【原】连续式炉钢管保护气氛热处理工艺的研究和应用

连续式炉钢管保护气氛热处理工艺的研究和应用 邓尔康 摘要：分析了钢管保护气氛热处理炉的保护气氛类型及性能，对钢管保护气氛热处理炉内气氛的化学过程动态分析了无氧化的平衡条件。介绍了保护气氛热处理主要工艺参数的确定及汽车用管、精密结构用管、电站锅炉用管的保护气氛热处理实例分析。 关键词：钢管；保护气氛热处理；气氛类型；热处理工艺参数；钢管性能 中图分类号：TG15文献标识码：B 文章编号：1001－2311（2000）01－0026－05 Research and Application Concerning Technique of Heat－Treating Steel Tubes in Continuous Furnace with Protective Atmosphere 　　DENG Er－kang (Shanghai Steel Tube Corporation, Ltd., Shanghai 200940, China) 　　Abstract： Analysis is made on types and performances of protective atmospheres of the steel tube heat treatment furnace with protective atmosphere, and also dynamic analysis on the non－oxidation equilibrium conditions of the chemical process of atmosphere of the said furnace is made. In addition, the author describes how to set up the basic process parameters of heat treatment with protective atmosphere, and gives us case analysis concerning protective atmosphere heat treatment of automobile tube, precision structural tube and power station boiler tube. 　　Key words：Steel tube; Protective atmosphere heat treatment; Atmosphere type; Heat treatment process parameters; Steel tube performance 0　前言 　　随着国民经济的发展，各行各业对钢管提出了更高的质量要求，不仅要求精度高，机械、工艺性能好，同时对钢管的表面状态也提出了更高的要求（即要求钢管表面呈无氧化光亮状态）。 　　桑塔纳轿车用管采用的是按德国DIN2391，DIN2393标准生产的无缝精密钢管和焊接冷拔冷轧精密钢管。其中，大部分钢管要求按GBK状态交货，即要求进行保护气氛热处理。在开始试制桑塔纳轿车用管时，由于没有进行GBK处理的工艺设备，凡要求GBK处理的钢管只能以光亮拔制软性（即末道冷拔采用小变形量冷拔状态）或低温退火（即钢管表面有少量氧化铁皮存在）状态来供货。天线用30CrMnSiA钢管要求表面无全脱碳层，以满足其高强度的要求，但是在无保护气氛热处理的条件下是难以做到的。用户对冷拔精密结构用无缝钢管，也提出了既要求具有良好的机械性能和工艺性能，又要求具有无氧化的表面状态，所以在钢管生产中采用保护气氛热处理工艺，是一项迫切的新课题，使我公司生产的汽车用管、锅炉用管及其他精密钢管质量水平上一个新的台阶的标志之一。 1　保护气氛选用 　　保护气氛类型及特点列于表1。 表1　保护气氛的类型及特点

类型	特点	适用范围
放热型	气体不完全燃烧；产生成本低，有脱碳；低温易析出碳黑	光亮退火
吸热型	无脱碳，冷却时析出碳黑	光亮淬火、退火
氮气	纯度≥99.95％	退火
氮基型	含氢5％～20％，具有还原性能	各类光亮热处理
氨分解	还原性能好	各类光亮热处理

氮气是一种惰性气体，无毒安全，是用途广泛的保护气体。当氮气中含氧>0.001％时，就会使钢材氧化和脱碳，所以一般不使用单一的氮气，而加入少量的添加剂，如H2，CO等还原性气体来防止氧化。这种以氮气为主的气氛称为氮基气氛，是广泛使用的钢材热处理用保护气氛，而放热型、吸热型保护气氛在使用中有一定局限性。 　　目前国外介绍的PSA供氮系统，使用空气制取氮气，纯度>99.5％，只要加入少量添加剂H2就可使氮基气氛具有还原性，其成本很低，比国外传统应用的液氮降低了热处理成本，而效果则同样可靠。 　　我国近年来使用的氨燃烧法制取含H25％～20％的氮基气氛，已成功应用于工业生产（如上海冶金设计研究院设计的30m3氨燃烧装置）。使用稀释法、氨分解气也可以得到氮基气氛。在具有制氧车间的工厂，其副产品氮气经净化纯度达到99.5％以上，配上一台氨分解装置，用稀释法配制的氮基气氛，可用于钢材的保护气氛热处理生产，且成本低廉。表2列出了1kg液氨用不同方法可提供的氮基气氛及氨分解气量。 表2　1kg液氨可提供的氮基气氛及氨分解气量

