CN107475492B - 一种控制易切钢表面高温硫化缺陷的加热方法 - Google Patents

Abstract

一种控制易切钢表面高温硫化缺陷的加热方法，属于轧钢技术领域。工艺步骤：采用连铸150方和200方铸坯生产，控制加热炉加热工艺：预热段加热温度控制在850‑900℃，加热时间20‑30min；加热一段温度控制在1000‑1100℃，加热时间20‑30min；加热二段温度控制在1150‑1250℃，加热时间30‑40min；均热段温度控制在1200‑1250℃，加热时间20‑30min；加热炉采用平焰式的方式；控制燃气介质的质量；控制燃气水含量5‑8g/m³。优点在于，对钢坯的加热工装提出了要求，适合高线生产车间进行易切钢线材和棒材的开发，将易切钢12L14表面缺陷率降低至1％以下。

Description

一种控制易切钢表面高温硫化缺陷的加热方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，特别是提供了一种控制易切钢表面高温硫化缺陷的加热方法，对钢坯的加热工装提出了要求，适合高线生产车间进行易切钢线材和棒材的开发，提高材料的表面质量，满足中高端用户的需求。

背景技术

表面质量一直是长材品种开发的重中之重，良好的表面质量是线材品种进入中高端市场的门槛，对于易切钢表面质量同样重要，用户一方面为降低拉拔过程的断丝率，另一方面还要保证钢丝的合格率，对原始盘条的表面质量中尺寸精度、椭圆度、裂纹缺陷等等有严格的要求，本发明提供了一种控制易切钢表面高温硫化缺陷的加热工艺技术方法，主要用来解决加热过程中铸坯表面氧化缺陷问题，提高盘条深加工性能。

金属材料遇到高温含S气氛中暴露，或者加热，都会发生高温硫化腐蚀，尤其在钢厂的加热环节，加热过程是一个综合了传热、烧损等物理化学变化的过程，由于燃烧介质一般有高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气等等，其中含有H2S和H2，很容易在加热的高温条件下发生高温硫化腐蚀，产生低熔点的FeS-FeO低熔点的共晶体，在后期的高压除鳞过程中很难去除，导致轧制后表面结疤、翘皮等缺陷的产生，如图1所示。长期以来，钢厂对于这种结疤和翘皮的研究和关注，主要集中在铸坯本生的皮下缺陷，尤其对于易切钢也属于低碳钢种，钢水氧含量和可浇性的矛盾一直存在，为保证连铸过程的顺利浇注，钢水氧含量不能够控制的过低，否则很容易出现水口堵塞和套眼，在这种情况下，铸坯皮下很容易出现皮下气泡，轧制过程出现结疤和翘皮。首钢在生产该类产品过程中，前期就是通过控制连铸可浇性和铸坯皮下气泡，来提高易切钢的表面质量，而且顺利将这一技术思路在冷镦钢、焊丝产品的开发上，但是一直没有解决小翘皮的问题。济源钢铁和南京钢铁为消除铸坯带入的缺陷对轧后线材表面质量的影响，采用了两火成材的技术，但是线材的表面质量提升的效果不佳。这些尝试都说明在解决易切钢表面小结疤和小翘皮方面，没有对其产生的机理有一个准确的认识。

高温硫化其机理和钢在氧或者H2-H2O中的高温氧化机理相似，即在高温硫化时，在钢的表面生产硫化物。在这方面北京科技大学何业东技术团队，在继承石油化工行业管道高温硫化腐蚀研究思路的前提下，根据朱日彰和王才荣教授发明高温硫化模拟实验装备，将高温硫化在钢铁生产过程中的工况相结合，提出钢铁材料加热过程中的高温硫现象，对钢厂生产指导意义重大。但是关于高线生产行业，尤其是对加热环节进行相关的研究鲜有报道。

对在高线厂生产易切钢线材或者棒材过程中，高温硫化发生在加热炉中，即铸坯在加热炉加热的同时，铸坯表面和炉气接触同时发生高温氧化和高温硫化的过程。目前高线厂的加热炉采用的大多是蓄热式和简单平焰式的加热方式，蓄热式加热炉可以以热值较低的高炉煤气为燃烧介质，但是由于受蓄热温度不稳定和燃气介质热值低的影响，加热炉的残氧控制相对较高，很容易导致合金钢的加热表面缺陷产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制易切钢表面高温硫化缺陷的加热方法,提高低碳钢盘条表面质量。对钢坯的加热工装提出了要求，适合高线生产车间进行易切钢线材和棒材的开发，将易切钢12L14表面缺陷率降低至1％以下。

本发明在大量基础实验的前提下，研究了易切钢的加热过程表面氧化增重曲线特性，同时通过EPMA、能谱、波普对大量缺陷进行了缺陷微区的成分富集分析，提出了铸坯加热过程的高温硫化腐蚀是导致易切钢小结疤、小翘皮的主要原因。并对加热炉气氛环境下硫势、氧势进行了计算，验证了高温硫化腐蚀热力学条件和化学反应动力学。具体工艺步骤如下：

