高碳铬轴承钢连铸圆坯冷装加热工艺分析
发布时间：2014-05-27许加陆 袁文军 袁敏 陈子坤 孙志祥
（江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司，江苏淮安 223002）
（江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司，江苏淮安 223002）
摘 要：淮钢特钢冷装高碳铬轴承钢连铸大圆坯开坯时出现鸟巢开裂缺陷，为解决该缺陷，进行了现场跟踪、原因分析、理论探讨和工艺调整，Z终优化轴承钢冷装加热工艺，消除了冷装生产时的鸟巢开裂缺陷。
关键词：连铸大圆坯；高碳铬轴承钢；加热工艺；解决措施
引言
GCr15高碳铬轴承钢是江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司（以下简称“淮钢特钢”）生产的轴承钢主要钢种之一，2008年初公司大棒材生产线调试时，由于连铸及轧钢工序未协调配合好，导致部分钢坯未能一次性热装完，在冷装GCr15轴承钢连铸Ø380mm大圆坯开150方坯时，约有20%～30%的钢坯在加热及轧制过程中发生开裂。针对冷装GCr15轴承钢出现鸟巢开裂的问题，进行了现场生产跟踪，对裂口形成的原因和机理进行了分析，找出了裂口的形成原因，并结合轧钢厂加热炉的实际情况，完善GCr15高碳铬轴承钢连铸大圆坯的冷装加热工艺，并提出生产时应注意的操作要点。
1 裂纹的形态
连铸大圆坯在经一道次或两道次开坯后，有些钢坯出现横向鸟巢开裂，Z多的钢坯上有12道裂口，形态见图1，2及图3；有些钢坯经冷装入炉加热后在炉内及轧制过程中发生了头部断裂；有部分经加热后剔除的钢坯在入库转运过程中发生脆性断裂，形态见图4。
关键词：连铸大圆坯；高碳铬轴承钢；加热工艺；解决措施
引言
GCr15高碳铬轴承钢是江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司（以下简称“淮钢特钢”）生产的轴承钢主要钢种之一，2008年初公司大棒材生产线调试时，由于连铸及轧钢工序未协调配合好，导致部分钢坯未能一次性热装完，在冷装GCr15轴承钢连铸Ø380mm大圆坯开150方坯时，约有20%～30%的钢坯在加热及轧制过程中发生开裂。针对冷装GCr15轴承钢出现鸟巢开裂的问题，进行了现场生产跟踪，对裂口形成的原因和机理进行了分析，找出了裂口的形成原因，并结合轧钢厂加热炉的实际情况，完善GCr15高碳铬轴承钢连铸大圆坯的冷装加热工艺，并提出生产时应注意的操作要点。
1 裂纹的形态
连铸大圆坯在经一道次或两道次开坯后，有些钢坯出现横向鸟巢开裂，Z多的钢坯上有12道裂口，形态见图1，2及图3；有些钢坯经冷装入炉加热后在炉内及轧制过程中发生了头部断裂；有部分经加热后剔除的钢坯在入库转运过程中发生脆性断裂，形态见图4。
图1 轧制两道次后裂口形态
图2 单个裂口的形态
图3 轧制7道次后的裂口形态
图4 剔除坯断裂的形态
2 工艺路线及工艺参数
2.1 工艺路线
80tLD转炉→LF精炼炉→RH真空炉→CCM大圆坯连铸→空气煤气双蓄热、端进端步进加热炉→Ø1100mm两辊开坯机→液压剪切定尺（450t）→冷床→堆冷。
2.2 加热炉工艺参数
加热炉主要工艺参数如表1所示，烧嘴能力和供热分配如表2所示。
2.1 工艺路线
80tLD转炉→LF精炼炉→RH真空炉→CCM大圆坯连铸→空气煤气双蓄热、端进端步进加热炉→Ø1100mm两辊开坯机→液压剪切定尺（450t）→冷床→堆冷。
2.2 加热炉工艺参数
加热炉主要工艺参数如表1所示，烧嘴能力和供热分配如表2所示。
表1 加热炉工艺参数表
表2 烧嘴能力及供热分配表
表2 烧嘴能力及供热分配表
3 高碳铬轴承钢加热工艺制定
3.1 加热工艺的制定
冷装连铸大圆坯需要预热后再进行快速加热。一般高碳铬轴承钢加热达到800°C以上，大圆坯方可快速加热，因为在这温度区域，钢已全部奥氏体化，钢具有良好的塑性，其热应力可以通过塑性变形得到松弛，不会引起鸟巢开裂。防止鸟巢开裂必须控制加热炉预热段的炉气温度及钢坯预热速度，使大圆坯在预热段能够充分的预热，使其心部与表面的温度趋于较小的温度梯度，然后缓慢升至800℃。钢坯热装生产时，由于钢坯入炉时表面仍有500～650°C，心部温度在600～750°C，钢坯入炉后不需预热，可直接加热。加热温度是一个很重要的工艺参数，首先确保钢锭的不过热、过烧，1230～1250°C是高碳铬轴承钢的极限温度。其次是通过足够的扩散时间保证碳化物高温扩散的效果。
