[00370454]控制高碳钢型材表面脱碳的研究

该项目任务来源为计划外横向项目。该项目应用领域为材料加工工程、冶金领域。该项目研究的技术原理为：1.研究加热过程中钢坯的脱碳特性，建立钢坯脱碳模型。探讨不同铸坯规格条件下，其脱碳、氧化程度与钢种特性、加热温度、加热时间、加热炉内气氛等诸多因素间的关系，采用实验研究方法，将脱碳层的形成分解为脱碳和氧化二个彼此独立的过程，分别建立相应的数学模型；2.研究强氧化性气氛加热方法。通过控制炉内分段气氛与加热温度，控制钢坯表面的氧化与脱碳过程，有效减小钢坯表面的脱碳层深度，有效缩短钢坯加热时间，节约能源并提高加热炉产量，降低生产成本。根据钢坯特性和现场条件，制订合理的加热工艺，通过实验研究，确定加热温度、加热时间、空气过剩系数等工艺参数；3.优化加热工艺制度。坯料加热过程中，若将加热时间减少，加热温度降低，则钢坯表面脱碳深度相应减少。但加热速度过快，钢坯内部热应力增大，可能产生裂纹缺陷。通过连铸坯断面温度场和热应力场的FEM模拟，研究加热速度与热应力的变化规律，制定合理的加热制度。根据钢坯的导热性能、热膨胀率，不同温度下的强度极限等因素，制定合理的各加热阶段的加热温度曲线，优化加热工艺。4.研究轧制过程中轧件的脱碳特性，建立轧件脱碳模型。轧制温度、变形率和冷却速度对轧件的脱碳都存在一定的影响。通过轧制实验，研究轧制过程中轧件的脱碳与轧制温度、轧制速度、轧制道次、道次变形量等工艺参数的关系，建立轧件脱碳模型，用于预报、控制轧件的脱碳层深度。研究钢帘线、钢绞线、弹簧钢等高碳钢系列线材低温(900℃-950℃)、高速(120m/s)轧制工艺对表面脱碳层的影响规律。5.研究钢轨万能孔型轧制方法。万能孔型的高度和宽度可以分别进行调整，因此必须掌握轧件在万能孔型中的变形规律。钢轨轧制实验研究在实验室的两辊可逆和四辊万能轧机上进行，根据几何相似和物理相似原理，制订实验研究方案，进行万能轧制实验研究。重轨万能孔型主要分为四辊万能孔型和三辊万能孔型两种形式，通过轧制实验主要研究：1)四辊万能孔型和三辊万能孔型各自的特点，对产品尺寸、性能的影响；2)轧件变形规律，变形的影响因素，轧件的宽展、前滑模型；3)轨头加工量对轨头表面脱碳深度的影响。6.优化孔型系统及轧制规程。重轨的变形工艺不同于板带材，整个断面属于不均匀变形，采用FEM数值模拟方法研究轧制过程金属的变形规律，可以得到轧件变形速度(位移)场、应变场、应力场、温度场等全部变形信息，是研究轧制过程的最有效方法。通过钢轨万能孔型轧制实验研究与成形过程的塑性有限元模拟研究相结合，以轨头脱碳深度最小为优化目标，以低温终轧、大变形量、快速轧制为约束条件，优化万能孔型轧制制度及变形规程，减少产品表面脱碳。该项目研究达到的高碳钢型材表面脱碳效果，高速轨控制在0-0.3mm，达到国际先进水平，钢帘线、钢绞线和弹簧钢脱碳效果达到国内领先水平。项目创新点如下：(1)正常轧制和停机，使脱碳层厚度最小；(2)高速轨箱型孔型－开口切深孔型－闭口切深孔型－万能孔型轧制，脱碳层控制在0.3mm(钢坯加热脱碳的实验研究方法。为模拟现场的钢坯加热条件，对冶炼实验室的实验设备进行改进，使其能够承受氧化气氛下的高温加热要求；并通过炉内气氛控制设计，实现了现场钢坯加热的模拟实验。得到以下研究结果：(1)现场加热后的钢坯无法立即取样，因此无法直接测定钢坯加热后的表面脱碳深度。通过模拟现场加热条件进行钢坯加热实验，得知钢坯加热后表面脱碳深度为1.5mm-2.0mm。(2)空气消耗系数对加热后钢坯表面脱碳深度有较大影响，正常轧制时，当预热段为0.9，均热段为1.1时，总脱碳层深度最小。(3)停机待轧时，停留在预热段的钢坯氧化烧损量和脱碳层较小。当预热段空气消耗系数为1.2，均热段为0.8时，钢坯的脱碳层深度最小。所以出现停机情况时，要使钢坯停留在预热段保温，空气消耗系数控制在1.2；2.轧制过程中钢坯表面脱碳层变化的研究方法。轧制过程中轧件处于高温状态，其加热时形成的表面原始脱碳层厚度，一方面会随着轧件在轧制线上滞留时间的延长而有所增加，另一方面会随着轧件的变形而快速减小。由于重轨轧制的变形复杂，该研究采用物理模拟与FEM数值模拟相结合的方法，对轧件变形进行定量分析。(1)通过U75V重轨钢的加热、保温实验，得到重轨钢坯表面脱碳层变化与钢坯温度、保温时间关系的数学模型，用以预报轧件在道次间隙时间内的脱碳层变化量。(2)根据重轨轧制过程中的孔型类别，在实验室完成箱形孔型、开口切深孔型、闭口切深孔型的轧制实验，得到不同孔型轧制后轧件表面脱碳层变化的实测数据，用以验证FEM数值模拟结果及其边界条件修正。(3)对BD1、BD2轧机的各个孔型轧制过程，进行轧件变形的FEM数值模拟，考虑坯料对应的轨头、轨腰、轨底各面的脱碳层变化，模拟结果轨头部分脱碳层深度为0.35mm左右，与实测数值一致。该项目武钢现场应用及推广应用表明，研究成果大大提高了高碳钢系列产品的生产质量，得到了铁道部、国家有关部委及有关下游产品生产厂家的高度认可，经济效益和社会效益显著。该项目研究成果可推广应用于国内高碳型材生产工艺方案改进，减小表面脱碳层厚度，提高产品质量，前景广阔。在以下方面可做进一步研究：1.钢坯加热温度制度改进。根据现场钢坯加热过程断面温度场的实测结果可知，采取的加热温度制度是合理的，钢坯内外温度在接近加热炉出口时趋于一致。但对温度场的实测曲线进一步分析发现，仍有可能通过提高预热段、一加热段、二加热段的温度来提高加热速度，缩短加热时间。2．BD1、BD2轧机速度制度优化。现场BD1、BD2轧机为二辊可逆式轧机，其道次速度图为三角形或梯形，对于二辊可逆式轧机，当道次变形量确定之后，道次当量长度为定值，因此可通过优化轧机的咬入转数、抛出转数、最大转数等参数，使轧制的总延续时间最短。该问题涉及到轧制工艺、机械电器、参数检测、计算机控制等多个领域，需要通过多方协作解决。