（材料加工工程专业论文）重轨钢连铸坯的加热工艺优化.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 本文结合武汉钢铁公司大型厂重轨钢的生产实际，以钢种为u 7 5 v 规格为6 q k g h n 的 重轨钢为例，针对该厂生产重轨钢产品中出现表面脱碳层深度超标的情况，为解决存在的 问题，提高产品脱碳层的合格率，通过观察加热过程中的钢坯脱碳层的变化，研究了加热 温度、加热时间对重轨钢坯脱碳的影响。 通过对钢坯进行加热实验，对实验数据进行回归分析，得出了钢坯脱碳层深度与加热 温度、加热时间的关系。并结合照片分析比较了钢坯加热前、后以及重轨钢成品脱碳层的 差异。同时，通过分析钢坯在加热炉中的受热情况，建立了加热过程中钢坯的传热数学模 型，并采用有限元法( f e m ) 对钢坯断面的温度场进行了数值模拟，得出了加热时炉内钢坯 的温度分布和钢坯断面的瞬态温度场。通过分析实验结论及加热过程中钢坯断面的温度场 模拟结果，制定出重轨钢的加热工艺。 关键词：脱碳；加热温度；加热时间；有限元；温度场 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e l t os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ed e p t ho ft h ed e c a r b u r i z a t i o nl a y e ro ft h eh e a v yr a i l s g o e sb e y o n dt h es p e c i f i c a t i o na n di m p r o v et h ep e r c e n to fp a s s ，t a k i n gu 7 5 vs t e e l a sa n e x a m p l e c o m b i n i n gt h ep r o d u c t i o no fh e a v yr a i ls t e e li nh e a v ys e c t i o np l a n to fw u h a ni r o na n d s t e e lc o r p o r a t i o n , t h ee f f e c to fh e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dh e a t i n gt i m eo nd e c a r b u r i z a t i o nd e p t h o fr a i l sh a v e b e e na n a l y z e db yo b s e r v i n gt h ec h a n g e si nt h es l a b sd e c a r b u r i z a t i o nl a y e rd e p t h d u r i n gt h ec o u r s eo fh e a t i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es l a b sd e c a r b u r i z a t i o nd e p t ha n dh e a t i n gt e m p e r a t u r e 、 h e a t i n gt i m eh a v eb e e np r o p o s e dt h r o u g hr e g r e s s i o na n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t s r e s u l t sb y h e a t i n ge x p e r i m e n t s t h ed i f f e r e n c eo fd e c a r b u r i z a t i o nb e t w e e ns l a bb e f o r ea n da f t e rr e h e a t i n g a n dh e a v yr a i ls t e e lf i n i s h e dp r o d u c th a v eb e e nc o n t r a s t e db yu s i n gp i c t u r e s b e s i d e s ，s l a b s m a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tt r a n s f e ri nt h er e h e a t i n gc o u r s eh a sb e e ns e tu pb ya n a l y s i so fs l a b s r e h e a t i n gc o n d i t i o n si nr e h e a t i n gf u r n a c e t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l do ns l a b ss e c t i o nh a s b e e ns i m u l a t e dh u m e r i c a