CN114273431B

CN114273431B - 一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法

Info

Publication number: CN114273431B
Application number: CN202111343537.4A
Authority: CN
Inventors: 周乐君; 钟小灿; 王万林; 何航; 宋光鑫; 刘合萍; 郑庆; 齐江华; 赵如; 刘文华
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-11-13
Filing date: 2021-11-13
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2041-11-13
Also published as: CN114273431A

Abstract

本发明属于热轧生产技术领域，公开了一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法。本发明提供的一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，该方法针对微合金钢铸坯在加热炉加热过程中产生表面热裂纹的技术问题，提出在保持总加热时长不变的工艺基础上，通过调节环形加热炉各加热区段的加热保温时间，有效地避开了诸如Mn、Si元素的偏聚及碳氮化钛析出物析出的温度区间。本发明产生的效果是：通过采取上述技术方案，在不打乱原热轧工艺生产节奏的条件下，减少了微合金铸坯在加热炉加热过程中产生的表面热裂纹，使得所制备的微合金钢质量明显提升，并在一定程度上降低了加热炉能耗，为企业带来较好的经济效益。

Description

一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法

技术领域

本发明属于热轧生产技术领域，具体涉及一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法。

背景技术

微合金钢生产流程中，连铸过程以及环形炉的加热工艺对钢材的质量起到了关键作用。环形加热炉在微合金钢生产作业中有着承前启后的作用，加热工艺参数的合理与否深刻影响微合金钢质量。不合理的加热制度会导致铸坯出现加热不均、加热不透、氧化脱碳、过热过烧及产生表面裂纹等现象，对钢材质量及轧制作业造成严重不良影响。环形加热炉的加热温度、保温时间以及升温速率等与铸坯的加热质量息息相关。因此在工厂生产微合金钢的过程中，环形炉的加热制度是十分值得注意的。

从文献检索的情况来看，目前有一些关于环形加热炉加热制度优化方法的研究。授权公告号为CN101775475B的中国发明专利，公开了《一种热轧管坯的加热工艺》，针对控制段的脉冲烧嘴，按照设定的换向周期和换向间隔依次循环燃烧，通过合理设置各控制段内外侧的炉温，控制出炉热铸坯的头部与尾部温差范围，使进入连轧机毛管的头尾温度较为均匀，为连轧机的轧制提供更好的条件。该技术方案主要涉及炉温的燃烧控制，并给出各控制段工艺炉温范围，但不涉及加热工艺的炉温、时间等具体信息的制定规则。公告号为CN106399664A的中国发明专利，公开了《一种环形加热炉加热工艺优化方法》，其根据热传导偏微分方程和炉内热辐射总括系数方法建立环形炉内铸坯温度模型、根据铸坯断面热膨胀的差异建立热应力模型并建立加热工艺的调整流程和调整规则。针对给定加热工艺，计算对应于加热工艺不同时刻的铸坯温度和热应力值，以此判断当前加热工艺状态，结合建立的加热工艺调整流程和调整规则，通过迭代计算实现加热工艺调整，最终输出符合工艺要求的加热工艺。该技术方案能够有效降低铸坯在加热过程中因热应力过高而产生表面裂纹的风险，提高产品加热质量，同时有利于降低加热炉排烟温度，减少工序能耗。但该方法主要适用于高合金管坯生产控制领域，无法适用于微合金钢生产领域。

发明内容

为克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法。本发明针对微合金钢生产过程中，表面产生热裂纹的技术问题，提出了一种关于微合金钢加热制度的优化方法，在不打乱原生产工艺节奏的前提条件下，通过调节各加热区段加热保温时间，即减少1200℃以上加热保温时间，增加1200℃以下加热保温时间，有效地避开了Mn、Si元素的偏聚及碳氮化钛析出物析出温度区间，减少了微合金钢表面热裂纹的产生，显著提高了微合金钢的质量。