3.1.1 调试的加热工艺
根据上述两点原则，确定了如下冷装及热装加热工艺，见表3。
3.1 加热工艺的制定
冷装连铸大圆坯需要预热后再进行快速加热。一般高碳铬轴承钢加热达到800°C以上，大圆坯方可快速加热，因为在这温度区域，钢已全部奥氏体化，钢具有良好的塑性，其热应力可以通过塑性变形得到松弛，不会引起鸟巢开裂。防止鸟巢开裂必须控制加热炉预热段的炉气温度及钢坯预热速度，使大圆坯在预热段能够充分的预热，使其心部与表面的温度趋于较小的温度梯度，然后缓慢升至800℃。钢坯热装生产时，由于钢坯入炉时表面仍有500～650°C，心部温度在600～750°C，钢坯入炉后不需预热，可直接加热。加热温度是一个很重要的工艺参数，首先确保钢锭的不过热、过烧，1230～1250°C是高碳铬轴承钢的极限温度。其次是通过足够的扩散时间保证碳化物高温扩散的效果。
3.1.1 调试的加热工艺
根据上述两点原则，确定了如下冷装及热装加热工艺，见表3。
表3 加热工艺
3.1.2 试生产情况
首次冷装GCr15Ø380mm大圆坯10支，开坯轧制时有两支出现端部断裂现象，热装GCr15Ø380mm大圆坯共计52支，加热轧制均正常，钢坯未出现断裂和鸟巢裂口现象。对冷装、热装GCr15轧后150方方钢取样分析，钢的组织正常，没有出现过热、过烧现象。本次冷装出现断裂当时分析怀疑是由部分钢坯表面有横裂纹（部分钢坯经二次火焰切割，头部出现应力裂纹），在加热及轧制过程中得到扩展，导致钢坯出现断裂，初步认为加热工艺合理。
3.1.3 第二次试生产情况
第二次生产前对钢坯表面质量进行仔细检查，本次共计冷装120支GCr15Ø380mm大圆坯（加热炉基本装满），在加热炉中加热约15～18h后出炉开坯，但在开坯轧制过程中有约20支发生“鸟巢开裂”（见上图1、2、3），返回剔除的8支钢坯中有2支在吊运过程中发生脆断（见图4）。
3.2 鸟巢开裂分析及加热工艺优化
3.2.1 “鸟巢裂口”形成的原因分析
通过分析确定鸟巢开裂是大圆坯在加热过程中产生的，既钢坯入炉后在预热段由于升温过快导致钢坯内部产生较大的内应力或已形成内部裂纹。高碳铬轴承钢含碳量很高，对加热速度非常敏感，冷坯在加热过程中，热量的传导是由表及里的，从钢坯的表面到中心存在着温度梯度，相应地，在钢坯内部产生热应力。热应力作用的结果，使钢坯的表层受到压应力，而钢坯中心会受到拉应力，由于钢坯中心部位是低溶点组分和杂质富集的地方，强度Z低，甚至还存在间断性的缩孔，对于大断面的轴承钢，如果温升过快，在钢坯芯部形成裂纹。如果芯部已形成裂纹或形成较大的应力，钢坯在加热及轧制过程中就会出现断裂和裂纹现象，在大压下量开坯时，钢坯芯部裂纹会由内扩展到表面，Z后形成“鸟巢裂口”或直接断裂。次冷装生产时，只试生产10支钢坯，且生产线还处于调试期，生产不正常，出钢节奏较慢，钢坯在加热炉中预热时间较长，升温不是太快，钢坯在预热段得到充分的奥氏体化。所以10支钢坯中只有2支发生开裂。第二次试生产时，一次性装满一整炉，装钢节奏未控制，并且预热段温度较高（炉顶约700°C，炉墙约650°C）。
3.2.2 加热工艺优化
由于第二次冷装生产时，大圆坯发生“鸟巢裂口”或直接断裂现象较为严重，必须对加热工艺进行优化，并提出司炉操作要求。
3.2.3 冷装加热工艺优化
经过对生产现场和加热炉炉型结构的分析，并对冷装加热工艺进行详细的分析，冷装生产时必须尽可能的降低钢坯入炉的温度并延长保温时间，使大圆坯在500°C以下缓慢的升温，待钢坯完全奥氏体化后，再提高加热速度。冷装工艺优化如表4，图5。
首次冷装GCr15Ø380mm大圆坯10支，开坯轧制时有两支出现端部断裂现象，热装GCr15Ø380mm大圆坯共计52支，加热轧制均正常，钢坯未出现断裂和鸟巢裂口现象。对冷装、热装GCr15轧后150方方钢取样分析，钢的组织正常，没有出现过热、过烧现象。本次冷装出现断裂当时分析怀疑是由部分钢坯表面有横裂纹（部分钢坯经二次火焰切割，头部出现应力裂纹），在加热及轧制过程中得到扩展，导致钢坯出现断裂，初步认为加热工艺合理。