l l yb yf e m ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fs l a b si nr e h e a t i n gf u r n a c e a n dt h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l do ni t ss e c t i o nh a sb e e nc a l c u l a t e dt h e n h e a t i n gt e c h n o l o g y o fh e a v yr a i ls t e e lh a sb e e ne s t a b l i s h e db ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n sa n dt h e p r o c e s so fh e a t i n gt h eb i l l e tc r o s s s e c t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：d e c a r b u r i z a t i o n ；h e a t i n gt e m p e r a t u r e ；h e a t i n gt i m e ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ； t e m p e r a t u r ef i e l d 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 蓥麴日期：皇鲤璺：三：主口 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对# l - j l l 曼务。 论文作者签名：翌麴 指导教师签名：袭趁彰 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题来源 第一章引言 本文针对武汉钢铁公司大型厂重轨钢生产钢种为u 7 5 v 的6 0 k m 钢轨合格率偏低的 问题，为切实提高钢轨实物质量，并为u 7 5 v 重轨钢炉内加热控制制定合理的加热工艺， 进行了实验研究。用显微组织法对钢坯加热前后分别进行脱碳实验分析，并对加热过程中 坯料断面温度场变化进行了数值模拟。主要从加热炉内各段的加热温度、加热时间入手， 研究了钢坯加热过程中脱碳的机理及影响脱碳的因素，以实现对整个加热过程中钢坯脱碳 的控制，从而有效的提高产品的合格率。 1 2 课题研究意义 从1 9 世纪中期至今，钢轨钢的发展经历了漫长的过程，它的前一百多年是一个不太引 人注目的渐进的历史。在随后的时间里，钢轨钢的发展发生了一场革命。自1 9 9 0 年以来， 美国钢铁协会就先后组织了三次钢轨冶金专题讨论会。即：“优质钢轨钢”、“钢轨钢的 开发、生产与性能”和“2 l 世纪的钢轨钢”。钢轨是铁路的灵魂。我国幅员辽阔而铁路路 网密度小，成为我国经济发展的“瓶颈 环节，发展铁路运输是国家建设重点项目【l 】。随 着铁路的高速、重载的发展，对钢轨的质量提出了越来越高的要求。 1 9 9 9 年，铁道部科学研究院参照欧洲高速铁路钢轨标准( c d d 起草了“时速2 0 0 公里客 运专线钢轨技术条件和“时速3 0 0 公里高速铁路钢轨技术条件一，新标准要求生产出来 的钢轨具有高纯净度、高尺寸精度、高平直度的“三高”特点，实物质量具有世界先进水 平。按照铁道部计划，从2 0 0 8 年6 月起，所采购的钢轨均为百米钢轨，2 0 0 8 年的需求量为 2 7 0 万吨。钢轨是铁道的主要部件，目前我国主要在鞍钢、武钢、包钢和攀钢这四家钢铁 企业生产，其产量远不能满足铁路运输发展的要求，从设备配置情况看，四家钢轨生产厂 基本相同，而根据铁道部门统计情况，鞍钢、包钢和攀钢这三家生产的1 0 0 米钢轨合格率 仅为4 0 5 0 ，可供钢轨量不到1 0 0 万吨，铁道部门目自i 对钢轨寄于厚望，用铁道部运输局 范钦爱局长的话讲是：如饥似渴、翘首以待，只要能生产出合格产品，市场是广大的。 由于百米高速钢轨目前执行的标准基本与国际最新标准同步，在各厂执行过程中，合 格率普遍偏低，生产过程采用挑钢方式交货，这也是导致高速轨供不应求的原因之一。造 成合格率偏低的主要原因之一是脱碳层无法完全满足3 5 0 k m h 技术条件的要求。本课题通 过研究加热工艺，配合现场调试工作，充分发挥新生产线的效能，同时也为新产品开发奠 定理论与技术基础。开展重轨钢坯加热工艺优化研究，有利于改善钢坯加热质量，为生产 高速铁路用钢轨提供加热合格的钢坯，提高重轨产品的竞争能力【2 1 。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 课题研究内容 钢材脱碳现象是一个复杂的物理冶金过程，钢坯的表面状态( 主要是原始脱碳程度) 、 钢的成分、加热温度、加热时间、加热炉炉内气氛、轧制工艺以及冷却速度等因素对钢的 脱碳速度、脱碳层深度都能产生较大的影响。 本课题p a u 7 5 v 重轨钢为代表，从加热温度、加热时间入手，通过实验研究，弄清脱碳 程度与加热温度、加热时间间的关系，从而为改进加热工艺提供可靠的理论依据。