碳钢生产工艺概述.ppt
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1、碳钢生产工艺概述宝钢股份不锈钢事业部冷轧厂,一、碳钢基础知识二、碳钢炼钢工艺及装备三、碳钢热轧工艺及装备四、碳钢冷轧工艺及装备,主要内容,1.碳钢定义碳钢也叫碳素钢,指含碳量w(C)小于2.11%的铁碳合金。碳钢除含碳外一般还有杂质元素Mn、Si(起固溶强化和脱氧的作用),S热脆,P冷脆,O、N、H塑性、韧性。碳钢的特点:冶炼加工容易成本低,应用广可热处理强化回火稳定性差淬透性差基本相强度低,韧性差不能满足特殊性能要求,一、碳钢基础知识,2.碳素钢的分类为了满足使用的需要,碳素钢有许多品种,为了生产、使用和管理必须对碳素钢进行分类并确定钢的牌号。碳素钢的分类:.按钢中碳含量的多少分,可分为:低
2、碳钢w(C)0.25中碳钢0.25w(C)0.6高碳钢w(C)0.6.按钢的质量分,可分为:普通钢w(S)0.055,w(P)0.045优质钢w(S)0.040,w(P)0.040高级优质钢w(S)0.030,w(P)0.035,.按钢的用途分,主要有:碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢一般工程用铸造碳素钢件碳素结构钢用来制造各种工程构件和机器零件,碳素工具钢用来制造各种刀具、量具、模具。.按炼钢时的脱氧程度分,可分为:沸腾钢是脱氧不彻底的钢,代号F。镇静钢是脱氧彻底的钢,代号Z。半镇静钢是脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间,代号为b。特殊镇静钢进行脱氧的钢,代号为TZ。,3.碳素钢的钢号、命名方
3、法和主要用途.碳素结构钢这类钢主要用于各类工程,应用量很大。对这类钢通常是热轧后空冷供货。用户一般不需要再进行热处理而是直接使用。所以,这类钢的钢号主要是以其力学性能中的屈服点来命名。具体命名方法如下:标志符号Q+最小s值等级符号+脱氧程度符号。这类钢的标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q。等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号。也是按S、P杂质多少来分。以A、B、C、D四个符号代表四个等级。其中:A级w(S)0.05,w(P)0.045B级w(S)0.045,w(P)0.045C级w(S)0.04,w(P)0.04D级w(S)0.035,w(P)0.035,这类钢中质量等级最高级(D级),
4、达到了碳素结构钢的优质级。其余A、B、C三个等级均属于普通级范围。从这类钢的钢号中,人们可以直接知道钢的最低屈服点,质量等级和脱氧程度,用起来很方便。例如,Q235-AF,此钢s235Mpa,质量等级为A级(S、P杂质含量较多),脱氧不充分的沸腾钢。这类钢中共分五个强度等级,见表5-3。这类钢适用于一般工程结构所需的热轧钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢等,可供焊接、铆接、栓接等构件使用。其中:Q195、Q215-A、Q215-B碳的含量较低、塑性好、强度低。一般用于螺钉、螺母、垫片、钢窗等强度要求不高的工件。Q235-A、Q255-A可用于农机具中不太重要的工件。如拉杆、小轴、链等。也可常用
5、建筑钢筋、钢板、型钢等。Q235-B、Q255-B可作为建筑工程中质量要求较高的焊接构件。在机械中可用作一般的转动轴、吊钩、自行车架等。Q235-C、Q235-D质量较好,可作一些较重要的焊接构件及机件。Q255、Q275强度较高,可作摩擦离合器、刹车钢带等。,牌号:Q195、Q215、Q235、Q255、Q275成分特点:低C,高S、P性能特点:冶炼容易工艺性好冶金质量差机械性能低使用状态:热轧空冷SF用途:工程结构件(钢板、钢筋、型钢等)普通机械零件(少)w(C)低时可用作焊接、铆接件等;重要零件用Q235C、Q235D,日本牌号(JISG)SPHC、SPHD、SPHESSteel PPl
