连续式炉钢管保护气氛热处理工艺的研究和应用

连续式炉钢管保护气氛热处理工艺的研究和应用邓尔康摘要分析了钢管保护气氛热处理炉的保护气氛类型及性能，对钢管保护气氛热处理炉内气氛的化学过程动态分析了无氧化的平衡条件。介绍了保护气氛热处理主要工艺参数的确定及汽车用管、精密结构用管、电站锅炉用管的保护气氛热处理实例分析。关键词钢管；保护气氛热处理；气氛类型；热处理工艺参数；钢管性能中图分类号TG15文献标识码B文章编号10012311（2000）01002605RESEARCHANDAPPLICATIONCONCERNINGTECHNIQUEOFHEATTREATINGSTEELTUBESINCONTINUOUSFURNACEWITHPROTECTIVEATMOSPHEREDENGERKANGSHANGHAISTEELTUBECORPORATION,LTD,SHANGHAI200940,CHINAABSTRACTANALYSISISMADEONTYPESANDPERFORMANCESOFPROTECTIVEATMOSPHERESOFTHESTEELTUBEHEATTREATMENTFURNACEWITHPROTECTIVEATMOSPHERE,ANDALSODYNAMICANALYSISONTHENONOXIDATIONEQUILIBRIUMCONDITIONSOFTHECHEMICALPROCESSOFATMOSPHEREOFTHESAIDFURNACEISMADEINADDITION,THEAUTHORDESCRIBESHOWTOSETUPTHEBASICPROCESSPARAMETERSOFHEATTREATMENTWITHPROTECTIVEATMOSPHERE,ANDGIVESUSCASEANALYSISCONCERNINGPROTECTIVEATMOSPHEREHEATTREATMENTOFAUTOMOBILETUBE,PRECISIONSTRUCTURALTUBEANDPOWERSTATIONBOILERTUBEKEYWORDSSTEELTUBEPROTECTIVEATMOSPHEREHEATTREATMENTATMOSPHERETYPEHEATTREATMENTPROCESSPARAMETERSSTEELTUBEPERFORMANCE0前言随着国民经济的发展，各行各业对钢管提出了更高的质量要求，不仅要求精度高，机械、工艺性能好，同时对钢管的表面状态也提出了更高的要求（即要求钢管表面呈无氧化光亮状态）。桑塔纳轿车用管采用的是按德国DIN2391，DIN2393标准生产的无缝精密钢管和焊接冷拔冷轧精密钢管。其中，大部分钢管要求按GBK状态交货，即要求进行保护气氛热处理。在开始试制桑塔纳轿车用管时，由于没有进行GBK处理的工艺设备，凡要求GBK处理的钢管只能以光亮拔制软性（即末道冷拔采用小变形量冷拔状态）或低温退火（即钢管表面有少量氧化铁皮存在）状态来供货。天线用30CRMNSIA钢管要求表面无全脱碳层，以满足其高强度的要求，但是在无保护气氛热处理的条件下是难以做到的。用户对冷拔精密结构用无缝钢管，也提出了既要求具有良好的机械性能和工艺性能，又要求具有无氧化的表面状态，所以在钢管生产中采用保护气氛热处理工艺，是一项迫切的新课题，使我公司生产的汽车用管、锅炉用管及其他精密钢管质量水平上一个新的台阶的标志之一。1保护气氛选用保护气氛类型及特点列于表1。表1保护气氛的类型及特点类型特点适用范围放热型气体不完全燃烧；产生成本低，有脱碳；低温易析出碳黑光亮退火吸热型无脱碳，冷却时析出碳黑光亮淬火、退火氮气纯度9995退火氮基型含氢520，具有还原性能各类光亮热处理氨分解还原性能好各类光亮热处理氮气是一种惰性气体，无毒安全，是用途广泛的保护气体。当氮气中含氧0001时，就会使钢材氧化和脱碳，所以一般不使用单一的氮气，而加入少量的添加剂，如H2，CO等还原性气体来防止氧化。这种以氮气为主的气氛称为氮基气氛，是广泛使用的钢材热处理用保护气氛，而放热型、吸热型保护气氛在使用中有一定局限性。目前国外介绍的PSA供氮系统，使用空气制取氮气，纯度995，只要加入少量添加剂H2就可使氮基气氛具有还原性，其成本很低，比国外传统应用的液氮降低了热处理成本，而效果则同样可靠。我国近年来使用的氨燃烧法制取含H2520的氮基气氛，已成功应用于工业生产（如上海冶金设计研究院设计的30M3氨燃烧装置）。使用稀释法、氨分解气也可以得到氮基气氛。在具有制氧车间的工厂，其副产品氮气经净化纯度达到995以上，配上一台氨分解装置，用稀释法配制的氮基气氛，可用于钢材的保护气氛热处理生产，且成本低廉。表2列出了1KG液氨用不同方法可提供的氮基气氛及氨分解气量。表21KG液氨可提供的氮基气氛及氨分解气量方法产气量/M3气体成分氨分解2635含H275余N2氨然烧405含H210余N2氮稀释法1975含H210余N2氨分解气是一种还原性能强的保护气氛，它制取方便、气氛稳定，可用于各类要求高的光亮热处理工艺，但制取成本较高。2连续保护气氛热处理炉工艺分析21连续式炉保护气氛用气量的确定211清洗炉内空气的用气量估算当空气中含有53576的氨分解气时，点火就会发生爆炸，所以冷炉开炉前必须仔细进行炉内空气的清洗。当空气残留量在安全范围内时，方可点燃火封。