不锈钢热处理.doc

第三节不锈钢机组连续热处理炉一、 不锈钢带的热处理工艺在大气中能抵抗腐蚀的钢称为不锈钢。不锈钢按其金相组织结构可以分成三大类，即奥氏体不锈钢，铁素体不锈钢及马氏体不锈钢。1. 奥氏体不锈钢的热处理工艺奥氏体不锈钢是一种铬镍合金钢，其主要合金元素的含量，镍大于6%，铬1626%，为了使钢获得特殊性能某些加有钼、钛、铌等其它元素。这类钢的热处理工艺是退火处理，其目的一方面使加工以后的金属组织再结晶，以使其充分软化，便于再加工，另一方面是将碳化物固熔在奥氏体组织中，以增强抗腐蚀性。奥氏体不锈钢的退火温度范围一般为100011500C，然后在此温度急速冷却，依靠快冷，能把碳呈固熔状态的奥氏体保持到常温（若冷却速度慢，则析出碳化物）。冷却方式视带钢材质及厚度而异，可以水冷、喷雾冷却、保护气体喷吹冷却及空冷等。2. 铁素体不锈钢的热处理工艺铁素体不锈钢是以铬元素为主（含铬占1128%）的合金钢，大都是低碳的，镍含量很少。这类钢的热处理也只是进行退火，其目的是消除应力，软化，增加延展性。这类钢的退火温度范围为6508500C，在空气、水或保护气体中冷却。对于高铬钢要注意在4005000C范围内徐冷时会产生脆化，因此应该尽量避免在这一范围中停留。3. 马氏体不锈钢的热处理工艺此类不锈钢亦以铬为主要合金元素（含铬1018%），碳在0.081.2%范围内，大多数不含镍，个别含少量镍（2. 5%）。马氏体不锈钢的热处理一般有下列几种工艺：退火热轧以后由于冷却较快而发生硬化，为了软化处理，增加延展性，需要进行退火。退火温度为8509200C，炉冷到6000C，然后空冷的称为完全退火，一般在罩式炉中进行。退火温度为6207800C，然后空冷的称为过程退火，一般在连续式炉内进行。淬火马氏体不锈钢经过高温急冷可以得到很高的硬度，其淬火温度为92510650C，油淬或空冷。为了消除淬火以后的内部应力，一般还需要进行消除应力退火和回火。但是这种处理一般都是用于棒材和机械零件，带钢和钢板很少进行这样的处理。4. 按一定比例控制奥氏体和铁素体的比例的双相不锈钢是为改善耐蚀性和获得较高的强度而发展的。双相不锈钢的镍含量为5%左右，同时含有较高的铬（25%左右）。双相不锈钢具有较高的机械性能，良好的韧性和焊接性。但冷热加工性能较差。双相不锈钢由于含铬较高，如在6008000C温度范围内长时间保温，易出现相，使钢的韧性和耐蚀性下降。二、 不锈钢带连续处理炉直到五十年代中期，各国生产的不锈钢带绝大部分都是在退火酸洗作业线上进行热处理的。在不锈钢带连续处理炉中，钢带在直通式火焰炉中加热，然后通过机械方法或化学方法去除氧化铁皮。用于这种作业线上的退火炉主要有两种类型，即辊底式牵引炉及悬索式炉。前者与硅钢脱碳炉相类似，这种炉子的主要缺点是由于炉内托带的辊子在高温下与钢带接触而划伤钢带表面，特别是炉辊结瘤时，这种现象就更加严重。对此虽然采取了一些措施，例如采用石棉辊、石墨辊、陶瓷辊及严格控制机组同步等等，但均不理想。因此目前很少采用这种炉型处理不锈钢。下面仅就悬索式炉做简单阐述。（一） 悬索式炉的结构（见图6-18）炉子分成加热室和冷却室两部分。钢带在加热室加热到规定温度并将这一温度保持一段时间，然后进入冷却室，用喷水、蒸汽、水雾、空气等冷却方式使钢带冷却，冷却介质根据钢材材质和厚度选择。