本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，该钢种在热轧之前采用环形加热炉进行加热；

环形加热炉加热过程中共分为6个加热区，分别为预热区、加热1区、加热2区、加热3区、加热4区及均热区；

环形加热炉炉内预热区、加热1区、加热2区、加热3区、加热4区及均热区相对应的中心角度数分别为87°、41°、43°、47°、47°和85°；

其中预热区、加热1区、加热2区、加热3区、加热4区的温度依次递增，且加热3区的温度小于1200℃；加热4区区域内温度呈递增的方式分布；其温度分布范围为1260～1320℃，钢材通过加热4区的时间为20～40min；

均热区的温度选自1265～1305℃之间；且钢材通过均热区的时间为20～40min。

作为优选方案；本发明一种减少微合金石油套管钢热裂纹加热制度方法，钢材通过预热区、加热1区、加热2区、加热3区的总时长大于等于140min。

作为优选方案；本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，所述环形加热炉加热过程中预热区区温度范围0～950℃，预热时间30～50min；

加热一区温度范围为950～1010℃，加热时间为30～50min；

加热二区温度范围为1020～1050℃；加热时间40～60min；

加热三区温度范围1130～1190℃，加热时间40～60min，

加热四区温度分布范围为1270～1310℃；加热时间25～35min；

均热区温度为1270～1300℃；均热时间25～35min。

作为进一步的优选方案；本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，所述环形加热炉加热过程中；预热区的预热时控制在35～45min；

加热一区温度范围为960～1000℃，加热时间为35～45min；

加热二区温度范围为1020～1050℃，加热时间为45～55min；

加热三区温度范围为1140℃～1180℃，加热时间为45～55min。

作为优选方案；本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，将出连铸机后经坑冷后的铸坯送至环形加热炉进行加热，其加热总时长为220min～300min。

作为优选方案；本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，将出连铸机后经坑冷后的铸坯送至环形加热炉进行加热，加热一区、加热二区、加热三区的总加热时长为140min～160min。其中加热二区和加热三区的总时间大于等于100min。这样操作可以显著提升产品的性能并降低裂纹缺陷产生概率以及使得第二相析出物的平均尺寸下降至0.4-0.48微米。

作为优选方案；本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，所述微合金钢化学成分的质量百分比为：C：0.200～0.500％，N：0～0.020％，Si：0.200～0.500％，Mn：1.000～2.000％，Ti：0.050～0.200％，V：0～0.015％，Nb：0.010～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。

经优化后；本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，经热处理后，微合金钢中第二相析出物的平均尺寸小于等于0.56微米。

作为进一步优选方案；本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，经热处理后，微合金钢中第二相析出物的尺寸小于等于0.47微米。

作为更进一步的优选方案；本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，经热处理后，微合金钢中第二相析出物的平均尺寸为0.405～0.415微米。

作为更进一步的优选方案；本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，经热处理后，微合金钢产生裂纹缺陷的概率小于等于1.45％。

本发明一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，所得微合金钢，其主要应用于油气开采及运输领域。

