弹簧钢脱碳优化控制实践

供稿|张艳军，谭贝，毛赟 / ZHANG Yan-jun, TAN Bei, MAO Yun

内容导读

脱碳层的厚度是评价弹簧钢性能的一个重要指标。中天特钢第六轧钢厂双蓄热高炉煤气加热炉受烧嘴形式所限，在炉内很难获得均匀可控的炉内气氛，同时受限于粗轧机的生产能力无法采用低温加热工艺来抑制弹簧钢表面脱碳。文章在分析弹簧钢产生脱碳的原理的基础上，通过确定更优的加热温度、调整加热炉的相关参数、控制加热时间等手段控制弹簧钢在加热过程中脱碳层的产生，并取得了较为理想的效果。

脱碳的影响因素

钢中含碳量和加热炉炉气之间的碳势差是加热过程中钢表面产生脱碳的根本动力。当双方之间的碳势差越大时，钢在加热过程中的脱碳倾向越大；碳势差越小脱碳倾向越小。而加热时间是决定加热过程中钢表面产生的脱碳层厚度的另一关键因素。

炉气氛围对脱碳的影响

加热炉内不同的气体对钢的脱碳影响是不同的。工业加热炉内主要的气体有CO、CO2、O2、N2、H2、CH4、H2O等，其中脱碳能力最强的介质是H2O，其次是CO2与O2；而CO和CH4则会抑制钢的脱碳。图1所示为60Si2MnA表面脱碳随炉气内CO含量变化的情况，实验加热温度为1100℃，加热时间为60 min。

加热温度对脱碳的影响

图2 为60Si2MnA中碳势、炉气碳势(CO质量分数为96.77%)和两者碳势差在不同加热温度下的变化。图3为60Si2MnA在CO质量分数为96.77%的炉气内加热60 min，不同加热温度下的脱碳层厚度。

从图中可以看出：随着温度的升高，炉气的碳活度不断降低，但降低速率不断减小；60Si2MnA中的碳活度也呈逐渐降低的态势，降低速率以1150℃为界先减小后增大；碳势差以1150℃为界先增大后减小。

实际生产中往往采用低温加热来控制脱碳，但由于弹簧钢质地硬，变形困难，低温轧制对粗轧机组的能力要求很高。中天特钢第六轧钢厂受限于粗轧机组的能力，在大规模生产中很难将加热温度降低到1080℃以下。因此，本文介绍了高温随炉加热实验，将加热炉高温段加热温度控制在1220~1250℃，验证高温加热对脱碳的影响。

弹簧钢脱碳控制实践

加热炉相关控制参数的调整

由于加热炉为步进式高炉煤气双蓄热加热炉，这种加热炉受限于烧嘴的形式，炉内的气氛很难特别均匀，很容易形成局部氧化性气氛或还原性气氛。针对这种情况，首先在不改变煤气、空气压力的情况下，将空气阀门开度减小至60%~70%，拉长火焰。将换向周期从原来的90 s，缩短到了45 s。经过调整后，炉内气氛的均匀度有了明显好转。

高温防脱碳工艺验证

钢加热温度与脱碳层深度直接相关。当加热温度在1220~1250℃时，加热炉内碳势差相对处于较低水平，有利于脱碳控制。采用60Si2MnA弹簧钢标样随炉加热的方式，验证高温加热工艺的有效性。由于实验测得的标样脱碳层厚度是相当于坯料在加热过程中产生的脱碳厚度。因此，需要将该厚度用公式折算成不同规格成品的脱碳层厚度。