炉子加热可以采用气体燃料或液体燃料，烧嘴布置在两侧墙上。烧嘴的形式和布置力求能使炉宽方向温度均匀。炉长方向可分段控制温度。为了快速加热，在进料段供热能力应较强，一般在钢带上下都布置有烧嘴，以后各段供热能力依次递减。一般在加热段前设置预热段，利用加热段的高温烟气，预热带钢。一方面是节约燃料，另一方面因为不锈钢低温时，导热系数小，快速加热容易断裂，特别是内应力大的冷轧不锈钢带。加热不锈钢要求精确控制燃烧产物中的氧含量，根据品种和处理工艺不同，氧含量一般为26%。这样可以保证带钢生成高价、相对疏松的氧化物，有利于氧化物的清除和酸洗。因而，燃料的成分和发热值要稳定，这是确保准确控制含氧量的前提。由于混合煤气的成分和热值极易波动，不锈钢带连续处理炉应尽量避免采用，最好使用天然气等热值稳定的燃料。图6-18 不锈钢连续退火炉酸洗机组退火炉图6-19 圆盘辊（Carousel roll）悬索式炉的主要特点是炉辊之间距离大，钢带在炉内呈悬索状态通过。炉内的辊子一般设在炉子控制段的分割处，例如预热段与加热段之间，加热段与均热段之间等。在同一处设两个炉辊交替使用。有两种辊子方式，一是并列设置两个辊子，靠手动卷扬升降交替使用辊子，还有一种方式是用圆盘辊（Carousel rool）(图6-19)。在一个大圆盘辊上带有两个炉底辊，上方的炉辊在运行中使用，下方的一个炉辊可实现在线不停炉更换。圆盘辊的上部有一部分在炉内承受高温，圆盘辊与炉底和炉墙交接处采用机械密封或机械密封加喷气密封。辊面材料有石棉和青铜喷涂两种。石棉辊较软，不划伤钢带，钢带表面质量好，但是辊寿命太短，一般为一个月左右。青铜辊寿命长，可使用一年以上，辊面结瘤和辊面线速度与钢带不同步时，都会伤害钢带表面，影响钢带表面质量。炉子发生断带时，钢带需要从炉子两端拉出，重新穿带。在炉子两侧内墙上的砖槽内放置的是专门用于穿带的一根厚2毫米，宽50毫米的耐热窄带钢。断带时，将窄带从砖槽内拉入炉内，然后将已经拉至炉外的断带同导带相连，再拉过炉子。炉子顶部还设有辊子，以便在钢带不需要通过炉子而仅要求酸洗时从顶部通过。还有另一种操作方法，仅需要酸洗时，钢带通过炉子，但炉子不供热，或仅保持炉温在7000C以下。改变品种，钢带需要退火时，炉子升温时间短，又不需要重新穿带，从而提高了作业率。（二） 炉内钢带悬垂度的计算和控制钢带在炉内的悬垂度与钢带在炉内的张力及两支点（即两支撑辊）间的距离有关。钢带在炉内张力的确定与钢带的材质及工作温度有关。下式为两支点间钢带的最大张力与钢带的极限抗拉强度的关系Pmax=bF/A公斤力（6-3）式中Pmax钢带的最大张力，公斤力； b钢带的极限抗拉强度，公斤力/毫米2； F钢带的断面积，毫米2；A安全系数。图6-2022为低碳钢、硅钢及不锈钢抗拉强度与工作温度的关系。安全系数要考虑启动时和变速时的不正常应力，一般选用A=1015。对于不锈钢钢带推荐采用张力为35公斤力/厘米2，即0.35公斤力/毫米2。钢带的最大张力与悬垂度的关系为：Pmax=其中0.16S2与l2比相对甚小时可略去不计，上式变为：S=wl2/8Pmax(6-4)式中S钢带悬垂度，米；l两支点间的距离，米；w每米钢带的重量，公斤/米。根据上式可以求出钢带的悬垂度，同时也可以预先确定悬垂度再计算钢带张力是否在允许范围内。