6、ate HHeatC一般用热轧钢板及钢带D冲压用热轧钢板及钢带E深冲用热轧钢板及钢带SS400S表示钢,S结构用,数值抗拉强度SM490A、S15CM中碳,15平均碳含量,C优碳,.优质碳素结构钢这类钢中磷、硫等有害杂质含量较低,夹杂物也少,化学成分控制较严格,质量较好。常用于较为重要的机件。可以通过各种热处理调整零件的力学性能。出厂状态可以是热轧后空冷,也可以是退火、正火等状态。随用户需要而定。这类钢的钢号很简单,如,45表示该钢的wc=0.45,即碳的质量分数为万分之四十五。这类钢中有三个钢号是沸腾钢,其钢号尾部标有F。如08F。这类钢中有些是锰的质量分数超出一般规定的锰杂质含量。其钢号尾
7、部标有元素符号Mn。如65Mn。这类钢仍属于优质碳素结构钢,不要误认为是合金钢。优质碳素结构钢总共有31个钢号。含有低碳钢、中碳钢和高碳钢。随着钢中的碳的质量分数的不同,具有不同的力学性能,可作重要的零件,如齿轮、轴、连杆、弹簧等。其中08F材料塑性好,常用来制作冷冲压零件。一般需要热处理。,例如:08F钢碳的质量分数低塑性好,强度低。可用于各种冷变形加工成型件。1025等低碳钢焊接性和冷冲压工艺性好,可用来制造各种标准件、轴套、容器等。也可通过适当热处理(渗碳、淬火、回火)制成表面高硬度、心部有较高韧度和强度的耐磨损耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴摩擦片、水泥钉等。45等中碳钢通过适当热处理
8、(调质、表面淬火等)可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的e和屈强比,以及足够的韧性和耐磨性。可用于制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。,牌号:08、10、15、20、75、80、85成分特点:w(C):0.08%0.85%C,S、P0.04%性能特点:冶金质量较好()、ak淬透性回火稳定性使用状态:使用前一般都要经过热处理(渗碳、淬火、回火等)用途:较重要的零件,如齿轮、轴、连杆、弹簧等,.碳素工具钢这类钢是碳的质量分数在0.651.35的碳素钢。主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低
9、温回火处理获得高硬度、高耐磨性。分为优质级(w(S)0.03,w(P)0.035)和高级优质级(w(S)0.02,w(P)0.03)两大类。这类钢号命名的方法是:标志符号T加上碳的质量分数的千分值。如T10。T是碳字的汉语拼音字头。10表示w(C)=1.0,即碳的质量分数千分之十。对于高级优质的碳素工具钢须在钢号尾部加“A”,如T10A。优质级的不加质量等级符号。这类钢锰的质量分数都严格控制在0.4以下。个别钢为了提高其淬透性,锰的质量分数的上限扩大到0.6,这时,该钢号尾部要表出元素符号Mn。如T8Mn以有别于T8。可用作制造各种刃具、量具、模具。,牌号:T7 T8T9T12 T13成分特点
10、:高C(0.65%1.35%),低S、P性能特点:高H,工作温度低时有较好的耐磨性;工艺性好,淬透性低,热硬性差使用状态:锻造球化退火机加工淬火+低温回火用途:尺寸小、形状简单、低速、硬度高的工具T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13韧性高 硬度高T7、T8:冲头、凿子、锤子T9、T10、T11:钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具T12、T13:锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。,.一般工程用铸造碳素钢在工业生产中会遇到一些形状复杂的零件,不便锻压制成毛坯用锻压制成毛坯。而铸铁又保证了塑性的要求,这时可采用铸钢件。这类钢按GB11352-89规定了五个钢号,其命名方法是:标志
