轧钢钢坯加热温度范围的确定
钢坯加热温度范围的制定
摘要：钢的加热对于钢材质量、产量、能耗以及机械寿命等都直接相关，采取正确的加热温度可以提高钢的塑性，降低热加工时的变形抗力按时为轧制机械提供加热质量优良的钢坯，以保证轧制优质、高产低耗。反之，如果加热不当则可能会造成过热过烧、加热不均等缺陷，严重影响钢材的质量，同时会使设备磨损增加动力的消耗。由此可见加热温度范围制定的重要性。为此我们应当掌握加热工艺的基本知识，参考铁碳相图、塑性图、及变形抗力图等资料，分析不同因素对加热温度的影响才能综合确定以便能够正确制定钢的加热温度，尽量防止加热缺陷的产生。以便获得良好的钢材质量和组织性能。
关键词：加热温度加热工艺奥氏体合金元素
前言
随着钢材生产技术的不断发展及市场对钢材产品质量要求的不断提高，在激烈竞争的条件下，为了获得良好的钢材表面质量和组织性能，对加热工艺、热处理工艺及加热温度制定的研究和应用就显得非常重要了。
1钢坯的加热温度
1.1钢坯加热温度的概念
钢的加热温度就是指钢料在炉内加热终了出炉时钢料表面的温度。
1.2 钢坯加热的目的
（1）提高钢的塑性，以降低钢在热加工时的变形抗力，从而减少轧制中轧辊的磨损和断辊等机械设备事故。
（2）使钢锭内外温度均匀，初轧前在均热炉中对钢锭的加热主要目的就是为了缩小表面和中心的温差，以避免由于温度过大而造成成品的严重缺陷和废品。
（3）改变金属的结晶组织或消除加工时所形成的内应力。轧材成品经过加热退火或常化等热处理过程后可以等到所要求的金相组织，从而使成材的机械性能得到了很大的提高。有时钢锭在浇铸过程中会带来组织缺陷：比如高速钢中组织的偏析，通过高温下长时间保温后，就可以消除或减轻这类缺陷。
1.3钢坯的最高加热温度、最低加热温度
根据终轧温度再考虑到钢在出炉和加工过程的热损失及工艺要求，便可确定钢的最低加热温度。
确定最高加热温度按照固相线以下100～150℃而定。下表1为碳钢的最高加热温度（Tm）和理论过烧温度T与含碳量间的值，其间大致关系如表1：
Tm＝0.95T℃
表1
1.4不同钢种的加热温度
1.4.1优质碳素结构钢
对优质结构碳素钢选择加热温度时，除参考铁碳平衡相图外还要考虑钢表面脱碳问题，为了不至使脱碳层超出规定的标准，应适当降低一些加热温度。钢的加热温度也不应该过低，即加热温度的下线应保证终轧温度在奥氏体区即一般为A
以上30～50°C，固相线以下100～150°C左右的地方。终轧温度对钢的组织和c3
性能影响很大。一般来说终轧温度越高晶粒集聚长大的倾向越大，而奥氏体晶粒
越粗大钢的机械性能越低。所以终轧温度不能太高，最好在800°C左右900°C 为宜，也不要低于700°C。
1.4.2亚共析钢和过共析钢
对含碳量低于0.83%的亚共析钢，亚共析钢加热温度范围是铁碳相图中A
c3
以
上30～50°C与固相线HJE以下100～150°C之间，一般为800～1350°C之间。
其终轧温度不应低于A
r3
因为低于这个温度奥氏体中将析出铁素体，经轧制后被拉长成纤维状组织从而使钢的机械性能出现方向性。含碳高于0.83%的过共析钢(如
高碳工具钢)，最高加热温度应比JE线低50～100°C，终轧温度不要高于A
rcm
。因为在轧后的缓冷过程中，沿奥氏体晶界析出二次渗碳体，其为针状或网状组织塑性很差降低了钢的机械性能。这种钢材只有经过热处理后才能使用，但温度也不
能过低不然钢的塑性太坏。同时低于A
r1
点时还会有石墨析出使钢的硬度大为降
低，所以过共析钢的的控轧温度大致在A
rcm 和A
r1
之间。
1.4.3合金钢
钢的加热实质就是奥氏体化过程。合金钢的奥氏体化过程比碳素钢的较困难，特别是碳化物的溶解和均匀化过程碳钢溶解缓慢，为了使合金元素能充分溶