两支点间钢带实际长度与垂度的关系为：L=l+8S2/3l (6-5)式中L钢带实际长度（近似值），米。由于连续热处理炉通过钢带的比张力（单位钢带截面的张力）来控制垂度，为此，将上述公式变换成：S=0.1l2/8P(6-6)S钢带的悬垂度，米；钢带的重度，吨/米3；l两支点间的距离，米；P钢带比张力，公斤/厘米2。例：一悬索式炉长18米，炉外两石棉辊间距20米，钢带尺寸为41000毫米，低碳钢带处理温度为7200C，奥氏体不锈钢带处理温度为11500C，求钢带在炉内的悬垂度。解：1. 低碳钢带从图6-20曲线中可查得7200C时碳钢的极限抗拉强度b 7公斤力/毫米2，取安全系数A=15，代入公式（6-3）中Pmax=bF/A=741000/15=1870公斤力代入公式（6-4）中求悬垂度S=Wl2/8Pmax=78500.0041.0202/81870=0.84米2. 奥氏体不锈钢带取张力为0.35公斤力/毫米2，则Pmax=0.3541000=1400公斤力代入公式（6-4）中求悬垂度S=Wl2/8Pmax=79000.0041.0202/81400=1.13米从计算看出，炉长18米时，处理不锈钢带的悬垂度为1.13米是可行的，目前国内外都有18米长辊距的实践经验。分析垂度公式可知，当跨度确定后，钢带垂度仅是钢带重度和单位张力的函数，钢带垂度与重度成正比，与张力成反比。图6-20低碳钢抗拉强度与温度的关系 图6-21含3%Si未处理冷轧硅钢的抗拉强度与温度的关系图6-22不锈钢的抗拉强度极限与温度的关系1-1Cr18Ni9;2-Cr18Ni9Ti当两支撑辊之间的钢带均质时，垂度和张力有一个简单的对应关系，传送钢带的电气设计，可以通过控制张力自动控制垂度，使垂度稳定不变。当两支撑棍之间的钢带非均质时，有两种不同材质或者不同规格的钢带悬垂，即钢带焊缝在两支撑辊之间时，垂度与张力就不是简单的对应关系，随着焊缝的移动，两辊之间钢带重量不断变化，垂度也随着不断演变。这时如何控制垂度，就产生了垂度控制技术。垂度控制技术有两大类：a. 应用垂度仪。在悬垂钢带的上方安装垂度仪，设定垂度值，通过控制张力维持垂度。当垂度变大时，提高张力；垂度变小时，降低张力，从而维持设定的垂度值。b. 在操作制度上加以限制，允许垂度在一定范围内波动。例如，某机组规定钢带焊接时，其截面比不允许大于20%，还规定两钢带中以小截面积的钢带张力进行控制。这样就确定了垂度的最大变化范围。（三） 冷却室设计加热到规定温度的钢带在冷却室以一定速度冷却到800C左右。冷却室壳体一般是钢板焊接结构。在钢带上下方各布置若干冷却装置，将冷却介质喷向钢带表面，使钢带冷却。通常采用的冷却介质有水、水雾（用压缩空气雾化水）、蒸汽、空气等，按照钢带材质和厚度选用。钢带的冷却速度主要由其热处理工艺要求来确定。为了满足同一材质钢带的冷却速度，厚度不同需要采用不同的冷却介质。例如对于奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9Ti）当厚度小于2毫米时，在空气中自然冷却就能满足要求，而当厚度较大时，则需要喷水冷却。对于2Cr18Ni9即使是厚度小于2毫米也需要喷水冷却，才能满足要求。