3.1.3 第二次试生产情况
第二次生产前对钢坯表面质量进行仔细检查，本次共计冷装120支GCr15Ø380mm大圆坯（加热炉基本装满），在加热炉中加热约15～18h后出炉开坯，但在开坯轧制过程中有约20支发生“鸟巢开裂”（见上图1、2、3），返回剔除的8支钢坯中有2支在吊运过程中发生脆断（见图4）。
3.2 鸟巢开裂分析及加热工艺优化
3.2.1 “鸟巢裂口”形成的原因分析
通过分析确定鸟巢开裂是大圆坯在加热过程中产生的，既钢坯入炉后在预热段由于升温过快导致钢坯内部产生较大的内应力或已形成内部裂纹。高碳铬轴承钢含碳量很高，对加热速度非常敏感，冷坯在加热过程中，热量的传导是由表及里的，从钢坯的表面到中心存在着温度梯度，相应地，在钢坯内部产生热应力。热应力作用的结果，使钢坯的表层受到压应力，而钢坯中心会受到拉应力，由于钢坯中心部位是低溶点组分和杂质富集的地方，强度Z低，甚至还存在间断性的缩孔，对于大断面的轴承钢，如果温升过快，在钢坯芯部形成裂纹。如果芯部已形成裂纹或形成较大的应力，钢坯在加热及轧制过程中就会出现断裂和裂纹现象，在大压下量开坯时，钢坯芯部裂纹会由内扩展到表面，Z后形成“鸟巢裂口”或直接断裂。次冷装生产时，只试生产10支钢坯，且生产线还处于调试期，生产不正常，出钢节奏较慢，钢坯在加热炉中预热时间较长，升温不是太快，钢坯在预热段得到充分的奥氏体化。所以10支钢坯中只有2支发生开裂。第二次试生产时，一次性装满一整炉，装钢节奏未控制，并且预热段温度较高（炉顶约700°C，炉墙约650°C）。
3.2.2 加热工艺优化
由于第二次冷装生产时，大圆坯发生“鸟巢裂口”或直接断裂现象较为严重，必须对加热工艺进行优化，并提出司炉操作要求。
3.2.3 冷装加热工艺优化
经过对生产现场和加热炉炉型结构的分析，并对冷装加热工艺进行详细的分析，冷装生产时必须尽可能的降低钢坯入炉的温度并延长保温时间，使大圆坯在500°C以下缓慢的升温，待钢坯完全奥氏体化后，再提高加热速度。冷装工艺优化如表4，图5。
表4 加热工艺
图5 冷装加热工艺
图5 冷装加热工艺
工艺修改后，要求大圆坯入炉时，预热段温度（炉墙）必须≤600°C，且越低越好，并且在此温度下保持足够的时间，但在此次试验过程中，加热炉预热段炉墙温度降低到600°C以下很困难，必须关闭加热一、二及均热段的部分烧咀，用10支45钢钢坯压炉（主要是吸热降温），才能使预热段温度降至600°C以下，装炉节奏控制>8min/支。
工艺调整后次试验生产一炉钢坯（103支），生产基本正常，Z后出的钢坯有两支出现开裂，主要原因是加Z后几支钢坯时，加热二段、均热段烧咀已全部开启，预热段温度上升较快，Z后加入的几支钢坯未得到充分的预热。
工艺调整后第二次试验生产前，对预热段及加热一段炉温又进一步降低（炉墙温度≤580°C），关闭加热一、二段全部烧咀，仅留均热段两组烧咀，并对装钢节奏又进一步控制，本次冷装生产80支钢坯，生产正常，未发生钢坯鸟巢开裂现象，经过几次试验，检验，该工艺可靠、稳定，开坯后生产的钢材理化检验结果。
4 结论
通过对高碳铬轴承钢连铸大圆坯冷装加热工艺的试验和优化，冷装高碳铬轴承钢时，预热段炉气温度必须≤580°C，并且要有足够的预热保温时间，使钢坯得完全奥氏体化，再快速升温加热，采用此工艺能够彻底消除了冷装轴承钢生产时的鸟巢开裂缺陷。
工艺调整后次试验生产一炉钢坯（103支），生产基本正常，Z后出的钢坯有两支出现开裂，主要原因是加Z后几支钢坯时，加热二段、均热段烧咀已全部开启，预热段温度上升较快，Z后加入的几支钢坯未得到充分的预热。
工艺调整后第二次试验生产前，对预热段及加热一段炉温又进一步降低（炉墙温度≤580°C），关闭加热一、二段全部烧咀，仅留均热段两组烧咀，并对装钢节奏又进一步控制，本次冷装生产80支钢坯，生产正常，未发生钢坯鸟巢开裂现象，经过几次试验，检验，该工艺可靠、稳定，开坯后生产的钢材理化检验结果。
4 结论
通过对高碳铬轴承钢连铸大圆坯冷装加热工艺的试验和优化，冷装高碳铬轴承钢时，预热段炉气温度必须≤580°C，并且要有足够的预热保温时间，使钢坯得完全奥氏体化，再快速升温加热，采用此工艺能够彻底消除了冷装轴承钢生产时的鸟巢开裂缺陷。
来源：《现代冶金》第38卷第4 期 2010年8月