方法	产气量/m3	气体成分
氨分解	2.635	含H275％　余N2
氨然烧	4.05	含H210％　余N2
氮稀释法	19.75	含H210％　余N2

氨分解气是一种还原性能强的保护气氛，它制取方便、气氛稳定，可用于各类要求高的光亮热处理工艺，但制取成本较高。 2　连续保护气氛热处理炉工艺分析 2.1　连续式炉保护气氛用气量的确定 2.1.1　清洗炉内空气的用气量估算 　　当空气中含有5.35％～76％的氨分解气时，点火就会发生爆炸，所以冷炉开炉前必须仔细进行炉内空气的清洗。当空气残留量在安全范围内时，方可点燃火封。其清洗过程是通过不断地送进保护气氛或氮气使炉内含O2量下降，清洗的用气量则随炉型不同而变化。由工艺试验可知，清洗总用气量与炉子的总容积成正比，可用公式估算 V=NV0 式中　V--清洗总用气量，m3； 　　　N--换气次数； 　　　V0--炉膛总容积，m3。 　　两端炉口开启的连续式炉，其N>20时方能达到清洗炉内空气的要求，使氨分解气安全实现点火操作。如果清洗用气使用氮气或含H2<5％的氨燃烧气，点火操作就更加安全可靠。 2.1.2　保护气氛热处理用气量的估算 　　钢管光亮热处理用气量与炉型、炉膛总容积、生产率、密封形式、气氛纯度要求等因素有关。在连续式保护气氛钢管热处理过程中，为了确保炉内气氛稳定，必要条件是炉子保持微正压。试验证明，耗气量与炉口开启大小成正比例关系，钢管外径愈大，炉口开启愈大，则用气量增加。本炉型可用下列经验公式进行估算 V1=2K.B.H 式中　V1--炉子用气量，m3/h； 　　　K--炉型系数，m3/cm2.h； 　　　B--炉口宽度，cm； 　　　H--炉口帘门开启高度，cm。 　　经过对各种规格钢管的热处理试验证明，要保持炉内炉气稳定呈微正压状态，应使K=0.04～0.05m3/cm2·h。 2.2　炉气与钢管的化学反应 2.2.1　加热区炉气与钢管的化学反应 　　以还原气体H2作为添加剂形成含H2的氮基气氛，氮气是惰性气体，所以气氛为H20－H2的气氛炉中的主要化学反应为 2Fe＋O22FeO　　（1) 3Fe＋2O2Fe3O4　　（2) 　　（3) 　　（4) 　　（5) 　　从化学反应式（1）,（2）可以看到，少量O2的存在也会产生不可逆的氧化反应，而实际生产中又必然会带入空气、水分等氧化性气氛，所以单用工业纯氮保护钢材表面也会产生微量的氧化，甚至生成薄层氧化膜，而不能达到无氧化的光亮状态。因此，必须在氮气中加入适量的还原性添加剂，使炉中通过化学反应改变氧化气氛，从而获得符合无氧化加热条件的保护气氛。 　　H2进入炉中遇到氧会立即燃烧，去除炉中的残氧（见反应式（3）)。图1是Fe在含H2－H2O氮基气氛中的平衡曲线。化学反应（4），（5）是可逆反应，其反应向哪一边进行取决于[H2]/[H2O]的比值。 图1　Fe在含H2－H2O氮基气氛中的平衡曲线 1-氧化区　　2-还原区 　　温度对反应的影响如图1所示，随着温度的下降，气氛对H2O的氧化敏感性上升。同一比值的保护气氛在高温下呈还原性，化学反应式(4)，(5)向左进行；当温度下降气氛就会呈氧化性，反应向右进行，使钢管氧化。 　　含H2量对反应的影响。在热处理过程中保护气氛进入炉膛后，通过化学反应，改变原始气氛的组成。