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1、质量改进项目研究阶段性总结 重轨钢坯脱碳加热工艺优化一、 理论分析1、钢的脱碳钢在加热过程中，表面除了氧化烧损外，还会造成表层内含碳量的减少，称为钢的脱碳。碳在钢种以Fe3C的形式存在，它是直接决定钢的机械性质的成分。例如高碳工具钢，就是依靠碳获得高的红硬性，如果表面脱碳后，钢的硬度将大为降低。合金钢中除不锈钢外大多数是高碳钢，除了电工硅钢要求脱碳外，其它钢种的脱碳都被认为是缺陷，脱碳后最明显的是硬度下降，抗疲劳强度降低，要淬火的钢还容易出现裂纹。要清除钢的脱碳层，势必增加额外工作量。防止脱碳是加热过程的重要问题。1.1 钢的脱碳过程钢的脱碳过程是炉气内的H2O、CO2、O2、H2和钢中的Fe

2、3C反映的结果，这些反映式如下：Fe3C+H2O = 3Fe+CO+H2 Fe3C+CO2 = 3Fe+2CO 2Fe3C+O2=6Fe+2CO Fe3C+2H2=3Fe+CH4这些成分脱碳能力强弱依次是：H2OCO2O2，H2在一定条件下也能促使钢脱碳，如硅钢在湿H2气氛下脱碳。高温下钢的氧化与脱碳是相伴发生的，但是氧化铁皮的生成，有助于抑制脱碳，使扩散趋于缓慢，当钢的表面生成致密的氧化铁皮时，可以阻碍脱碳的发展。2、 钢的氧化钢在高温炉内加热时，由于炉气中含有大量的O2、CO2、H2O，钢坯的表面层要发生氧化。而且从钢坯到成品钢材往往加热多次，每加热一次有0.5%3%的钢由于氧化而烧损。氧

3、化不仅造成钢的直接损失，而且钢氧化后产生的氧化铁皮堆积在炉底，不仅是耐火材料受到侵蚀。氧化铁皮还会影响钢的质量，它在轧制过程中压入钢的表面，形成麻点，损害表面质量。如果氧化层过深，会使钢坯的皮下气泡暴露，轧后造成废品，例如现有生产的310乙字钢，出现的拉裂就与加热氧化使皮下气泡暴露无法轧合有一定关系。氧化铁皮的导热系数比纯金属低，所以钢表面上覆盖了氧化铁皮，有恶化了传热条件，降低了炉子生产效率，增加了能耗。因此低氧化或无氧化加热是钢坯加热追求的目标。2.1 钢的氧化过程钢在常温下也会氧化生锈，在干燥条件下，这一氧化过程是很缓慢的；到了200-300，表面会形成氧化膜，如果湿度不大，这时氧化还是

4、缓慢的；温度继续升高，氧化随之加快，到了1000以上，氧化过程开始激烈进行；当温度超过1300，氧化铁皮开始融化，氧化进行的更加剧烈；如果以900时烧损量作为1，则1000时为2，1100时为3.5；1300时为7。氧化的反应过程如下：SO2：3Fe+SO2=FeS+2FeOO2： Fe+12O2 = FeO 3FeO+12O2 = Fe3O42Fe3O4+12O2=3 Fe2O3 CO2：Fe+CO2 = FeO+CO 3FeO+4CO2 = Fe3O4+4CO 3FeO+CO2=3Fe3O4+COH2O：Fe+H2O = FeO+H2 3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2 3FeO+H

5、2O=Fe3O4+4H2氧化铁皮的形成过程也是氧和铁两种元素的扩散过程，氧由表面向铁的内部扩散，而铁则向外部扩散，外层氧的浓度大，铁的浓度。商母呒垩趸，内层铁的浓度大，而氧的浓度。傻图垩趸。所以氧化铁的结构实际是分层的，最靠近铁的是FeO，依次向外是：Fe3O4，Fe2O3。炉气中一般含有O2、CO2、H2O、SO2等氧化性气体，氧化性的的强弱依次是：SO2>O2>CO2>H2O。3、氧化和脱碳的关系氧化和脱碳都是氧元素与钢坯中的有益元素Fe和C发生了反映。从上面分析可以看出，炉气中O2、CO2、H2O既参与了脱碳反映，也参与了氧化反应。所以脱碳其实也是加热