其清洗过程是通过不断地送进保护气氛或氮气使炉内含O2量下降，清洗的用气量则随炉型不同而变化。由工艺试验可知，清洗总用气量与炉子的总容积成正比，可用公式估算VNV0式中V清洗总用气量，M3；N换气次数；V0炉膛总容积，M3。两端炉口开启的连续式炉，其N20时方能达到清洗炉内空气的要求，使氨分解气安全实现点火操作。如果清洗用气使用氮气或含H210的氮基气氛比较可行。含H2量高对于保证H2/H2O比值处于还原区内是有利的，当钢管烘干良好、炉子密封正常时，含H2量5也可以得到表面呈无氧化光亮状态的钢管。3连续式钢管保护气氛热处理实例分析314MM04MM规格30CRMNSIA天线用无缝钢管的热处理钢管要求高的强度和弯曲回弹复位性能，故采用高强度的30CRMNSIA钢。由于天线钢管壁薄，表面脱碳会影响钢管的强度和弯曲回弹性能，所以特别要求成品钢管无全脱碳层存在。这在常规钢管退火炉中热处理比较难以达到，用套管退火脱碳情况也不稳定。钢材不脱碳的热力学条件是实际分压商平衡分压商。气氛中O2，H2O，CO2使钢材易于脱碳，CO,H2等还原性气体则不易使钢材脱碳，故选用氨分解气及工业纯氮进行工艺试验，其结果见表3。表3采用氨分解气、工业纯氮作热处理保护气氛的试验结果脱碳层/MM钢管外壁钢管内壁保护气氛热处理参数热处理前热处理后热处理前热处理后氨分解气900加热18MIN000000007，半脱碳001，半脱碳氨分解气800加热18MIN000000007，半脱碳005，半脱碳工业纯氮770加热18MIN000000003，半脱碳002，半脱碳用氨分解气作保护气氛，加热炉内气氛的组成为H2，N2，CH4，H2O，其中CH4是由于钢管表面的残余油脂分解而产生。尽量减少钢管带入的H2O，就能使钢管达到不脱碳的要求。用工业纯氮（含N2995）作保护气氛，热处理时炉内气氛的组成为H2，CH4，H2O，O2，热处理中尽量控制H2O，O2的含量，也能达到不脱碳的要求。通过工艺试验，决定采用下列方法进行无脱碳热处理（1）中间管在23MM15MM以上，采用常规退火，表面脱碳约002MM；在23MM15MM以下，采用保护气氛退火，其冷加工总延伸达1015，原有表面脱碳层通过延伸达到无全脱碳层。（2）采用工业纯氮作保护气氛。（3）钢管热处理前在300下烘烤4H。（4）由于在800以下化学反应的速度明显减慢，温度愈低，加热时间愈短，愈不易脱碳，故选用770加热10MIN。在AC1附近加热退火还可有效消除加工硬化。（5）保护气氛流量为15M3/H。天线用钢管使用保护气氛热处理，能有效控制脱碳的产生，使钢管内外壁均无全脱碳层，（只有半脱碳层001MM），满足了用户对质量的要求。32桑塔纳悬架臂的热处理采用60MM4MM焊接冷轧精密钢管，牌号ST372，要求按德国DIN2393焊接冷轧精密钢管标准要求验收，GBK热处理，钢管表面呈光亮状态。采取的工艺措施（1）中间管采用正火热处理（900930加热15MIN）；（2）采用氨分解气加工工业纯氮作保护气氛；（3）干燥钢管；（4）770加热30MIN；（5）将保护气流量控制到32M3/H（6）钢管热处理前去除内外表面油污。成品钢管经上海汇众汽车公司重型汽车厂进行复验及冲压、焊接、盐雾、疲劳性能对比试验，均达到DIN2393标准要求，通过了上海大众汽车公司的认可。3320MM1MM桑塔纳轿车冷却水管用冷拔精密无缝钢管的无氧化退火我公司1990年开始试制桑塔纳轿车用管时，只能采用常规退火，其尺寸精度和性能都能达到要求，但因无保护气氛热处理工艺装置，钢管表面状态未能达到德国实物质量水平。现采用无氧化热处理工艺（加热温度900，时间13MIN；氨分解温度800，压力0204MPA，气流量15M3/H）后，钢管表面呈光亮状态，满足了用户对钢管表面质量的要求，实现了该类钢管的国产化。成品热处理后钢管的性能列于表4。表4钢管性能B/MPAS/MPA5扩口50534540合格50535040合格34内螺旋高压锅炉钢管的热处理规格为5715MM635MM，牌号SA210AL，应用于引进的大型电站锅炉的水冷壁部件，要求按美国ASMESA210M标准生产，钢管内壁有宽28MM、高11MM、螺旋升角为30的10条内螺旋筋。由于氧化膜的存在会大大降低钢管的热交换过程，故要求对钢管进行保护气氛热处理（GBK）。热处理工艺参数保护气氛含H236，余为N2（纯度995）；加热温度860880，炉内水套冷却至300以下。热处理后钢管内壁达到无氧化状态，其力学性能、工艺性能列于表5。表5内螺旋高压锅炉管热处理后的力学性能及工艺性能炉号B/MPAS/MPA硬度HRB压扁扩口47033540717072合格合格Y14775045034534707175合格合格48034034747775合格合格Y14776048535040727071合格合格注牌号SA210AL；规格5715MM635MM。该锅炉管的各项指标达到了ASMESA210AL标准要求，其表面质量达到了进口实物质量水平，产品由上海锅炉厂加工成水冷壁部件后交华能电力公司上安电厂，用于修理引进的电站锅炉。该10头B型内螺旋锅炉钢管原均由国外进口。4结语（1）钢管保护气氛选用氮基加还原性H2，CO，控制其不同比例，可获得表面无氧化、无全脱碳、光亮的钢管。（2）将空气制氮机（PSA制氮）配上氨分解提供的还原性气体H2的混合保护气，或液氮气化保护气，用于各