明火加熱爐鋼絲鉛淬火工藝的研究

曹廣珍

（天津鋼線鋼纜集團有限公司，天津300050）

1 引言

熱處理是鋼絲生產(chǎn)過程中一個十分重要的環(huán)節(jié)。對于碳素鋼絲而言，這種熱處理最常用的有正火和鉛淬火兩種方式。鉛淬火是行業(yè)內(nèi)對鉛浴（Patenting）處理的習慣稱謂，事實上是等溫退火的一種方式。鉛淬火是將鋼絲加熱到奧氏體化溫度以上，然后在鉛液中等溫冷卻，獲得的組織主要為細片狀珠光體，即索氏體。鉛淬火因此也被稱為索氏體化處理，這種熱處理方式至今仍是生產(chǎn)高性能碳素鋼絲的傳統(tǒng)工藝。

從裝備上看，多年以來馬弗爐一直都是鋼絲熱處理的主要爐型。近年來，隨著國內(nèi)裝備制造水平的提高，明火加熱爐及酸洗磷化連續(xù)作業(yè)線在鋼絲制品熱處理行業(yè)的應用也越來越廣泛。和傳統(tǒng)的馬弗爐熱處理作業(yè)線相比，明火加熱爐作業(yè)線具有明顯的優(yōu)勢。明火加熱爐爐內(nèi)氣氛控制均勻，鋼絲表面氧化燒損率低，熱效率高，節(jié)能效果好；鉛液循環(huán)冷卻，溫度波動小，鋼絲質(zhì)量穩(wěn)定效果好；作業(yè)線多為收線速度單獨控制，工藝可調(diào)性好，生產(chǎn)效率高。由于鋼絲加熱、鉛液冷卻和收線控制方式的不同，明火爐熱處理工藝制定和傳統(tǒng)的馬弗爐有很大的區(qū)別，以下就明火加熱爐鋼絲鉛淬火的熱處理工藝的制定進行簡要論述。

2 明火加熱爐的結(jié)構(gòu)特點

鋼絲明火加熱爐有側(cè)加熱和上加熱兩種加熱方式，一般均采用多個燃燒器燒嘴（以下稱燒嘴）、分段加熱控溫。上加熱方式一般采用3～4個燒嘴，目前國內(nèi)應用較少。側(cè)加熱是目前應用最廣的一種加熱方式，一般采用20～48個燒嘴在熱處理爐的兩側(cè)分段平均分布，這種燒嘴的布置方式能保證爐膛溫度的均勻性。不同區(qū)段的燒嘴采用不同的風氣比值，既可保證不同區(qū)段的加熱溫度，又可使不同區(qū)段的燃燒產(chǎn)物分別具有氧化氣氛或還原氣氛，這樣就降低了鋼絲的氧化燒損率，提高了鋼絲的表面質(zhì)量。

明火加熱爐中高溫流動爐氣直接與被加熱鋼絲接觸，既有輻射傳熱，又有對流傳熱，熱效率可高達40%以上，其D V值可達55以上。明火加熱爐的燃料有油和氣兩種。與燃油相比，氣體燃料發(fā)熱值高，更易于同空氣混合，燃燒完全，燃燒過程更易于實現(xiàn)自動控制；爐溫均勻、穩(wěn)定，加熱質(zhì)量高，工作環(huán)境更好。

3 鋼絲加熱溫度和加熱時間的確定

傳統(tǒng)的馬弗爐通過馬弗磚間接傳熱，熱效率比較低，加熱爐溫實際控制在950～1150℃之間。明火爐通過火焰和煙氣的循環(huán)流動對鋼絲直接加熱，熱效率要遠高于馬弗爐。因此對于明火爐來說，采用相對較低的溫度即可滿足鋼絲的加熱要求。

3.1 影響鋼絲加熱溫度和時間的因素

鋼絲在被加熱過程中，爐中燃料不斷地燃燒補充，加熱溫度相對穩(wěn)定，因此可以視加熱爐為一個穩(wěn)定的熱源，鋼絲在運行過程中不斷吸熱，并通過傳導向內(nèi)部擴散，使得鋼絲內(nèi)外部溫度得到平衡。根據(jù)物體的吸熱理論計算公式可知,鋼絲在被加熱過程中需要吸收的熱量為：

式中：Q為鋼絲達到工藝線溫所需吸收的最少熱量，J；CP為鋼的平均比熱容，k J/（ k g·℃）； m為鋼絲的質(zhì)量，k g；ΔT為線溫和環(huán)境溫度之差，℃；d為鋼絲直徑，mm；TW為工藝要求的線溫，℃；TA為環(huán)境溫度，℃；ρ為鋼的密度，取常數(shù)值7.85，k g/c m3；L為鋼絲長度，m；π為圓周率，取值3.1416。