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 2 1 国内外研究现状 2 1 1 钢轨的种类 第二章文献综述 铁路是我国交通运输的大动脉，随着改革开放和经济建设的发展，铁路运输事业也取 得了长足的进步【3 】。目前，我国内陆铁路运输承担着年货运周转量的7 0 和客运周转量的 6 0 左右【4 】。现代铁路高速、重载和高密度的运输组织方式使重轨的服役条件更加趋于恶 化，我国铁路运输高密度和客、货混线的特点对重轨的质量提出了更高的要求【5 】。世界交 通运输专家认为2 l 世纪解决城市间陆路交通和大城市交通问题的最有效工具仍然是铁路， 尤其是高速铁路。 世界各国对钢轨技术条件有不同的要求，但钢轨横截面形状都是一样的【6 1 。普通钢轨 重量范围为5 7 8 k d m ，起重机轨重可达1 2 0 k m 。根据用途不同，现代钢轨分为三类： 通常将3 0 k 咖以下的钢轨称为轻轨，主要供矿山铁路使用，常用规格有9 k m 、1 2 k d m 、1 5k 咖、2 2k m 和3 0 k d m5 种。 重量在3 0 k d m 以上的钢轨称为重轨，主要供客货铁路使用，常用规格有3 8 k m 、4 3 k g m 、5 0k d m 、6 0k 咖和7 s k i m 共5 种。主要用于长途、重载、高速干线铁路。 供工厂吊车用的吊车轨，主要规格有7 0k m 、8 0k 咖、l o ok 咖和1 2 0 k m 共4 种。 根据钢种的不同，钢轨又可以分为碳素轨、合金轨和热处理轨三种【_ 丌。碳素轨主要以 碳、锰两元素来提高强度，改善韧性。前苏联和美国多采用高碳、低锰类碳素轨，而欧洲、 日本则采用高锰、中碳类碳素轨。合金轨是以碳素轨为基础，添加适量合金元素如v 、t i 、 c r 、m o 等，从而提高钢轨的强度和韧性。北美和前苏联的合金轨多为c f m o 轨或c f v 轨， 中国的合金轨则是r e n b 轨和v t i 轨。热处理轨主要是碳素轨通过加热和控制冷却，来改 善其金相结构，通过热处理细化晶粒，形成细珠光体组织，从而获得高强度和高韧性。 2 1 2 重轨钢生产现状 德国蒂森公司、法国钢铁集团哈亚士厂、日本新日铁八幡厂、澳大利亚堪培拉钢厂等 都是国外主要重轨生产厂家。德国蒂森公司生产重轨具有百年历史，该厂在重轨生产方面 以丰富的经验和技术闻名于世。在众多重轨生产厂中多数采用万能法轧制重轨，而蒂森则 是用孔型法生产，蒂森克虏伯钢铁公司鲁尔厂是世界上唯一一家能够生产1 2 5 m 长度的厂 家。 我国重轨的生产历史可以追溯到1 9 世纪末期。1 8 9 4 年在湖北汉阳钢厂建成我国第一台 西8 0 0 大型轧钢机，当时曾生产了从2 9 8 k 咖到4 2 1 6 k d m 的各种断面钢轨。迁到重庆钢铁公 司后，生产3 8 4 3 k m 钢轨，1 9 8 6 年改造成8 0 0 x 1 8 0 0 x 2 机组，现只生产大型材。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 目前国内生产重轨的厂家主要有攀钢、鞍钢、包钢和武钢。攀钢是我国重轨生产基地 之一，近几年来产量一直位居首位，以5 0 、6 0 k g m 重轨为主，兼能生产3 8 k g m 、4 3 k g m 、 7 5 k g m 、$ 4 9 、u i c 5 4 k g m 、u i c 6 0 k g m 和b s 7 5 r 钢轨及其配套道岔轨，以及在线离线热处 理轨。攀钢是国内率先生产出时速2 0 0 k m 客运专线6 0 k g m 重轨的厂家，其产品已投入使用。 鞍钢是我国最早的重轨生产基地，主要生产4 3 5 0 k g m 规格重轨，近年来试验生产6 0 k g m 的重轨，开发过m n v 和n b r e 重轨。包钢在“八五期间”进行了以连铸为标志的炼钢技术改 造，实现了采用连铸坯生产重轨的工艺路线，也是我国第一条采用连铸坯生产重轨的生产 线。 我国已有自己的重轨系列产品：3 8 k g m 、4 3 k g m 、5 0 k g m 、6 0 k g m 、7 5 k g m ，基本达 到铁道部重轨重型化的要求。国内现已纳标的重轨钢号共6 个，分别是u 7 1 、u 7 4 、u 7 1 c u 、 u 7 1 m n 、u 7 0 m n s i 、u 7 l s i c u ，其中以u 7 1 m n 耐磨轨和u 7 4 碳素轨产量最多，是我国重 轨钢的主体钢种。为适应铁路重载高速的要求，攀钢开发了p d 3 高碳微钒钢轨，包钢开发 了n b r e 高强耐磨轨，分别于1 9 9 6 年和1 9 9 7 年通过鉴定。钢轨轨型逐步向重型化过渡，钢 轨重型化比例逐年提高，国内主要铁路干线均铺设- y 6 0 k g m 重轨。 随着现代化铁路载重量不断增长，时速越来越高，对钢轨的强度、韧性和耐磨度等均 提出了越来越高的要求。 2 1 3 脱碳研究现状 碳是决定钢的性质的重要元素之一，脱碳会造成钢的各种机械性能显著降低，因而脱 碳问题是优质钢材生成中的关键问题之一【8 】。 重轨钢由于碳含量较高，在热轧时有脱碳倾向，将使其机械性能下降、硬度降低、耐 磨性差和疲劳强度降低等【9 】。