钢轨脱碳层厚度控制

段盛艺任世友王旭苏学庭

摘要：脱碳层是热轧钢轨的订货质量指标之一，铁道部发布的43kg/m~75kg/m热轧钢轨的质量指标规定钢轨头部脱碳层的深度不得大于0.5mm[1]，钢轨用坯料含碳量较高，在加热过程中有很明显的脱碳倾向。本文针对邯钢大型轧钢厂型钢生产线在生产钢轨时出现的脱碳层超标问题，通过对现场生产数据收集、影响脱碳因素的分析等方式，制定并实施相关控制措施来抑制钢轨脱碳层厚度超标。从而提升钢轨品质与成材率，增加大型轧钢厂产品在市场中的竞争力。

关键词：脱碳；影响因素；控制措施

前言

铁路是我国国民经济的大动脉，随着改革开放的深入和经济建设的发展，铁路运输事业也取得了长足的进步。当今，钢铁冶金行业低迷，竞争尤为激烈，邯钢大型轧钢厂如果能够提高钢轨质量，降低产品缺陷，就握住了经济命脉。对于钢轨来说，由于其含碳量比较高，在加热炉内加热过程中比较容易发生氧化脱碳现象，增加氧化烧损，造成品钢轨的成材率、合格率降低。脱碳现象的产生使得钢轨出现机械性能下降、硬度降低、耐磨性差和疲劳强度降低等缺陷[2]。包钢轨梁厂为了适应当前形式，将钢轨脱碳层作为重点攻关项目，旨在寻找降低脱碳层厚度的方法，提高产品质量。

1、影响钢坯脱碳的因素

1.1、钢的脱碳原理

钢坯在加热过程中表面金属因氧化造成含碳量减少甚至不含碳元素的现象称为脱碳。碳在钢种主要以渗碳体形式存在即Fe3C，钢坯的脱碳机理是加热炉内的H2O、CO2、O2、H2等各种气氛和Fe3C发生反应的过程。具体反应如下：

2Fe3C＋O2=6Fe＋2CO

Fe3C＋2H2=3Fe＋CH4

Fe3C＋CO2=3Fe＋2CO

Fe3C＋H2O=3Fe＋2CO＋H2

以上氧化反应过程中碳元素不断向外扩散，脱碳介质不断向内扩散，并持续发生反应。

1.2、加热温度对钢坯脱碳的影响

钢坯加热温度是高速钢脱碳层深度的直接影响因素。从分子学理论上讲，随着加热温度的升高，钢中碳原子的活动能力增加，使得钢中的碳原子更容易扩散至钢坯表层，与加热炉内的氧原子反应而生成CO2，使钢坯表层在一定范围内的碳原子部分散失，从而导致脱碳现象的产生。加热温度越高时，钢坯表层碳原子的活动能增加，移动速度加快，与炉气发生化学反应亦越剧烈，导致钢坯表层碳原子失散，含碳量减少，形成脱碳层。众所周知，加热温度越高，钢坯脱氧化与脱碳现象越严重。高温情况下，当氧化速度随时间的变化率大于脱碳速度随时间的变化率时，钢坯脱碳层厚度将会出现峰值。因此，对于某些钢种，还存在一个脱碳敏感温度[3]

曹杰等人对W9，M2，M2A1和D606高速钢做了加热温度与脱碳实验[4]，得出加热温度与脱碳层厚度的关系，如下图1

在加热温度一致的情况下，加热时间越长，钢坯的脱碳现象就越严重。图2为河钢邯钢大型轧钢厂2017年1月成产的60轨脱碳层厚度与加热时间之间的关系。由图可看出脱碳层厚度超标坯料随着加热时间的延长而增多。

1.4、炉内气氛对钢坯脱碳的影响

加热炉内气体成分对钢的脱碳有很大影响。根据钢的脱碳基本原理可知（第1项），气体的氧化性越强钢的脱碳速度就越快；气体的还原性越强，钢的脱碳速度就越慢。所以在钢的加热过程中使钢处于还原性气氛中有利于减少脱碳层的产生。所以正常生产时控制炉内气氛可有效的控制坯料脱碳层厚度。

2、针对影响钢轨脱碳因素加热炉制定的措施

由以上分析可知影响钢轨脱碳的主要因素为加热温度、加热时间与炉内气氛。针对以上三个主要因素9月份加热炉主要制定并实施了一下措施：

2.1、加热温度按中、下限控制

加热炉根据不同钢种的加热制度，在没有特殊要求的情况下各钢种生产时加热温度按中、下限控制，避免超温加热情况出现。在出现15分钟以上未出钢情况时，加热炉操作工联系调度确定具体待轧时间，并在燃控二级中输入完成待轧降温操作。确保待轧时及时降温，尽大可能的减少待轧时加热温度对加热钢坯的影响。

2.2、根据出钢节奏制定炉内相应的装钢数量及空步装钢情况。对此河钢邯钢大型轧钢厂型钢加热炉对装、出钢操作进行了优化，装钢操作中增加了可设定坯料间距，从而可在装钢时设定坯料间距来实现炉内装钢数量的要求，现钢轨3个小时加热制度下按下表执行：

3小时加热制度：

与连续装钢相比，根据轧线不同生产节奏装钢可有效减少坯料在炉内的加热时间。更为灵活的控制炉内钢坯数量，从而能减少钢坯不必要的加热时间，减少钢坯因加热时间长而导致脱碳层厚度超的情况。

2.3、合理的控制炉内气氛

2.3.1对空、煤气管道流量的标定

对每个烧嘴的空、煤气管道流量进行标定。确保每个烧嘴燃烧燃烧时达到最佳的空燃比，减少空气过剩系数。均热段烧嘴标定时将煤气流量适当放大，保证钢坯在均热段处于还原性气氛下加热，加热段空气流量适当放大，确保炉尾残氧量控制在3%以内。

2.3.2根据热值波动，及时调整空、煤气压力

烧嘴标定完成后，在热值稳定的情况下可满足稳定燃烧并使残氧量得到稳定控制以较少炉内氧化气氛。但热值的波动将会影响到空气用量，针对这种情况加热炉从两方面进行控制：控制空、煤气主管道压力，根据炉尾残氧量的实时显示调节空、煤气管道压力；调节烧嘴前空气阀延迟开关系数调整各个烧嘴空气用量。最终实现每个烧嘴的稳定、充分燃烧，确保炉尾残氧量控制在3%以内。

3、措施实施的效果

3.1、有效的缩短了坯料在炉内的加热时间，根据轧线的出钢节奏空步装钢。最终产生脱碳层厚度超标的现象。总体加热时间由1至3月份的平均353分钟，减少至5月份的平均214分钟，有效的缩短了坯料的在炉时间。

3.2、有效的控制了炉内气氛，在正常生产时确保了炉内气氛超过3%的连续时间不超过15分钟。

3.3、钢轨脱碳层厚度合格率也由1至3月份的88.58%提升至4至5月份的94.81%。

参考文献：

[1]陈鼎勋．重轨钢U75V钢坯脱碳的研究［D］．武汉：武汉科技大学，2004．

[2]黄灿．重轨钢的脱碳研究［D］．武汉：武汉科技大学，2004．

[3]杨宗桥．包钢轨梁厂重轨脱碳厚度的研究［D］．内蒙古科技大学，2013，06

[4]曹杰，项长祥，等.几种高速钢的氧化脱碳行为[J].北京科技大学学报，22（2）：16.