解和均匀化，因此，低碳合金钢应选用A
c3
～（50～100°C）作为基本的加热温度，通常要比含碳量相同的碳钢高40°C左右。低碳合金结构钢在此范围加热，可获得细晶粒奥氏体，经保温淬火后可获得细晶粒板条状低碳马氏体组织，该晶相组织具有良好的综合力学性能。如果加热温度过低，会造成硬度不足，如果加热温度过高会造成奥氏体晶粒长大，如果使淬火后得到的粗大的马氏体，使钢的脆性增加，甚至于产生过烧使工件报废。
2不同因素对加热温度的影响
2.1合金元素对加热温度的影响
合金元素的加入对加热温度有一定的影响：（1）合金元素对奥氏体区域的
影响（2）合金元素对生成碳化物的影响
2.1.1合金元素对奥氏体区域的影响
某些元素如Mn、 Co、 Cu 、 Ni等，它们具有与奥氏体相同的面心立方晶格，都可以无限的溶于奥氏体中，从而使奥氏体区域扩大了。故这类钢的终轧温度可以相应低一些，同时固相线相应提高了，因此开轧温度可以提高一些。
使奥氏体区域缩小的元素有Cr 、 Mo 、W 、V 、T 、 Ti 、Si 、 Al 等，它们的晶格与铁素体相同，可以无限溶于铁素体中，由于它们的加入使铁碳
相图使A
c3点上升，A
1
点下降。结果使奥氏体区域减小了。故要保证终轧温度还能
在奥氏体单相区内，即应适当提高加热温度的下限。这类元素的加入，使钢的加热温度缩小了，它们都是不易加热的钢种。
2.1.2合金元素对生成碳化物影响
上述的合金元素中有的能生出碳化物如W 、 Wo 、V 、 Ni 、 Gr等，由于碳化物熔点很高。故可以适当这类钢的加热温度。另外也有些合金元素能形成在铁素体中形成固溶体。这时就要看合金本身的熔点高低了。熔点高的可以适当提高加热温度，熔点低的就要适当降低加热温度，属于这一类的合金元素有Si、Cu 、Al 、Ni等, 锰是一部分与碳形成碳化物（Mn
3
C）一部分与铁形成固溶体（一般常见的合金元素熔点如表2）总的来说低合金钢的加热温度按照含碳量的高低和铁碳相图来确定。高合金钢的加热温度不仅要参照相图，同时还要根据塑性图、变形抗力曲线、金相组织来确定。一些低合金钢和常见的钢合金钢的加热温度以列表3和表4中。
表2
表3
表4
2.2轧制速度对加热温度的影响
当轧制速度很高时，轧件在轧制过程中不仅不降温，还因产生变形热而升温，因此，轧件应适当降低加热温度。
2.3坯料尺寸和轧制道次对加热温度的影响
钢坯尺寸较大时咬入困难轧制道次较多时温降落较大，另一方面又要保证终轧仍能在奥氏体区域内进行，所以就要提高加热温度的下限值，以保证终轧温度在A
以上，反之如果断面尺寸小，加工道次少，对这样的钢坯加热温度就可稍低c3
些对工字钢和异型培因菱角处散热快，加热温度就要稍高些。
2.4轧制工艺对加热温度的影响
不同的加工工艺对加热温度要求有很大的区别。一般来说，压延时加热温度就要比锻造时低一些。热拉钢管、管坯穿孔、钢管减径以及弯曲时的加热温度就要稍低些。因为加工时要特别注意防止和减少表面氧化程度，但对焊钢管坯料的加热温度就应该高一些，薄板多属低碳钢，从钢的成分上允许加热温度稍高些。
但是为了减少钢表面氧化程度和防止粘结，其加热温度一般加热温度控制在850～950°C之间。例如叠轧低碳钢板时，如果温度过高，钢板粘结严重，加热温度一般控制在850～950°C之间生产热轧硅钢片时，由于硅钢片不易粘结，并要求在加热时脱碳以增加其韧性，所以可以提高加热温度，人为的使之高达1100°C左右。无缝管坯在穿管时产生升温，所以钢坯加热要低一些，否则已经加热到接近过热温度，穿孔时就会造成破裂。
一些炉子出钢温度偏高，对轧材质量不利又浪费热能，故因使出钢温度与轧制速度很好匹配。国外有种意见是，主张低温轧制。认为由于钢的轧制温度偏低所多耗得电能在经济上比提高加热温度所消耗热能更合算。