随着国家铁路建设的发展，对钢轨的质量要求越来越高，由 于钢轨的脱碳情况直接影响钢轨的使用性能，这对钢轨的脱碳层深度提出了更加严格的要 求【1 0 】，在2 5 0 、3 5 0 k m h 客运专线6 0 k g m 钢轨暂行技术条件及铁道部行业标准 t b t 2 3 4 4 2 0 0 3 中均明确地提出要求钢轨脱碳层s 0 5 m m 。 为了改善钢的表面脱碳，国内外在理论和生产工艺方面进行了广泛的研究。在理论方 面，许多科研工作者通过建立钢内碳扩散的数学模型，计算钢边缘的碳浓度分布，从而计 算出脱碳深度。在生产工艺方面，则主要通过研究产品表面脱碳与钢坯加热温度、加热时 间、炉气成分、轧制变形量、轧制温度、冷却速度等综合因素影响下的定量关系，用以对 生产工艺进行优化和控制，最大限度地改善产品的表面脱碳【l 。 由于重轨钢的脱碳主要发生在坯料加热过程中，因此控制钢坯在加热炉中的加热条件 显得尤为重要。国外主要重轨生产厂如日本新同铁八幡厂、德国蒂森公司、法国钢铁集团 哈亚士厂、加拿大悉尼钢厂和卢森堡罗丹厂等，钢坯加热设备均采用计算机控制的步进梁 式加热炉【7 1 。 加热炉控制的主要目标是钢坯的加热质量，而这又与* l n 生产情况、钢料的规格种类、 炉内加热时f h j 的长短密切相关。由于加热炉一轧机生产工况的复杂多变，由操作人员凭经 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 验设定炉温往往留有加热余量，这不仅导致加热炉能耗上升，而且对于钢材质量指标也是 有害的。因此，以计算机为工具，科学地决定加热炉的设定控制是十分必要的。要实现加 热炉设定控制，其主要困难来自炉内钢锭的温度分布的不可检测，解决这一问题的有效途 径之一是建立加热炉的数学模型，用加热过程的可测变量来估计炉内钢坯的温度分布，然 后把设定控制与钢坯出炉温度联系起来，以求得最佳节能的加热炉炉温设定值【1 2 1 。以前的 研究工作大多集中于钢坯加热过程的数学模型及炉温的优化设定控制，近年来，一些研究 者采用智能控制技术来研究加热炉温度控制。 然而加热炉是一个极其复杂的工业对象，是典型的具有分布参数的工业设备，是具有 强耦合、纯滞后、大惯性及慢时变等特点的非线性系统，因此建立模型比较困难，较为实 用的是通过分析加热炉内的热交换机理，从而建立实时控制模型【1 3 1 。 国外许多研究者采用不同的方法建立钢坯温度预报模型。所谓钢坯温度预报，就是应 用数学方法及可测参数来估计钢坯的热状态。由于目前人们尚不能应用适合工程实践的方 法来实现对钢坯热状态的在线测量，因此钢坯温度预报模型的研究已成为国际上的一个重 要研究方向【1 4 1 。不少研究工作者应用集中参数、分布参数、回归分析及状态估计等方法进 行了钢坯热状态数学描述的工伊1 5 , 1 6 】，但由于方法过于复杂，且考虑实际生产情况不够， 而难以应用到工业生产中。gkl a u s t e r 睨 、whr a y 与hrm a r t e n s 应用分布参数理论实现 了对钢坯温度分布的估计，所用的估计钢坯温度分布的数学模型是建立在换热机理基础上 的。t i m o t h y a v e s i o c k i 贝1 采用了动态热传导分析的方法【1 7 】，将整个加热炉内区域划分为一 系列节点，通过分析钢坯各节点的热交换机理的方法对钢坯温度进行控制。hep i k e 和sj c i t r o n 采用分布参数理论与热交换机理分析相结合的手段建立数学模型【l 酊，并通过近似集 中参数模型研究加热炉的静态、动态优化。此外，d a r r y lgg a r p e n t e r 等人提出了“生产率 控制”的概念【l 刎，认为通过钢坯的物性参数将炉内各加热区的加热温度与生产率联系起 来，在此基础上对加热炉实行分段温度控制，实际上也是一种参数分布系统。 就国内而言，一直到上个世纪7 0 年代末期，伴随着工业计算机的逐渐普及和自动控制 技术在钢铁企业的应用日趋广泛，加热炉温度控制理论的研究开始逐渐深入，成为自动控 制技术工业应用研究的重要领域。由于对加热钢坯的温度测量比较困难，因此采用计算机 计算炉内钢坯的温度分布与温升过程。用于计算的模型过去一般采用多元回归方法，然而 这种模型的准确性较差，回归系数较多且大多没有直接的物理意义，而且用于实时控制也 比较困难，因此国内对钢坯升温模型的研究大多集中于从钢坯与炉内环境换热的物理机制 入手，寻找钢坯升温的热力学模型。杨永耀和周晓听把炉内的钢坯考虑为一股被加热的物 料流，并按几何位置分解为一系列相互关联的子系统，不仅得出了炉内钢坯加热的全系统 模型，而且给出了单独钢坯的跟踪热模型，为实时计算机控制奠定了理论基础【2 0 】。 我国在智能控制技术方面的研究起步较晚，在钢铁工业应用方面，我国投入了不少资 金，做了大量工作，但未取得明显的成效。近几年来，神经网络因其较快的学习能力和逼 近非线性映射的能力而被用于系统建模的研究中【2 1 1 。在加热炉温度控制中应用最广泛的是 b p 网。b p 网有结构简单、抑制样本噪声等优点，但也有易陷入局部极小点导致网络训练速 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 度缓慢的缺点，因此，近年来也出现了一些改进的神经网络模型【2 2 1 ，如r b f 网络模型仅在 输入空间的局部范围内非零，且其参数调整率可采用线性调整技术，因而有更快的学习速 度，逼近能力强，在钢坯温度预报方面得到了很好的应用。 