質(zhì)量改進(jìn)項(xiàng)目總結(jié)(脫碳)

1、質(zhì)量改進(jìn)項(xiàng)目研究階段性總結(jié) 重軌鋼坯脫碳加熱工藝優(yōu)化一、 理論分析1、鋼的脫碳鋼在加熱過程中，表面除了氧化燒損外，還會(huì)造成表層內(nèi)含碳量的減少，稱為鋼的脫碳。碳在鋼種以Fe3C的形式存在，它是直接決定鋼的機(jī)械性質(zhì)的成分。例如高碳工具鋼，就是依靠碳獲得高的紅硬性，如果表面脫碳后，鋼的硬度將大為降低。合金鋼中除不銹鋼外大多數(shù)是高碳鋼，除了電工硅鋼要求脫碳外，其它鋼種的脫碳都被認(rèn)為是缺陷，脫碳后最明顯的是硬度下降，抗疲勞強(qiáng)度降低，要淬火的鋼還容易出現(xiàn)裂紋。要清除鋼的脫碳層，勢(shì)必增加額外工作量。防止脫碳是加熱過程的重要問題。1.1 鋼的脫碳過程鋼的脫碳過程是爐氣內(nèi)的H2O、CO2、O2、H2和鋼中的Fe

2、3C反映的結(jié)果，這些反映式如下：Fe3C+H2O = 3Fe+CO+H2 Fe3C+CO2 = 3Fe+2CO 2Fe3C+O2=6Fe+2CO Fe3C+2H2=3Fe+CH4這些成分脫碳能力強(qiáng)弱依次是：H2OCO2O2，H2在一定條件下也能促使鋼脫碳，如硅鋼在濕H2氣氛下脫碳。高溫下鋼的氧化與脫碳是相伴發(fā)生的，但是氧化鐵皮的生成，有助于抑制脫碳，使擴(kuò)散趨于緩慢，當(dāng)鋼的表面生成致密的氧化鐵皮時(shí)，可以阻礙脫碳的發(fā)展。2、 鋼的氧化鋼在高溫爐內(nèi)加熱時(shí)，由于爐氣中含有大量的O2、CO2、H2O，鋼坯的表面層要發(fā)生氧化。而且從鋼坯到成品鋼材往往加熱多次，每加熱一次有0.5%3%的鋼由于氧化而燒損。氧

3、化不僅造成鋼的直接損失，而且鋼氧化后產(chǎn)生的氧化鐵皮堆積在爐底，不僅是耐火材料受到侵蝕。氧化鐵皮還會(huì)影響鋼的質(zhì)量，它在軋制過程中壓入鋼的表面，形成麻點(diǎn)，損害表面質(zhì)量。如果氧化層過深，會(huì)使鋼坯的皮下氣泡暴露，軋后造成廢品，例如現(xiàn)有生產(chǎn)的310乙字鋼，出現(xiàn)的拉裂就與加熱氧化使皮下氣泡暴露無法軋合有一定關(guān)系。氧化鐵皮的導(dǎo)熱系數(shù)比純金屬低，所以鋼表面上覆蓋了氧化鐵皮，有惡化了傳熱條件，降低了爐子生產(chǎn)效率，增加了能耗。因此低氧化或無氧化加熱是鋼坯加熱追求的目標(biāo)。2.1 鋼的氧化過程鋼在常溫下也會(huì)氧化生銹，在干燥條件下，這一氧化過程是很緩慢的；到了200-300，表面會(huì)形成氧化膜，如果濕度不大，這時(shí)氧化還是

4、緩慢的；溫度繼續(xù)升高，氧化隨之加快，到了1000以上，氧化過程開始激烈進(jìn)行；當(dāng)溫度超過1300，氧化鐵皮開始融化，氧化進(jìn)行的更加劇烈；如果以900時(shí)燒損量作為1，則1000時(shí)為2，1100時(shí)為3.5；1300時(shí)為7。氧化的反應(yīng)過程如下：SO2：3Fe+SO2=FeS+2FeOO2： Fe+12O2 = FeO 3FeO+12O2 = Fe3O42Fe3O4+12O2=3 Fe2O3 CO2：Fe+CO2 = FeO+CO 3FeO+4CO2 = Fe3O4+4CO 3FeO+CO2=3Fe3O4+COH2O：Fe+H2O = FeO+H2 3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2 3FeO+H

