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=Fe3O42Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3CO2:Fe+CO2=FeO+CO3Fe+4CO2=Fe3O4+4CO3FeO+CO2=Fe3O4+COH2O: Fe+ H2O=FeO+H23Fe+4H2O=Fe3O4+4H23FeO+H2O=Fe3O4+H2SO2:3Fe+SO2=FeS+2FeO1.1.3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+H2Fe3C+CO2=3Fe+2CO2Fe3C+O2=6Fe+2COFe3C+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。

如图二图二1.3.2过热的现象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，如图三。

加热温度越高，加热时间越长，这种晶粒长大的现象就越明显。

图三1.3.3影响过热的因素（1）加热温度的影响加热温度越高，加热时间越长，晶粒过分长大，钢的机械性能下降，加工时容易产生裂纹。

（2）加热时间的影响钢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）合金元素的影响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钢的过烧1.4.1钢过烧的概念钢加热到比过热更高的温度时，钢的晶粒长大，氧进入了晶粒之间的间隙，使金属发生氧化，使钢在进行压力加工过程中裂开。

1.4.2钢过烧的特征当钢加热到比过热更高的温度时，不仅钢的晶粒长大，晶粒周围的薄膜开始融化，氧进入了晶粒之间的间隙，是金属发生氧化，又促进了它的熔化，导致晶粒间彼此结合力大为降低，塑形变坏。

1.4.3影响过烧的因素（1）加热温度的影响钢在加热炉中加热的温度过高，加热的时间过长，钢越容易发生过烧现象，如表二。

（2）炉内气氛的影响炉气的氧化能力越强，氧化性气体越容易扩散到金属中去，更易使晶粒间氧化或局部熔化，产生过烧现象。

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预防钢的氧化影响氧化的因素已如上述，其中成分是固定的因素，加热温度是根据加热工艺所要求的。

这类因素对于氧化铁皮的生成属于不可调节的因素。

因此，要减少氧化烧损量主要是从加热时间、炉内气氛控制两方面着眼。

2.1.1快速加热减少钢在高温区域的停留时间，使加热炉的生产能力与轧机的能力相适应。

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，避免长时间停留炉内轧机。

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，不使炉气中有大量过剩空气，降低炉气中自由氧的浓度。

同时主义适时调节炉膛内压力，保持微正压操作，避免吸入大量冷空气，炉子应经尽可能严密。

2.1.3使用保护气层在炉子出料端烧嘴下面，用管子送入保护气体（发生炉煤气等），使钢坯表面处于还原性气层的覆盖之下，还原性气体则在炉子的加热段烧掉。

但这种方法不能完全避免钢的氧化，而且恶化了传热条件，多以没有得到广泛的应用。

2.1.4采用保护涂料在钢的表面涂上一层保护性涂料，如黏土、煤粉，把钢与炉气隔开减少氧化，但这样增加了热阻，对传热不力。

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，再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这是在热处理炉上用得比较多的一种方法，一般是通过两种办法来实现，一是采用带有马弗罩的马弗炉，二是采用辐射管。

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，炉气再外面加热马弗罩，罩子再把热传给被加热物，罩内还可以通保护气体。

辐射管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。

2.1.6敞焰无氧化加热这种方法简单易行，方法的实质是使高发热量燃料（如焦炉煤气、天然气、液体燃料等）在炉内分阶段直接燃烧。

在高温下将产生大量不完全燃烧产物，由于存在这样多的还原性气体，氧化作用显著下降。

2.2预防钢的脱碳前述减少钢的氧化的措施基本适用于减少脱碳，减少脱碳主要从加热温度和调节控制炉内气氛两方面入手。

2.2.1快速加热钢坯在加热炉中对钢进行快速加热，从而缩短钢在高温区域停留的时间，达到出炉温度后，立即出炉开轧。

例如易脱碳钢的加热最好采用步进式炉，因为它可以控制钢坯再高温区的停留时间。

2.2.2正确选择加热温度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，所以要正确选择加热温度，避开易脱碳钢的脱碳峰值范围。

2.2.3调节和控制炉内气氛在保证完全燃烧的前提下，适当调节和控制炉内气氛，对易脱碳钢应使炉内保持氧化气氛，使氧化速度大于脱碳速度等。

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

2.3预防钢的过热钢的过热产生的主要原因取决于加热温度和加热时间。

所以想要预防钢的过热，必须掌握好加热温度和钢在高温区域停留的时间。

2.3.1调节加热温度和时间想要预防钢的过热就是在钢中加热一些合金元素，因为合金元素大多数是可以减小晶粒长大趋势的，只有碳、磷、锰会促进晶粒的长大。