钢坯加热缺陷的预防措施

加热缺陷的产生与预防摘要：金属坯在轧制和锻造前要进行加热，主要是为了提高金属的塑性，使金属锭坯或坯内外温度均匀，改变金属的结晶组织。

金属的加热质量直接影响到轧制的质量、产量、能源消耗和轧机的寿命，在加热过程中可能出现的加热缺陷会影响锭坯质量，及时找出造成缺陷的原因与预防缺陷产生极其重要。

本论文研究和讨论的就是加热时产生的缺陷、产生缺陷的原因，以及预防的措施。

研究本课题能更好的解决实际生产过程中遇到的问题，从而提高钢的质量，提高产量，提高生产效率，降低生产成本，增加效益。

关键字：加热缺陷产生，产生原因，预防措施前言在钢铁行业不断发展的今天，竞争愈演愈烈，所以为了获得更好效益就必须提高钢材质量，降低生产成本。

在生产过程中就要避免各种缺陷的产生，降低原材料，能源等的消耗，提高成材率，提高产品质量，这样才能在竞争激烈的市场经济中占据一席之地。

1加热缺陷的类型在加热过程中，炉子的温度和气氛必须调整得当，如果操作不当，会出现各种加热缺陷，如氧化、脱碳、过热、过烧等。

这些缺陷影响金属的加热质量，重则造成废品。

1.1钢的氧化1.1.1氧化的概念钢在高温炉内加热时，由于炉气中含有大量的O2、CO2、H2O，钢的表面层要发生氧化，生成致密的氧化物积累下来形成氧化铁皮。

氧化不仅会造成钢的直接损失，而且氧化产生的氧化铁皮堆积在炉底上，特别是实炉底部分，不仅腐蚀耐火材料，影响炉体寿命。

氧化铁皮如图1图11.1.2氧化铁皮的生成钢在常温下也会氧化生锈，在干燥的条件下，这一氧化过程是很缓慢的；到了200到300度，表面会生成氧化膜，但如果湿度不大，这时氧化比较慢的；温度继续升高，氧化的速度也随之加快，到了1000℃以上，氧化过程开始激烈进行；当温度超过1300℃以后，氧化铁皮开始熔化，氧化进行得更加剧烈；如果以900℃时烧损量为1，则1000℃为2，1100℃时为3.5，1300℃时为7。

温度和氧化烧损的关系如表1；表1铁氧化的反应式：O2:Fe+1/2O2=FeO3Feo+1/2O2=Fe3O42Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3 CO2:Fe+CO2=FeO+CO3Fe+4CO2=Fe3O43Fe+CO2=Fe3O4+CO H2O:Fe+H2O=FeO+H23Fe+4H2O=Fe3O4+4H23FeO+H2O=Fe3O4+H2 SO2:3Fe+SO2=FeS+2FeO1.1.3影响氧化的因素（1）加热温度的影响根据实际生产和实验得知钢在850-900℃以下，铁的氧化速度很小，1000℃上则急剧上升。