5、2O=Fe3O4+4H2氧化鐵皮的形成過程也是氧和鐵兩種元素的擴(kuò)散過程，氧由表面向鐵的內(nèi)部擴(kuò)散，而鐵則向外部擴(kuò)散，外層氧的濃度大，鐵的濃度小，生成鐵的高價(jià)氧化物，內(nèi)層鐵的濃度大，而氧的濃度小，生成低價(jià)氧化鐵。所以氧化鐵的結(jié)構(gòu)實(shí)際是分層的，最靠近鐵的是FeO，依次向外是：Fe3O4，F(xiàn)e2O3。爐氣中一般含有O2、CO2、H2O、SO2等氧化性氣體，氧化性的的強(qiáng)弱依次是：SO2>O2>CO2>H2O。3、氧化和脫碳的關(guān)系氧化和脫碳都是氧元素與鋼坯中的有益元素Fe和C發(fā)生了反映。從上面分析可以看出，爐氣中O2、CO2、H2O既參與了脫碳反映，也參與了氧化反應(yīng)。所以脫碳其實(shí)也是加熱

6、爐內(nèi)另一種形式的氧化反映。而這三種氣體是混合煤氣燃燒必然的產(chǎn)物。從以上理論分析和實(shí)踐證明：在一般工藝條件下，最小的脫碳層不是在還原性氣氛下得到的，而是在氧化性氣氛下得到的。因?yàn)橐环矫鏍t氣中O2、CO2、H2O參與氧化反應(yīng)消耗掉了，也就弱化了脫碳能力，其次氧化性氣氛加大氧化燒損程度，也可以使被脫碳的鋼繼續(xù)氧化，從而減少加熱鋼坯的脫碳層厚度。以下實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)：圖1.1 不同氧化氣氛脫碳對(duì)比圖從圖中可以看出隨著預(yù)熱段空氣消耗系數(shù)的增大脫碳層深度在增加，這是因?yàn)?12、13 號(hào)試樣的氧化性氣氛比 11 號(hào)強(qiáng)，加快了鋼坯脫碳的進(jìn)行。但是 12 號(hào)試樣的空氣消耗系數(shù)比 13 號(hào)試樣小，脫碳層深

7、度卻比 13 號(hào)試樣大，這是因?yàn)?13 號(hào)試樣在強(qiáng)烈的氧化性氣氛下，其氧化速度比脫碳速度要大很多，所以其觀察到得脫碳層深度要比 12 號(hào)試樣有所下降。這說明，隨著氧化性氣氛的增強(qiáng)，氧化速度和脫碳速度同時(shí)都在增加，但是到一定的時(shí)候，氧化速度要比脫碳速度更大，這時(shí)，鋼坯的脫碳層深度將下降，但是將明顯加大金屬的損耗。二、 影響脫碳因素分析1、加熱溫度的影響，上面脫碳的反應(yīng)式都是吸熱反應(yīng)，提高溫度有利于促使反應(yīng)向右進(jìn)行，所以加熱溫度越高，脫碳程度越深。隨著溫度升高，碳的擴(kuò)散程度增加，脫碳層厚度增加。但某些鋼種隨溫度升高，鋼的氧化速度增大，低溫下脫碳速度大于氧化速度，到了某一溫度，氧化速度大于脫碳速。例

8、如硅彈簧鋼（60Si2Mn）在1100以前，脫碳層厚度隨溫度升高而很快增加，但超過這一溫度后，脫碳層厚度隨溫度增加又顯著減少，其原因是這時(shí)氧化速度明顯大于脫碳速度，低溫時(shí)的脫碳層明顯被氧化而減少。理論上在加熱過程中可以盡量避開1100附近的溫度范圍，但加熱爐是連續(xù)加熱過程，鋼坯的加熱溫度也不可能出現(xiàn)跳變或躍升，所以實(shí)際生產(chǎn)過程中很難操作。而重軌鋼與彈簧鋼的成分除Si以外比較接近，有可比較和借鑒的意義。見下表2.1：表2.1 不同鋼質(zhì)成分對(duì)照表元素含量鋼質(zhì)CSiMnPSCrNiCu60Si2Mn0.560.641.502.000.600.900.0350.0400.300.300.20U71Mn

