CN103506380A - 一种降低高碳弹簧带钢脱碳层厚度的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种降低高碳弹簧带钢脱碳层厚度的生产方法，主要包括冶炼、连铸、热装、加热 、轧制、层流冷却和卷取，连铸坯采用热装入炉，入炉温度500~600℃；加热时间200~220分钟，预热段炉温950~1100℃；一加热段1150~1250℃，时间45~65分钟；二加热段1280~1330℃，时间35~50分钟；均热段1240~1270℃，时间35~40分钟；炉内还原气氛为煤气与空气的混合气体，一加热段空气过剩系数0.85~0.95，二加热段为0.8~0.9，均热段为0.7~0.8；精轧六道次，每道次压下率14%~30%；层流冷却速度＞23℃/s。采用本发明生产的高碳弹簧带钢(规格：2.5~3.55mm)不会出现全脱碳现象，脱碳层厚度在0.02mm以内，达到ASTM A232-90水平；该方法完全满足工业化生产要求，用于大生产可有效降低生产成本。

Description

一种降低高碳弹簧带钢脱碳层厚度的生产方法

技术领域

本发明属于带钢生产技术领域，尤其涉及一种降低高碳弹簧带钢脱碳层厚度的生产方法。

背景技术

弹簧钢的表面脱碳是影响最终弹簧产品疲劳寿命的重要因素, 一旦表面产生全脱碳层或较厚的部分脱碳层，在后道淬火工序中，表面脱碳所形成的贫碳组织达不到所要求的硬度和强度，在交变应力作用下易萌生表面裂纹, 引起弹簧早期失效。另外表层不同部位淬火时膨胀系数不同，产生应力，致使全脱碳层与部分脱碳层之间过渡区产生微裂纹，这些可见的或不可见的裂纹在应力作用下迅速发展，引起弹簧的失效断裂。因此降低脱碳层厚度对提高弹簧钢产品质量至关重要。

脱碳包括碳原子从钢材内部向表面扩散及其在钢材表面与炉气中的氧化性气体发生反应两个过程。从碳的扩散角度来看，脱碳层厚度主要取决于钢中含碳量与炉气碳势的差异，当炉气的碳势低于钢中含碳量时，钢表面碳原子与炉气发生反应，生成的含碳气体离开钢表面，使钢表层碳含量降低，表面和内部形成碳的浓度梯度，成为碳扩散的驱动力，在表面形成脱碳层。所以对于高碳弹簧钢而言，脱碳倾向性较大，故控制脱碳层厚度是其生产的关键要素。

降低钢坯脱碳层厚度一直是冶金工作者需要解决的重要课题。有的冶金工作者在钢坯表面涂保护涂层防止钢坯脱碳。例如，《轧钢》1996年第四期“高碳钢放脱碳保护涂层研究”一文报道，在表面涂保护层可使脱碳合格率提高20%。另外专利CN1127789、CN1510089和CN102312065A也公开了一种防止钢铁材料加热脱碳的涂料，可有效地降低脱碳层厚度。但是这种涂保护层的方法不适应于钢铁工业大规模生产，并且生产成本和人工劳动强度过高。

目前，通常采用的方法是控制加热炉内的气氛、加热时间和加热温度。例如，在“降低钢轨脱碳层深度的研究”、“降低帘线钢脱碳层厚度的技术研究”等文章，以及专利CN102212673A中均介绍了通过调节加热炉气氛、加热时间和加热温度方法来降低脱碳层厚度的方法，但由于钢轨和线材的生产工艺与板坯不同，故无法应用于连铸板坯的生产。

而专利CN1438334A公开了一种防止高碳钢坯或钢锭脱碳的加热方法。该加热方法是在整个加热过程中采用强氧化气氛加热钢坯或钢锭，空气过剩系数（空气与燃料，如煤气、重油等的比值）为1.2~1.4。这种方法使钢坯或钢锭表面产生大量的氧化铁皮，造成钢铁成材率降低，易在钢板轧制过程中形成表面缺陷。

