CN114164329B - 一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，涉及钢铁生产技术领域，包括以下步骤：S1、装炉：320×480矩形坯采用热送热装工艺，并提高热送钢坯温度；S2、不供热段预热：通过紧邻的预热段烧嘴调节，使温度控制在750～850℃；S3、布料：调整炉内钢坯间距调整；S4、供热段：重新对高碳铬轴承钢坯进行热平衡计算，调整各段供热能负荷，出炉后轧制成规格Ф50～100mm的圆钢。在满足相关产品标准和技术协议要求的前提下，有利于提升对高温扩散时间有要求的高碳铬轴承钢的加热生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁生产技术领域，特别是涉及一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺。
背景技术
高碳铬轴承钢广泛应用于航天、风电、高铁、汽车、家电等几乎所有装备制造业。在上述制造和使用场景中，钢材均需进行热处理，除了对钢中纯净度有严格的要求以外，对成分和组织均匀性的要求也很高。
高碳铬轴承钢中C（0.95%～1.05%）和Cr（1.40%～1.65%）含量很高，属于平衡分配系数较小（易偏析）的元素，且凝固过程两相区长，偏析很难控制，且连铸过程中，钢坯的凝固过程不可能在平衡状态下完成，大断面也不具备瞬时冷却凝固的条件，所以连铸坯中不可避免地存在枝晶偏析现象。如果枝晶偏析在后续的加热过程中没有得到充分扩散，大块状的碳化物溶解程度不够，残留的共晶碳化物会在轧制过程中破碎并形成沿轧制方向分布的三角/块状碳化物液析，如果加热的效果仅考虑使大块共晶碳化物溶解，而忽略了C、Cr元素的均匀扩散，在轧制过程中这些高溶质元素区域就会被拉长成带，析出高密度碳化物颗粒形成带状。严重的碳化物液析和碳化物带状会成为最终零件的疲劳失效源进而影响其使用寿命。为降低轴承钢中偏析程度，除了合理控制连铸过程的凝固条件，还需通过加热炉高温长时间保温加热，使偏析元素的到充分扩散均匀。
目前，国内特钢厂普遍采用步进梁式加热炉生产高碳铬轴承钢，坯料定位后通过装钢机送入炉内。在炉内进行加热的钢坯通过步进梁的运动从入炉侧送到出炉侧，步进梁的运动轨迹是一个矩形轨迹。步进梁运动由水平运动和垂直运动组成。水平运动和垂直运动过程中的速度是变化的，其目的在于保证水梁垫块以较低的速度接触钢坯（即轻抬轻放）和步进梁水平运动慢速启停，防止对步进机构产生冲击和震动。当钢坯较长时间停在炉内时，要求步进梁停在中位与固定梁同一标高或进行踏步，以避免钢坯变形弯曲和黑印加重。正常生产时，步进梁停在后低位。钢坯被加热到轧制要求温度和时间，出钢炉门打开，出钢机将钢坯托出放在出料辊道上，将钢坯送入轧线进行轧制。
步进梁式加热炉基本以高炉煤气、高焦混合煤气或高焦转混合煤气为燃料，结合蓄热式燃烧技术对钢坯进行加热，沿炉长方向分分段分区进行炉温控制，以满足高碳铬轴承钢坯料加热温度、温差的要求。以一座43米长×12米宽的加热炉举例说明：生产高碳铬轴承钢大方坯时，采用双排装料，钢坯从进入加热二段开始计算高温时间，加热二段和均热段作为高温段，一次装料待温支数为54支，当来料数量大于54支情况下，超出的坯料只有在其他段停等，只有等待前54支坯料达到保温时间要求开始连续出钢后，进入加热二段重新开始计算高温扩散时间，效率较低。在这种静态加热生产模式下，预热段温度一般按850～1000℃控制，加热一段按1020～1220℃控制，加热二段按1200～1250℃控制，均热段按1200～1240℃控制，预热段和加热一段部分烧嘴在这种工况条件下处于关闭状态。
上述生产方式主要存在以下缺点：
（1）当一批高碳铬轴承钢连铸坯来料超过54支，超出部分较少时，会出现加热二段和均热段布料不满的情况，此时仍按一次静态加热保温安排，将造成效率的损失和资源浪费；
（2）轧钢加热炉的上游工序设备处理能力和工艺水平大幅提高，以前道工序连铸为例，高碳铬轴承钢连浇炉数由6炉增加至12炉，理论上一批来料支数将增加近一倍；以后道轧制工序为例，KOCKS三辊轧机投用，轧制节奏加快，从而对轧钢加热炉的产能提出了更高的要求。
