不锈钢钢坯加热注意要点

钢坯轧制过程温度确定的研究不同的钢种、不同的板坯规格、采用不同的轧机型式，以不同的轧制速度进行轧制，对于轧制不同厚度的成品而言，要求采用不同的钢坯加热温度和和钢坯的加热时间。本文以成品不同温度时的金相组织为依据，结合不锈钢轧制时的热应力分析，再参考铁碳相图，制定成品不同厚度的终轧温度，再通过建立轧制过程热模型，反算出板坯的出炉温度，从而对各种形式的加热和轧制提供加热依据。1、不锈钢加热温度的确定依据对于金属的压力加工来说，金属轧制前的加热，是为了获得良好的塑性和较小的变形抗力，加热温度主要根据加工工艺要求，由金属的塑性和变形抗力等性质来确定。不同的热加工方法，其加热温度也不一样。金属的塑性和变形抗力主要取决于金属的化学成份、组织状态、温度及其它变形条件。其中，温度影响的总局势是，随温度升高，金属的塑性增加，变形抗力降低，这是因为温度升高，原子热运动加剧，原子间的结合力减弱，所以变形抗力降低，同时可增加新的滑移系，以及热变形过程中伴随回复再结晶软化过程，这些都提高了金属的塑性变形能力。但是，随着温度的升高，金属的塑性并不直线上升的，因为相态和晶粒边界同时也发生了变化，这种变化又对塑性产生影响。钢的加热温度不能太低，必须保证钢在压力加工的末期仍能保持一定的温度（即终轧温度）。由于奥氏体组织的塑性最好，如果在单相奥氏体区域内加工，这时金属的变形抗力最小，而且加工后的残余应力最小，不会出现裂纹等缺陷。这个区域对于碳素钢来说，就是在铁碳平衡图的AC3以上30-50，固相线以下100-150的地方，根据终轧温度再考虑钢在出炉和加工过程中的热损失，便可确定钢的最低加热温度。钢的终轧温度对钢的组织和性能影响很大，终轧温度越高，晶粒集聚长大的倾向越大，奥氏体的晶粒越粗大，钢的机械性能越低。所以终轧温度也不能太高，根据铁碳相图最好在850左右，最好不要超过900，也不要低于700。金属的加热温度，一般来说需要参考金属的状态相图、塑性图及变形抗力图等资料综合确定。确定轧制的加热温度要依据固相线，因为过烧现象和金属的开始熔化温度有关。钢内如果有偏析、非金属夹杂，都会促使熔点降低。因此，加热的最高温度应比固相线低100-150。不锈钢属于一种高合金钢，钢中含有较多的合金元素，合金元素对钢的加热温度也有一定的影响，一是合金元素对奥氏体区域的影响，二是生成碳化物的影响。对于不锈钢中合金元素如镍、铜、钴、锰等，它们都具有与奥氏体相同的面心立方晶格，都可无限量溶于奥氏体中，使奥氏体区域扩大，钢的终轧温度可相应低一些，同时因为提高了固相线，开轧温度（即最高加热温度）可适当提高一些。对于不锈钢这样的高合金钢，其加热温度不仅要参照相图，还要根据塑性图、变形抗力曲线和金相组织来确定。轧制工艺对加热温度也有一定的要求。轧制道次越多，中间的温度降落越大，加热温度应稍高。当钢的断面尺寸较大时，轧机咬入比较困难，轧制的道次必然多，所以对断面较大或咬入困难的钢坯，加热温度要相应高一些。加工方法不同，加热温度也不一样。对于热轧薄板，加热温度不能太高，否则在轧制过程中容易出现粘连现象。合金状态图是选择加热温度的重要依据。以部分二元合金状态图为例，固相线决定了加热温度上限，为了防止金属过热和过烧，上限温度比溶点低100-200，即相当于合金熔点的0.8-0.9倍。加热温度的下限由终轧温度所确定。对于完全固溶状态的合金，随温度的降低不会出现固态相变，终轧温度一般相当于合金熔点的0.6-0.7倍，这样可以保证热加工所要求的塑性和变形抗力。但也有例外，某些合金处于单相区脆而硬，塑性较差，而在两相区塑性较好，此时加热温度定在两相区较好。由此可以看出，合金状态图只能给出大概的温度范围，是否合适，还必须同时参考金属的塑性图。