彈簧鋼盤條脫碳質量改善生產實踐

張小可,林仁敢,紀仁峰

(寶鋼特鋼長材有限公司,上海 200940)

近年來,汽車零部件領域對彈簧產品質量的要求日趨嚴格[1-2],尤其下游用戶逐步更換采用自動化程度較高的生產設備和工藝技術之后。原材料表面質量、脫碳性能以及組織合格率等指標的不穩定,將嚴重制約下游用戶的生產效率和產品質量。55SiCr彈簧鋼系列,用戶已由原來的熱卷簧逐步更新為冷卷簧生產,原有線材脫碳質量已不能滿足新工藝的質量要求。

本文采用現場工藝試驗、金相觀察和統計分析等方法,對寶鋼特鋼長材有限公司彈簧鋼工藝改進前后盤條產品表面脫碳進行了對比分析。結合鋼坯精整、鋼坯表面涂層以及降低鋼坯在爐時間等進行研究,力求快速穩定和提升產線產品表面脫碳質量水平。

1 彈簧鋼盤條生產工藝及存在問題

寶鋼特鋼長材有限公司彈簧鋼盤條鋼種主要是55SiCr,生產工藝為:電爐+LF+VD→CC→初軋開坯→坯料精整→軋線盤條→檢驗→包裝→合格出廠。主要化學成分見表1。

表1 55SiCr彈簧鋼成分控制

寶鋼特鋼長材有限公司彈簧鋼盤條原主要用于熱卷彈簧加工,對表面全脫碳0.02 mm以內可以滿足使用要求,但冷卷彈簧加工對盤條表面全脫碳控制要求更高,不允許有表面全脫碳存在。

寶鋼特鋼長材有限公司彈簧鋼坯料全部采用兩火材,坯料通過剝皮后再進行軋制,軋制溫度采用低溫。但是由于加熱爐設計等原因,鋼坯在爐時間比較長,造成軋制后盤條表面存在全脫碳情況,最嚴重可達到0.05 mm。2018年現場生產彈簧鋼線材成品全脫碳情況如圖1所示(每個數據點代表一個軋制批次,共65批次),典型全脫碳形貌如圖2所示(全脫碳0.025 mm,總脫碳0.082 mm)。

圖1 彈簧鋼線材全脫碳情況

圖2 工藝改進前彈簧鋼盤條顯微組織

2 原因分析

55SiCr彈簧鋼中含有比較高的Si元素,Si元素的添加會加劇鋼基體在加熱過程中與爐氣中的CO2、O2、H2O等氧化性氣體發生化學作用,導致彈簧鋼表面發生嚴重的氧化脫碳[3]。而且,由于彈簧鋼碳含量高,在加熱過程中碳活度增大,會引起碳元素從鋼材的內部向鋼材的表層進行擴散,表層的碳元素與空氣中的氧氣發生反應,引起彈簧鋼的表面碳含量減少,產生脫碳,從而降低彈簧鋼的疲勞極限[4]。因此,彈簧鋼生產時應避免加熱和冷卻過程中長時間在鐵素體和奧氏體兩相區及略高于Ac3的溫度范圍內停留[5]。

橫向對比鋼管條鋼事業部高線以及國內其他同行的彈簧鋼生產,在加熱條件相仿的情況下,其彈簧鋼鋼坯在爐極限時長要求在120 min以內,正常生產平均在爐時間約90～100 min,因產線故障等導致鋼坯在爐時長超出120 min時拉爐處理。由于加熱爐以及產線設計的局限性,寶鋼特鋼在生產彈簧鋼線材時平均加熱總時長達到193 min,鋼坯在高溫區長時間的停留導致成品脫碳質量低于國內同行業水平。

3 改善措施及效果

針對成品全脫碳的產生,一方面可考慮最大限度降低鋼坯在爐時間,避免過長的高溫區等待時間;另外,由于加熱過程鋼坯表層的碳元素與加熱爐內的殘余氧氣發生反應,產生脫碳。目前,行業內開始逐步采用的鋼坯表面涂覆技術,即利用涂覆材料在一定時間吸收擴散到其中的氧,達到鋼材本體不與氧接觸而被氧化的目的,抑制彈簧鋼表面的碳擴散,也可達到防止或減輕脫碳的目的[6]。因此,在降低鋼坯在爐時間的基礎上,再利用鋼坯表面涂覆技術,是目前寶鋼特鋼長材有限公司改善彈簧鋼線材脫碳質量的有效途徑。