6、炉内另一种形式的氧化反映。而这三种气体是混合煤气燃烧必然的产物。从以上理论分析和实践证明：在一般工艺条件下，最小的脱碳层不是在还原性气氛下得到的，而是在氧化性气氛下得到的。因为一方面炉气中O2、CO2、H2O参与氧化反应消耗掉了，也就弱化了脱碳能力，其次氧化性气氛加大氧化烧损程度，也可以使被脱碳的钢继续氧化，从而减少加热钢坯的脱碳层厚度。以下实验的数据也证明了这一点：图1.1 不同氧化气氛脱碳对比图从图中可以看出随着预热段空气消耗系数的增大脱碳层深度在增加，这是因为 12、13 号试样的氧化性气氛比 11 号强，加快了钢坯脱碳的进行。但是 12 号试样的空气消耗系数比 13 号试样。烟疾闵

7、度却比 13 号试样大，这是因为 13 号试样在强烈的氧化性气氛下，其氧化速度比脱碳速度要大很多，所以其观察到得脱碳层深度要比 12 号试样有所下降。这说明，随着氧化性气氛的增强，氧化速度和脱碳速度同时都在增加，但是到一定的时候，氧化速度要比脱碳速度更大，这时，钢坯的脱碳层深度将下降，但是将明显加大金属的损耗。二、 影响脱碳因素分析1、加热温度的影响，上面脱碳的反应式都是吸热反应，提高温度有利于促使反应向右进行，所以加热温度越高，脱碳程度越深。随着温度升高，碳的扩散程度增加，脱碳层厚度增加。但某些钢种随温度升高，钢的氧化速度增大，低温下脱碳速度大于氧化速度，到了某一温度，氧化速度大于脱碳速。例

8、如硅弹簧钢（60Si2Mn）在1100以前，脱碳层厚度随温度升高而很快增加，但超过这一温度后，脱碳层厚度随温度增加又显著减少，其原因是这时氧化速度明显大于脱碳速度，低温时的脱碳层明显被氧化而减少。理论上在加热过程中可以尽量避开1100附近的温度范围，但加热炉是连续加热过程，钢坯的加热温度也不可能出现跳变或跃升，所以实际生产过程中很难操作。而重轨钢与弹簧钢的成分除Si以外比较接近，有可比较和借鉴的意义。见下表2.1：表2.1 不同钢质成分对照表元素含量钢质CSiMnPSCrNiCu60Si2Mn0.560.641.502.000.600.900.0350.0400.300.300.20U71Mn

9、0.650.760.150.351.101.400.0300.0300.150.100.15U75V0.710.800.500.800.701.050.0300.0300.150.100.15U78CrV0.760.820.700.800.750.820.0250.0250.390.440.100.15结论：避开某一加热区间，实验室可以实现，在实际连续生产中是不太现实的，很难做到。但在高温区控制加热工艺导致氧化速度大于脱碳速度，是行的。2、加热时间的影响 ，在低温条件下，及时钢在炉内的时间较长，脱碳也并不显著，但在高温时间停留越长，脱碳越厚。试验统计数见下图：图2.1 脱碳层深度与温度的关系从

10、图可以看出，在保温时间相同的条件下，脱碳层的深度随保温温度的增大而增加，当保温温度大于 900时，钢坯的脱碳速度将随保温温度的升高而而明显加快。所以，在实际生产加热的过程中，在满足轧制工艺要求的前提下，应尽可能的减小加热炉内的保温温度。结论：我厂加热炉钢坯实际的加热时间一般在300min左右，远大于实际要求的正常加热时间150min，因此属于保温加热，适当降低一加热段、二加热段温度，可以有效的控制脱碳。3、炉气成分的影响 炉气成分中的H2O、CO2、O2都能引起脱碳。一般情况下，燃烧过程中不可能大量存在CO、H2，火焰炉内的炉气对易脱碳的钢来说都是饱和性脱碳气氛，即使在敞焰无氧化加热炉中，仍不