总而言之，国内的研究现状与国外相比还存在一定的距离，开展这方面的研究是十分 必要的。 2 2 脱碳原理分析 由于重轨钢的脱碳主要发生在钢坯加热过程中，而钢坯因加热工艺产生的表面脱碳是 决定成品最终表面脱碳层深度的重要影响因素【2 3 1 。为了研究减少脱碳的途径，首先要了解 重轨钢脱碳的原理【2 4 1 。 钢的脱碳是指钢表层的碳原子在高温条件下，产生热扩散而移至表面与加热炉内的氧 气发生化学反应，从而导致钢表面层一定范围内碳原子散失的现象。在加热和轧制过程中， 暴露在氧化性气氛中的钢，其表面生成的氧化物和脱碳层是钢加工中很重要的问题。 在钢坯进行加热的过程中，加热炉内的气体对钢坯的氧化脱碳产生很大的影响，不同 的炉内气氛将使钢坯在加热时表面产生不同的变化。有的气体如氧气、二氧化碳、水蒸气 等使钢表面氧化而产生松脆的氧化皮，这些气体被称为氧化性气体；有的气体如氢气、一 氧化碳等可阻止钢件表面发生氧化，称为还原性气体。同样炉内有些气体如氧气、二氧化 碳、水蒸气等能使钢坯表面脱碳，称为脱碳性气体；有的气体如一氧化碳、甲烷等能阻止 钢的脱碳反应，甚至还可以使钢坯表面含碳量增加，这些称之为增碳性气体；有的气体如 氮气等与钢坯表面不发生任何反应可看成是中性气体。 在加热炉内，氧化性气氛中钢坯表面主要发生以下脱碳反应： 2 f e 3 c + 0 2 = 6 f e + 2 c o ( 2 1 ) f e 3 c + h 2 0 = 3 f 叶c o + h 2 ( 2 2 ) f e 3 c + c 0 2 = 3 f e + 2 c o ( 2 3 ) 在还原性气氛中，钢坯表面主要发生以下脱碳反应： f e 3 c + 2 h 2 = 3 f e + c h 4( 2 4 ) 加热过程中的脱碳现象，其实质都是钢中的碳与氧、水及氧化物发生化学反应，而使 钢中碳含量降低。脱碳过程与氧化过程同时发生，在脱碳反应的同时，炉内钢坯表面还将 发生氧化反应： 2 f e + 0 2 = 2 f e o( 2 5 ) 3 f e + 2 0 2 = f e 3 0 4 ( 2 6 ) 4 f e + 3 0 2 = 2 f e 2 0 3( 2 7 ) f e + c 0 2 = f e 0 + c o( 2 8 ) f e + h 2 0 = f e o + h 2( 2 9 ) 钢坯加热时，当脱碳速度大于氧化速度时，主要形成脱碳层，反之则主要形成氧化铁 皮。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 2 1 钢的氧化 钢的氧化是指钢当中的金属元素与0 2 、c 0 2 、h 2 0 等氧化性气体接触发生化学反应 形成金属氧化物。根据氧化程度的不同，会生成几种不同的铁的氧化物，即：f e o 、f e 3 0 4 和f e 2 0 3 。在常温下，钢的表面通常会生成一层红色的氧化物，这就是平常所看到的铁锈。 在干燥的环境下，钢发生的氧化反应十分缓慢。当温度升高到2 0 0 ( 2 3 0 0 时，钢的表面 会生成一层氧化膜，随着温度继续升高，氧化速度不断加快。在不同的温度下，钢表面所 产生的氧化反应有所不刚2 5 1 。 当温度低于5 7 0 1 2 时，主要发生以下反应： 3 f c h - 2 0 2 = f e a 0 4( 2 10 ) 3 f c + 4 h 2 0 = f e 3 0 4 + 4 h 2( 2 11 ) 3 f e + 4 c 0 2 = f e 3 0 4 + 4 c 0( 2 12 ) 当温度高于5 7 0 时，则发生以下反应： 2 f e + 0 2 = 2 f e o ( 2 13 ) f e + h 2 0 = f e o + h 2( 2 14 ) f 叶c 0 2 = f e ( ) + c o( 2 15 ) 钢中金属元素在加热时与氧化性气体发生反应形成金属氧化膜的过程比较复杂。钢的 表面一旦形成氧化膜后，就将氧化性气体和金属基体分隔开来，金属基体进一步氧化是氧 必须通过这个氧化物层向内扩散。因此氧化过程是由金属、金属氧化物和氧化性气体之间 相互作用构成的，其中氧化过程受到氧的扩散速度的控制。图2 1 给出了金属表面与氧化 介质间的作用示意刚2 6 】。 ( f e ( fe 零) 图2 1 金属表面与氧化介质间的作用 当温度低于5 7 0 时，氧化亚铁在热力学上不稳定，氧化层由两层氧化物组成，即外 层为氧化铁层，内部为四氧化三铁层1 27 。由于四氧化三铁的组织致密，结构复杂，避免 了钢坯表面与氧化性气体的直接接触，氧原子不易扩散通过，因此氧化速度缓慢，氧化膜 不易加厚。此时形成的氧化膜可提高钢的抗氧化性。 当温度高于5 7 0 时，钢的表面将形成以氧化亚铁为主的氧化膜。氧化亚铁的组织疏 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 松，结构简单。由于氧化层中的压应力以及伴随脱碳反应所产生的二氧化碳气体的逸出使 氧化层发生龟裂及剥落，氧气极易侵入，氧化速度急剧上升，从而形成一层较厚的疏松多 孔而且容易剥落的氧化层，即俗称的氧化皮。 