從公式（1）中可以看出，在環(huán)境溫度一定的情況下，鋼絲需要吸收的熱量和工藝要求的線溫、鋼的比熱容CP、鋼絲直徑d和長度L有關。

鋼絲在爐中運動受熱過程中，需要將熱量通過徑向和長度方向進行內(nèi)部傳導，使得鋼絲內(nèi)外和長度方向溫度達到平衡。由傅立葉熱力定律可知，鋼絲沿半徑方向的導熱速率如下：

鋼絲沿半徑方向傳導熱量為：

鋼絲沿長度方向的導熱速率為：

鋼絲沿長度方向傳導熱量為：

式中：QR'為鋼絲沿半徑方向?qū)崴俾剩琖；QR為鋼絲沿半徑方向傳導的熱量，J；λ為鋼的熱導率，W/（ m·K）；SL為鋼絲的表面積 ，mm2；TF為加熱溫度，℃；t為加熱時間，s；QL'為鋼絲沿長度方向?qū)崴俾剩琖；QL為鋼絲沿長度方向傳導熱量，J。

從理論上計算，要使鋼絲達到工藝線溫的最少熱量為：Q=QR+QL，從公式（2）和公式（4）可以看出，QR'要遠大于QL'，即鋼絲沿半徑方向的導熱率遠大于長度方向的導熱率。因此，在設計加熱溫度和加熱時間時可以忽略長度方向的導熱影響，即Q≈QR。

3.1.1 鋼絲直徑的影響

從公式（1）可以看出，鋼絲直徑平方和鋼絲所需吸收的熱量成正比例關系。鋼絲直徑是影響加熱溫度和加熱時間的最重要的一個因素。隨著鋼絲直徑的增加，鋼絲所需吸收的熱量Q成倍增加。從公式（3）可以分析出，對于直徑較粗的鋼絲在熱處理時，應提高加熱溫度TF，增大導熱速率QR'，或延長加熱時間t。

3.1.2 含碳量的影響

隨著含碳量的增高，鋼的比熱容略有降低，熱導率略有升高。圖1所示為900℃時比熱容隨含碳量變化的趨勢。隨著含碳量的增加，鋼絲達到工藝溫度所需吸收的熱量Q減少，導熱速度加快QR'。因此，對含碳量較低的中低碳鋼進行熱處理時，可以適當?shù)靥岣呒訜釡囟萒F或延長加熱時間t。

圖1 900℃時比熱容隨含碳量變化的趨勢

3.1.3 硅和錳的影響

從公式（3）可知，在所需熱量Q一定的情況下，加熱溫度TF升高，加熱時間t降低；反之亦然。因此，對于同一部明火加熱爐來說，就可以通過調(diào)整加熱溫度和加熱時間，同時生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品。但是對于大生產(chǎn)來說，加熱爐爐溫的不斷調(diào)整變化會造成生產(chǎn)效率的降低，同時導致熱處理后鋼絲性能不穩(wěn)定。因此，對于同一部明火加熱爐可以采用相對固定的加熱溫度，根據(jù)所處理鋼絲直徑的不同和化學成分的變化，應采用不同的D V值，使加熱時間差異化，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)多品種鋼絲同時在線生產(chǎn)。對于直徑差別較大及成分差別較大的鋼絲，由于所需吸收熱量差別很大，應采用不同的加熱溫度和加熱時間，可以在不同的批次生產(chǎn)或采用不同的明火加熱爐生產(chǎn)。

3.2 鋼絲加熱溫度的確定

鋼絲在明火爐中運行加熱過程中一般包括預熱、加熱和保溫3個階段。通常側(cè)加熱的明火加熱爐沒有特殊的預熱區(qū)，一般是在鋼絲進入明火爐到加熱段2～3m的區(qū)域，依靠加熱段火焰和煙氣熱流的循環(huán)輻射將鋼絲預熱。鋼絲的加熱段一般有3～4個分區(qū)，加熱段的前幾個分區(qū)為加熱區(qū)，最后一個分區(qū)即出口加熱區(qū)為保溫區(qū)。明火加熱爐出口的溫度即我們通常所說的線溫是熱處理控制的最關鍵的一個參數(shù)，出口加熱區(qū)的加熱溫度通常和實際線溫相近。

3.2.1 線溫的確定

由于鋼絲是在運動過程中受熱，為提高生產(chǎn)效率，縮短鋼絲的在爐加熱時間，需要很大過熱度，一般鋼絲的線溫都需要控制在其奧氏體轉(zhuǎn)變溫度A c 3或A c m100℃以上。