11、能避免脱碳。前面的实践证明，最小的脱碳层不是在还原性气氛时，而是在氧化性气氛下得到的。结论：1）现有工艺条件下，还原性气氛的加热条件仍然会有H2O、CO2、O2等炉气成分，加热炉完全避免脱碳是不可能的，而且还原性气氛造成燃烧恶化，能耗升高，而且未完全燃烧的成分并影响其它加热段燃烧，不是很好的操作方法。2）结论1推导出，要真正控制加热钢坯脱碳层较低甚至没有，隔绝加热气氛及钢坯表面喷涂涂料是最直接有效的办法。4、钢的成分的影响 钢中含碳量越高，钢的脱碳越容易。合金元素对钢的脱碳影响不一，铝、钴、钨这些元素能促使脱碳，铬、锰、硼则减少脱碳，硅虽然可以增加碳在钢中的活度，从而增加了碳的化学位，使之从含

12、硅的一边向不含硅的一边扩散，当钢坯表面被氧化时，也促使碳向钢坯表面移动，但这一过程非常缓慢，见图2.2C%0.63.80%Si0.586C%0.50.478C%0.40.315C%0.441C%0.3-1.0-0.50 0.51.0图2.2 扩散偶在1050扩散后碳的分布（13天）因此镍、硅、钒等对脱碳没有太大影响。实际生产过程中U78CrV的脱碳层厚度明显低于其它钢种，这就是因为铬可以使钢坯表面形成较为致密的氧化层，阻止钢坯的脱碳，同时也恶化钢坯的除鳞效果。下面为一组为生产的统计数据： 表2.2 2013年10月不同钢质脱碳层统计表品种及规格钢质加热时间（平均）脱碳层（平均）备注60kg/

13、mU71Mn2280.393双炉60kg/ mU75V2400.349双炉60kg/ mU78CrV2260.286双炉136RESS1850.126单炉结论： 在发展更高级别的钢轨时，在现有加热工艺不变的前提条件下，可以优化元素组成来获得钢轨更薄的脱碳层。或者为了获得更好的钢轨性能，可以利用这一原理对易脱碳的钢种有选择的进行钢坯喷涂。三、 研究数据统计及攻关方向通过以上的理论分析，采取了不同的实验手段来逐一验证理论与实践是否吻合，并找到最佳的加热制度和方法。1、 控制炉内气氛的试验表3.1 气氛控制对脱碳的影响方案序号气氛控制钢坯支数脱碳层（mm）S0.30.3S0.40.4S0.50.5支

14、数率支数率支数率支数率1氧-氧-氧11218.2 545.5 218.2 218.2 2氧-氧-还17847.1 317.6 529.4 15.9 3还-还-氧18738.9 844.4 211.1 15.6 4还-还-还191263.2 526.3 210.5 00.0 5中-中-氧25832.0 728.0 520.0 520.0 气氛控制对脱碳的影响18.247.138.963.232.045.517.644.426.328.018.229.411.110.520.018.25.95.60.020.00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0100.0

15、氧-氧-氧氧-氧-还还-还-氧还-还-还中-中-氧各段气氛脱碳率（%）脱碳层（mm） S0.3 率脱碳层（mm） 0.3S0.4 率脱碳层（mm） 0.4S0.5 率脱碳层（mm） 0.5 率图3.1 炉内气氛与脱碳的关系表3.2 氧化气氛与脱碳关系熔炼号品种及规格钢质脱碳层均热段二加热段一加热段加热时间（min）E SS0.131.01.01.0200E SS0.151.01.01.0180E SS0.121.01.01.1145E SS0.211.01.051.1160P14302128

16、115RE SS0.11.01.051.05180E SS0.11.01.051.1170E SS0.111.01.051.1182E SS0.121.21.051.1210E SS0.11.01.01.1220E SS0.121.01.01.1190由表3.1、图3.2 可见，采用方案4“还-还-还”加热的钢脱碳层0.3mm的占63.2%，其次是方案2 和方案3。使用方案3和方案4时，脱碳层0.4mm可达到83.3%、89.5%。但采用方案3、4时，炉头、炉尾冒火

17、严重，烟气温度高，容易造成炉门、换热器等设备损坏。从表4可见，采用同一方案，各段空气过剩系数不同，其脱碳效果也有差别，既要达到降低脱碳深度，又要保证设备安全，方案4实际上在生产中是不可行的，能耗偏高、设备损坏严重；因此实际上优选的、可行的方案是方案二，在此基础上进行进一步优化。表3.2关于136RE钢轨生产时的数据统计表也可以看出，氧化性气氛得到了较低脱碳层的结果。2、控制加热时间的试验通过试验，收集了不同加热时间段的脱碳层数据，分别见下面图表，图一为双炉生产时的数据，图二、表二为单炉生产时的数据。图3.2 脱碳与在炉时间关系 加热时间与脱碳00.20.40.60.81321481521551