H2气与炉口渗入的空气、钢管带入的油污水分发生化学反应生成H2O，从而使炉气中含H2O量增加，改变了[H2]/[H2O]的比值，当超过平衡状态时就会发生氧化反应。所以钢管在热处理前，应很好烘干，以尽量减少随钢管带入的水分。 2.2.2　钢管的磷化膜及残余油脂在炉中的化学变化 　　钢管在冷拔、冷轧加工过程中，有一层磷化膜及工业肥皂或润滑油进行润滑。钢管磷化膜主要组成为Zn3（PO4）2，Fe2Zn（PO4）2，在高温下其化学反应如下 Zn3(PO4）2→3ZnO＋P2O5 Fe2Zn(PO4)2→2FeO＋ZnO＋P2O5 ZnO＋H2→Zn＋H2O FeO＋H2Fe＋H2O 　　在高温下，磷化盐薄膜发生了分解，产生了H2O和氧化物，这也会影响保护气氛的组成。钢管表面残留的油脂均系复杂的碳氢化合物，在炉膛内少氧的条件下加热分解，将产生一种稳定的化合物甲烷（CH4），在炉中进行下列反应 CH4＋O2→CO2＋2H2 CH4＋H2O→CO＋3H2 CH4＋CO2→2CO＋2H2 　　CH4在炉中主要发生还原反应。由于钢管表面磷化膜及残余油脂的影响，使炉子气氛变化为以氮气为基的H2－H2O－CH4保护气氛，所以残留少量的油脂对于气氛是无害的，对改善脱碳还有一定益处。但是，过多的油脂会造成碳黑污染，甚至产生局部渗碳。 2.2.3　前室的炉气组成及化学反应 　　前室是钢管进入加热区炉膛前的过渡段，除与加热区联接附近温度较高外，大部分温度较低，为50～600℃。钢管带入的水分加热蒸发成水蒸气，较高温度区与加热区的化学反应相同，水蒸气及反应产生的气体不断随着保护气氛由加热区向炉口流动并逸出炉口。前室内含H2O的蒸气量较大，系氧化性气氛，但由于钢管处于低温，所以不会发生氧化反应。由于前室的过渡，炉气将带着H2O蒸气不断逸出，从而使加热区炉膛内保持良好的保护气氛。 2.2.4　炉内冷却段的炉气与钢管的化学反应 　　钢管在冷却段处于800～200℃的温度范围。在氮基H2－H2O保护气氛下，主要的化学反应式如下 3Fe＋4H2OFe3O4＋4H2 Fe＋H2OFeO＋H2 　　为了使炉子具有还原性气氛，使钢管处于平衡曲线的还原区内，从而使钢管表面得到无氧化的光亮状态，冷却段内气氛的[H2]/[H2O]比值应随着钢管温度的下降而提高。整个炉气的[H2]/[H2O]比值也应以冷却段该比值的要求为指标。考虑到操作中钢管内外表面的水分除不尽，以及炉口渗入空气等因素，选用含H2量>10％的氮基气氛比较可行。含H2量高对于保证[H2]/[H2O]比值处于还原区内是有利的，当钢管烘干良好、炉子密封正常时，含H2量5％也可以得到表面呈无氧化光亮状态的钢管。 3　连续式钢管保护气氛热处理实例分析 3.1　Φ4mm×0.4mm规格30CrMnSiA天线用无缝钢管的热处理 　　钢管要求高的强度和弯曲回弹复位性能，故采用高强度的30CrMnSiA钢。由于天线钢管壁薄，表面脱碳会影响钢管的强度和弯曲回弹性能，所以特别要求成品钢管无全脱碳层存在。这在常规钢管退火炉中热处理比较难以达到，用套管退火脱碳情况也不稳定。 　　钢材不脱碳的热力学条件是实际分压商≤平衡分压商。气氛中O2，H2O，CO2使钢材易于脱碳，CO,H2等还原性气体则不易使钢材脱碳，故选用氨分解气及工业纯氮进行工艺试验，其结果见表3。 表3　采用氨分解气、工业纯氮作热处理保护气氛的试验结果