對于鋼絲鉛淬火線溫的計算公式有很多，但有些和實際生產(chǎn)差異較大。由于直徑的影響對鋼絲的加熱效果影響很大，細鋼絲很容易“燒透”，而粗鋼絲需要更高的溫度來“燒透”。因此，筆者認為不同直徑的碳素鋼絲的線溫，應采用不同的公式來計算。對于含碳量為0.40%～0.75%的碳素鋼絲，對鉛淬火線溫的經(jīng)驗公式做如下修正：

對于直徑d≥1.5 m m的鋼絲，線溫計算公式為：

對于直徑d＜1.5m m的鋼絲，線溫計算公式如下：

式中：C為鋼絲的含碳量，%。

表1 不同直徑和含碳量鋼絲鉛淬火線溫參考值

表1所列出的是根據(jù)公式（5）、（6）計算出的鋼絲鉛淬火線溫值。從表中可以看出，對于直徑和含碳量相近的鋼絲，其線溫差異不是很大，因此可以采用相同的爐溫加熱，通過采用不同的加熱時間來控制其奧氏體化均勻程度，從而實現(xiàn)多品種鋼絲同時在線熱處理，可有效提高生產(chǎn)效率。

3.2.2 加熱爐溫的確定

明火加熱爐多為分段加熱的方式，一般分為3～4個加熱區(qū)。對于鉛淬火的鋼絲，在進入加熱爐后需要能夠快速達到奧氏體化溫度，從而縮短鋼絲的在爐時間，因此明火加熱爐的爐溫設置都是入口最高，出口最低。出口區(qū)的加熱爐溫一般采用和線溫相同或略高的溫度，而對于入口區(qū)的加熱爐溫，沒有可以借鑒的經(jīng)驗公式，每個廠家的加熱爐狀況不同，控制也不盡相同。

筆者認為，對于入口的加熱爐溫不宜采用過高的溫度，否則會加劇鋼絲表面的脫碳傾向，因此推薦明火爐入口區(qū)爐溫計算公式如下：

式中：TFI為入口區(qū)加熱爐溫；TF0為出口區(qū)加熱爐溫。

例：某廠鋼絲明火加熱爐有效加熱長度為18m，有4個加熱區(qū)，根據(jù)所處理的鋼絲品種，其出口區(qū)溫度設置為900℃，則根據(jù)公式（7）計算入口區(qū)加熱溫度為：

其加熱工藝可以設置如表2所示。

表2 加熱工藝設置

3.3 鋼絲在爐加熱時間的確定

在爐時間是指鋼絲在明火爐中被加熱過程中在爐長有效長度內(nèi)所運行的時間，是加熱時間和保溫時間之和。前面我們已經(jīng)從熱量方面討論過，對加熱時間影響的主要因素是鋼絲直徑、含碳量和硅錳含量。但是在奧氏體均勻化過程中，隨著含碳量的增加，鋼中碳化物溶解到奧氏體中時間相應要需要更多的時間，使得奧氏體均勻化過程變緩。因此，總體上來說，對于相同直徑的鋼絲，隨著含碳量的增加，鋼絲在爐時間需要相應延長。硅錳的作用和碳相近，由于碳素鋼絲中硅的含量相對處于較低的水平，因此可以忽略其影響。對于錳含量超過0.6%的碳素鋼絲，每0.3%的錳相當于0.1%碳的作用。

和馬弗爐相比，明火加熱爐的熱效率大大提高，鋼絲在爐加熱時間可以縮短將近一半的時間，其D V值可以達到65以上。對于明火爐的在爐加熱時間，有關的經(jīng)驗公式不多。筆者推薦經(jīng)驗公式如下：

式中：τ為鋼絲在爐加熱時間，s。

例：對于上例明火加熱爐中，直徑1.8m m的65號鋼鋼絲的線溫為900℃，按公式（8）計算在爐加熱時間為：

這里鋼絲的含碳量取65號鋼的上限值。

4 鉛溫和鋼絲在鉛時間的確定

4.1 影響鉛溫的因素

鉛淬火后鋼絲得到的組織主要為索氏體。鋼的索氏體化轉(zhuǎn)變溫度為600～650℃，圖2所示為亞共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線。亞共析鋼在等溫轉(zhuǎn)變過程中在較高的溫度下會沿著晶界析出鐵素體，而且鋼的含碳量越低，這種趨勢越明顯。在鋼絲的索氏體化過程中，為盡可能減少先共析鐵素體的析出，對于含碳量較低的鋼絲需要更大的過冷度，鉛溫要適當?shù)鸵恍沟娩摻z以最快的速度達到索氏體轉(zhuǎn)變溫度。