(1)采用连铸150方和200方铸坯生产，控制加热炉加热工艺：预热段加热温度控制在850-900℃，加热时间20-30min；加热一段温度控制在1000-1100℃，加热时间20-30min；加热二段温度控制在1150-1250℃，加热时间30-40min；均热段温度控制在1200-1250℃，加热时间20-30min。

由于易切钢富含Pb、S、Cu、P等低熔点成分，易切钢的加热必须保证其后期轧制的顺行，防止在轧制过程这些元素导致的晶界弱化和轧制开裂，出现头部劈裂。对于易切钢；来说其开裂的敏感区间在930-1150℃，考虑到轧制过程每道次达的温降在8-10℃，这就要求开轧温度必须在这一敏感温度以上100-150℃。

所以易切钢的加热温度较高，分为四段加热，第一段为预热段，加热温度在850-900℃，保证在这一温度区间钢坯有一个较快的加热速率。加热一段，温度较高控制在1000-1200℃，保证较大的加热能力，保证钢坯在900-920℃的铁素体向珠光体的转变区间稳定加热，加热时间控制在20-30min。加热二段，温度更高，必须在易切钢晶界裂纹敏感以上100-150℃，加热时间控制在30-40min。加热二段之前的加热时间上的控制，严格根据易切钢的加热特性控制，保证加热的深度控制在2mm/min,根据本发明150或者200方的坯型控制时间。均热段加热工艺是保证钢坯心表温差控制在10-15℃之间，保证轧制过程钢坯的均匀塑性变形，保证轧制尺寸精度和表面质量，加热温度控制在1200-1250℃。

(2)加热炉采用简单平焰式的方式，控制加热炉煤气燃烧效率吨钢燃耗0.8-0.9GJ，采用空气煤气双预热，空气预热温度350—400℃，煤气预热温度控制在300-350℃，提高燃烧效率，烟气残氧控制在1.8-2.0％；

加热炉的选择对于生产品种钢的产线非常关键。钢厂加热炉大多是蓄热式加热炉和简单平焰式加热炉。蓄热式加热炉可以以钢厂热值较低的高炉煤气为燃气介质，热值1200大卡，但是对于控制加热炉的气氛是非常困难的，很关键的因素就是燃气介质和蓄热温度、燃烧效率和烟气气氛。受限于蓄热温度低的情况下，燃气燃烧不充分，导致的烟气残氧含量低，就会导致合金钢氧化铁皮出现低熔点共晶产物，譬如高Si钢、高Ni钢、高Cr钢、高S钢，对于易切钢其S含量在0.3％左右，很容易产生FeS·FeO的共晶产物，其熔点在910℃左右。

另一方面，在易切削钢基体中，原本存在大量的MnS夹杂物，在高氧势环境中，根据S与O在元素周期表中的位置关系，MnS会发生式1中的反应，此外，钢中固溶的[Mn]也会在高温、高氧势的条件下被大量氧化，最终在氧化铁皮中余下MnO质点。

2MnS(s)+O2(g)＝2MnO(s)+2S 式1

反应1完成后，会生成大量的单质S，在氧化前沿，O与S向基体内部扩散，二者与基体中Fe作用的机理相似。S的熔点低，聚集之后，会沿着晶界等势能低的缺陷位置流动，势必会在此发生反应，生产含有FeS的产物。

简单平焰式的加热方式对于控制加热炉气氛是相对容易的，其燃气介质要求控制在高热值的焦炉煤气3900-4100大卡。通过双预热的方式提高燃气的燃烧效率，空气预热温度350—400℃，煤气预热温度控制在300-350℃，保证燃气介质的充分燃烧，残氧含量控制在1.8-2.0％，降低烟气的氧分压，控制氧化铁皮中共晶产物产生。

(3)控制燃气介质的质量，H₂S指标控制在0.07-0.08g/m³，降低烟气的高温硫化倾向。

本发明重点解决的是易切钢加热过程的高温S化缺陷问题，高温S化的机理是，在含有H₂S和H₂的燃气介质，很容易在加热的高温条件下发生高温硫化腐蚀，产生低熔点的FeS-FeO低熔点的共晶体，在后期的高压除鳞过程中很难去除，导致轧制后表面结疤、翘皮等缺陷的产生。

本发明中遇到的高温硫化腐蚀主要有以下两种形式：

Fe+H₂S＝FeS+H₂ 式2

7Fe+3SO₂＝3FeS+2Fe₂O₃ 式3

煤气中富含H₂S，在硫分压10^-2atm的情况下，很容产生Fe+H2S＝FeS+H2反应的进行，温度越高，反应越激烈。

7Fe+3SO₂＝3FeS+2Fe₂O₃反应的进行，取决于燃气介质的氧势和硫势的差异。

铸坯在加热过程中，随着氧化前沿不断向基体内部扩展，氧势逐渐降低，相反由于燃气介质和钢表面的反应，S含量在表面不断积累，缺陷处的硫势增加，在合适的条件下，外界O的供给速度小于S的积累速度，导致在某些S聚集位置，FeS生成。根据FeO-FeS相图可知，实验条件下生成的FeO(左侧纵坐标)、FeS(右侧纵坐标)均为固态，然而，伴随O、S与基体继续反应，FeO与FeS会发生反应，生成相图中熔点为910℃的Fe·FeO-FeS的液相，这些液相产物会沿着晶界流动，最终形成SEM中观察到的沿晶界FeO-FeS产物。

