成分對脫碳的影響:鋼中的含碳量越高,加熱時(shí)越容易脫碳,若鋼中含有鋁、鎢、鈷等元素時(shí),則脫碳增加;若鋼中含有鉻、錳、硼等元素時(shí),則脫碳減少。鎳、硅、釩對脫碳沒(méi)有什么影響。易脫碳的鋼種主要有碳素工具鋼、模具鋼、彈簧鋼、滾珠軸承鋼、高速鋼等。

    減少脫碳的措施:減少鋼的氧化的措施基本適用于減少脫碳。例如進(jìn)行快速加熱,縮短鋼在高溫區域停留時(shí)間,正確選擇加熱溫度,避開(kāi)易脫碳鋼的脫碳峰值范圍;適當調節和控制爐內氣氛,對易脫碳鋼使爐內保持氧化氣氛,使氧化速度大于脫碳速度等。


    (三) 鋼的過(guò)熱

    如果鋼的加熱溫度超過(guò)了臨界溫度AC3,鋼的晶粒開(kāi)始長(cháng)大,晶粒粗化是過(guò)熱的主要特征,加熱溫度越高,加熱時(shí)間越長(cháng),這種晶粒長(cháng)大的現象越顯著(zhù)。晶粒過(guò)分長(cháng)大,鋼的機械性能下降,加工時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。特別在鋼錠的棱角部分或零件的邊緣部分,軋制時(shí)會(huì )開(kāi)裂,致使成品材產(chǎn)生裂紋。加熱溫度與加熱時(shí)間對晶粒長(cháng)大有決定性的影響,在軋制作業(yè)中,應掌握好加熱溫度,以及鋼在高溫區域停留的時(shí)間。

    合金元素大多數是可以減小晶粒長(cháng)大趨勢的,只有碳、磷、錳會(huì )促進(jìn)晶粒的長(cháng)大,故一般合金鋼的熱敏感性比碳素鋼低,即合金元素起了細化晶粒的作用。


    (四) 鋼的過(guò)燒

    當鋼加熱到比過(guò)熱更高的溫度時(shí),不僅鋼的晶粒長(cháng)大,晶粒周?chē)谋∧ら_(kāi)始熔化,氧進(jìn)入了晶粒之間的間隙,使鋼發(fā)生氧化,導致晶粒間彼此結合力大為降低,塑性變壞,這樣鋼在進(jìn)行壓力加工過(guò)程中會(huì )裂開(kāi),致使成品鋼材產(chǎn)生裂紋,這種現象就是過(guò)燒。


    二、 鋼的加熱溫度和加熱速度

    鋼的加熱溫度指鋼加熱完畢出爐時(shí)的表面溫度,對軋制前的加熱,是為了獲得良好的塑性和較小的變形抗力,最合適的加熱溫度,應使鋼獲得最好的塑性和最小的變形抗力,這樣有利于熱加工,提高產(chǎn)量,減少設備磨損和動(dòng)力消耗,但對于加熱優(yōu)特鋼來(lái)說(shuō),根據不同的加熱目的而具有不同的加熱工藝。

    鋼的加熱溫度,一般來(lái)說(shuō)需要參考鋼的相圖、塑性圖及變形抗力圖等資料綜合確定。碳鋼和低合金鋼加熱溫度的選擇主要是借助于鐵碳平衡相圖,一般加熱溫度在鐵碳平衡相圖的AC3以上3050℃,固相線(xiàn)以下100~150℃的地方。  

    鋼的加熱速度是指在單位時(shí)間內,鋼的表面溫度升高的度數,從生產(chǎn)角度,希望加熱速度愈快愈好,而且加熱時(shí)間短,鋼的氧化燒損也減少。但是提高加熱速度受到一些因素的限制,除了爐子供熱條件的限制外,特別要考慮鋼內允許溫度差的問(wèn)題。