9、0.650.760.150.351.101.400.0300.0300.150.100.15U75V0.710.800.500.800.701.050.0300.0300.150.100.15U78CrV0.760.820.700.800.750.820.0250.0250.390.440.100.15結(jié)論：避開某一加熱區(qū)間，實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際連續(xù)生產(chǎn)中是不太現(xiàn)實(shí)的，很難做到。但在高溫區(qū)控制加熱工藝導(dǎo)致氧化速度大于脫碳速度，是行的。2、加熱時(shí)間的影響 ，在低溫條件下，及時(shí)鋼在爐內(nèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，脫碳也并不顯著，但在高溫時(shí)間停留越長(zhǎng)，脫碳越厚。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)見下圖：圖2.1 脫碳層深度與溫度的關(guān)系從

10、圖可以看出，在保溫時(shí)間相同的條件下，脫碳層的深度隨保溫溫度的增大而增加，當(dāng)保溫溫度大于 900時(shí)，鋼坯的脫碳速度將隨保溫溫度的升高而而明顯加快。所以，在實(shí)際生產(chǎn)加熱的過程中，在滿足軋制工藝要求的前提下，應(yīng)盡可能的減小加熱爐內(nèi)的保溫溫度。結(jié)論：我廠加熱爐鋼坯實(shí)際的加熱時(shí)間一般在300min左右，遠(yuǎn)大于實(shí)際要求的正常加熱時(shí)間150min，因此屬于保溫加熱，適當(dāng)降低一加熱段、二加熱段溫度，可以有效的控制脫碳。3、爐氣成分的影響 爐氣成分中的H2O、CO2、O2都能引起脫碳。一般情況下，燃燒過程中不可能大量存在CO、H2，火焰爐內(nèi)的爐氣對(duì)易脫碳的鋼來說都是飽和性脫碳?xì)夥?，即使在敞焰無氧化加熱爐中，仍不

11、能避免脫碳。前面的實(shí)踐證明，最小的脫碳層不是在還原性氣氛時(shí)，而是在氧化性氣氛下得到的。結(jié)論：1）現(xiàn)有工藝條件下，還原性氣氛的加熱條件仍然會(huì)有H2O、CO2、O2等爐氣成分，加熱爐完全避免脫碳是不可能的，而且還原性氣氛造成燃燒惡化，能耗升高，而且未完全燃燒的成分并影響其它加熱段燃燒，不是很好的操作方法。2）結(jié)論1推導(dǎo)出，要真正控制加熱鋼坯脫碳層較低甚至沒有，隔絕加熱氣氛及鋼坯表面噴涂涂料是最直接有效的辦法。4、鋼的成分的影響 鋼中含碳量越高，鋼的脫碳越容易。合金元素對(duì)鋼的脫碳影響不一，鋁、鈷、鎢這些元素能促使脫碳，鉻、錳、硼則減少脫碳，硅雖然可以增加碳在鋼中的活度，從而增加了碳的化學(xué)位，使之從含

12、硅的一邊向不含硅的一邊擴(kuò)散，當(dāng)鋼坯表面被氧化時(shí)，也促使碳向鋼坯表面移動(dòng)，但這一過程非常緩慢，見圖2.2C%0.63.80%Si0.586C%0.50.478C%0.40.315C%0.441C%0.3-1.0-0.50 0.51.0圖2.2 擴(kuò)散偶在1050擴(kuò)散后碳的分布（13天）因此鎳、硅、釩等對(duì)脫碳沒有太大影響。實(shí)際生產(chǎn)過程中U78CrV的脫碳層厚度明顯低于其它鋼種，這就是因?yàn)殂t可以使鋼坯表面形成較為致密的氧化層，阻止鋼坯的脫碳，同時(shí)也惡化鋼坯的除鱗效果。下面為一組為生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)： 表2.2 2013年10月不同鋼質(zhì)脫碳層統(tǒng)計(jì)表品種及規(guī)格鋼質(zhì)加熱時(shí)間（平均）脫碳層（平均）備注60kg/