由以上的描述可以看到，钢的氧化主要是由于钢中的金属元素和气体中的氧元素相互 扩散引起的。由于氧化皮中的铁及气体中的氧存在浓度梯度，在较高温度下从浓度高的区 域向浓度低的区域扩散，从而进一步发生反应生成氧化层。而且氧化层具有组合结构，最 内层是氧化亚铁层，中间是四氧化三铁，最外面的是三氧化二铁。各层厚度与氧化过程中 的温度、时间、气氛及钢的成分等有关。 2 2 2 钢件表面的脱碳 钢在加热过程中表面除了被氧化之外，还会造成表层含碳量的降低。钢在加热时表层 的碳与加热介质中的脱碳性气体发生反应，在钢的表层生成了一定深度的低含碳量组织， 这个过程称为钢的脱碳。 根据加热介质的不同，常见的脱碳反应如下： c 0 2 + q f e 产2 c o( 2 1 6 ) 0 2 + c r f c = c 0 2( 2 1 7 ) h 2 0 + q f e = c o + h 2( 2 1 8 ) 2 h 2 + q f e = c h 4( 2 1 9 ) 以上几个反应都是可逆反应，反应式( 2 1 6 ) 相当于在轧前使用燃料加热的加热炉中的 情况，其平衡常数如式( 2 2 0 ) - 9 2 k 2 1 6 - 二蔓d 一 ( 2 2 0 ) 口c - f c 0 2 式( 2 2 0 ) 中，口。表示碳在奥氏体中的活度，在一定温度下，- i m 式( 2 2 1 ) 表示。 口，= 奥氏体中含碳量活度系数( 2 2 1 ) 所以碳在奥氏体中的活度越大，在平衡时要求炉气中的一氧化碳浓度越高。如含碳量 p 为o 4 的碳钢在1 0 0 0 。c 下加热时，反应达到平衡时，炉气中冬比例为2 6 5 。当炉气成 p c o p 分的分压比兰冬大于平衡值，反应就会向右进行，钢在加热过程中发生脱碳；而当炉气 d 成分的分压比 c 彳o z 小于此平衡值时，反应就会向左进行，将发生增碳。对于其它的脱碳 反应，也可以根据反应的热力学条件计算出平衡时气体成分的比例，从而判断钢在炉气中 加热时是否发生脱碳。 从扩散角度分析，根据菲克第一定律，碳的扩散通量为： 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 j = - d 生 ( 2 2 2 ) d ， 、 公式( 2 2 2 ) 中，d 为扩散系数，c 为碳的体积浓度，x 为沿扩散方向的距离，负号表明 碳原子是沿着浓度梯度的反方向由高浓度区向低浓度区扩散。扩散发生的根本原因在于物 质内部元素分布的不均匀性。钢在脱碳性气体中加热时，钢中的碳势高于炉气中的碳势， 钢的表面与炉气发生反应，使表面的碳含量与炉气碳势平衡。这时钢表面的碳势低于内部 的值，形成了碳的浓度梯度，在浓度梯度的驱动下，钢件内部的碳向表面扩散，并在表面 与脱碳气体反应。这种表面脱碳反应与钢件内部碳的扩散过程使钢件表层出现了一层脱碳 层组织。 2 2 3 氧化与脱碳的区别及相互作用 从上述氧化与脱碳的基本原理可知，氧化主要包括氧向钢中扩散形成氧化铁皮和钢中 的铁向外扩散，这样铁与氧反应形成氧化铁使氧化铁皮不断增厚。脱碳过程则是碳由钢件 内部向表层扩散及在钢件表层与脱碳气体反应，二者结合成含碳气体使钢的表层含碳量减 少，而且脱碳只有在碳的扩散速度大于铁的扩散速度时才能发生。当氧化速度很大时，脱 碳现象就不明显，钢表面只是形成很厚的氧化铁皮。所以氧化作用强烈时钢发生氧化，氧 化作用相对较弱时则形成脱碳。氧化与脱碳会同时出现，但如果在没有明显氧化的情况下 只出现脱碳现象【2 引。在较高温度下，钢的氧化和脱碳同时进行。即使在钢的表面形成了 一层氧化膜，但由于高温下氧化膜的组织结构比较疏松，碳元素还会与炉气中的气体反应， 即脱碳还是不断地进行。随着加热温度的增加和加热时间的延长，脱碳层深度不断加大。 从氧化膜的形成机理可以知道，钢在不同的温度下生成不同的氧化产物。重轨钢在轧 前加热的过程中，加热的温度很高，生成的氧化产物主要是组织结构比较疏松的氧化亚铁， 气体容易进入钢的内部组织【2 9 1 。对于脱碳来讲，当钢中的碳势大于炉气中的碳势，钢中 的碳就会与炉气中的氧等元素反应生成一氧化碳或二氧化碳；由于钢表面的碳浓度降低， 表层与内部产生的浓度梯度使碳元素从内部扩散到表层，然后再与炉气反应，导致钢表层 的碳含量降低。 氧化使表层基体转变为一层较薄的氧化膜，一般只有几微米到几十微米。氧化膜的结 构比较疏松，容易脱落。而脱碳是钢的基体还存在，其金相组织为无渗碳体的铁素体或铁 素体和渗碳体的低碳钢。脱碳层的深度有很大变化，一般可从几微米到几百微米甚至到几 个毫米。 2 3 影响脱碳层深度的因素 脱碳发生在钢材与空气接触的表层，但通过观察钢材机体晶界碳原子也急速减少，晶 界脱碳持续向试样内部深入。 金属表面c 原子发生化学反应而脱碳成c o 从机体中消失，造成机体c 原子浓度大 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 于表层c 原子浓度，形成c 原子浓度差，从而使机体中c 原子向表面扩散，如图2 2 所 不： 图2 2 钢发生脱碳原理示意图 根据这种情况，脱碳速度和深度取决于c 原子的运动速度，而c 原子的运动速度取 决于两个因素：第一，机体与表面c 原子的浓度梯度，浓度梯度越大，脱碳速度越快， 脱碳层深度越深。