因此，需从系统角度联合上下游工序协同制订加热工艺，充分利用各段加热能力，开发一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，在满足客户高质量要求及高端市场需求前提下，达到加热工艺科学、经济的效果。
发明内容
本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，包括以下步骤：
S1、装炉：320×480矩形坯采用热送热装工艺，并提高热送钢坯温度；
S2、不供热段预热：通过紧邻的预热段烧嘴调节，使温度控制在750～850℃；
S3、布料：调整炉内钢坯间距调整；
S4、供热段：重新对高碳铬轴承钢坯进行热平衡计算，调整各段供热能负荷，出炉后轧制成规格Ф50～100mm的圆钢。
本发明进一步限定的技术方案是：
前所述的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，步骤S1，实际连铸坯切割过磅后，快速用夹具吊入专用保温车内并转运至轧钢厂原料跨，确保装炉时钢坯表面温度在600℃以上，此时钢坯心部温度至少在650℃，进而使钢坯具备后续快速升温的初始条件。
前所述的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，步骤S2，预热段的空气、煤气均采用小型两位三通换向阀实现段内分散换向控制，实现一个换向阀带上、下两个烧嘴的布置模式。
前所述的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，步骤S3，钢坯在炉内的最佳间距范围为0.3～0.7倍坯料厚度。
前所述的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，步骤S3，钢坯间距按100mm操作。
前所述的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，步骤S4，高碳铬轴承钢坯静态保温加热时，采用预热、加一、加二、均热四段供热，预热段温度按900～1200℃控制，加热一段按1150～1230℃控制，加热二段按1210～1240℃控制，均热段按1200～1240℃控制。
前所述的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，步骤S4，钢坯从进入加热一段开始计算高温扩散时间，相当于高温段物理区间延长。
前所述的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，其化学成分按质量百分比计为：C：0.95%～1.05%、Si：0.15%～0.35%、Mn：0.25%～0.45%、Cr：1.40%～1.65%、P≤0.025%、S≤0.025%，余量为铁。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过合理分配、充分利用各段加热能力，保证每支钢坯的有效加热扩散时间，在轴承钢内部碳化物不均匀性满足要求的前提下，有效增加一次静态加热连续出钢支数，合理释放加热炉产能；
（2）本发明步骤一中，高碳铬轴承钢由于成分特点，导热性比低碳和低碳合金钢差，冷却和加热过程钢坯内外温差会造成内应力增加，在预热过程中有产生内裂或“鸟巢”缺陷的风险，已有研究表明当钢坯温度≥500℃时，就已具备一定的塑性可以缓解内部的应力，但装炉温度不能过高，在700～900℃（对应高碳铬轴承钢Acm线附近）范围内装炉，坯料的表面和角部有出现开裂的风险；确保装炉时钢坯表面温度在600℃以上，根据瞬态传热计算，此时钢坯心部温度至少在650℃。进而使钢坯具备后续快速升温的初始条件；
（3）本发明步骤二中，一个换向阀带上、下两个烧嘴的布置模式，可以随时改变不供热段的长短，通过换向阀的双切断作用，达到控制不供热段炉温的要求，保证钢坯在该段行进过程中升温至约800℃，高碳铬轴承钢坯已具备足够的塑性，可以进入预热段进行快速加热；