塑性图是确定加热温度的主要依据，它给出了金属塑性最高的温度范围，加热温度的上限应取在塑性最高的区域附近。根据状态图和塑性图确定加热温度范围后，还要用变形抗力图（变形抗力随温度的变化曲线）来进行校正，以保证整个热加工过程在金属变形抗力最小的范围内来完成。2、不锈钢在加热过程中不同于碳钢的特点1）本质粗晶粒钢在700-800度时晶粒开始长大，但本质细晶粒钢在930-950度温度下尚不足长大，只有在超过这个温度以后才开始粗化，并随温度的继续升高，它的长大趋势比本质粗晶粒还要大。2）对于钢的晶粒粗大，加热温度及时间有着决定性的作用，合金元素增大晶粒长大的倾向，按其影响程度的强弱顺序为Mn、P、C，减少晶粒长大倾向的是V、Ti、Ai、Zr、W、Mo、Cr、Si、Ni，大多数合金钢结构的过热敏感性都要比碳钢低。3）铁素体不锈钢含碳量一般较低0.12%以下，含有12%-30%的Cr，则较马氏体的为高，其组织基本上是铁素体，它加热到较高的温度只有一小部分转变为奥氏体，大部分仍为铁素体，含铬较高的在加热过程中一般不发生相变，含铬越高，则塑性和耐蚀性提高，但其退火或正火后的组织为铁素体及少量的碳化物组成，碳含量越高则硬度和耐磨性越高。铁素体不锈钢铬含量超过17%时，在475度会发生脆性、相脆性及高温脆性。4）不锈钢在进行焊接时热影响区温度在600-800度时最容易产生晶间腐蚀。5）奥氏体不锈钢属于面心立方结构，膨胀系数较大约是碳钢的1.5倍，导热系数约是碳钢的1/3，比电阻约是碳钢的4倍。高络不锈钢的导热系数与碳钢相比约是碳钢的1/2，比电阻约是碳钢的3倍。马氏体不锈钢加热前需要进行预热，因其导热系数较低，表面热影响区域又硬又脆。铁素体不锈钢加热至900时，热区域晶粒显著变粗，使其在低温下的延伸性和韧性变差，冷却后容易产生裂纹。6）含铬大于14的低碳铬不锈钢，含铬大干27的任何含碳量的铬不锈钢，以及在上述成分基础上再添加有钼、钛、铌、硅、铝、钨、钒等元素的不锈钢，化学成分中形成铁素体的元素占绝对优势，基体组织为铁素。这类钢在淬火（固溶）状态下的组织为铁素体，退火及时效状态的组织中则可见到少量碳化物及金属间化合物。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。7）马氏体钢这类钢在正常淬火温度下处在y相区，但它们的y相仅在高温时稳定，M点一般在3OO左右，故冷却时转变为马氏体。马氏体不锈钢的机械性能、耐腐蚀性能、工艺性能与物理性能，均和含铬1214%的铁素体-马氏体不锈钢相近。由于组织中没有游离的铁素体，机械性能比上述钢要高，但热处理时的过热敏感性较低。8）马氏体碳化物不锈钢Fe-C合金并析点的含碳为0.83%，在不锈钢中由于铬使S点左移，含12%铬和大于0.4%碳的钢，以及含18%铬和大于0.3%碳的钢均属于过共析钢。这类钢在正常淬火温度加热，次生碳化物不能完全溶于奥氏体，因此淬火后的组织为马氏体和碳化物组成。属于这一类的不锈钢牌号不多，却是一些含碳比较高的不锈钢，含碳量偏上限的3Crl3钢在较低的温度下淬火，也可能出现这样的组织。由于含碳量高，钢中虽含有较多的铬，但其耐腐蚀性能仅与含1214%锗的不锈钢相当。这类钢的主要用途是要求高硬及耐磨的零件，如切削工具、轴承、弹簧及医疗器械等。9）铁素体不锈钢铁素体不锈钢在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11%30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素，这类钢具导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，因而限制了它的应用。