11、符ZG+最低s值-最低b值。例如:ZG340-640。其中ZG是铸钢这两个字的汉语拼音的字头。前面数字340是指该钢的屈服强度(0.2)不小于340Mpa。后面的数字640是指该钢的抗拉强度(b)不低于640Mpa。铸钢的铸造工艺差,易出现浇不到、缩孔严重、晶粒粗大等缺陷。为了提高钢液的流动性,浇注温度很高,但易使铸钢件中出现过热的魏氏组织。所谓魏氏组织是指在原来粗大的奥氏体晶粒内随温度下降而相变产生的粗大铁素体针。使钢的塑性、韧性变坏。魏氏组织可以通过完全退火得到消除。,4.低合金结构钢(普通低合金钢)成分特点:低C(w(C)0.2%)、低合金(Wme3%)me的作用:提高铁素体的强度细化晶
12、粒增加珠光体比例,并使之细化弥散强化提高耐蚀性脱硫、去气,使钢材净化,改善韧性和工艺性能性能特点:(s)高,s/b高,减重20%30%具有良好的塑性和韧性具有较高的冷加工成形性具有良好的可焊性、耐蚀性用途:强度较高的工程结构件,5.按制造加工形式分.铸钢铸钢是指采用铸造方法而生产出来的一种钢铸件。铸钢主要用于制造一些形状复杂、难于进行锻造或切削加工成形而又要求较高的强度和塑性的零件.锻钢锻钢是指采用锻造方法而生产出来的各种锻材和锻件。锻钢件的质量比铸钢件高,能承受大的冲击力作用,塑性、韧性和其他方面的力学性能也都比铸钢件高,所以凡是一些重要的机器零件都应当采用锻钢件.热轧钢热轧钢是指用热轧方法
13、而生产出来的各种热轧钢材。大部分钢材都是采用热轧轧成的,热轧常用来生产型钢、钢管、钢板等大型钢材,也用于轧制线材,.冷轧钢冷轧钢是指用冷轧方法而生产出来的各种冷轧钢材。与热轧钢相比,冷轧钢的特点是表面光洁、尺寸精确、力学性能好。冷轧常用来轧制薄板、钢带和钢管.冷拔钢冷拔钢是指用冷拔方法而生产出来的各种冷拔钢材。冷拔钢的特点是:精度高、表面质量好。冷拔主要用于生产钢丝,也用于生产直径在50mm以下的圆钢和六角钢,以及直径在76mm以下的钢管,铁矿石,石灰石,焦碳,高炉,转炉,真空脱气,精炼,喷粉,搅拌,电磁搅拌,连铸坯,表面清除,热轧酸洗涂油钢卷,冷轧钢卷,冷轧钢板,冷轧钢卷,彩涂钢卷,冷轧钢卷
14、,电镀锌钢卷,连退,热镀锌,罩式炉,精整,电解清洗,横切线,纵切线,重卷线,平整线,连续彩涂线,重卷线,电镀锌线,冷轧,酸洗,酸轧,热轧,炼钢的方法,一般可分为:转炉炼钢、平炉炼钢和电炉炼钢三种方法。炼钢目的:除去生铁中多余的碳和大量杂质元素,使其化学成分达到钢的要求。一般经过:脱碳、脱磷、脱硫、脱氧;去除有害气体和夹杂;调温处理;调整成分炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢基本任务。氧气顶吹转炉炼钢过程,主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程,其工艺操作则是控制供氧、造渣、温度及加入合金材料等,以获得所要求的钢液,并浇成合格钢钢锭或铸坯。,二
15、、碳钢炼钢工艺及装备,1.转炉炼钢法这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里,使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量(含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度),可使炉内达到足够高的温度。氧气顶吹转炉炼钢法反应速度快,生产率高,不需要燃料,热效率高,成为冶金史上发展最迅速的新技术,并逐渐取代平炉成为炼钢方法的主流。转炉主体设备是实现炼钢工艺的主要设备,它由炉体(炉口、炉身和炉底)、炉体支撑装置和炉体倾动机构等组成。,2.平炉炼钢平炉炼钢使用的氧化剂通入的空气和炉料里的氧化物,(废铁,废钢,铁矿石)。反应所需的热量是由燃烧气体燃料(高炉煤气,发生炉煤气)或液体燃料(重油)所