总之影响加热温度的因素很多，有时各因素之间是相互矛盾相互制约的。因此在针对某一具体钢种确定加热温度时，必须加以具体分析，并且往往要进行反复试验，不断总结经验才能最后确定出比较适合的加热温度。
3钢坯加热温度的确定
3.1Fe_Fe3C平衡相图
图1 铁碳平衡相图
如图1从相图上看，钢坯的加热温度必须高于完全奥氏体化温度，即GSE线以上，同时也要低于金属的液相线，即NJE线以下。Tmax比固相线低100～150℃，
以上30～50℃，但也不能太Tmin由终轧温度（一般在850℃左右）决定，应在A
c3
高，否则轧后晶粒过分粗化，力学性能降低。保证钢料在奥氏体单相区轧锻加工因为奥氏体内单相区塑性最好，轧锻加工时变形抗力最小，而且加工后的残余应力也小，不会出现裂纹等缺陷。这个区域对碳素钢来说就是在如图1所示铁碳平以上30～50℃，固相线以下100～150℃左右的地方。
衡相图的A
c3
3.2塑性图：
寻找塑性最高和变形抗力最低的温度区加工。
如图2寻找塑性最高变形抗力最低的温度区加工。由图可见：在900～1200℃范围内具有最好的塑性，故可将钢锭加热温度定在1230℃，超过此温度，钢锭将产生裂纹。变形终了温度不应低于900℃，否则钢的强度显著提高。
图2 塑性图
3.2.1碳钢的塑性随温度变化图：
尽量避开脆性的温度区。
温度℃
图3 碳钢的塑性随温度的变化图
如图3中1、2、3、表示塑性增高区域（凸峰）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示塑性降低区域（凹峰）。
3.3变形抗力图：
应使变形处于抗力最小的温度区间。
图4
由图4可以看出在不同的变形温度和变形速度条件下含碳量对碳钢变形抗力影响。碳钢随着含碳量的增加变形抗力增大，达到最小变形抗力的变形温度随之下降。如含碳量在0.05%的碳钢和含碳量为0.45%的碳钢在同一变形温度下含碳量为0.45%的碳钢变形抗力大，达到最小变形抗力的变形温度比0.05%碳钢低。
3.4再结晶图：
加热温度保证轧制在完全再结晶区域进行。
图5
如图5高温下加热时，晶粒的长大倾向较大。变形前的晶粒度越大变形后的也越大。终轧温度不能太低。因高温合金具有再结晶温度高、再结晶速度低及硬化倾向大等特点，终轧温度太低再结晶不完全，组织不均匀，产生带状组织和高残余应力。
3.5工艺方面
工艺道次多（可逆轧制、开坯轧制时）温度升高；轧制速度高（高线轧制）温度降低穿轧温度升高；硅钢加热应适当提高温度。
3.6钢的成分
钢中含扩大奥氏体区的元素（如Ni、 Cu、 Mn 、Co）时，可适当降低加热温度；钢中含缩小奥氏体区的元素（如W 、V 、Cr、Ti 、Si、 Mo）时，可适当加热温度；钢中含碳化物形成元素（如W 、Mo、 Cr、 V 、Ti、 Nb）时，可适当提高加热温度。
4 肉眼判断钢的加热温度
实践证明，通过观察火焰颜色，钢的颜色和加热炉各段炉墙的颜色，能够准确的判断出实际的钢温，下表5为钢在加热时的火色与实际温度的关系：
表5 钢加热后的火色与温度对照表
一般在生产中，加热工人还应经常检查钢料是否烧透，一般钢料内部的温度与钢料两端的温度相同时，说明钢料本身温度已经比较均匀。若端部温度高于内部温度，说明钢料尚未烧透还需加热，若内部温度高于端部温度，则说明炉温有所下降，此时必须警惕发生粘钢现象。
5 加热质量
5.1钢坯温差
5.1.1钢坯出炉温差
根据不同的轧制速度、不同的轧制钢种、不同的轧制规格，调整不同的炉温保证钢坯出炉温度。生产工艺要求钢坯的出炉温度为900～1100℃，头尾部温度比中部高20～30℃，钢坯上下温差＜30℃。断面心表温差≤30℃，长度方向黑印温差≤30℃。