(4)控制燃气水含量5-8g/m3,降低烟气的氧化性。

高温下，水蒸气不但是一种强氧化性的气氛，而且其能够破坏氧化铁皮表层的致密性，容易造成点蚀。

Fe+H₂O＝FeO+2[H] 式4

3Fe+4H₂O＝Fs04+8[H] 式5

2Fe+3H₂O＝Fe2O₃+6[H] 式6

水蒸气分子在氧化膜表面吸附分解为O^2-和H⁺，分解出的H以比O快得多的扩散速度向氧化膜中溶解渗入。H使次表层中氧化铁分解，生成的Fe²⁺和Fe³⁺向氧化膜/气体界面扩散，与扩散途中或表面的O相遇而生成Fe₃O₄。因而一旦初始的氧化铁皮形成了允许H2O分子通过的微裂纹、微通道等缺陷，铸坯在湿氧中的氧化便会加速，氧化的温度越高，形成缺陷的孕育期就越短，氧化就越快进行，对材料的影响就越大。

所以必须保证燃气介质中水蒸气的含量，通过增加冷冻脱水装置，采用钢厂53℃的湿煤气，先进入气气换热器壳程，与经过冷冻水冷却后的干煤气热交换，以回收一部份冷量，被预冷至45℃，然后煤气进入水气换热器壳程，与从制冷机组来的管程内7℃冷冻水热交换，将煤气冷却到10℃脱水后，再进入气气换热器与进工段的湿煤气热交换后，复温至40℃出厂。两个热交换器中的冷凝水经过煤气排水器排出。以此达到生产工艺对燃气水含量的要求。

本发明的优点在于，从易切钢盘条产生表面小翘皮的根本原因出发，结合高线生产工艺的实际，创新性提出高温硫化腐蚀缺陷的技术思路，并对加热工艺、燃气介质条件、加热设备选型提出具体符合实际的要求，非常适用于高线厂在生产含S易切钢时的工艺制定，对现场具有一定的指导意义。

附图说明

图1盘条小翘皮高温硫化缺陷图。

具体实施方式

实施例1

1、本发明开发12mm易切钢12L14易切钢盘条中得到应用，提出一种控制易切钢表面高温硫化缺陷的加热工艺方法，工艺步骤如下：

(1)采用连铸150方铸坯生产，控制加热炉加热工艺：预热段加热温度控制在850-900℃，加热时间20min；加热一段温度控制在1000-1050℃，加热时间20min；加热二段温度控制在1150-1200℃，加热时间30min；均热段温度控制在1200-1250℃，加热时间20min。

(2)加热炉采用简单平焰式的方式，控制加热炉煤气燃烧效率，采用空气煤气双预热，空气预热温度350℃，煤气预热温度控制在300℃，提高燃烧效率，烟气残氧控制在2.0％；

(3)控制燃气介质的质量，H2S指标0.08g/m3，降低烟气的高温硫化倾向。

(4)控制燃气水含量8g/m3,降低烟气的氧化性。

实施例2

本发明在开发30mm易切钢12L14易切钢棒材中得到应用，提出一种控制易切钢表面高温硫化缺陷的加热工艺方法，工艺步骤如下：

(1)采用连铸200方铸坯生产，控制加热炉加热工艺：预热段加热温度控制在850-900℃，加热时间30min；加热一段温度控制在1050-1100℃，加热时间30min；加热二段温度控制在1200-1250℃，加热时间40min；均热段温度控制在1200-1250℃，加热时间30min。

(2)加热炉采用简单平焰式的方式，控制加热炉煤气燃烧效率，采用空气煤气双预热，空气预热温度400℃，煤气预热温度控制在350℃，提高燃烧效率，烟气残氧控制在1.8％；

(3)控制燃气介质的质量，H2S指标0.07g/m3，降低烟气的高温硫化倾向。

(4)控制燃气水含量5g/m3,降低烟气的氧化性。

Claims (1)

1.一种控制易切钢表面高温硫化缺陷的加热方法，所述的易切钢是指含Pb易切钢12L14，其特征在于，工艺步骤如下：

(1)采用连铸150方和200方含Pb易切钢12L14铸坯生产，控制加热炉加热工艺：预热段加热温度控制在850-900℃，加热时间20-30min；加热一段温度控制在1000-1100℃，加热时间20-30min；加热二段温度控制在1150-1250℃，加热时间30-40min；均热段温度控制在1200-1250℃，加热时间20-30min；

(2)加热炉采用平焰式的方式，控制加热炉煤气燃烧效率吨钢燃耗0.8-0.9GJ，采用空气煤气双预热，空气预热温度350—400℃，煤气预热温度控制在300-350℃，烟气残氧控制在1.8-2.0％；

(3)控制燃气介质的质量，H₂S指标控制在0.07-0.08g/m³，降低烟气的高温硫化倾向；

(4)控制燃气水含量5-8g/m³,降低烟气的氧化性。