专利CN101195853A公开了一种防止高碳带钢坯脱碳的加热方法。该方法在加热过程中采用微正压、弱氧化气氛加热钢坯，缩短了加热时间，减少了钢坯在高温区域的停留时间，钢坯在炉时间控制在65~95分钟。这种方法生产的钢坯加热速度过快，在炉时间过短，但钢坯无法烧均、烧透，轧制过程不稳定，极易出现卡钢事故，同时这种加热工艺与其它钢种差异较大，严重影响生产节奏，大大提高了生产成本，不适宜大生产应用，另外实施例中得到钢板（规格为3.3mm）的脱碳层厚度分别为0.033和0.05mm，仍超过美国弹簧钢标准ASTM A232-90（不得有全脱碳层，钢板厚度d≤4.88mm时，部分脱碳层深度≤0.025mm，d＞4.88mm时，部分脱碳层深度≤0.038mm）要求的脱碳层厚度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术所存在的不足，提供一种适宜大生产、其脱碳层厚度可达到美国弹簧钢标准ASTM A232-90的高碳弹簧带钢的生产方法。

本发明降低高碳弹簧带钢脱碳层厚度生产方法的工艺流程包括：铁水预处理→转炉冶炼→LF或RH精炼→钙处理→板坯连铸→热装→加热→轧制→层流冷却→卷取→检验→入库→堆垛缓冷。

本发明生产方法的特点是：

1）热装

连铸坯采用热装入炉方式，钢坯入炉温度在500~600℃。

2）加热

自开始预热至出炉的加热时间控制在200~220分钟，

各阶段的温度和时间控制为：

预热段炉温控制在950~1100℃，

一加热段炉温控制在1150~1250℃，加热时间控制在45~65分钟，

二加热段炉温控制在1280~1330℃，加热时间控制在35~50分钟，

均热段炉温控制在1240~1270℃，均热时间控制在35~40分钟；

炉内的还原气氛为煤气与空气的混合气体，其中一加热段至均热段的空气过剩系数为：一加热段的空气过剩系数为0.85~0.95，二加热段的空气过剩系数为0.8~0.9，均热段的空气过剩系数为0.7~0.8。

对于高碳钢而言，1100℃左右属于钢坯脱碳敏感温度，即在1100℃以前脱碳层厚度随温度的增加而很快增大，但超过1100℃后脱碳层厚度随着温度的增加而显著降低，因为脱碳层只有在脱碳速度超过氧化速度时才能形成，当氧化速度很大时，可以不发生明显的脱碳现象，即脱碳层产生后铁即被氧化而成氧化铁皮。

本发明将预热段温度控制在950~1100℃，因预热段属于强氧气氛，可显著提高氧化速度，避免脱碳层的产生，有效的避开脱碳敏感期；在进入加热和均热段以后，为了进一步避免脱碳层，本发明选择快速加热的生产工艺，限制加热时间，但高碳钢的导热系数小，因而在加热时容易形成较大的内外温差，钢坯内部产生较大的热应力，从而使钢坯出现裂纹甚至断裂，所以本发明降低了不同加热段间的温度差，同时适当降低了一加热段的加热速度，以保证加热的均匀性。

当空气过剩系数过小时，燃烧产物中会出现H2，从而形成潮湿的H2O，钢坯脱碳速度随着含水量的增加而增大；当空气过剩系数过大时，由于形成的氧化皮多，可阻碍碳的扩散，可减小脱碳层的深度，但氧化铁皮过厚会使钢坯成材率过低，增加生产成本，而且氧化铁皮过多易使轧制阶段除鳞不净，导致轧制成品出现麻点等表面缺陷。所以本发明在加热和均热段采用弱还原性气氛控制。

3）轧制

精轧采用六道次轧制，每道次压下率控制在14%~30%。

在轧制过程中钢材表面产生的脱碳称为二次脱碳。二次脱碳也是带钢表面脱碳的重要影响因素。由于钢坯在粗轧阶段承受大压下量的变形，产生的形变热可使钢坯自身的温度升高，相当于对轧件进行二次加热，促进了轧件表面碳原子的扩散，从而导致钢材表面脱碳层厚度增加，而在精轧阶段虽然中间坯压下量较大，但受到机架间冷却水的影响，钢板表面经过冷却抵消了二次加热的影响，故本发明针对性地降低了粗轧阶段每道次的压下率，精轧采用六道次轧制，每道次压下率控制在14~30%范围内，以减少二次脱碳层的产生。

4）层流冷却

层流冷却采用前段快冷，将冷却速度控制在23℃/s以上。

钢板从终轧到相变完成的层流冷却阶段的脱碳是由冷却速度决定的。冷速低时，在高温段停留时间长，此时碳原子有更多时间向表层扩散，与氧化性气氛结合，造成脱碳程度进一步加剧。而提高冷速后，不仅有效的减少了高温段停留时间，而且降低了钢板轧制过程表面最高温度，从而有效的降低脱碳层的厚度，故本发明层流冷却采用前段快冷的方法，并将冷速控制在23℃/s以上。