不同介质的冷却速度由高到低大体上顺序如下：空冷（自然冷却）、喷蒸汽冷却、喷空气冷却、喷雾冷却和喷水冷却。当然，冷却速度还与喷嘴形式及布置、喷吹速度、喷吹介质温度及耗量有关。在冷却过程中，沿板宽方向保持冷却的均匀性比冷却速度更重要和更难实现。它直接关系到组织均匀性和钢带板型。控制板宽方向冷却均匀性的通常方法是将喷嘴沿板宽方向布置成3个或5个冷却区，分别控制各部分的介质流量。不锈钢热处理炉冷却室在结构上还有3个特点：1 在钢带的上下方向各设若干非传动的保护辊，防止断带和钢带跳动时破坏喷嘴和划伤钢带。2 冷却室下部有收集氧化铁皮的装置，方便地清除在冷却室脱落的氧化铁皮3 冷却室上部有排气管道，收集冷却室含有水汽等杂质的气体，通过烟管、排烟风机和烟囱排出厂外。有的还在烟道中安装过滤器，收集氧化铁粉。三、 不锈钢带光亮热处理炉不锈钢带的光亮热处理与退火酸洗相比有下列一些优点：1. 提高了钢带的表面质量和物理性能。不锈钢在氧化性火焰中加热，铬的氧化速度比铁快，因此钢带表面的铬损失比铁多，结果表层的含铬量低于基体的含铬量，甚至酸洗以后，这个贫铬层仍不能消除，这样就会降低不锈钢的抗蚀性。同时光亮退火后的钢带表面光洁度也远较酸洗后的表面为高。2. 提高金属收得率。不锈钢在氧化性火焰中加热，再经过酸洗，金属损耗率大。对于薄钢带其损耗甚至高达10%以上，光亮处理则没有这种损耗。3. 降低生产成本。采用光亮处理不仅取消了酸洗设备，而且也不需要磨光抛光工序，因而降低了成本。4. 能精确控制尺寸。因为没有氧化损失，故可由轧制来控制最终尺寸，这对供给制造精密仪表零件的材料有重要意义。不锈钢带光亮热处理炉主要有以下两种：（一） 有马弗立式炉最早的光亮热处理炉是带金属马弗的卧式炉，钢带在马弗内通过，马弗外采用火焰加热或电加热，马弗内通氢或氨。卧式马弗炉存在种种缺点，为此，发展了马弗立式炉。马弗立式炉有下列一些优点：1. 可以用价格比电便宜的煤气加热，从而降低加热成本。2. 操作中容易使保护气体露点保持在低限，提高产品表面质量。3. 在定期修理中，炉内保护气体放出，开炉后，要恢复炉内露点和升温，对砖砌炉来说，因为炉内耐火材料本身吸湿，所以需要23天时间。而马弗炉不吸湿，因而在短时间内就能达到所定的露点，可提高实际作业率。4. 砌砖炉由于运转中的震动和炉体的热膨胀，使耐火材料的微小颗粒落下，带到炉子入口密封处往往使钢带表面造成压痕和划伤。而马弗炉可避免这种事故发生，保持稳定的表面质量。5. 砌砖炉中耐火材料的微小颗粒以赤热状态落下，容易使密封处着火。而马弗炉不存在这种可能性，提高了安全性能。与砖炉相比，马弗炉也有以下不足：1. 由于受到马弗罩高温强度的限制，炉温最高只能达到11500C左右，不能达到砖炉那样高的炉温。2. 由于马弗罩的蠕变延伸和氧化损失，一般寿命只有35年，必须定期更换。3. 必须对马弗罩过热引起的异常蠕变延伸和热应变等进行监视。图6-23马弗光亮退火立式炉（二） 无马弗立式炉的特点1. 加热室内衬采用陶瓷纤维或高纯度氧化铝砖。由于不锈钢中的合金元素极易氧化，为了达到光亮表面，要求在纯度极高的干氢或分解氨保护气氛中处理。同时，气体在炉内高温下不得受到污染。这要求炉内砌体在加热过程中不析出任何有害气体，同时，也不与氢气发生作用。