这就是为什么含碳量高的钢易脱碳的原理。 c 含量。 图2 j 含碳量对脱碳的影响 影响脱碳的第二个因素是c 原子的化学能g ，它决定c 原子的扩散速度，g 越大， c 原子的运动速度越快，因此加热温度越高加热时间越长，脱碳层深度越大。 2 3 1 加热温度 在高温条件下，钢的脱碳过程可分为以下几个步骤：碳化物的分解；碳的扩散； 发生反应生成气体；离开金属表面【3 0 1 。其中碳化物的分解和碳的扩散是影响脱碳程 度的控制因素。因为在初期表面碳反应完了以后，碳需要从钢的内部扩散至表面，与气体 接触面发生反应。从扩散的一般规律可知，要使扩散进行得快，必须要有大的驱动力( 浓 度梯度) 和足够高的温度。温度影响碳的扩散，随着加热温度的升高，钢中碳原子的活动 能力增加，使钢中的碳原子以扩散至表层，与加热炉内的氧作用而生成c 0 2 ，使表层一定 范围内的碳原子部分散失，从而导致脱碳。温度越高，表层碳原子的移动速度越快，散失 的碳原子越多，表层碳含量越少【3 。 另外，温度还从以下几个方面影响脱碳厚度。首先，温度影响着分解反应的平衡；其 次，温度还影响着钢中的组织变化。当温度达到钢的相变温度以上时，由于钢的奥氏体化 和渗碳体的溶解，碳的扩散能力将大大增加，其加速了脱碳过程。 脱碳时一方面是氧向钢内扩散，另一方面钢中的碳向外扩散。从最后的结果看，脱碳 武汉科技大学硕士学位论文 第11 页 层只在脱碳速度超过氧化速度时才能形成【3 2 1 。但是必须将脱碳速度转换至屿碳含量变化 所对应的基体铁量的变化才可对这二种速度进行直接比划3 3 1 。当氧化速度对时问的变化 速率大于脱碳速度对时间的变化速率时，脱碳层深度就出现峰值。 黑 葛 袭 巡 墨 警 量 茎 薹 f 庀 ，c 图2 4 脱碳层深度与温度的关系 ( a ) w 9 1 ( b ) m 2 ；( c ) m 2 舢：( d ) d 6 从图2 4 中可以看出：在加热时间一定的情况下，加热温度越高，脱碳层越厚。w 9 和d 6 0 6 脱碳深度产生峰值【3 4 j ，可解释为：在出现峰值之前，氧化速度小于脱碳速度，此 时氧扩散与铁扩散相互作用要小于碳扩散，使得脱碳层深度逐渐增加；而在峰值之后脱碳 速度小于氧化速度，此时氧扩散与铁扩散相互作用要大于碳扩散，脱碳层开始变小，所以 就出现了峰值。 2 3 2 加热时间 生产实际和实验结果表明，在温度一定的情况下，加热时间越长，钢坯的脱碳就越严 重。文献【3 5 1 中陈冬、项长祥、曹杰等人对w 9 、m 2 、m 2 a i 和d 6 0 6 这几种高速钢做了加 热实验，对不同温度、不同保温时间的实验数据进行处理，脱碳层深度与加热时间的关系 如下图所示。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 ! 警 耋 4 ，柚，j 柚u7 7 j 对一_ - 嵋 4 j 5 “7 o7 j 时- 口- - 2 3 3 炉内气氛 炉气成分是影响钢坯脱碳的重要因素之一。根据钢坯在加热过程中的脱碳机理可知： 随着加热炉内氧含量的增加，表面碳原子越易散失，表层碳含量越低，这样就使得表层碳 含量与中心部分碳含量的浓度差增大，而浓度差的增大必然产生含量高的中心部位的碳原 子向浓度低的表层扩散，造成距表层更大范围内的碳原子含量比中心部位低，即钢坯的脱 碳更严重。所以，应尽量使炉内呈还原性气氛以减少脱碳【3 6 1 。 2 3 4 钢的成分 各种钢对脱碳的敏感性是不一样的。一般情况下，含碳量越高越容易脱碳。另外，钢 中的合金元素对脱碳也有很大影响。含s i 、c o 和a l 等元素的钢，由于这些元素不形成碳 的=：翦略糟皓附m叫蛐啪蛐吣哺嘣哺 i讨霹瑶备叠 ：窨 = ： -鼍t碟 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 化物，而且有使碳游离或石墨化的倾向，对脱碳起促进作用。w 和m o 虽然形成碳化物， 但它们也有使碳石墨化或高温下游离的倾向，使钢容易脱碳。c r 、b 和稀土元素加入钢中， 可以减少钢的脱碳。硼与氧的亲和力极强，钢中含硼，使其氧化烧损增加，而脱碳层减少； 稀土元素能使钢表面在高温下形成致密的氧化铁皮，阻碍碳和脱碳气体的扩散。另外，硼 和稀土元素都有细化晶粒的作用，而细晶粒的钢一般是不容易脱碳的。 2 4 脱碳层深度计算模型 观察经加热后的钢截面，基本由三部分组成，即：钢的原始组织、脱碳层及氧化层。 钢在加热时，表层同时经历着脱碳和氧化反应。为研究方便，将其分解为钢分别经历着脱 碳和氧化反应。 钢在加热时表层的碳与加热介质中的脱碳性气氛( 0 2 、c 0 2 、h 2 0 等) 作用而发生烧损， 在钢的表层生成了由一定厚度的无( 少) 渗碳体的铁素体晶粒，其组织结构如图2 6 所示。 1 过攫腔磺层l3 由脱碳到飘化帕过挂 幺可见艇碳层lt 氧化皮层- 2 + 3 全貌碟层 图2 6 脱碳层的结构 早在金属学研究初期，就有著名的r o b 酣、a u s t i n 等科学家注意和发现扩散机理了， 晶体材料的主要结构特征是其原子或离子的周期性的规贝l j 排列。但实际晶体中原子或离子 的排列总会或多或少地偏离这种严格的周期性。由于热起伏的存在，原子或离子会不断地 改变位置而出现由一处到另一处的无规则迁移运动，即产生了扩散现象。