钢坯加热缺陷的产生及预防分析

钢坯加热缺陷的产生及预防分析

摘要：钢一般都要进行热加工和热处理，以获得较高的韧性或其他特殊性能。在热轧生产中，必须将金属或坯加热到一定的温度，使它具有一定得可塑性，才能进行轧制。即便是采用冷轧工艺，也往往需要对金属进行热处理。但是，加热温度过高，反而会导致钢的机械性能的恶化，甚至造成材料的报废。钢的这种现象不仅在经过高温加热的钢材中经常出现，而且也在钢锭、铸钢或焊接件中常常遇到。目前我国一些轧钢厂，生产的薄弱环节常常出在加热炉上，因此本文就是讨论对加热缺陷的产生及预防，研究此论题可提高生产率,加热质量和降低燃料消耗量，以至于更好地解决实际生产中的问题。

关键字：缺陷产生、产生缺陷原因、缺陷预防

前言：在钢铁行业不断发展的今天，我国冶金工业和机械工业仍有相当多的产品因为加热缺陷而报废，而钢材一般都要进行热加工或热处理以获得较高的韧性或其他特殊性能，因此，避免或最大程度地减少金属材料的氧化、脱碳、过热、过烧现象的发生，是摆在我们面前的一个重大的问题。

1加热缺陷的类型

金属在加热过程中，加热炉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。这些缺陷严重影响金属的加热质量，重则造成废品。

1.1金属的氧化

1.1.1钢的氧化

钢材在加热炉内加热时，由于炉气中含有大量O2、CO2、H2O等，钢材的表面层要发生氧化，产生氧化铁皮，如图一。氧化不仅造成钢的直接损失，而且氧化后产生的氧化铁皮堆积在炉底部分，使耐火材料受到侵蚀，影响炉体寿命。

图一

1.1.2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℃上，表面会生成氧化膜，氧化过程是炉气内的氧化气体（O2、CO2、H2O、SO2）和钢的表面层的铁进行化学反应的结果。

铁氧化的反应式如下：

O2:

3FeO+1/2O2=Fe3O4

2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3

CO2:

Fe+CO2=FeO+CO

3Fe+4CO2=Fe3O4+4CO

3FeO+CO2=Fe3O4+CO

H2O: Fe+ H2O=FeO+H2

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2

3FeO+H2O=Fe3O4+H2

SO2:3Fe+SO2=FeS+2FeO

1.1.3影响氧化的因素

（1）加热温度的影响

在850℃到950℃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，钢的氧化烧损越多，碳钢在不同加热温度下，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使氧化增加，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，也可能反而使氧化铁皮减少。

（3）炉气成分的影响

火焰炉的炉气成分决定于燃料成分，空气消耗系数，完全燃烧与否；根据对金属氧化程度的影响，炉气可分为：氧化性气氛、中性气氛、还原型气氛；如表一。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，即要控制它们的浓度来防止氧化是困难的。

表一气体成分与钢的烧损率

（4）钢的成分的影响

随着钢中含碳量的增加，钢的烧损率有所下降，因为钢中的碳氧化，部分生成CO，它阻碍了氧化性气体的作用，但是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；这些元素本身也能被氧化，而且比铁的氧化倾向还大，但它们在钢的表面生成一层非常薄而致密的氧化膜，这层合金成分氧化物构成的膜成了钢的保护膜，使钢的氧化速度大为降低，外部的氧化性介质不易透入。

1.2钢的脱碳

1.2.1脱碳的定义

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，它是直接决定钢的机械性能的成分。

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。这些反应式如下：

Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2

Fe3C+CO2=3Fe+2CO

2Fe3C+O2=6Fe+2CO

Fe3C+2H2=3Fe+CH4

根据以上所列的方程式，可以看出这些成分中的H2O的脱碳能力最强，其余依次是CO2、O2、H2。他们在一定条件下也能促使钢脱碳，如硅钢片在湿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。

1.2.3影响脱碳的因素

（1）加热温度的影响

上述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，脱碳程度越深，随着温度的升高，碳的扩散速度增加，脱碳层厚度也增大，但某些钢种随着温度的提高，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，氧化速度将大于脱碳速度。

（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，一些易脱碳钢不允许长时间在高温下保温待轧，遇有故障停轧不能出钢，如时

间过长应把炉内钢胚退出炉外。

（3）钢的成分的影响

钢中含碳量越高，钢的脱碳越容易，合金元素对脱碳的影响不一，易脱碳的钢种主要有碳素工具钢、模具钢、硅弹簧钢、滚珠轴承钢、高速钢等。

（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钢的过热

1.3.1过热的概念

钢的的过热是指钢在加热时温度超过临界温度A C3（GS线），造成钢温过高的现象。如图二

图二