    鋼在加熱過(guò)程中,由于鋼本身的熱阻,不可避免地存在內外溫度差,表面溫度總比中心溫度升高的快,這時(shí)表面的膨脹要大于中心的膨脹,這樣表面受壓力而中心愛(ài)張力,于是在鋼的內部產(chǎn)生了熱應力,熱應力的大小取決于溫度梯度的大小,加熱速度越快,內外溫差越大,溫度梯度越大,熱應力就越大,如果這種應力超過(guò)了鋼的破裂強度極限,鋼的內部就要產(chǎn)生裂紋,所以加熱速度要限制在應力所允許的范圍之內。鋼中的應力只是在一定溫度范圍內才是危險的,多數鋼在550℃以下處于彈性狀態(tài),塑性比較低。這時(shí)如果加熱速度太快,溫度應力超過(guò)了鋼的強度極限,就會(huì )出現裂紋,溫度超過(guò)了這個(gè)溫度范圍,鋼就進(jìn)入了塑性狀態(tài),對低碳鋼可能更低的溫度就進(jìn)入產(chǎn)生范圍,這時(shí)即使產(chǎn)生較大的溫度差,將由于塑性變形而使應力消失,不致造成裂紋,因此,溫度應力對加熱速度的限制,主要是在低溫(500℃以下)時(shí)。一般來(lái)說(shuō)低碳鋼在低溫段的加熱速度不受限制,對于高碳鋼和合金鋼的低溫塑性較差且導熱系數較低,因此在低溫段的加熱速度要進(jìn)行控制。


    三、 加熱制度和加熱時(shí)間

    六軋廠(chǎng)實(shí)行的是三段式連續加熱制度,即把鋼坯放在三個(gè)溫度條件不同的區段內加熱,依次是預熱段、加熱段、均熱段,三段式加熱制度是比較完善的加熱制度,優(yōu)點(diǎn)較多。鋼坯首先在低溫區域進(jìn)行預熱,這時(shí)加熱速度比較慢,溫度應力小,不會(huì )造成危險,等到鋼中心溫度超過(guò)500℃以后,進(jìn)入塑性范圍,這時(shí)就可以快速加熱,直到表面溫度迅速升高到出爐所要求的溫度,加熱期結束時(shí),鋼斷面上還有較大的溫度差,需要進(jìn)入均熱期進(jìn)行均熱,縮小表面與中心的溫度差。

    應當注意的是:加熱制度與加熱爐的爐型并不完全一致,三段式的加熱爐可以通過(guò)人為的調節燒嘴來(lái)變化爐內的溫度分布,從而改變預熱段、加熱段、均熱段在形式上的分布。

    加熱時(shí)間是指在規定的溫度制度下,鋼坯在爐內加熱至達到軋制所要求的溫度時(shí)所必需的時(shí)間。加熱時(shí)間是加熱速度的一種表征,是預熱、加熱和均熱三個(gè)階段時(shí)間的總和。一般連續式加熱爐加熱鋼坯可采用如下經(jīng)驗公式:

    h=cs

    h——加熱時(shí)間,單位:小時(shí)

    s——鋼料厚度,單位:厘米

    c——每厘米厚的鋼料加熱所需的時(shí)間,單位:小時(shí)/厘米

    對于雙面受熱的加熱制度,c值如下

    低碳鋼                                             c=0.050.075

    中碳鋼和低中合金鋼                     c=0.0750.1

    高碳鋼和高合金鋼                         c=0.10.15

    高級工具鋼                                     c=0.150.2

    加熱時(shí)間還與爐內鋼坯的分布有關(guān),同樣的鋼坯,在不同加料步距的情況下,由于受熱面積不同,導致加熱時(shí)間的不同,這一點(diǎn)有時(shí)候顯得非常重要,無(wú)論如何都不能忽略。


    四、 爐壓制度

    爐壓制度也是影響鋼坯加熱速度、加熱質(zhì)量以及燃料利用好壞的重要因素,加熱爐內壓力大小及其分布是組織火焰形狀、調整溫度場(chǎng)及控制爐內氣氛的重要手段之一。