13、mU71Mn2280.393雙爐60kg/ mU75V2400.349雙爐60kg/ mU78CrV2260.286雙爐136RESS1850.126單爐結(jié)論： 在發(fā)展更高級(jí)別的鋼軌時(shí)，在現(xiàn)有加熱工藝不變的前提條件下，可以優(yōu)化元素組成來獲得鋼軌更薄的脫碳層?；蛘邽榱双@得更好的鋼軌性能，可以利用這一原理對(duì)易脫碳的鋼種有選擇的進(jìn)行鋼坯噴涂。三、 研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及攻關(guān)方向通過以上的理論分析，采取了不同的實(shí)驗(yàn)手段來逐一驗(yàn)證理論與實(shí)踐是否吻合，并找到最佳的加熱制度和方法。1、 控制爐內(nèi)氣氛的試驗(yàn)表3.1 氣氛控制對(duì)脫碳的影響方案序號(hào)氣氛控制鋼坯支數(shù)脫碳層（mm）S0.30.3S0.40.4S0.50.5支

14、數(shù)率支數(shù)率支數(shù)率支數(shù)率1氧-氧-氧11218.2 545.5 218.2 218.2 2氧-氧-還17847.1 317.6 529.4 15.9 3還-還-氧18738.9 844.4 211.1 15.6 4還-還-還191263.2 526.3 210.5 00.0 5中-中-氧25832.0 728.0 520.0 520.0 氣氛控制對(duì)脫碳的影響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

15、氧-氧-氧氧-氧-還還-還-氧還-還-還中-中-氧各段氣氛脫碳率（%）脫碳層（mm） S0.3 率脫碳層（mm） 0.3S0.4 率脫碳層（mm） 0.4S0.5 率脫碳層（mm） 0.5 率圖3.1 爐內(nèi)氣氛與脫碳的關(guān)系表3.2 氧化氣氛與脫碳關(guān)系熔煉號(hào)品種及規(guī)格鋼質(zhì)脫碳層均熱段二加熱段一加熱段加熱時(shí)間（min）E SS0.131.01.01.0200E SS0.151.01.01.0180E SS0.121.01.01.1145E SS0.211.01.051.1160P14302128

16、115RE SS0.11.01.051.05180E SS0.11.01.051.1170E SS0.111.01.051.1182E SS0.121.21.051.1210E SS0.11.01.01.1220E SS0.121.01.01.1190由表3.1、圖3.2 可見，采用方案4“還-還-還”加熱的鋼脫碳層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時(shí)，脫碳層0.4mm可達(dá)到83.3%、89.5%。但采用方案3、4時(shí)，爐頭、爐尾冒火

17、嚴(yán)重，煙氣溫度高，容易造成爐門、換熱器等設(shè)備損壞。從表4可見，采用同一方案，各段空氣過剩系數(shù)不同，其脫碳效果也有差別，既要達(dá)到降低脫碳深度，又要保證設(shè)備安全，方案4實(shí)際上在生產(chǎn)中是不可行的，能耗偏高、設(shè)備損壞嚴(yán)重；因此實(shí)際上優(yōu)選的、可行的方案是方案二，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。表3.2關(guān)于136RE鋼軌生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表也可以看出，氧化性氣氛得到了較低脫碳層的結(jié)果。2、控制加熱時(shí)間的試驗(yàn)通過試驗(yàn)，收集了不同加熱時(shí)間段的脫碳層數(shù)據(jù)，分別見下面圖表，圖一為雙爐生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)，圖二、表二為單爐生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)。圖3.2 脫碳與在爐時(shí)間關(guān)系 加熱時(shí)間與脫碳00.20.40.60.81321481521551