（4）本发明步骤三中，当按最佳间距范围的下限100mm操作，钢坯的吸热效率为间距120mm时的96%以上，因此布料间距按100mm控制；
（5）本发明中320×480mm高碳铬轴承连铸矩坯一次静态加热支数最多可以有原先的54支增加支90支，加热生产效率最高可提升60%以上；在预热段和加一段待温的钢坯对应轧材，均满足标准和协议的要求，尤其是碳化物不均匀性与加热二段和均热段待温钢坯对应轧材控制水平相当，没有出现下降的趋势。
附图说明
图1为实施例1的直径50mm 高碳铬轴承圆钢沿轧制方向金相组织图；
图2为实施例2的直径65mm 高碳铬轴承圆钢沿轧制方向金相组织图；
图3为实施例3的直径80mm 高碳铬轴承圆钢沿轧制方向金相组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，选取320（厚度）×480（宽度）×5400mm（长度）的高碳铬轴承钢连铸坯，其化学成分及质量百分含量为：C：0.98%、Si：0.23%、Mn：0.33%、Cr：1.45%、Mo：0.003%、P：0.008%、S：0.001%、Al：0.012%，余量为铁。
包括以下步骤：
钢坯采用保温车转运至轧钢厂，入炉侧钢坯表面温度检测为612～647℃；
装钢时，预热段6个烧嘴全部开启，不供热段炉温实际控制在750～850℃，目标温度800℃；
入炉后钢坯间距按100mm操作，预热段温度按900～1200℃范围控制，预热段出口目标温度1050℃；
该批生产共投料70支，前60支布在加热二段和均热段，后10支布在加热一段。布料结束静态加热保温时，将预热段靠入炉侧的烧嘴关闭4个，加热一段温度按1150～1230℃范围控制，加热一段出口目标温度1210℃；加热二段温度按1210～1240℃范围控制，加热二段出口目标温度1220℃；均热段温度按1200～1240℃范围控制，出炉目标温度1215℃。
经由上述制造工艺制得的直径50mm高碳铬轴承圆钢取样金相检验碳化物带状控制较好，超声波探伤满足GB/T 37566 3级，高频水浸探伤检验圆钢内部无缺陷。
由图1可知，按照实例1工艺生产，在加热一段不同位置待温钢坯对应的高碳铬轴承圆钢碳化物带状均不超过2.0级，性能稳定，心部无碳化物液析和显微孔隙，合格。加热生产效率提升29.6%。
实施例2
本实施例提供的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，选取320（厚度）×480（宽度）×5400mm（长度）的高碳铬轴承钢连铸坯，其化学成分及质量百分含量为：C：0.98%、Si：0.23%、Mn：0.33%、Cr：1.45%、Mo：0.003%、P：0.008%、S：0.001%、Al：0.012%，余量为铁。
包括以下步骤：
钢坯采用保温车转运至轧钢厂，入炉侧钢坯表面温度检测为605～651℃；
装钢时，预热段6个烧嘴全部开启，不供热段炉温实际控制在750～850℃，目标温度810℃；
入炉后钢坯间距按100mm操作，预热段温度按900～1200℃范围控制，预热段出口目标温度1080℃；
该批生产共投料80支，前60支布在加热二段和均热段，后20支布在加热一段。布料结束静态加热保温时，将预热段靠入炉侧的烧嘴关闭2个，加热一段温度按1150～1230℃范围控制，加热一段出口目标温度1220℃；加热二段温度按1210～1240℃范围控制，加热二段出口目标温度1230℃；均热段温度按1200～1240℃范围控制，出炉目标温度1220℃。
经由上述制造工艺制得的直径65mm高碳铬轴承圆钢取样金相检验碳化物带状控制较好，超声波探伤满足GB/T 37566 3级，高频水浸探伤检验圆钢内部无缺陷。
由图2可知，按照实例2工艺生产，在加热一段不同位置待温钢坯对应的高碳铬轴承圆钢碳化物带状均不超过2.5级，性能稳定，心部无碳化物液析和显微孔隙，合格。加热生产效率提升48%。
实施例3