    通常所說(shuō)的加熱爐爐壓是爐內氣體的絕對壓力與爐外大氣壓力的差值,即相對壓力。

    加熱爐爐壓沿爐長(cháng)方向上的分布,隨爐型、燃料燃燒方式及操作制度而異,一般連續加熱爐內的爐壓由出料側向進(jìn)料側遞增,總壓差2040Pa。此外,由于熱氣體的位差作用,使加熱爐內也存在著(zhù)垂直方向的壓差,由下向上遞增,通常的操作溫度范圍內每米爐高的壓差約10Pa。

    爐內壓力的控制基準與要求,為了盡量減少爐內氧化和能量消耗,加熱爐內壓力一般要求控制為零或微正壓。由于加熱爐內各點(diǎn)壓力不同,因此在實(shí)際生產(chǎn)中對爐壓制度的基本要求是保持爐子出料端坯料表面附近的壓力為為零壓或微正壓(比大氣壓高020Pa左右),同時(shí)爐內氣流通暢,并力求爐尾處不冒火。

    爐壓過(guò)高時(shí),將有大量的高溫氣體逸出爐外,不僅惡化了勞動(dòng)環(huán)境,使操作困難,而且縮短了爐子壽命,并造成燃料的大量浪費。


    五、 六軋加熱操作存在的問(wèn)題

    鋼坯加熱效果不一致:由于六軋的軋機能力遠大于加熱爐的能力,因此六軋的生產(chǎn)模式為:快速軋制1爐鋼坯——等鋼溫——快速軋制1爐鋼坯——循環(huán)往復,這種現象在生產(chǎn)220×260的坯料時(shí)顯得十分嚴重,中間等鋼溫的時(shí)間高達近40分鐘/循環(huán),如此造成同一爐的鋼坯在不同溫度下停留的時(shí)間不同,即加熱效果不同,在高溫段停留時(shí)間長(cháng)的鋼坯有表面過(guò)熱的傾向,低溫段停留時(shí)間長(cháng)的鋼坯加熱不透,間隙原子(C、N)不能有效的進(jìn)行擴散,軋制后易形成帶狀組織。

    爐尾加熱溫度偏高:六軋廠(chǎng)在正常加熱時(shí),爐尾的加熱溫度(加熱Ⅰ段)高達1050℃,對將來(lái)開(kāi)發(fā)的高合金鋼的加熱顯然是十分不利的。

    爐壓高:由于加熱爐的能力不足,造成操作人員加大輸入的煤氣和空氣量,加熱爐的熱負荷始終處在最高狀態(tài)。而廢氣排出能力不足,即輸入遠大于輸出,造成爐壓很高,大量的高溫氣體逸出爐外,不僅僅造成煤氣的浪費,同時(shí)畜熱體不能夠很好的利用廢氣進(jìn)行預熱,造成輸入的煤氣、空氣不能很好得到預熱,燃燒極其不充分。如此造成惡性循環(huán)。


    六、 六軋加熱問(wèn)題的解決措施

    (一) 控制出鋼節奏、均勻加熱、均勻出鋼:

    1、 180×220㎜的坯料的出鋼節奏采用80100/支,鋼坯在爐加熱時(shí)間為2.02.5小時(shí)

    2、 220×260㎜的坯料的出鋼節奏采用100120/支,鋼坯在爐加熱時(shí)間為2.53.0小時(shí)。

    3、 加熱時(shí)間應當能夠滿(mǎn)足不等鋼溫的要求,如此,所有鋼坯將獲得同樣的加熱效果,由于加熱均勻且出鋼節奏較為緩慢,加熱爐的熱負荷可適度降低,對爐壓的控制亦有一定的好處。

    (二) 以上措施幾乎不影響產(chǎn)量

    1、 180×220㎜的坯料(坯料重量3.1噸)出鋼節奏平均按90/支、成材率按98%、平均每天生產(chǎn)按23個(gè)小時(shí)(另外1小時(shí)用于設備故障檢修和換規格)計算,每天可生產(chǎn)3.1×98%×23×3600/90=2795噸。

    2、 220×260㎜的坯料(坯料重量4.48噸)出鋼節奏平均按110/支、成材率按98%、平均每天生產(chǎn)按23個(gè)小時(shí)(另外1小時(shí)用于設備故障檢修和換規格)計算,每天可生產(chǎn)4.48×98%×23×3600/110=3305噸。

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