16、提供。平炉炉体由上、下两部分组成。上部包括熔炼室、炉头,下部结构包括沉渣室、蓄热室、换向阀及排烟系统等。3.电炉炼钢利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧高温(通常50006000)加热和熔化金属,金属熔化后加入铁矿石、熔剂等,并吹氧,以加速钢中的碳、硅、锰、磷等元素的氧化。当碳、磷含量合格时,扒去氧化性炉渣再加入石灰、萤石、电石、硅铁等造渣剂和还原剂,形成高碱度还原渣,脱去钢中的氧和硫。电弧炉的炉体由金属构件和耐火材料砌成的炉衬两部分组成,分为炉壳、炉盖、倾动机构、电极装置、炉顶装料系统、电炉电气设备等。,连续铸钢钢水直接铸成接近最终产品尺寸的钢坯。这一想法经过一百多年的努力探索,终于使该技术
17、在本世纪70年代开始大规模用于实际,并逐步形成了今天的连铸技术。主要设备由钢包、中间包、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却和铸坯导向装置、拉坯矫直装置、切割装置、出坯装置等部分组成。,连铸机的机型及其特点按结晶器是否移动可以分为两类:一类是固定式结晶器(包括固定振动结晶器)的各种连铸机,如立式连铸机、立弯式连铸机、弧形连铸机、椭圆形连铸机、水平式连铸机等;另一类是同步运动式结晶器的各种连铸机。这种机型的结晶器与铸坯同步移动,铸坯与结晶器壁间无相对运动,适合于生产接近成品钢材尺寸的小断面或薄断面的铸坯,如双辊式连铸机、双带式连铸机、单辊式连铸机、单带式连铸机,轮带式连铸机等。按铸坯断面形状分为:方
18、坯连铸机、圆坯连铸机、板坯连铸机、异型连铸机、方/板坯兼用型连铸机等.按钢水的静压头可分为:高头型、低头型和超低头型连铸机等。,连续铸钢的优越性简化了工序,缩短了流程省去了脱模、整模、钢锭均热、初轧开坯等工序。由此可节省基建投资费用约40%,减少占地面积约30%,劳动力节省约70%。提高了金属收得率采用模铸工艺,从钢水到钢坯,金属收得率为84%88%,而连铸工艺则为95%96%,金属收得率提高10%14%。降低了能源消耗采用连铸工艺比传统工艺可节能1/41/2。生产过程机械化、自动化程度高设备和操作水平的提高,采用全过程的计算机管理,不仅从根本上改善了劳动环境,还大大提高了劳动生产率。提高质量
19、,扩大品种几乎所有的钢种均可以采用连铸工艺生产,如超纯净度钢、硅钢、合金钢、工具钢等约500多个钢种都可以用连铸工艺生产,而且质量很好。,三、碳钢热轧工艺及装备,精轧机组,层流冷却,卷取机,板坯加热炉,粗轧,飞剪,热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制,热轧变形抗力小,塑性较差或变形量大,生产效率高,适合轧制较大断面尺寸,塑性较差或变形量较大的材料。当前热轧板带主要有两种生产方式,即传统热连轧和薄板坯连铸连轧。传统热连轧工艺过程主要包括原料选择及加热、轧制、冷却及卷取、精整。工艺流程:原料准备加热除鳞定宽粗轧(调头尾)保温(补热)剪头尾除鳞精轧层流冷却卷取热轧卷(检查、打捆、喷印、包装)平整
20、热轧卷热轧产品具有强度高,韧性好,易于加工成型及良好的可焊接性等优良性能,被广泛应用于船舶、汽车、桥梁、建筑、机械、压力容器等制造行业。,1)原料及加热原料:连铸坯。卷重大,提高轧机的产量和收得率。加热炉:由于板坯长,炉子宽度较长。2)粗轧任务:大幅度减小轧件的厚度,调整和控制宽度,清除一次氧化铁皮(中间带坯)设备组成:除鳞设备、定宽压力机、立辊轧机、粗轧水平轧机,辅助设备有工作辊道、侧导板、测温仪、测宽仪等。布置形式:半连续式:粗轧机组由2架可逆式轧机组成全连续式:粗轧机组由6架轧机组成,每架轧制一道,全部为不可逆式,后两架可(也可不)实现连轧3/4连续式:粗轧机组由一架可逆式轧机和三架不可