18、59162165168173179182184195210213220232243252334在爐總時(shí)間（min）脫碳層（mm）圖3.4 脫碳與加熱時(shí)間關(guān)系表3.3 在爐時(shí)間與脫碳分類統(tǒng)計(jì)表時(shí)間在爐總時(shí)間150151180181210211240240鋼坯支數(shù)1037221612脫碳層S0.35037.831.862.5250.3S0.42043.231.818.8250.4S0.51010.818.212.541.70.5208.118.26.38.3單從統(tǒng)計(jì)情況來看，脫碳深度與時(shí)間關(guān)系不大，但在對(duì)鋼坯在各爐段內(nèi)的加熱時(shí)間進(jìn)行分析后，可明顯看出，鋼坯加熱時(shí)間越短，尤其是在高溫段時(shí)間越短，脫碳

19、層0.3和0.4的比例越高，總的加熱時(shí)間超過240min，脫碳層快速惡化。因此以240min作為加熱時(shí)間的控制分界點(diǎn)也基本與實(shí)驗(yàn)室300min的控制點(diǎn)吻合。當(dāng)然由于生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，實(shí)際中由于各種原因造成的待軋不可能隨意控制在高溫區(qū)停留時(shí)間，一旦出現(xiàn)停軋要迅速判斷停軋時(shí)間，并立即待軋降溫。3、控制加熱溫度相關(guān)實(shí)驗(yàn)本次試驗(yàn)溫度按表3.4控制，實(shí)際溫度執(zhí)行情況見圖6，各段溫度下，脫碳層分布見表8。表3.4 高速軌加熱溫度制度（）均熱段爐溫二加熱段爐溫一加熱段爐溫預(yù)熱段爐溫122012701240130011501200950表3.5 鋼坯加熱溫度與脫碳分布情況（%）脫碳層（mm）一加熱段溫度二加熱段溫

20、度均熱段溫度115011511175117612001200124012411260126112801280124012411255125612701270S0.320.039.342.90.066.742.939.336.866.730.046.545.50.3S0.440.025.031.7100.00.028.631.136.833.335.020.954.50.4S0.540.017.915.90.033.321.414.821.10.027.514.00.00.50.017.99.50.00.07.114.85.30.07.518.00.0從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)看，很難發(fā)現(xiàn)加熱溫度與脫碳有直接

21、的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是因?yàn)檎＜訜峁に嚄l件下，一支鋼從進(jìn)爐到出爐要經(jīng)過以上三個(gè)加熱段，每一段的加熱都可能引起脫碳，這一過程相互影響，非常復(fù)雜，每一只鋼的加熱時(shí)間也不同，很難掌握脫碳到底在哪一段占主要因素，但有一個(gè)趨勢(shì)可以看出，出爐溫度越低，脫碳層厚度越低。這是因?yàn)檎Ｉa(chǎn)時(shí)，鋼坯在均熱段停留的時(shí)間最短，降低在高溫區(qū)停留的時(shí)間可以降低脫碳與理論驗(yàn)證也基本吻合，因此現(xiàn)在雙爐生產(chǎn)的情況下加熱時(shí)間及均熱時(shí)間完全滿足生產(chǎn)條件下，而鋼坯加熱時(shí)間不可控的情況下適當(dāng)降低爐溫應(yīng)是控制脫碳的有效途徑。4、噴涂的相關(guān)實(shí)驗(yàn)1）材料性能及噴涂方式北京科技大學(xué)的高溫納米加熱爐涂料理化指標(biāo)如下：耐火度1810，密度2.0kg/c

