奧氏體不銹鋼在線固溶處理實(shí)驗(yàn)研究分析

 奧氏體不銹鋼軋后要進(jìn)行固溶熱處理，如果是在傳統(tǒng)的離線固溶爐中進(jìn)行處理，不僅成本高，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，節(jié)奏慢。浙江至德鋼業(yè)有限公司結(jié)合企業(yè)高速線材生產(chǎn)線的實(shí)際情況，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的取樣和研究分析，提出了利用軋后余熱實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼在線固溶處理的可行性方案，該方案的實(shí)施將大大降低固溶熱處理的成本，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

一、引言

304系列不銹鋼作為一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的奧氏體不銹鋼，在石油、化工、能源等方面得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)其后續(xù)加工的特點(diǎn)，需要軋后固溶處理，不能在熱軋狀態(tài)直接交貨。對(duì)奧氏體不銹鋼線材的固溶處理方法，可以分為三類：

  1. 離線固溶處理，即線材軋后冷卻成卷，再進(jìn)入專用的固溶熱處理爐，此工藝能源損失大，速度慢。

  2. 半離線固溶處理，即在線材生產(chǎn)車間斯太爾摩線另一側(cè)，設(shè)單獨(dú)的固溶處理爐和水淬生產(chǎn)線。線材在吐絲后，快速通過(guò)斯太爾摩線，高溫集卷后快速送往固溶處理爐，然后成卷水淬。此工藝要求兩個(gè)工序銜接好，原有車間內(nèi)要有足夠的場(chǎng)地。

  3. 在線固溶處理，即在原斯太爾摩冷卻線上設(shè)置加熱或者保溫爐，利用吐絲后的高溫余熱，使線圈邊前進(jìn)邊保溫（或加熱），達(dá)到固溶處理的目的。加熱爐由于可實(shí)現(xiàn)線圈在線升溫或保溫，靈活性較大，生產(chǎn)成本低，但設(shè)備改動(dòng)較多，與其它鋼種共線生產(chǎn)的適應(yīng)性較差。

二、軋后余熱利用的改造方案

 浙江至德鋼業(yè)有限公司高速線材廠是合金鋼專業(yè)生產(chǎn)廠，目前不銹鋼的產(chǎn)量已經(jīng)占到其年產(chǎn)量的一半，固溶處理的方法為離線處理。由于固溶處理的速度跟不上生產(chǎn)節(jié)奏，影響了產(chǎn)品的正常交貨，同時(shí)其固溶成本也高，約200元噸，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。根據(jù)在線固溶的思想，在現(xiàn)有設(shè)備上，利用軋后余熱，實(shí)現(xiàn)在線固溶處理有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

  1. 吐絲溫度：304系列不銹鋼的固溶溫度在1010~1150℃，這個(gè)溫度要高于目前生產(chǎn)時(shí)的實(shí)際吐絲溫度。吐絲機(jī)組能提供的最高吐絲溫度在1150℃。

  2. 固溶時(shí)間：根據(jù)斯太爾摩線輥道速度，可以提供3~6分鐘的固溶時(shí)間。

 輔助設(shè)備的改進(jìn)：現(xiàn)有的輥道材質(zhì)為耐熱鑄鐵，設(shè)計(jì)最高溫度承受為950℃，不能長(zhǎng)期在1100℃左右的高溫工作，需要改用陶瓷輥輥道并改進(jìn)兩邊的耐熱隔板。提高吐絲溫度對(duì)吐絲管壽命也產(chǎn)生嚴(yán)重影響，通過(guò)對(duì)吐絲機(jī)內(nèi)部采用強(qiáng)制冷卻措施可以抵消這種影響。

 結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，能否實(shí)現(xiàn)在線固溶的關(guān)鍵在于固溶溫度和固溶時(shí)間的合理匹配，為此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線上分別進(jìn)行了研究。

三、實(shí)驗(yàn)室研究

 1. 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)條件

 試驗(yàn)材料為SUS304HC熱軋冷卻后的盤(pán)條，直徑8mm和5.5mm，化學(xué)成分見(jiàn)表。將試樣剪成長(zhǎng)度300mm，放入加熱爐內(nèi)。