扩散，是物质内 部的一种传递物质的过程，而发生这种物质传递的原因和动力在于物质内部相应性质的不 均匀性【”】。脱碳的本质是碳原子的扩散【3 8 1 。碳素钢表层碳原子受热振动，其逸出功上升， 增大了碳原子脱离金属晶格的束缚的趋势，由于碳原子与氧原子之间的亲和力大于碳原子 和铁原子的之间亲和力，从而出现了碳原子的扩散现象。固态金属中的许多冶金学和金属 学过程与扩散有关，存在间隙固溶体中原子的扩散、置换固溶体中原子的扩散、线缺陷及 面缺陷扩散三种扩散方式。脱碳就是碳在间隙固溶体中的扩散，从而达到弥补表层碳不足， 使得有足够碳与高温环境中氧结合成为可能。 脱碳具体描述为：高温环境中，钢在氧化性介质中加热时，钢表层中的固溶碳与之发 生化学反应生成气体逸出钢外，使钢的表层碳浓度降低的现象。脱碳严重时，可使表层变 成铁素体。 脱碳的动力学是与温度有关的： + + + + + + + + 2 + + + + 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 d 。= 0 0 2 c m 2 , ) 龇e - o r r 】 ( 2 2 3 ) 从公式( 2 2 3 ) 中能看出，碳的逸出与温度有关【3 9 1 。从化学活性角度看，在高温时，碳 的活性大于铁的活性，所以在奥氏体状态下，碳与氧的亲和力大于铁与氧的亲和力 4 0 l 。 表层脱碳动力学源白化学反应，碳原子从内部向表层移动，遵循菲克扩散规律，按菲 克第二定律，扩散过程中扩散物质浓度随时间的变化率，与沿扩散方向上扩散物质浓度梯 度随扩散距离的变化率成正比，考虑晶体为各向异性。菲克定律表述如下： 赛= 瓦ol ( d ，o 锄c 厂 万ol f ，。，o 砂c 厂i o ( d , o c - ) ( 2 2 4 ) 上式为广义菲克定律【4 1 , 4 2 1 ，适用于非稳态扩散。但按实际情况对上式做出简化：扩 散是一维的；扩散系数d 可近似作为常数，则钢坯内经过一定时间扩散之后的碳浓度 分布可用如下表示【4 3 4 5 1 。 i o c ：d 等 ( 2 - 2 5 ) 西ax2 、7 式中： d _ 扩散系数； d 一体积浓度5 卜一沿扩散方向的距离。 初始化条件： c l 瑚= c o ( 2 2 6 ) 式中，g 为钢的原始碳浓度分布。 边界条件：脱碳层内外两个界面处的状态。 外边界条件反映零件与周围炉气作用的情况 一j d 等：( c c g ) 缸 、 纠 内边界条件是指复碳层必有一个边界点m ， o c i ，。：or = 埘 一 ，可写为： 当x - - m 时有： ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 式中，为传递系数，c s 和c 分别为炉气的碳势和钢表面的碳浓度。 当发生脱碳时，会出现如图2 7 所示的不连续的浓度曲线。这个不连续的浓度曲线是 由碳在铁素体和奥氏体中的化学成分的连续性所造成的。w a n g n e r 已经得出了这个在恒温 下由扩散元素的浓度决定的扩散方程的解。而且当此解用于铁素体中碳的扩散问题时，答 案可能是近似的，如方程( 2 2 9 ) t 4 6 1 。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 5 页 x = 膏晌表面的距葛 图2 7 脱碳时碳的浓度曲线 ( 口、7 和秒分别代表铁素体、奥氏体和渗碳体) ( 2 2 9 ) x - 一脱碳层深度，如图2 7 所示； c b _ 碳在铁素体中的溶解度，如图2 8 中的粗线所示： c l 一碳在钢中的初始浓度： d 碳在铁素体中的扩散系数； t - 时间。 若脱碳发生时，加热温度恒定，且原始脱碳层深度为0 ，则脱碳层深度的值可由方程 ( 2 2 9 ) 计算得到。 方程( 2 2 9 ) 在a 和b 这两个温度范围内是适用的( 见图2 8 ) 。由于在温度范围c 内，铁 素体脱碳层深度由铁素体和奥氏体内的碳的扩散所决定，因此严格意义上方程( 2 2 9 ) 不适 用。但是，在温度范围c 内用方程( 2 2 9 ) 也可以得到近似值。在温度范围d 内，使碳浓度 为零也不会出现铁素体，那么铁素体脱碳就不可能发生了，因此对温度范围d 的扩散问 题不作讨论。 在x ，c b ，c l 和t 已知的情况下，为了得到d 的值需解方程( 2 2 9 ) ，在d ，c b ，c i 和t 己知的情况下，就能计算出脱碳深度x 。d o = 0 3 9 4 m m 2 s ，q = 8 0 2 2 m 0 1 分别作为d 的前指数因子和活性能量。它们作为杂质扩散数据可通过纯铁的估计来得到。合金元素对 碳原子扩散的影响忽略不计。c b 由热力学数据库系统计算得出，c 通过分析钢的化学成 分可知。对每个钢种来说，如果氧化铁皮对铁素体脱碳的作用很小，通过替换c i 和c b 可 以计算出铁素体的脱碳深度值。 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 8 f e - c 二元相图 ( c b 为任一温度下粗线上的浓度值，c l 为初始浓度值) 若铁素体脱碳时的温度不是恒定的，那么结合方程( 2 2 9 ) ，铁素体脱碳深度可由以下 方程计算得到。 x = 、1 匪3 c