本发明根据高碳弹簧钢板坯加热和轧制过程中脱碳层形成的规律，按照产品脱碳层厚度的技术要求，重新设计了加热炉不同阶段板坯的加热温度、时间以及空气过剩系数等参数；在轧制过程，利用中间坯变形量与钢坯表面温度、层流冷却强度与带钢表面温度的关系，重新设计了压下率和层流冷却速度等参数。

采用本发明技术生产的高碳弹簧带钢不会出现全脱碳现象，脱碳层厚度可控制在0.02mm以内，达到（ASTM A232-90）国际先进水平；该方法完全满足工业生产控制要求，可广泛应用于大生产，从而降低了生产成本。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例板坯的成分见表1。

表1  本发明实施例板坯的化学成分（wt%）

实施例	C	Si	Mn	P	S
						1	0.83	0.17	0.39	0.015	0.003
2	0.87	0.18	0.39	0.015	0.001
						3	0.80	0.19	0.41	0.011	0.003
4	0.86	0.21	0.39	0.013	0.001
						5	0.83	0.22	0.39	0.015	0.002

本发明实施例将上述成分的连铸坯在500~600℃温度范围内热装入炉，在炉时间控制在200~220分钟，加热到1240～1270℃，经轧制得到的钢板厚度为2.5~3.55mm。本发明实施例各加热段炉温、在炉时间、气氛控制和轧制压下率等参数见表2~表5，带钢的脱碳层厚度见表6。

表2  本发明实施例热装及各加热段炉温 （℃）

实施例	热装温度	预热段	一加热段	二加热段	均热段
						1	520~540	970~990	1190~1210	1280~1300	1250~1270
2	560~580	990~1010	1180~1200	1290~1310	1255~1270
						3	510~530	980~1000	1220~1240	1280~1300	1243~1263
4	550~570	1040~1060	1210~1230	1310~1330	1246~1266
						5	570~590	1060~1080	1210~1230	1300~1320	1240~1260

表3  本发明实施例各加热段及总在炉时间（min）

实施例	一加热段	二加热段	均热段	总在炉时间
					1	59	49	36	209
2	49	45	34	202
					3	45	46	37	218
4	59	47	39	209
					5	58	39	40	205

表4  本发明实施例各加热段空气过剩系数

实施例	一加热段	二加热段	均热段
				1	0.89	0.84	0.75
2	0.91	0.85	0.76
				3	0.93	0.87	0.76
4	0.87	0.84	0.77
				5	0.85	0.88	0.79

表5  本发明实施例粗轧每道次压下率(%)及层流冷却速度(℃/s)

实施例	一道次	二道次	三道次	四道次	五道次	六道次	层流冷速
								1	14.75	17.48	21.18	25.43	27.63	29.32	26.7
2	15.32	17.73	20.81	25.87	27.86	28.98	23.8
								3	14.64	17.63	21.78	26.32	27.75	29.54	24.8
4	14.87	17.54	21.63	25.77	27.74	29.63	25.2
								5	15.21	17.49	21.63	25.82	27.85	29.79	25.7

表6  本发明带钢及脱碳层厚度

实施例	钢板厚度，mm	脱碳层厚度，mm	脱碳层厚度百分比，%
				1	3.55	0.016	0.45
2	2.5	0.008	0.32
				3	2.6	0.008	0.31
4	2.8	0.008	0.29
				5	3.0	0.008	0.27

Claims (1)

1.一种降低高碳弹簧带钢脱碳层厚度的生产方法，包括以下工艺流程：铁水预处理→转炉冶炼→LF或RH精炼→钙处理→板坯连铸→热装→加热 →轧制→层流冷却→卷取→检验→入库→堆垛缓冷，其特征在于连铸坯采用热装入炉方式，入炉温度为500~600℃；加热过程中自预热至出炉的加热时间控制在200~220分钟，各阶段的温度和时间控制为：预热段炉温950~1100℃；一加热段炉温1150~1250℃，加热时间45~65分钟；二加热段炉温1280~1330℃，加热时间35~50分钟；均热段炉温1240~1270℃，均热时间35~40分钟；炉内还原气氛为煤气与空气的混合气体，其中一加热段的空气过剩系数为0.85~0.95，二加热段的空气过剩系数为0.8~0.9，均热段的空气过剩系数为0.7~0.8；精轧采用六道次轧制，每道次压下率为14%~30%；层流冷却采用前段快冷，冷却速度＞23℃/s。