因为随着温度的升高，各成分的扩散加快，超过1300℃后，表面的氧化铁皮熔化，扩散的阻力减小，氧化速度大大增加。

（2）加热时间的影响在同样的条件下，加热时间越长，钢氧化烧损量越多。

碳钢（C=0.3%）在不同加热温度下，开始时氧化铁皮随时间的增长比较快，而后逐渐减缓，这是因为开始形成氧化铁皮后，阻碍了扩散。

但是氧化铁皮并不是很致密的，不能完全防止继续氧化。

所以还是应当尽可能缩短加热时间。

例如提高炉温可能会是氧化增加，但如果能实现快速加热，反而可能使烧损由于加热时间的缩短而减少。

又如钢的相对表面越大，烧损也越大，但如果由于受热面积增大而使加热时间缩短，也能反而使氧化铁皮减少。

（3）炉内成分的影响火焰炉的炉气成分决定于燃料成分，空气系数、完全燃烧与否，炉气成分对氧化的影响很大。

根据对于金属氧化程度的影响，炉气可分为：氧化性气氛、中性气氛、还原性气氛。

炉气中一般含有O2、CO2、H2O、SO2等氧化性气体，氧化性最强的是SO2，依次是O2、H2O和CO2。

如表2表2O2是过剩空气带入的，应当在保证完全燃烧的前提下，尽量减少过剩空气量。

CO2及H2O在高温下对钢的氧化都很厉害，但这两组反应都是可逆的，增大CO及H2的浓度，可以使反应向左进行，即能防止钢的氧化。

一般正常工作的炉子，炉内气氛都是氧化性的，不可能有大量CO及H2，亦即要控制他们的浓度来防止氧化是困难的。

判断炉内气氛究竟是还原性还是氧化性，可以借助于平衡常数和平衡曲线。

例如反应Fe+CO2=FeO+CO,在1000℃时，平衡常数K P=2.48,即（CO）/(CO2)=2.48时，氧化和还原作用处于动态平衡状态，这时钢既不氧化也不还原。

当炉气中（CO）/(CO2)<2.48时，为了趋向平衡达到K P=2.48,CO2将使Fe氧化成FeO,使CO浓度增加，即反应向右进行，使钢发生氧化。

当（CO）/(CO2)>2.48时，反应向左进行，钢不会氧化。

可见是否发生氧化，取决于CO和CO2的相对含量，而不是它们的绝对值。

同样，对于H2O-H2气氛，也要看平常数K P=(H2)/(H2O)的值。

硫在炉气中主要以SO2存在，也有燃烧不完全的H2S等。

含硫炉气会加速金属的氧化，因为SO2与氧化铁能生成低熔点的FeS(熔点只有1190℃)使氧化铁皮更容易熔化，氧化过程加剧。

（4）钢的成分的影响钢的成分的影响主要是对氧化铁皮构造的影响。

合金元素如Cr、Ni、Si、Al、Mn、V等，都能够提高钢的抗氧化性能。

耐热钢能够抗高温下的氧化，就是利用了他们能生成致密而且机械强度很好，不易脱落的氧化膜，例如铬钢、铬镍钢、铬硅铝钢等，在高温下都有很好的抗氧化性能。

1.2钢的脱碳1.2.1脱碳的概念钢在加热过程中，表面除了被氧化烧损外，还会造成表层内含碳量的减少，称为钢的脱碳。

碳在钢中是以Fe3C的形式存在的，它是它是直接决定钢的机械性质的成分。

1.2.2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反应的结果，这些反应式：Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2Fe3C+CO2=3Fe+2CO2Fe3C+O2=6Fe+2COFe3C+2H2=3Fe+CH41.2.3影响脱碳的因素（1）加热温度的影响上述反应式中所列的脱碳反应都是吸热反应，提高温度有利于促使反应向右进行，所以加热温度越高，脱碳过程越深。

随着温度的升高，碳的扩散速度增加，脱碳层厚度也增大。

（2）加热时间的影响在低温条件下，即使钢在炉内时间较长，脱碳并不显著但高温下停留的时间越长，则脱碳层越厚。

（3）钢的成分的影响钢中含碳量越高越容易脱碳。

合金元素对碳钢的影响不一，铝、钴、钨这些元素能促使脱碳，铬、锰、硼则减少钢的脱碳，镍、硅、钒对脱碳没有什么影响。

（4）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，火焰炉内的炉气对易脱碳钢来说都是饱和性脱碳气氛，即使在敞焰无氧化加热炉中，仍不能避免钢表面的脱碳。