本实施例提供的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，选取320（厚度）×480（宽度）×5400mm（长度）的高碳铬轴承钢连铸坯，其化学成分及质量百分含量为：C：0.98%、Si：0.23%、Mn：0.33%、Cr：1.45%、Mo：0.003%、P：0.008%、S：0.001%、Al：0.012%，余量为铁。
包括以下步骤：
钢坯采用保温车转运至轧钢厂，入炉侧钢坯表面温度检测为602～646℃；
装钢时，预热段6个烧嘴全部开启，不供热段炉温实际控制在750～850℃，目标温度830℃；
入炉后钢坯间距按100mm操作，预热段温度按900～1200℃范围控制，预热段出口目标温度1100℃；
该批生产共投料80支，前60支布在加热二段和均热段，后30支布在加热一段。布料结束静态加热保温时，将预热段烧嘴不关闭，加热一段温度按1150～1230℃范围控制，加热一段出口目标温度1225℃；加热二段温度按1210～1240℃范围控制，加热二段出口目标温度1235℃；均热段温度按1200～1240℃范围控制，出炉目标温度1225℃。
经由上述制造工艺制得的直径80mm高碳铬轴承圆钢取样金相检验碳化物带状控制较好，超声波探伤满足GB/T 37566 3级，高频水浸探伤检验圆钢内部无缺陷。
由图3可知，按照实例2工艺生产，在加热一段不同位置待温钢坯对应的高碳铬轴承圆钢碳化物带状均不超过2.5级，性能稳定，心部无碳化物液析和显微孔隙，合格。加热生产效率提升66%。
综上所述，本发明在加热炉结构、燃料介质不改变的情况下，通过调整高碳铬轴承钢坯热送热装温度、利用不供热段对钢坯进行预热为后续快速加热创造条件、在静态加热制度下充分利用四段供热能力、合理分配供热段加热负荷等措施，延长高温段物理区间，增加一次静态保温加热后可以连续生产的坯料支数，使加热生产效率最大可以提高66%。碳化物不均匀性和高频水浸超声探伤等关键性能指标检测结果表明，在预热段和加一段待温的钢坯对应轧材质量，与加热二段和均热段待温钢坯对应轧材控制水平相当，均满足标准或协议的要求。按每年100000吨增量计算，增产效益可提高1500万，降低燃耗形成的增益可达400万以上。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1、装炉：320×480矩形坯采用热送热装工艺，并提高热送钢坯温度；
S2、不供热段预热：通过紧邻的预热段烧嘴调节，使温度控制在750～850℃；
S3、布料：调整炉内钢坯间距调整；
S4、供热段：重新对高碳铬轴承钢坯进行热平衡计算，调整各段供热能负荷，出炉后轧制成规格Ф50～100mm的圆钢；
所述步骤S1，实际连铸坯切割过磅后，快速用夹具吊入专用保温车内并转运至轧钢厂原料跨，确保装炉时钢坯表面温度在600℃以上，此时钢坯心部温度至少在650℃，进而使钢坯具备后续快速升温的初始条件；
所述步骤S4，钢坯从进入加热一段开始计算高温扩散时间，相当于高温段物理区间延长；
所述步骤S4，高碳铬轴承钢坯静态保温加热时，采用预热、加一、加二、均热四段供热，预热段温度按900～1200℃控制，加热一段按1150～1230℃控制，加热二段按1210～1240℃控制，均热段按1200～1240℃控制；
其化学成分按质量百分比计为：C：0.95%～1.05%、Si：0.15%～0.35%、Mn：0.25%～0.45%、Cr：1.40%～1.65%、P≤0.025%、S≤0.025%，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，其特征在于：所述步骤S2，预热段的空气、煤气均采用小型两位三通换向阀实现段内分散换向控制，实现一个换向阀带上、下两个烧嘴的布置模式。
3.根据权利要求1所述的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，其特征在于：所述步骤S3，钢坯在炉内的最佳间距范围为0.3～0.7倍坯料厚度。
4.根据权利要求3所述的一种提升高碳铬轴承钢加热生产效率的工艺，其特征在于：所述步骤S3，钢坯间距按100mm操作。
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