10）马氏体不锈钢马氏体不锈钢通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢，通俗地说，是一类可硬化的不锈钢。粹火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合。图片3、不锈钢热过程数学模型建立的必要性1、铁素体不锈钢轧制开发难度较大，这主要与铁素体钢在加热过程中，晶粒长大倾向大。晶粒长大，晶界变少，结合性能变坏,就会恶化热加工性能，因此，必须建立加热和轧制过程数学模型，对其最高的加热温度和轧制制度进行了严格控制。不锈钢如果也像一般的合金钢那样加热，热加工中就会产生各种各样的产品缺陷。2、通过数学模型优化控制不锈钢板坯在炉内的升温曲线和在炉时间，在尽可能提高产量的前提下，板坯的升温过程采取前慢后快的方法，以防止板坯在炉内的过热过烧和晶粒粗大的现象发生。3、根据对不锈钢带卷边损生产过程统计，产品质量主要发生在带卷的边部和头尾部。在粗轧机的轧制过程中板带需要轧边，板带边部散热面积较大，粗轧机轧完以后，板带头尾、边部与中间温差一般在50度以上，精轧机轧完以后，这种现象就更加明显，板带头尾与中间温差一般在150度以上，板带边部与中间温差一般在100度以上，板带头尾、边部温度较低，其塑性变形就较差，轧制过程中就容易产生问题。这就需要建立轧制过程数学模型，对板带轧制温度进行准确的控制。4、为在加热炉内控制板坯两头的加热温度，根据下部炉膛烧咀布置和温度特点，合理制定板坯的的布料规则和前后板坯之间的间距。同时根据出料端炉头板坯位置紧临出料炉门，出料端端墙没有布置供热烧咀，其温度较低，并且其位置处设有摄像头和激光定位仪，致使该处的炉膛温度更低。为防止在炉内加热好的板坯在此处的温度降低，应合理控制炉头坯的位置，并在停轧时采取板坯后退以避开低温区的措施，保证炉头板坯的正常加热。同时针对下部炉膛烧咀的热气流上浮,容易从板坯之间的空隙通过,致使空隙较大的区域炉气温度高,空隙较小的区域炉气温度低,容易造成板坯的加热不均。5、合理控制炉内气氛，减少氧化烧损。含Ni3%6%的钢的氧化铁皮与金属的“相间嵌入”状态。因为Ni比Fe难与氧化，在Fe-Ni合金的氧化皮形成过程中，固溶体中的Fe优先进行扩散（向外和氧化），因而使Ni在氧化层内面局部富集。而在热加工温度下Ni周围的铁终究也是要氧化的，所以富集Ni有金属基体与氧化皮呈严重的“相间嵌入”状态，氧化铁皮难于脱落。为解决含镍低碳钢的氧化铁皮脱落和减少氧化烧损问题，采取少氧化加热的方法，即采用明火式无氧化加热炉加热板坯，这时生成的氧化铁皮难于脱落，但因为氧化铁皮很薄，酸洗后不影响板材表面质量。6、采用数学模型精确控制加热炉生产过程中的各种参数，充分利用设备停轧时间、定修时间、轧线清理时间、换钢种时间，及时对设备的控制精度进行检查和调整，确保设备功能完善、控制准确、水量分布合理、轧制模型计算准确、板带跟踪定位准确、张力控制合理，板带轧制过程中板形良好、宽度和厚度控制准确，无板带头尾跑偏和起套或拉断的不正常现象发生。7、对不锈钢入炉前后与碳钢和其它钢种的过渡进行研究。在碳钢钢坯的后面装入不锈钢板坯前，应根据碳钢和不锈钢不同的加热特性，碳钢与不锈钢之间应留一定的空位，不锈钢装完以后，在装碳钢前也应在炉内留出一定的空位，以便为后续轧制碳钢提供升温时间。8、精轧机的弯辊力和串辊位置对于板形的影响较大，必须进行优化和调整；板带侧吹调整对轧制过程中的温降非常重要，关系到板带表面温度的高低，应以板带表面冷却水吹净为基准，不能产生调整过大或分布不均的现象发生；精轧最后一个道次的压下量应适当减小，以保证成品板带的板形。