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钢锭退火工艺设计优化方案

时间:2023-07-01 理论教育 版权反馈
【摘要】:某些钢锭在退火冷却过程中有相变发生,相变时发生的不均匀体积膨胀会产生新的内应力,故应缓慢冷却。钢锭退火是为了去除内应力、防止开裂,只要完成相变重结晶即可达到目的。可见,钢件在650~700℃加热退火时,只需不足1h即可将内应力全部去除。这些曲线是在特定条件下测定的,因此不能完全适用于各种钢锭的去应力退火,但可在制订工艺时参考。

钢锭退火工艺设计优化方案

1.加热速度的确定

加热速度太快时,钢锭内外温度不均匀,会产生热应力。当应力难以松弛,且拉伸应力较大时,就可能导致钢锭开裂。尤其是高碳高合金钢,其热导率小,导热性差,内外温差大,产生的热应力相对较大。高碳钢的脆性较大,易于在内应力作用下发生开裂。因此应缓慢加热。在550℃以上,钢锭逐渐进入塑性区,加热速度可以加快。实际上,当温度升到600℃以上时,钢锭的去应力过程已经悄悄开始了。

因钢锭内外温差而产生的热应力可计算求得,计算公式为σ=0.72αEΔt。式中,α为线胀系数;E弹性模量;Δt为温差。

加热速度越快,温差越大,热应力越大。以50~100℃/h速度加热钢锭时,实际上温差较小,即热应力较小,不会引起钢锭开裂。

2.冷却速度的确定

控制退火冷却速度是非常重要的。退火一般采用炉冷或控制条件下的缓冷,冷却速度大多采用50℃/h,但也有采用20~30℃/h的。

某些钢锭在退火冷却过程中有相变发生,相变时发生的不均匀体积膨胀会产生新的内应力,故应缓慢冷却。而在A1以下进行的退火是低温退火,不发生相变重结晶,但在保温过程中发生碳化物的集聚长大及铁素体的回复-再结晶。随着这些过程的进行,钢锭的铸造应力也将松弛。

钢锭退火兼有降低硬度、以便进行钢锭表面清理的目的,因此,退火冷却速度应缓慢,采用炉冷或以不超过50℃/h的速度冷却即可。退火冷却到500℃以下时,一般已经转变为平衡组织,如珠光体、铁素体等,不容易开裂,继续冷却时可采用炉冷,或打开炉门冷却,冷却到300℃出炉。

3.保温时间的确定

退火工艺周期往往较长,物流速度慢,生产率低。缩短保温时间既能有效地降低能耗,又能提高生产率。

钢锭在退火温度下的保温时间实际上包括透烧时间和纯保温时间两部分,即ττ透烧τ保温。不同的工艺规范、不同大小的钢锭、不同的钢种,其透烧时间是不一样的。这个时间参数实际测量较为困难,而采用计算机软件可算得各种钢锭的透烧时间。纯粹的保温时间应保证相变动力学和去除应力的需要。

退火时,在纯保温时间内,应该完成相变和碳化物溶解等过程。例如,从45钢、T8钢的奥氏体化动力学曲线可知,在Ac1以上仅需数秒、最多数十秒钟就可以完成珠光体到奥氏体的转变。钢锭退火是为了去除内应力、防止开裂,只要完成相变重结晶即可达到目的。长时间加热不仅耗能,而且增加钢锭的氧化和烧损,造成脱碳,增加金属的损耗。

钢中的内应力分为三类,即第一类内应力、第二类内应力、第三类内应力。随着退火温度的升高及相变重结晶的进行,内应力均不断降低。

无论是相变动力学的需要,还是去除内应力的需要,保温时间均不宜太长。实际所需要的有效时间不超过1~2h,再加上钢锭的透烧时间就是合理的保温总时间。(www.xing528.com)

4.去应力退火加热温度的确定

钢锭退火加热温度的选择主要以消除内应力为原则,兼顾软化钢锭的需求,并且应节能降耗。在低温、中温及高温各区加热都有去除内应力的作用,但是由于需要降低钢锭的表面硬度,以便磨削清理,退火温度应选择在较高温区进行。采用较高温度加热有利于迅速去除内应力,提高生产率,但是加热温度也不能过高。综合各种因素,退火加热温度应选择在临界点附近。

内应力的去除是个应力松弛过程,它本质上是个高温蠕变过程,其最基本的过程是原子的扩散位移,通过扩散完成回复、再结晶、重结晶等转变过程,使内应力得到松弛。应力松弛过程的快慢主要取决于温度,随着加热温度升高,应力消除率也随之升高。例如,普通铸铁、高合金铸铁等在700℃即能全部去除铸态内应力。在600~700℃保温1h和48h的效果几乎是相同的,如图12-1所示[3]。因此,过长时间保温是没有必要的。

可见,钢件在650~700℃加热退火时,只需不足1h即可将内应力全部去除。更多的资料数据表明,任何钢件的淬火内应力只需经过550℃加热,即可消除90%以上。

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图12-1 退火温度和保温时间对应力去除的影响

5.透烧时间的确定

钢锭尺寸较大,透烧时间较长,依据经验公式计算其结果往往不够准确。这是由于经验公式往往把加热时间与钢锭有效厚度看成线性关系的缘故,实际上它们是非线性关系。

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图12-2 直径为700mm钢件(34CrMo)的加热曲线

1—距表面25mm 2—中心 3—表面与中心温差

利用计算机进行传热计算,得出的透烧时间是较为准确的,而且可以计算钢件温度场与时间的变化规律,可以获得丰富的数据。

实际测定透烧时间是非常复杂的,工作量较大,难以大量应用。典型钢件的加热曲线的测定具有使用价值,图12-2所示为实测结果[4]。从这些曲线上可以得知具体钢种在加热条件下的透烧时间。这些曲线是在特定条件下测定的,因此不能完全适用于各种钢锭的去应力退火,但可在制订工艺时参考。

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