实践表明，最小的脱碳层不是在还原气氛时，而是在氧化气氛下得到的，但钢在氧化气氛下加热的烧损大。

1.3.1概念钢的的过热是指，钢在加热时温度超过临界温度A c3，造成钢温过高的现象。

1.3.2过热的主要特征如果钢的加热温度超过了临界温度A c3，钢的晶粒就开始长大，晶粒粗化是过热的主要特征。

（钢的组织如图2）图21.3.3影响钢过热的因素（1）加热温度在加热段温度过高，均热段时间过长。

晶粒长大的现象显著，如果晶粒过分长大，钢的机械性能会下降加工时会产生裂纹。

（2）加热时间锭坯在加热炉高温段停留的时间越长钢坯的温度就会越高，这样晶粒就会越大，当晶粒过大时钢的机械性能就会下降加工时就会出现裂纹。

（3）合金元素钢中的合金元素会影响钢的加热温度和加热时间，从而间接影响晶粒的成长，影响钢的机械性能。

1.4.1钢过烧的概念过烧就是当钢在高温下，在强烈氧化介质中加热时，氧渗透到钢内杂质集中的晶粒边界，使晶界开始氧化和部分熔化，形成脆皮严重破坏晶粒间连结的现象。

1.4.2钢过烧的特征当钢加热到比过热更高时，不仅钢的晶粒长大，晶粒周围的薄膜开始熔化，氧进入了晶粒之间的间隙，使金属发生氧化，又促进了其的熔化。

过烧会导致晶粒间彼此结合力大为下降，塑性变坏，这样钢在进行压力加工过程中就会裂开。

过烧的钢用退火的无法挽救，只有回炉重新熔炼。

过烧特征如图3图31.4.3影响过烧的因素（1）钢的加热温度过高，加热时间过长；（钢的含碳量和最高加热温度和理论过烧量关系如表3）表3含碳量（%）最高加热温度（℃）理论过烧温度（℃）0.1 1350 14900.2 1320 14700.5 1250 13500.7 1180 12800.9 1120 12201.1 1080 11801.5 1050 1140（3）钢的化学成分对过烧也有影响。

低碳钢及中碳钢过烧的可能性小，合金钢特别是合金工具钢，各种高碳钢都有较大的过烧危险性，其中又以含铜钢最易过烧。

2加热缺陷的预防在实际生产过程中加热缺陷的产生会影响金属的质量，严重会造成废钢，降低了生产效率，提高了生产成本，降低了效益，所以在生产过程中应该尽量避免加热缺陷的产生。

防止缺陷产生有如下方法：2.1预防钢的氧化在加热过程中要想减少氧化烧损量主要要从加热时间、炉内气氛控制两方面着手。

2.1.1快速加热减少钢在高温区域的停留时间，钢坯在炉温较高的炉内快速加热，达到出炉温度后，马上出炉开轧，避免长时间停留在炉内待轧。

2.1.2控制炉内气氛在保证完全燃烧的前提下，控制适当的空气消耗系数。

炉内不能有大量过剩空气，降低炉气中自由氧的浓度。

同时注意适时调节炉膛内压力，保持微正压操作，避免吸入大量的冷空气，炉子应尽可能严密。

2.1.3使用保护气氛使钢坯表面处于还原性气层的覆盖之下。

在炉子出料端烧嘴下面，用管子送入保护气体（如发生炉煤气、液体燃料的裂化产物等）。

2.1.4采用保护材料在钢的表面涂上一层保护性涂料。

在钢的表面涂上粘土、煤粉，把钢与炉气隔开减少氧化，不过这样增加了热阻对传热不利。

国外试验采取以气态或液态随燃料向炉内加入有机硅化合物、有机铝化合物或有机硼化合物，它们热分解后生成的硅、铝、硼由于和氧的亲和力强，在金属表面形成稳定的氧化膜，能防止金属的氧化和脱碳。

2.1.5使钢料与氧化性气氛隔绝使钢料与氧化性气氛隔绝的方法：一采用带有马弗罩的马弗炉，二是采用辐射管（1）马弗炉是使被加热的钢料在金属或陶瓷制的马弗罩内加热，炉气在外面加热马弗罩，罩子再把热传给被加热物，罩内还可以通保护气体。

马弗罩可以用石墨、碳化硅或耐热合金制成，型式有许多种。

这种加热方式主要用于热处理炉上，小型的用于零件的热处理，大型的可用于带钢、薄板的退火。

（2）辐射管式炉型式也很多，基本的特点是燃料不是在炉膛空间内燃烧，而是在金属的辐射管内燃烧，将辐射管加热到高温，然后依靠辐射管把热辐射给被加热的钢料。

炉内也可以通保护性气体。

这种加热方式因为钢完全不与火焰接触，能有效的防止氧化。

2.1.6敞焰无氧化加热让高发热量燃料在炉内分两阶段直接燃烧。

让高发热量燃料（如焦炉煤气、天然气、液体燃料等）在炉内分两阶段直接燃烧：第一阶段（加热段）燃料在空气不足的条件下燃烧（n=0.5—0.55），在高温下将产生大量不完全燃烧产物（CO12%—16%,H215%—17%）。