陶瓷纤维和轻质砖的绝热性能好，衬层较薄，散热损失少，蓄热损失少且热响应速度快。加热室总重量减轻，可相应的节省钢结构材料。陶瓷纤维拆叠块或层铺陶瓷纤维制品，用锚固钉固定在炉壳上，下部材料不承受上部材料压力。立式炉砌砖，必须考虑稳定性问题，沿炉墙高度分段砌筑，每2米左右设金属托梁和金属拉钩，将砌砖重量分散拉在炉子钢结构上。由于取消了金属马弗，因此处理的钢带宽度不受限制，现在的炉子处理不锈钢带的宽度可达1.5米。同时由于没有金属马弗，有可能实现高温快速加热；并且高纯度氧化铝砖砌体的寿命也较金属马弗为高，在正确操作情况下，砌体寿命达10年以上。图6-24不锈钢光亮处理立式炉1-穿带装置；2-转向辊；3-石墨辊；4-加热室；5-清扫段；6-辐射冷却段；7-喷吹冷却段；8-密封辊2. 采用快速加热不锈钢带采用快速加热不仅能够提高产量，而且较易得到光亮的表面。一般带马弗的炉子的炉温与钢带加热温度之差不超过500C，而在无马弗立式炉中，温度差可达2003000C，即把炉温提高到135014000C。采用这样的加热制度，钢带的单位加热时间可接近1分/毫米，而在一般马弗炉内的单位加热时间为2.53.5分/毫米。但炉温过高将造成加热室靠近出口附近砖的剥落，其碎片掉到下密封口引起钢带表面划伤，同时赤热的碎砖粒还容易引起着火事故，因此一般推荐的最高温度为12500C，这样钢带的单位加热时间为1.5分/毫米，仍较在马弗炉中的加热要快的多。由于炉温高，一般多采用钼丝或钼带做电热体，钼电热体在氢保护气氛中能在16500C下很好的工作。3. 采用快速冷却系统不锈钢带加热以后的快速冷却不仅是工艺的需要，而且可以大大缩短炉子长度（高度）。无马弗立式炉采用向钢带表面高速喷吹保护气体的冷却系统。钢带从加热室出来以后，先经过一个很短的辐射冷却段（钢板水箱），然后进入喷吹冷却段，冷却到1000C以下经由密封辊出炉。由于采用了喷吹冷却系统，冷却室的长度可比加热室还要短些，同时喷吹冷却能按厚度和材质调节冷却速度，因而改善了处理质量。4. 防止了钢带表面擦伤在立式炉中，钢带在一个单程中完成了加热与冷却，其中，钢带只与保护气体接触，因此能够很好地保护钢带的表面质量。（三） 炉内气氛不锈钢的光亮处理可以在真空中、纯氢或分解氨气气氛中进行。由于不锈钢光亮处理要求很高的真空度（低于10-4毫米汞柱），而钢带连续处理炉的密封结构很难给予保证，因此在工业生产中还很少采用。目前广泛采用纯氢和分解氨保护气氛。不锈钢中的一些合金元素，例如铬、钛、铝与氧的亲和力极强，光亮处理时，必须严格控制保护气体的成分。1. 含氧量对于大型立式炉，要求保护气体的含氧量不大于百万分之十（即10ppm），对于小型实验设备，由于钢带可能擦拭得很干净以及炉内容积小易于吹扫，含氧量小于20ppm也能得到光亮表面。但对于间断处理的罩式炉等，由于钢带在炉内时间长，即使含氧量10ppm也难于保证光亮。2. 露点纯铬在11000C时，露点为-290C即可不氧化，而不锈钢Cr17和1Cr18Ni9的光亮处理露点必须低于-350C。钛、铝等元素需要达到-740C以下的露点才能不氧化，这样低的露点在工业性生产中几乎是不能达到的，实际上确定保护气体的露点，必须综合考虑多方面的因素。（1） 加热温度。加热温度越高，保护气体露点也允许高些；温度较低则要露点也较低。在相同露点