結合寶鋼特鋼長材有限公司彈簧鋼盤條在生產過程中存在的問題,2018年開始進行一系列改善措施。首先通過加熱爐步進梁及盤卷卸卷小車改造,采取提升加熱爐步進梁及卸卷小車速度,來減少鋼坯在爐時間;第二是通過增加在線噴涂裝置,進爐前進行鋼坯表面涂覆,減少鋼坯與爐內的氧化性氣體結合而發生化學作用。

3.1 減少在爐時間

鋼坯的不同在爐時間相應成品的脫碳情況如圖3所示(φ12 mm,一個軋制批次,共70組數據)。生產現場采用進爐空步可將在爐時間壓縮至148 min左右,隨著軋制生產的開始,在爐時間逐步延長至205 min,平均總脫碳水平也由0.07 mm增加至0.09 mm。當在爐時間超出180 min以后,全脫碳出現概率大大增加(最嚴重的達到0.03 mm)。因此,減少鋼坯在爐時間對控制成品脫碳具有較強的實際意義。

圖3 坯料在爐時間和成品脫碳情況

在提升加熱爐的運行周期方面,優化加熱爐控制程序,在液壓系統中增設蓄能系統;優化液壓系統控制參數,調整1#步進梁給定速度,控制液壓輸出流量盡可能使2段梁同時到位,為減少設備抖動,加熱爐步進梁動作周期由原先的56 s降低至目前的48 s,加快了8 s。

在盤卷卸卷小車運行效率提升方面,由于卸卷小車原設計單薄,無法達到目前軋制要求。通過在閥臺側加裝蓄能器以補充流量,同時改進步進梁油缸的液控單向閥控制方式,消除步進梁下降過程中的抖動,運行周期由102 s優化至95 s,加快了7 s。

通過盤條加熱爐步進梁及盤卷卸卷小車的設備改進,彈簧鋼坯料在爐時間得到明顯改善,見圖4。從原先的平均在爐時間193 min,降低至目前的平均156 min,鋼坯平均在爐時間降低了37 min,有效降低了彈簧鋼因加熱時間長而導致的脫碳風險。

圖4 總加熱時間改善情況

3.2 增加表面噴涂

目前,利用“坯料表面噴涂技術”改善鋼材表面脫碳水平是一項新技術,國內多家同行鋼廠均已新增相關設備,并取得良好效果。通過對同行鋼廠和供應商的考察與調研,在鋼坯表面噴涂方面已經具備成熟的技術和成功應用的案例。通過增加1臺“在線坯料表面噴涂裝置”解決鋼坯表面處理問題,進而改善盤條表面脫碳水平,滿足用戶的使用要求。

寶鋼特鋼目前采用防脫碳涂料主要成分為Al2O3、SiO2、Cr2O3、MgO以及CaO等物質和水的混合溶劑,要求噸鋼噴涂量≥2.0 kg,噴涂設備壓力≥0.25 MPa。為保證涂層的黏附效果,噴涂前對鋼坯的表面質量要求較高,即160 mm×160 mm坯料先全剝皮,再全身4個角部打磨實現圓滑過渡,R角25°左右,如圖5所示。通過在線噴涂裝置,鋼坯進爐前進行噴涂,涂層效果良好,具體如圖6所示。在線噴涂和未噴涂鋼坯間隔進爐軋制,成品(φ12 mm)脫碳情況如表2所示,小批量試驗數據可以看出,在相同在爐時間的情況下(180～190 min),增加鋼坯在線涂層對總脫碳和全脫碳質量改善明顯。

表2 鋼坯涂層/未涂層軋制成品脫碳情況

4 結果分析

通過優化控制彈簧鋼加熱時間,即保證加熱時間在180 min以內,同時增加鋼坯表面噴涂,成品脫碳改善效果顯著。改進后不同規格的平均總脫碳厚度為產品直徑的0.5%,并且全脫碳均為0,滿足新標準要求。穩定生產和供貨后,用戶端使用無異常反饋,滿足使用要求。批量生產脫碳質量數據統計情況如圖7所示(每個數據點代表一個軋制批次,共計80個批次,涉及生產量4 300 t),改善后的金相組織如圖8所示(全脫碳0,總脫碳0.057 mm)。

圖7 總脫碳層厚度情況

圖8 工藝改進后彈簧鋼的金相組織

5 結語

通過采用減少鋼坯在爐加熱時間、增加表面噴涂措施,有效改善了彈簧鋼表面脫碳問題,產品實物脫碳質量可實現無全脫碳,能夠滿足高端冷卷彈簧用盤條的質量要求。