待铸坯完成整个加热流程后出环形加热炉，再将铸坯输送至穿孔机、连轧机进行下一步斜轧穿孔作业。

本发明原理为：

工厂现行的环形炉加热制度，使得微合金钢裂纹缺陷附近的晶界以及晶粒内，有着严重的Mn、Si元素的偏聚现象。而Mn、Si偏聚会脆化晶界，破坏基体连续性降低奥氏体稳定性，这就导致初始裂纹在环形炉中得以扩展。铸坯从环形炉加热结束后，继而进行轧制，外部的应力又使得扩展后的裂纹继续扩大，最终形成表面上的裂纹。此外，微合金钢中Ti的含量比其余微合金(V、Nb)含量高出十倍以上，是最主要的微合金元素。针对现有环形炉加热制度，通过分析微合金钢中碳氮化钛析出热力学及动力学变化规律，碳氮化钛主要在奥氏体中以均质形核、位错形核的方式析出；以均质形核与位错形核的碳氮化钛析出鼻子点温度均在1225℃左右，析出敏感区为1200-1250℃。Mn、Si、Ti等元素在裂纹缺陷附近的偏聚属于非平衡偏聚，主要受温度、气氛等影响，偏聚实质发生了反应x Me+y/2 O₂＝MexOy。研究发现，Mn、Si等元素在1200℃到1300℃的偏聚增长率远高于1100℃到1200℃的偏聚增长率。由于工厂环形炉的加热区段是995-1320℃，故在环形炉的加热制度下，要想减少Mn、Si等元素的偏聚量，控制碳氮化钛的析出尺寸，可在保证总加热时长的基础上，可以适当降低1200℃以上温度的加热时间，使钢材快速通过析出敏感区来进行优化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：

1.本发明所述的一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，在不打乱产品原有生产节奏的基础上，通过适当调节铸坯在环形加热炉内各分区加热保温时间，即增加铸坯在炉内1200℃以下区段的加热保温时间，减少1200℃以上区段的加热保温时间，从而有效地避开了诸如Mn、Si元素的偏聚及碳氮化钛析出物析出的温度区段。

2.本发明所述的热处理方法有效地减少了微合金钢表面热裂纹的产生，提高了热轧产品的质量，进而提高了最终微合金钢产品的质量。

3.本发明由于减少了1200℃以上加热保温时间，从而降低了工序消耗，为企业规模化生产降低生产成本的同时也减少了碳排放量，一旦应用于工业规模化生产将产生显著的社会效益和经济效益。

附图说明

附图1为本发明所用环形加热炉及分区示意图；

附图2为实施例1环形加热炉的加热制度工艺图；

附图3为微合金钢样品1金相显微组织形貌图；

附图4为微合金钢样品1扫描电镜显微组织形貌图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步补充说明。

出连铸机后切割成一定长度的铸坯经坑冷后，由炉辊道送至环形加热炉进行加热处理。将环形加热炉内部划分为预热区、加热区、加热2区、加热3区、加热4区及均热区共六个加热区段，各加热区所对应的中心角度数分别为87°、41°、43°、47°、47°和85°。实施过程中，预热区区温度范围为0～950℃，预热时间为35～45min；加热一区温度范围为950～1000℃，加热时间为35～45min；加热二区温度范围为1000～1050℃，加热时间为40～55min；加热三区温度范围为1140～1180℃，加热时间40～55min；加热四区温度范围为1260～1310℃，加热时间25～45min；均热区温度为1275～1285℃，均热时间25～45min。待铸坯完成整个加热流程后出环形加热炉，再将其进行空冷后从铸坯表面取样进行相关检测分析。

实施例1：

以生产C：0.300％，N：0～0.011％，Si：0.250％，Mn：1.200％，Ti：0.080％，V：0.010％，Nb：0.030％，余量为Fe的微合金套管钢为例，生产步骤及具体工艺如下：出连铸机后切割成一定长度的铸坯经坑冷后，由炉辊道送至环形加热炉进行加热处理。将环形加热炉划分成预热区、加热区、加热2区、加热3区、加热4区及均热区等六个加热区段，各区段加热温度及其时间如表1所示。待铸坯完成整个加热流程后出环形加热炉，进行空冷后在铸坯表面采取线切割法制备边长为10mm的小立方体作为样品1，将样品1进行打磨、抛光、侵蚀等处理后，分别通过型号为MR5000的金相显微镜和型号为TESCAN MIRA4的扫描电子显微镜对所取样品的显微组织形貌以及相关缺陷进行分析检测。