18、59162165168173179182184195210213220232243252334在炉总时间（min）脱碳层（mm）图3.4 脱碳与加热时间关系表3.3 在炉时间与脱碳分类统计表时间在炉总时间150151180181210211240240钢坯支数1037221612脱碳层S0.35037.831.862.5250.3S0.42043.231.818.8250.4S0.51010.818.212.541.70.5208.118.26.38.3单从统计情况来看，脱碳深度与时间关系不大，但在对钢坯在各炉段内的加热时间进行分析后，可明显看出，钢坯加热时间越短，尤其是在高温段时间越短，脱碳

19、层0.3和0.4的比例越高，总的加热时间超过240min，脱碳层快速恶化。因此以240min作为加热时间的控制分界点也基本与实验室300min的控制点吻合。当然由于生产连续进行，实际中由于各种原因造成的待轧不可能随意控制在高温区停留时间，一旦出现停轧要迅速判断停轧时间，并立即待轧降温。3、控制加热温度相关实验本次试验温度按表3.4控制，实际温度执行情况见图6，各段温度下，脱碳层分布见表8。表3.4 高速轨加热温度制度（）均热段炉温二加热段炉温一加热段炉温预热段炉温122012701240130011501200950表3.5 钢坯加热温度与脱碳分布情况（%）脱碳层（mm）一加热段温度二加热段温

20、度均热段温度115011511175117612001200124012411260126112801280124012411255125612701270S0.320.039.342.90.066.742.939.336.866.730.046.545.50.3S0.440.025.031.7100.00.028.631.136.833.335.020.954.50.4S0.540.017.915.90.033.321.414.821.10.027.514.00.00.50.017.99.50.00.07.114.85.30.07.518.00.0从统计的数据看，很难发现加热温度与脱碳有直接

21、的对应关系，这是因为正常加热工艺条件下，一支钢从进炉到出炉要经过以上三个加热段，每一段的加热都可能引起脱碳，这一过程相互影响，非常复杂，每一只钢的加热时间也不同，很难掌握脱碳到底在哪一段占主要因素，但有一个趋势可以看出，出炉温度越低，脱碳层厚度越低。这是因为正常生产时，钢坯在均热段停留的时间最短，降低在高温区停留的时间可以降低脱碳与理论验证也基本吻合，因此现在双炉生产的情况下加热时间及均热时间完全满足生产条件下，而钢坯加热时间不可控的情况下适当降低炉温应是控制脱碳的有效途径。4、喷涂的相关实验1）材料性能及喷涂方式北京科技大学的高温纳米加热炉涂料理化指标如下：耐火度1810，密度2.0kg/c

22、m3，粘度197mm2/s，粒度纳米级10%、0.15微米90%。涂料采用喷涂的方式，由于本次涂料搅拌时间长，涂料较稠，采用喷枪喷涂的过程中喷嘴发生堵塞，因而在喷涂几根后，采用了滚刷进行涂刷，涂刷层较厚。在涂刷的过程中，对钢坯表面温度进行了检测，其中，P10604416的表面温度约为80左右，P10604441表面温度约110左右，有个别钢坯表面温度达到了140左右，涂料刷上后出现起泡，补刷后涂层很厚2）加热工艺本次试验钢加热时间较短，各炉钢平均在炉时间和各段平均在炉时间见表3.6表3.6钢坯加热时间熔炼号平均在炉时间平均均热段加二段加一段预热段6044164:180:360:530:402:

23、096044414:241:311:220:311:006044354:210:372:000:441:00平均4:210:581:180:381:27本轮试验采用了常规气氛控制，在加热过程中，由于加热能力已够，加热一段未供热，其实际气氛控制见表3.7。表3.7加热炉各段气氛控制情况炉别均上均下加二上加二下1炉1.301.001.001.002炉1.201.001.001.003）实验结果按试验方案，本轮共取80个样进行了踏面和圆弧脱碳情况检测，其中，两炉东端全部刷涂料38个样，西端未刷涂料20个样，涂料稀释后刷10支，同时对中间未刷涂料的两炉任取共12个样，脱碳情况见表3.8。表3.8 脱碳