21、逆式轧机所组成,最后两个机架用近距离布置使轧件形成连轧,3)中间保温设备作用:减少轧件在输送辊道上的温降以节约能源。保温设备种类:绝热保温罩:安装在辊道的上方,利用逆辐射原理保温原理:以耐火材料做成绝热毡,受热的一面覆以金属屏膜,受热时金属膜迅速升至高温,然后做为发热体将热量逆辐射返回给钢坯。特点:结构简单、成本低,可停留8min待轧补偿加热炉(器):主要进行边角补热热卷箱:热卷箱安装在粗轧机与精轧机之间,具有减少带坯首尾温差、降低生产投资、提高产品机械性能等优点。,4)精轧任务:精轧机是热带钢连轧线上的核心设备,控制成品的厚度精度、板形、表面质量和性能,是决定产品质虽的主要工序。主要设备组成
22、:包括切头飞剪前辊道、切头飞剪侧导板、切头飞剪测速装置、边部加热器、切头飞剪及切头收集装置、精轧除鳞箱、精轧机前立辊轧机、精轧机、活套装置等精轧机进出口导板、精轧机除尘装置、精轧机换辊装置、测温仪(入出口)、测宽仪、测厚仪、厚度自动控制系统、板形控制系统等。轧机的各种先进技术几乎都集中在精轧机组上,如精轧除鳞箱、边部加热器、AGC系统、弯辊系统、新型板形控制手段(PC轧机、CVC轧机、WRB轧机等)、精轧机间低惯量活套装置、在线磨辊装置(ORG)、工作辊轴移(WRS)技术等。,PC轧机定义:上下辊交叉一定角度来改变辊缝形状的轧机。交叉方式:对辊交叉、工作辊交叉、支承辊交叉如图所示的上下工作辊与
23、支承辊成对交叉。成对辊交叉:将上工作辊和上支撑辊为一对,将下工作辊和下支撑辊为一对,两对辊之间进行很小角度的交叉。它最适用于轧制宽带钢。交叉角度越大,工作辊缝凸度越小。交叉角一般为01.20。,PC轧机的特点:凸度控制能力很大。(凸度控制范围为01.4mm)凸度控制的核心部分模型简单,最适合在线动态控制,反映快速;精轧机轧辊原始辊型具有一种曲线即可,不必研制多种辊型的轧辊,备辊量少。,5)轧后的冷却及卷取层流冷却:为了获得良好机械性能的热轧带钢,终轧后要进行水冷,使带钢迅速冷却到所要求的卷取温度。冷却方式:层流冷却、水幕冷却、高压喷水冷却。层流冷却系统依据带钢钢种、规格、温度、速度等工艺参数的
24、变化,对冷却的物理模型进行预设定,并对适应模型更新,从而控制冷却集管的开闭,调节冷却水量,实现带钢冷却温度的精确控制。典型的层流冷却冷却方式有:前段冷却、后段冷却、均匀冷却和两段冷却。主要设备组成:层流冷却装置分为主冷却段和精调段。卷取机功能:将精轧机组轧制的带钢以良好的卷形,紧紧地无擦伤地卷成钢卷。设备组成:入口侧导板、夹送辊、助卷辊、卷筒等设备组成。数量:一般23台就能满足生产要求。,6)精整热带钢生产精整作业线内容:平整、横切、纵切、分卷等平整目的:改善钢板的板形和消除局部的厚度差。,平整机组1-开卷机;2-直头机;3-侧导辊;4-四辊式平整机;5-下切剪;6-侧导辊;7-导辊;8-张力
25、卷取机,热轧生产中的新技术(1)铁素体轧制技术。概念:粗轧在全奥氏体状态下完成,然后通过精轧机和粗轧机之间的超快速冷却系统使带钢的温度在进入第一架精轧机前降低到Ar3以下,完成相变,形成铁素体进行精轧。优点:采用低的加热温度,节约能源,提高加热炉生产率;进入精轧机组的轧件温度低,氧化铁皮量少,降低了工作辊的磨损;克服在两相区轧制的危害;(因奥氏体轧制时温降大,有时进入两相区)提高轧机的生产效率;(增大压下,减小道次)生产更薄规格的热轧带钢;(铁素体较软)为冷轧提供冲压性能更高的带钢。,(2)半无头轧制技术。概念:连铸坯加热后焊接在一起,进入轧机,轧后的带钢由高速飞剪分切成所要求重量的钢卷。优点
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