在实际生产中，由于钢坯在炉内的加热时间长短不同，造成炉温和钢坯出炉温度相差50～150℃左右，出钢节奏快，温差大，出钢节奏慢，温差小。
5.1.2钢坯头尾温差
由于轧件前端经受水冷失温较多，第一架轧机轧制速度低，轧件的尾部进入轧机大大滞后于头部，也失温较多，为补偿钢坯头、尾端的热量损失，加热温度要高于钢坯中间温度32℃。
5.2加热温度过大的危害
(1)大量的能源（主要燃料）浪费。
(2)严重的氧化烧损，降低成材率，并使炉底的积渣严重，缩短炉子运行周期。
(3)热轧带钢表面氧化铁皮去除不良，影响产品实物质量。
(4)长期承受高温热负荷的加热炉高温内衬耐火材料剥落严重，寿命缩短，不仅增大了维检费用，而且降低了炉子作业率。
5.3加热缺陷
(1) 氧化：钢料加热到高温时，其表层中的Fe与氧化性气体(O
2、CO
2
、H
2
0、
SO
2
)发生化学反应，使钢坯表层形成氧化皮的现象称为氧化(或烧损)。
危害：毛坯烧损；氧化皮在成形时被压入锻件表面，影响其表面质量；氧化皮又硬又脆，加剧模具磨损；引起炉底腐蚀损坏。
(2）脱碳：钢料在加热时，其表层的碳和炉气中的氧化性气体(O
2、CO
2
、H
2
O
等)及某些还原性气体(H
2
) 发生化学反应，造成毛坯表层的含碳量减少，称为“脱碳”。
危害：锻件表面变软，强度和耐磨性降低，对需要淬火的钢，淬火后得不到所要求的硬度。
(3）过热：毛坯加热温度超过Ac
3
线时间过长，会引起奥氏体晶粒迅速长大、粗大，导致机械性能下降，加工时产生裂纹等现象即为“过热”。
危害：晶粒粗大，引起机械性能(尤其是冲击韧性)的降低，但生产实践表明：某些钢的过热对锻造过程的影响不是很大，甚至过热较严重的钢材(只要没有过烧)，在足够大的变形程度下一般可以消除。
(4）过烧：当毛坯加热温度接近熔点，并在此温度下停留时间过长时，不仅晶粒粗大，晶间低熔点物质开始熔化，氧化性气体渗入晶界，破坏了晶间的联系，称为“过烧”。
危害：强度和塑性大大降低，过烧的坯料一击就碎，一般是不能用热处理或热加工的方法来补救的。
(5)裂纹
在毛坯的加热过程中，由于
①、表层与心部温度的差异造成的温度应力；
②、钢锭的内部残余应力(钢锭在凝固和冷却过程中，由于外层和中心冷却
次序的不同，各部分间的相互牵制产生残余应力。外层冷却快，中心冷却慢，残余应力在外层为压应力，在中心部分为拉应力，其符号与温度应力相同) ；
③、具有相变毛坯的表层与心部相变不同时形成的组织应力；都可能产生心部裂纹。
危害：轧后表面产生缺陷、轧裂、轧断等。
（6)加热不均匀
沿钢坯断面上温度不均匀、沿钢坯长度上温度不均匀、钢坯上下面温度不均匀、角部温度过、高头尾温度偏低等现象。
危害：板型不良、内裂、表面裂纹、沿长度上周期性超差、头尾超差、产生角部裂纹等。
6 结束语
以上分析表明加热温度不良会导致各种缺陷影响钢坯质量但可以通过温度控制得以改善。如可以通过理论过烧温度与含碳量的值计算出最高加热温度，根据终轧温度再考虑到钢在出炉和加工过程的热损失及工艺要求，可确定钢的最低加热温度。并可根据Fe-C相图、再结晶图、塑性图及变形抗力图和结合现场实际制定各钢种的加热温度范围，根据温度范围制定可以控制整个轧钢过程各部位的温度。但是目前由于轧机的承受能力不能使加热温度降到很低，对加热温度制定还不是十分掌握等不足之处。还达不到理想的水平。所以，应该对加热温度控制技术抓紧消化、发展和创新，以使得加热的温度控制水平更进一步，在提高钢材质量方面取得更大的进步。
参考文献
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[4] 张菊水主编.《钢的过热过烧》.上海科学技术出版社.2007.