表1实施例1加热制度参数设置

实施例2：

以生产C：0.300％，N：0～0.011％，Si：0.250％，Mn：1.200％，Ti：0.080％，V：0.010％，Nb：0.030％，余量为Fe的微合金套管钢为例，生产步骤及具体工艺如下：出连铸机后切割成一定长度的铸坯经坑冷后，由炉辊道送至环形加热炉进行加热处理。将环形加热炉划分成预热区、加热区、加热2区、加热3区、加热4区及均热区等六个加热区段，各区段加热温度及其时间如表2所示。待铸坯完成整个加热流程后出环形加热炉，进行空冷后在铸坯表面采取线切割法制备边长为10mm的小立方体作为样品2，将样品2进行打磨、抛光、侵蚀等处理后，分别通过型号为MR5000的金相显微镜和型号为TESCAN MIRA4的扫描电子显微镜对所取样品的显微组织形貌以及相关缺陷进行分析检测。

表2实施例2加热制度参数设置

实施例3：

以生产C：0.300％，N：0～0.011％，Si：0.250％，Mn：1.200％，Ti：0.080％，V：0.010％，Nb：0.030％，余量为Fe的微合金套管钢为例，生产步骤及具体工艺如下：出连铸机后切割成一定长度的铸坯经坑冷后，由炉辊道送至环形加热炉进行加热处理。将环形加热炉划分成预热区、加热区、加热2区、加热3区、加热4区及均热区等六个加热区段，各区段加热温度及其时间如表3所示。待铸坯完成整个加热流程后出环形加热炉，进行空冷后在铸坯表面采取线切割法制备边长为10mm的小立方体作为样品3，将样品1进行打磨、抛光、侵蚀等处理后，分别通过型号为MR5000的金相显微镜和型号为TESCAN MIRA4的扫描电子显微镜对所取样品的显微组织形貌以及相关缺陷进行分析检测。

表3实施例3加热制度参数设置

对比例1：

以生产C：0.300％，N：0～0.011％，Si：0.250％，Mn：1.200％，Ti：0.080％，V：0.010％，Nb：0.030％，余量为Fe的微合金套管钢为例，生产步骤及具体工艺如下：出连铸机后切割成一定长度的铸坯经坑冷后，由炉辊道送至环形加热炉进行加热处理。将环形加热炉划分成预热区、加热区、加热2区、加热3区、加热4区及均热区等六个加热区段，各区段加热温度及其时间如表4所示。待铸坯完成整个加热流程后出环形加热炉，进行空冷后在铸坯表面采取线切割法制备边长为10mm的小立方体作为样品4，将样品4进行打磨、抛光、侵蚀等处理后，分别通过型号为MR5000的金相显微镜和型号为TESCAN MIRA4的扫描电子显微镜对所取样品的显微组织形貌以及相关缺陷进行分析检测。

表4对比例1加热制度参数设置

对比例2：

以生产C：0.300％，N：0～0.011％，Si：0.250％，Mn：1.200％，Ti：0.080％，V：0.010％，Nb：0.030％，余量为Fe的微合金套管钢为例，生产步骤及具体工艺如下：出连铸机后切割成一定长度的铸坯经坑冷后，由炉辊道送至环形加热炉进行加热处理。将环形加热炉划分成预热区、加热区、加热2区、加热3区、加热4区及均热区等六个加热区段，各区段加热温度及其时间如表5所示。待铸坯完成整个加热流程后出环形加热炉，进行空冷后在铸坯表面采取线切割法制备边长为10mm的小立方体作为样品5，将样品5进行打磨、抛光、侵蚀等处理后，分别通过型号为MR5000的金相显微镜和型号为TESCAN MIRA4的扫描电子显微镜对所取样品的显微组织形貌以及相关缺陷进行分析检测。