  2. 試驗(yàn)結(jié)果

 表給出了部分試樣處理后的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果。

  3. 結(jié)果分析

  比較試樣a、c、e可見(jiàn)，在1000℃、1050℃、1100℃，保溫3min，空冷條件下，可以看到，隨著固溶溫度的提高，其中的碳化物組織逐漸減少（a中的黑點(diǎn)為碳化物），晶粒也隨著溫度的升高而長(zhǎng)大。溫度達(dá)到1100℃以上時(shí)，可以達(dá)到固溶要求。由各組試樣對(duì)比可見(jiàn)，在相同的溫度和固溶時(shí)間條件下，水冷的晶粒度小于空冷。

  在1100℃固溶處理溫度下，保溫3分鐘，然后空冷、風(fēng)冷以及水冷，可以看出：在空氣中冷卻，奧氏體組織中含有一定量較大的碳化物，經(jīng)吹風(fēng)冷卻，其組織中碳化物含量相比有一定程度的減少且細(xì)化，水冷處理后，鋼的組織中的碳化物的含量明顯減少，且更加細(xì)化。說(shuō)明冷卻方式影響固溶效果，水冷能有效的抑制碳化物的析出。a、b、c、d對(duì)比也同樣說(shuō)明此問(wèn)題。

  由圖可見(jiàn)，在1150℃溫度下保溫，隨著保溫時(shí)間的增長(zhǎng)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大明顯。由j和m，以及d和1的比較，二者晶粒度相當(dāng)，可見(jiàn)溫度的影響比保溫時(shí)間的要大。因此在線固溶處理應(yīng)盡可能提高吐絲溫度。力學(xué)性能分析表明，5.5mm的304系列不銹鋼線材經(jīng)1100℃保溫3分鐘、水冷或風(fēng)冷的固溶處理后，晶粒度為4~5級(jí)，抗拉強(qiáng)度在560~580√mm2之間?？梢詽M足用戶要求。

四、現(xiàn)場(chǎng)研究

 實(shí)驗(yàn)室研究證明在線固溶處理具有可操作性，但所采用的試樣是在冷卻后重新加熱到固溶處理溫度，與軋后直接進(jìn)行保溫的在線固溶過(guò)程有所不同。為真實(shí)模擬在線固溶，我們又在現(xiàn)場(chǎng)吐絲后直接高溫取樣后，放置在火焰槍下進(jìn)行保溫處理3～5分鐘，然后快速冷卻，觀察微觀組織并進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)材料為304HC，結(jié)果見(jiàn)圖和表。

 根據(jù)圖和表的結(jié)果，可以看出，軋后立即進(jìn)行固溶處理的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的再加熱固溶相比，效果明顯要好。表現(xiàn)在組織中沒(méi)有看到碳化物的析出顆粒，其晶粒尺寸和強(qiáng)度指標(biāo)也在合理范圍內(nèi)，這是因?yàn)樘蓟餂](méi)有經(jīng)歷析出然后再加熱到高溫回溶的熱履歷過(guò)程，可以大大縮短固溶所需時(shí)間，同時(shí)，加工變形能的大量聚集，在高溫下更能促進(jìn)晶粒的長(zhǎng)大的結(jié)果。說(shuō)明在1100℃固溶溫度下，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)備改造，完全可以實(shí)現(xiàn)在線固溶。

五、結(jié)論

  1. 在現(xiàn)有設(shè)備不做較大改動(dòng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼在線固溶投資少，見(jiàn)效快。

  2. 實(shí)驗(yàn)室的研究表明，隨固溶溫度的升高，碳化物固溶的速度加快，效果更好。但考慮到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，吐絲溫度不宜過(guò)高，因此，1100~1150℃認(rèn)為是合適的。

  3. 軋后保持3~5分鐘，可以滿足生產(chǎn)所要求的兩個(gè)主要指標(biāo)，即=520~600MPa，晶粒度5～7級(jí)。

  4. 現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軋后立即利用余熱實(shí)現(xiàn)在線固溶，容易達(dá)到生產(chǎn)指標(biāo)的要求。