◆ 钢坯脱碳层厚度与成品脱碳层厚度的折算公式

假设钢坯出炉时脱碳层厚度为H，成品脱碳厚度h，假设出炉后钢坯的脱碳厚度不会再变化，依据体积不变定律，则两者脱碳厚度关系如下：

式中，h为成品脱碳厚度；H为坯料脱碳厚度；R为成品半径；B为坯料厚度；W为坯料宽度；L为坯料长度；l为成品长度。

两者简化，则

即在成品规格一定的条件下，成品脱碳厚度与坯料的宽度、厚度成反比，与坯料的脱碳厚度成正比。

◆ 实验步骤

选用我厂生产的48圆60Si2MnA作为试验材料，分别跟随轴承钢和20管钢坯的加热生产进行试样的加热实验(加热条件见表1)，并选取试样横截面的组织进行金相分析(图4)，注意试样焊接方向应与钢坯长度方向垂直，避免试样检测面正对加热炉烧嘴。

◆ 实验结果与分析

实验表明，1220~1250℃高温长时间加热试样a、b都没有全脱碳，只存在部分脱碳层，可以验证在1220~1250℃的加热温度下氧化性的加热气氛内可以较好地控制弹簧钢表面的脱碳层厚度。

优化加热时间

正常连续生产过程中，在保证生产节奏的前提下减小成品脱碳，可根据不同钢种生产要求及其钢种特性要求，采用适当布炉方式来减少坯料的加热时间，以分批进炉为例，验证分批进炉对脱碳控制的效果。

表1 标样加热试样加热条件对比

◆ 实验内容

以生产55Cr3φ26 mm规格产品为例，采用分批入炉的方法，对当天生产的55Cr3钢坯进行入炉排布。55Cr3加热工艺如表2所示。

均热段和加热一段为高温加热区域，在此温度范围内脱碳最为严重[1]，生产时应尽量减少钢坯在此区间的加热时间，特别是长时间停台时，钢坯不能停在均热段和一加段，中天特钢第六轧钢厂步进式加热炉四个加热段长度如图5所示。

其中均热段总步数：21步；加热Ⅱ段总步数：21步，这两段为高温加热段。

由于55Cr3需要锯切下线，生产效率低，导致炉内钢坯加热时间长，使得脱碳层加深，根据计算，对于φ26 mm的成品，中天特钢第六轧钢厂大冷床容量为12支钢坯，故本实验决定采用12支钢坯一组进行间隔布料。

表2 55Cr3加热工艺

12支钢坯锯切下线所需用时约70 min，φ26 mm规格产品的出钢节奏为105 s。所以，每批间的空步数应为40步，小于高温段的总步数42步，此时当第一批钢坯轧完后，第二批钢坯已经进入高温段，如果上一批钢在锯切过程中出现故障，此时下一批钢将不好处理。而且经过测算220 mm×260 mm断面坯料在高温段加热45~50 min即可烧透。综合考虑后确定两批坯料之间空52步。当上一批坯料轧完后，下一批坯料仍处于加热Ⅰ段的中间部位，处于低温区间。该批坯料步进时无需按照105 s的步进周期，可以视上一批的锯切情况，灵活调整步进周期，将高温段加热时间控制在55~70 min之间。

◆ 实验结果分析

对采用分批入炉的55Cr3取样进行脱碳分析，并和常规入炉批次进行对比，结果如表3。

由表3可知，常规入炉的55Cr3由于等锯切热停时间长，部分批次加热时间长，导致脱碳层深度超标，并且存在严重全脱碳层(图6)。因此，采用分批入炉的批次，脱碳明显改善。

表3 分批入炉55Cr3脱碳实验结果

结束语

(1) 高温加热(1220~1250℃)能够有效减少脱碳。双蓄热式加热炉由于降温困难，实际生产中如遇到故障停台，可以采用此方法来控制脱碳；

(2) 不同规格的坯料加热所需的时间与坯料的厚度成正比，而成品表面脱碳层厚度与坯料断面积成反比；

(3) 实际生产中，由于生产计划和坯料、交货期等因素的限制，部分脱碳敏感的钢种需要长时间加热，可以合理的改变入炉方式，减少加热时间，达到减少脱碳的目的。