24、层对比试验情况脱碳情况刷涂料未刷涂料踏面圆弧踏面圆弧东端西端（未刷）东端西端（未刷）平均0.050.270.070.420.210.23最大0.460.460.570.830.240.37最小00.1400.160.160.15(0.3)合格率95.837595.832010091.7从表4可见，本轮试验刷涂与未刷涂料的炉号脱碳层合格率（0.3mm）都较高，分别达到95.83%和100%。但从同一支钢东西端脱碳情况来看，可明显发现涂料对钢坯脱碳的保护作用。表3.9是同一支钢东西段踏面和圆弧脱碳情况。表3.9 同一铸坯东西端（涂刷与否）脱碳层对比序号铸坯号脱碳层（mm)踏面圆弧东端西端（未刷）东

25、端西端（未刷）1P1060441610100.140.030.472P1060441610200.20.050.353P1060441610400.2500.324P106044162020.050.160.030.285P1060441620400.220.250.386P1060441630100.2700.327P1060441650200.280.160.488P1060441660100.260.070.359P1060441660200.2400.3710P1060441660400.2800.4411P1060444120100.290.150.5212P106044412040

26、.360.460.570.8313P1060444130100.2500.614P106044413040.460.290.170.3215P1060444140400.3300.5616P1060444150100.3600.2517P1060444150400.350.050.6118P1060444160100.2700.5119P1060444160300.160.180.1620P106044416040.030.360.180.25平均脱碳深度（mm）0.05 0.27 0.09 0.42 最大脱碳深度(mm)0.460.460.570.83最小脱碳深度(mm)00.1400.16

27、脱碳层0.3mm比例（%）907595204）除鳞效果 图3.5 喷涂钢坯钢坯出加热炉状况 图3.6 涂料钢坯除鳞状况结论：钢坯表面进行喷涂不仅在别的钢轨厂和实验室取得较好的效果，氧化烧损减少20-30%（我厂08年、09年的试验也得到相同的数据），脱碳层厚度降低30%，而且在我厂也取得了满意的实验效果，但此次试验采取的的人工涂刷，涂层均匀稳定，在后面继续试验使用在线喷涂机效果要差一些，这与涂料的粘性、颗粒度、喷涂方式、喷嘴位置等因素有直接影响，所以大规模工业应用还需不断的完善改进喷涂装置。四、 实验结论及下一步研究方向1、从目前的生产看，若产量低于80万吨，建议单炉生产，现有的加热制度配合低

28、氧化加热气氛（1.0-1.1）基本能实现0.5mm脱碳层的要求，并在SS钢质的生产中得到较好的检验；若钢质改变，适当调整气氛即可，即U71Mn钢质的钢坯可以在均热段可以控制过剩系数在1.0以下。2、产量大于80万吨，用双炉生产，但是加热能力大幅度提高，加热时间延长，需对现有的热工制度进行如下调整：表4.1 优化钢坯加热制度牌号装钢步距加热时间加热温度炉内气氛（空气过剩系数）均热段温度加热段温度均热段二加热段一加热段U71Mn350mm×24小时1240-1260按现有的中限控制0.95-1.01.05-1.11.0-1.14-5小时1220-12400.9-0.951.1-1.25小

29、时1200-12200.85-0.91.15-1.3U75VU78CrV550mm4小时1240-12601220-12601.0-1.11.0-1.11.0-1.14-5小时1200-12401200-12400.9-1.01.0-1.15小时1180-12001160-12000.85-0.91.0-1.2备注：1、钢坯加热时间以均热段第1-3支钢的在炉时间为依据，并对加热时间有提前的预判。2、若煤气热值有波动，空气过剩系数可根据热值变化微调。3、若要生产350km时速以上或级别更高的钢轨，对脱碳层有更严格的要求，应该采取喷涂的方式进行物理隔绝加热，效果很好。但是对涂料的选择及喷涂的均匀性要有严格的条件，否则影响喷涂效果。4、具备条件可以与其它科研机构开展脱碳数学模型的研究，建立理论模型的基础上通过计算机采集数据分析现阶段加热制度下，加热钢坯后可能产生的脱碳层的厚度，然后回归分析，不断完善模型，使模型数据与实际检验结果趋于一致，从而提供更优的加热制度，达到在现有工艺条件下最薄的脱碳层厚度，并可以实现加热钢坯脱碳层超标的实时预警；对后工序钢轨改判、降级等提供支持。5、开发低碳或低氧化钢种，代替现有的U71Mn、U75V等易脱碳钢种。14