22、m3，粘度197mm2/s，粒度納米級(jí)10%、0.15微米90%。涂料采用噴涂的方式，由于本次涂料攪拌時(shí)間長(zhǎng)，涂料較稠，采用噴槍噴涂的過程中噴嘴發(fā)生堵塞，因而在噴涂幾根后，采用了滾刷進(jìn)行涂刷，涂刷層較厚。在涂刷的過程中，對(duì)鋼坯表面溫度進(jìn)行了檢測(cè)，其中，P10604416的表面溫度約為80左右，P10604441表面溫度約110左右，有個(gè)別鋼坯表面溫度達(dá)到了140左右，涂料刷上后出現(xiàn)起泡，補(bǔ)刷后涂層很厚2）加熱工藝本次試驗(yàn)鋼加熱時(shí)間較短，各爐鋼平均在爐時(shí)間和各段平均在爐時(shí)間見表3.6表3.6鋼坯加熱時(shí)間熔煉號(hào)平均在爐時(shí)間平均均熱段加二段加一段預(yù)熱段6044164:180:360:530:402:

23、096044414:241:311:220:311:006044354:210:372:000:441:00平均4:210:581:180:381:27本輪試驗(yàn)采用了常規(guī)氣氛控制，在加熱過程中，由于加熱能力已夠，加熱一段未供熱，其實(shí)際氣氛控制見表3.7。表3.7加熱爐各段氣氛控制情況爐別均上均下加二上加二下1爐1.301.001.001.002爐1.201.001.001.003）實(shí)驗(yàn)結(jié)果按試驗(yàn)方案，本輪共取80個(gè)樣進(jìn)行了踏面和圓弧脫碳情況檢測(cè)，其中，兩爐東端全部刷涂料38個(gè)樣，西端未刷涂料20個(gè)樣，涂料稀釋后刷10支，同時(shí)對(duì)中間未刷涂料的兩爐任取共12個(gè)樣，脫碳情況見表3.8。表3.8 脫碳

24、層對(duì)比試驗(yàn)情況脫碳情況刷涂料未刷涂料踏面圓弧踏面圓弧東端西端（未刷）東端西端（未刷）平均0.050.270.070.420.210.23最大0.460.460.570.830.240.37最小00.1400.160.160.15(0.3)合格率95.837595.832010091.7從表4可見，本輪試驗(yàn)刷涂與未刷涂料的爐號(hào)脫碳層合格率（0.3mm）都較高，分別達(dá)到95.83%和100%。但從同一支鋼東西端脫碳情況來看，可明顯發(fā)現(xiàn)涂料對(duì)鋼坯脫碳的保護(hù)作用。表3.9是同一支鋼東西段踏面和圓弧脫碳情況。表3.9 同一鑄坯東西端（涂刷與否）脫碳層對(duì)比序號(hào)鑄坯號(hào)脫碳層（mm)踏面圓弧東端西端（未刷）東

25、端西端（未刷）1P1060441610100.140.030.472P1060441610200.20.050.353P1060441610400.2500.324P106044162020.050.160.030.285P1060441620400.220.250.386P1060441630100.2700.327P1060441650200.280.160.488P1060441660100.260.070.359P1060441660200.2400.3710P1060441660400.2800.4411P1060444120100.290.150.5212P106044412040

26、.360.460.570.8313P1060444130100.2500.614P106044413040.460.290.170.3215P1060444140400.3300.5616P1060444150100.3600.2517P1060444150400.350.050.6118P1060444160100.2700.5119P1060444160300.160.180.1620P106044416040.030.360.180.25平均脫碳深度（mm）0.05 0.27 0.09 0.42 最大脫碳深度(mm)0.460.460.570.83最小脫碳深度(mm)00.1400.16脫碳層0.3mm比例（%）907595204）除鱗效果 圖3.5 噴涂鋼坯鋼坯出加熱爐狀況 圖3.6 涂料鋼坯除鱗狀況結(jié)論：鋼坯表面進(jìn)行噴涂不僅在別的鋼軌廠和實(shí)驗(yàn)室取得較好的效果，氧化燒損減少20-30%（我廠08年、09年的試驗(yàn)也得到相同的數(shù)據(jù)），脫碳層厚度降低30%，而且在我廠也取得了滿意的實(shí)驗(yàn)效果，但此次試驗(yàn)采取的的人工涂刷，涂層均勻穩(wěn)定，在后面繼續(xù)試驗(yàn)使用在線噴涂機(jī)效果要差一些，這與涂料的粘性、顆粒度、噴涂方式、噴嘴位置等因素有直接影響，所以大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用還