表5对比例2加热制度参数设置

对比例3：

以生产C：0.300％，N：0～0.011％，Si：0.250％，Mn：1.200％，Ti：0.080％，V：0.010％，Nb：0.030％，余量为Fe的微合金套管钢为例，生产步骤及具体工艺如下：出连铸机后切割成一定长度的铸坯经坑冷后，由炉辊道送至环形加热炉进行加热处理。将环形加热炉划分成预热区、加热区、加热2区、加热3区、加热4区及均热区等六个加热区段，各区段加热温度及其时间如表6所示。待铸坯完成整个加热流程后出环形加热炉，进行空冷后在铸坯表面采取线切割法制备边长为10mm的小立方体作为样品6，将样品6进行打磨、抛光、侵蚀等处理后，分别通过型号为MR5000的金相显微镜和型号为TESCAN MIRA4的扫描电子显微镜对所取样品的显微组织形貌以及相关缺陷进行分析检测。

表6对比例3加热制度参数设置

通过对所取样品进行观察分析，将金相显微镜观察下裂纹面积占该区域总面积的比值作为该加热制度下的裂纹缺陷发生率，在扫描电子显微镜图像中随机抽取一定数量的第二相析出物并计算其平均尺寸，具体检测结果由表7所示。由检测结果可以看出，实施例1～3中钢管表面裂纹缺陷发生率、第二相析出物尺寸均比对比例1～3小，对提高微合金钢质量有明显效果。此外，实施例1中的裂纹缺陷发生率为1.40％，第二相析出物平均尺寸为0.41μm，均为所有样品中最小，故该实施例执行的加热制度可作为生产该型号钢管的最佳工艺，最佳加热制度工艺如图2所示，该样品的金相显微图和扫描电子显微图分别如图3和图4所示。

上述实施例与对比例具体实施结果表明，本发明所述一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，提出的技术方案既满足加热温度需求，加热后组织形貌也符合出炉条件及后续轧制工艺要求，并降低了1200℃以上加热保温的在炉时间，可有效降低铸坯的氧化烧损及工序能耗，一旦用于工业规模化生产将产生显著的经济效益。

表7实施例与对比例样品检测结果统计表

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况之下，还可以做出各种变换和变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims

1.一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，其特征在于：该钢种在热轧之前采用环形加热炉进行加热；

其中预热区、加热1区、加热2区、加热3区、加热4区的温度依次递增，且加热3区的温度小于1200℃；加热4区区域内温度呈递增的方式分布；其温度分布范围为1270~1310℃，钢材通过加热4区的时间为25~35min；

所述环形加热炉加热过程中预热区区温度范围0~950℃，预热时间30~50min；

加热1区温度范围为950~1010℃，加热时间为30~50min；

加热2区温度范围为1020~1050℃；加热时间40~60min；

加热3区温度范围1130~1190℃，加热时间40~60min，

均热区的温度选自1270~1300℃之间；且钢材通过均热区的时间为25~35min；

所述微合金钢化学成分的质量百分比为：C：0.200~0.500%，N：0~0.020%，Si：0.200~0.500%，Mn：1.000~2.000%，Ti：0.050~0.200%，V：0~0.015%，Nb：0.010~0.050%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，其特征在于：所述环形加热炉加热过程中；预热区的预热时间控制在35~45min；

加热1区温度范围为960~1000℃，加热时间为35~45min；

加热2区温度范围为1020~1050℃，加热时间为45~55min；

加热3区温度范围为1140℃~1180℃，加热时间为45~55min。

3.根据权利要求1所述的一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，其特征在于：将出连铸机后经坑冷后的铸坯送至环形加热炉进行加热，其加热总时长为220min~300min。

4.根据权利要求1所述的一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，其特征在于：经热处理后，微合金钢中第二相析出物的尺寸小于等于0.56微米。

5.根据权利要求1所述的一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，其特征在于：经热处理后，微合金钢中第二相析出物的尺寸小于等于0.47微米。

6.根据权利要求1所述的一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，其特征在于：经热处理后，微合金钢中第二相析出物的尺寸为0.405~0.415微米。

7.根据权利要求1所述的一种减少微合金钢热裂纹加热制度方法，其特征在于：经热处理后，微合金钢产生裂纹缺陷的概率小于等于1.45%。