保护气氛	热处理参数	脱碳层/mm
		钢管外壁		钢管内壁
		热处理前	热处理后	热处理前	热处理后
氨分解气	900℃加热18min	0.00	0.00	0.07，半脱碳	0.01，半脱碳
氨分解气	800℃加热18min	0.00	0.00	0.07，半脱碳	0.05，半脱碳
工业纯氮	770℃加热18min	0.00	0.00	0.03，半脱碳	0.02，半脱碳

用氨分解气作保护气氛，加热炉内气氛的组成为H2，N2，CH4，H2O，其中CH4是由于钢管表面的残余油脂分解而产生。尽量减少钢管带入的H2O，就能使钢管达到不脱碳的要求。 　　用工业纯氮（含N2≥99.5％）作保护气氛，热处理时炉内气氛的组成为H2，CH4，H2O，O2，热处理中尽量控制H2O，O2的含量，也能达到不脱碳的要求。 　　通过工艺试验，决定采用下列方法进行无脱碳热处理： 　　（1）中间管在Φ23mm×1.5mm以上，采用常规退火，表面脱碳约0.02mm；在Φ23mm×1.5mm以下，采用保护气氛退火，其冷加工总延伸达10～15，原有表面脱碳层通过延伸达到无全脱碳层。 　　（2）采用工业纯氮作保护气氛。 　　（3）钢管热处理前在300℃下烘烤4h。 　　（4）由于在800℃以下化学反应的速度明显减慢，温度愈低，加热时间愈短，愈不易脱碳，故选用770℃加热10min。在AC1附近加热退火还可有效消除加工硬化。 　　（5）保护气氛流量为15m3/h。 　　天线用钢管使用保护气氛热处理，能有效控制脱碳的产生，使钢管内外壁均无全脱碳层，（只有半脱碳层0．01mm），满足了用户对质量的要求。 3.2　桑塔纳悬架臂的热处理 　　采用Φ60mm×4mm焊接冷轧精密钢管，牌号St37－2，要求按德国DIN2393焊接冷轧精密钢管标准要求验收，GBK热处理，钢管表面呈光亮状态。 　　采取的工艺措施： 　　（1）中间管采用正火热处理（900～930℃加热15min）； 　　（2）采用氨分解气加工工业纯氮作保护气氛； 　　（3）干燥钢管； 　　（4）770℃加热30min； 　　（5）将保护气流量控制到32m3/h; 　　（6）钢管热处理前去除内外表面油污。 　　成品钢管经上海汇众汽车公司重型汽车厂进行复验及冲压、焊接、盐雾、疲劳性能对比试验，均达到DIN2393标准要求，通过了上海大众汽车公司的认可。 3.3　Φ20mm×1mm桑塔纳轿车冷却水管用冷拔精密无缝钢管的无氧化退火 　　我公司1990年开始试制桑塔纳轿车用管时，只能采用常规退火，其尺寸精度和性能都能达到要求，但因无保护气氛热处理工艺装置，钢管表面状态未能达到德国实物质量水平。 　　现采用无氧化热处理工艺（加热温度900℃，时间13min；氨分解温度800℃，压力0.2～0.4MPa，气流量15m3/h）后，钢管表面呈光亮状态，满足了用户对钢管表面质量的要求，实现了该类钢管的国产化。成品热处理后钢管的性能列于表4。 表4　钢管性能

σb/MPa	σs/MPa	δ5％	扩口
505	345	40	合格
505	350	40	合格

3.4　内螺旋高压锅炉钢管的热处理 　　规格为Φ57．15mm×6．35mm，牌号SA210Al，应用于引进的大型电站锅炉的水冷壁部件，要求按美国ASMESA210M标准生产，钢管内壁有宽2．8mm、高1．1mm、螺旋升角为30°的10条内螺旋筋。由于氧化膜的存在会大大降低钢管的热交换过程，故要求对钢管进行保护气氛热处理（GBK）。 　　热处理工艺参数：保护气氛含H23％～6％，余为N2（纯度≥995％）；加热温度860～880℃，炉内水套冷却至300℃以下。 　　热处理后钢管内壁达到无氧化状态，其力学性能、工艺性能列于表5。 表5　内螺旋高压锅炉管热处理后的力学性能及工艺性能

炉号	σb/MPa	σs/MPa	δ％	硬度	HRB		压扁	扩口
Y-147-750	470	335	40	71	70	72	合格	合格
	450	345	34	70	71	75	合格	合格
Y-147-760	480	340	34	74	77	75	合格	合格
	485	350	40	72	70	71	合格	合格

注：牌号SA210Al；规格Φ57.15mm×6.35mm。 　　该锅炉管的各项指标达到了ASMESA210Al标准要求，其表面质量达到了进口实物质量水平，产品由上海锅炉厂加工成水冷壁部件后交华能电力公司上安电厂，用于修理引进的电站锅炉。该10头B型内螺旋锅炉钢管原均由国外进口。 4　结语 　　（1）钢管保护气氛选用氮基加还原性H2，CO，控制其不同比例，可获得表面无氧化、无全脱碳、光亮的钢管。 　　（2）将空气制氮机（PSA制氮）配上氨分解提供的还原性气体H2的混合保护气，或液氮气化保护气，用于各类碳钢、合金结构钢钢管的保护气氛热处理，是可靠有效的方法。另外采用国内成熟的氨燃烧制取含H2量5％～20％的氮基气氛是小型炉简单可靠的气体来源。 　　（3）连续式钢管保护气氛热处理能满足汽车用管、精密结构用管、锅炉用管对钢管表面质量、力学性能和金相组织的要求，符合DIN2391，DIN2393，ASMESA210M，ASMESA213M等标准的规定。 作者简介：邓尔康（1939－），男，高级工程师，长期从事钢管工艺及新产品开发工作。 作者单位：邓尔康（上海钢管股份有限公司，上海　200940