圖2 亞共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線

在實際的鋼絲熱處理過程中，鉛液溫度的設定值要低于索氏體轉(zhuǎn)變溫度。這是因為，鋼絲從加熱爐中進入鉛槽前，其自身的溫度通常在900℃左右。鋼絲的熱量帶入鉛槽后使鋼絲周圍的鉛液溫度升高，尤其對于粗直徑的鋼絲，這種溫升更明顯。在組織轉(zhuǎn)變瞬間，鋼絲的溫度要高于鉛液的溫度，實際的轉(zhuǎn)變溫度也在600℃以上。鋼絲的組織轉(zhuǎn)變過程事實上是在一定溫度區(qū)間內(nèi)連續(xù)冷卻的過程。因此隨著鋼絲直徑的加大，要適當加大轉(zhuǎn)變的過冷度。

4.2 鉛溫的計算

對于鉛液不循環(huán)冷卻的鉛槽，其熱電偶通常有2個，一個是監(jiān)測“過熱區(qū)”溫度的，即鋼絲帶入熱量使鉛液溫度過熱的地方，一般設置在距離鋼絲進入鉛液位置0.5～1.0 m處；另一個是控制鉛液溫度的，通常設置在鉛槽中距離鋼絲進入鉛液位置1.5～2m處或中心位置，我們通常所說的鉛溫就是這個熱電偶顯示的鉛液溫度，通常設置在450～550℃。

對于帶有鉛液循環(huán)和冷卻裝置的鉛槽，其熱電偶通常也有2個，在鉛槽的前部和后部。循環(huán)冷卻效果好的鉛槽，2個熱電偶顯示的鉛液溫度不會超過5℃。由于循環(huán)冷卻的效果好，在鉛槽中過熱區(qū)很小，過熱區(qū)溫度和鉛液的溫差也不大，因此鉛液溫度的設置比不循環(huán)的鉛槽要高一些，推薦設置在540～580℃。

對于鉛溫的工藝設計，一般應考慮鉛槽長度和容量，并應結(jié)合實際生產(chǎn)中鋼絲最終的金相組織狀態(tài)來進行調(diào)整。關于鉛溫的計算也有一些經(jīng)驗公式，都是針對沒有循環(huán)冷卻的鉛槽設定的，如：

在此，筆者推薦經(jīng)驗公式如下：

對于沒有循環(huán)冷卻裝置的鉛槽，鉛液溫度計算公式為：

對于循環(huán)冷卻效果很好的鉛槽，鉛液的計算公式為：

例：對于上例中，結(jié)合公式（9）和（10），對于 1.8mm鋼絲的鉛液溫度計算結(jié)果為：

沒有循環(huán)冷卻鉛槽：循環(huán)冷卻好的鉛槽：

4.3 鋼絲在鉛時間的確定

明火加熱爐熱處理作業(yè)線由于設計的D V較高，鉛槽長度設計一般都超過加熱爐有效長度的50%。經(jīng)驗表明，碳素鋼絲完成索氏體轉(zhuǎn)變的時間一般不會超過15s，加上安全系數(shù)也不過20s。鋼絲在鉛時間一般都會長于鋼絲的索氏體轉(zhuǎn)變時間，因此在鉛槽長度設計合理的前提下，無需再考慮鋼絲的在鉛時間的影響。

5 收線和放線張力的設置

除了對“三溫一速”的考慮外，在鋼絲鉛淬火的過程中還需要考慮張力的影響。由于鋼絲被加熱到高溫后，其抗拉強度會大幅降低。尤其對細規(guī)格鋼絲，當收線張力過大時，很容易超過鋼絲的抗拉強度極限，鋼絲在加熱爐中會被拉細，甚至被拉斷。因此，對于細規(guī)格鋼絲應采用主動放線方式，同時避免采用過大的收線張力。

6 結(jié)論

設計鉛淬火加熱溫度和加熱時間時，應充分考慮鋼絲直徑、含碳量和含錳量的影響。隨著鋼絲直徑的增大及含碳量和含錳量的降低，應適當提高鋼絲線溫；同時隨著鋼絲直徑的增大及含碳量和含錳量的增加，應適當延長加熱時間。明火加熱爐入口爐溫不宜過高，否則會加大鋼絲脫碳的傾向。推薦入口爐溫比出口爐溫增加5%。對于帶有鉛液循環(huán)冷卻的鉛槽，其鉛液溫度設置要比沒有循環(huán)裝置的鉛槽設置的高一些。