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3步进式加热炉加热对铸坯脱碳影响的研究及热工制度优化
3.1步进式加热炉加热对铸坯脱碳影响的研究
2011年4月, 对U75V原始状态铸坯和步进式加热炉加热后铸坯表面脱碳深度对比分析,炉号为5D271424。其中1#铸坯为进加热炉前取样,2#铸坯为加热后取样。脱碳层检验位置见图5,检验结果见表4和图7。

1#铸坯脱碳表面脱碳层不连续,脱碳较轻。铸坯上表面中间部位脱碳较严重,脱碳最深处总脱碳层为0.6mm,铸坯四个圆角部位脱碳明显轻于四边,东上圆角向西脱碳最严重处完全脱碳层0.08mm,其它三个圆角不存在完全脱碳层,只存在个别脱碳点。铸坯表面其它处脱碳深度相差不大。
加热后的2#铸坯表面检测部位均存在部分脱碳区和全脱碳区,且脱碳层深度较大,总脱碳层(即存在连续封闭铁素体网区)深度均在2mm左右,完全脱碳层深度在0.5mm左右,明显比1#铸坯表面脱碳严重。由表3可见,加热后铸坯西侧面脱碳相对严重,西侧中部完全脱碳最严重,深度达0.8mm,总脱碳层约2.2mm;铸坯上表面完全脱碳也较严重,都在0.6mm以上,但部分脱碳(网状铁素体区)相对最轻,总脱碳层在2.0mm以下;铸坯东下圆角处部分脱碳也较轻,总脱碳层在2.0mm以下。
可见,加热前铸坯表面存在轻微断续脱碳,总脱碳层最深0.6mm,而步进式加热炉加热后铸坯表面脱碳明显增加,存在连续脱碳层,各部位总脱碳层深度均在2mm左右。
3.2加热炉气氛研究
为了解目前钢坯加热炉燃烧状况,鞍山鸿达科技对加热炉内煤气和烟气进行了两次取样分析。化验项目如下:H2、O2、N2、CH4、CO、CO2。利用燃烧反应前后气体中氮含量相等的“氮平衡原理”,计算得出加热炉各段空气过剩系数,分析加热炉燃烧状况及炉内气氛对钢轨脱碳的影响。取样位置及检测结果见下表:

空气过剩系数小于1时,证明燃烧过程中空气供应不足(燃料过剩)。一加热段和均热段虽然空气过剩系数大于1,但还存在H2、CO等可燃气体成分,表明各段均存在不同程度的不完全燃烧现象,可能燃料与空气在炉膛内混合不充分。
两次检测结果表明,只有第一次检测二加热段下加热部分和第二次检测二加热上加热部分煤气在炉膛内是完全燃烧的,段内为氧化性气氛,其余各段两次检测煤气在炉膛内都是不完全燃烧的,段内为还原性气氛。炉膛内为弱氧化性气氛,可以降低脱碳层厚度。因此,需要提高目前加热炉一加热段和均热段的助燃空气量,以保证燃料在炉膛内充分混合燃烧。。
3.4 小结
铸坯加热后脱碳深度明显增加,说明炉内气氛、铸坯在炉内温度状况等加热工艺对铸坯脱碳影响较大。研究表明,炉内一加热和均热段主要为还原性气氛,不利于控制脱碳深度。因此,建议提高目前加热炉一加热段和均热段的助燃空气量,以保证燃料在炉膛内充分混合燃烧,得到弱氧化性气氛,以利于降低脱碳倾向。
4铸坯喷涂涂料降低脱碳深度的研究
4.1喷涂涂料降低铸坯脱碳深度的研究
根据有限元分析的钢轨轨头踏面对应的铸坯位置,在U75V和U71Mn两种铸坯进加热炉前的东侧面及上部圆角和下部圆角附近喷涂涂料,并在出加热炉后的相应铸坯上取样,检测涂涂料铸坯和未涂涂料铸坯的脱碳深度,检测位置见下图5. 结果表明,两种铸坯喷涂涂料后脱碳深度均比未涂涂料铸坯降低,可见,喷涂涂料降脱碳效果较好。试验所用涂料为鞍山鸿达科技独家生产提供。
4.1.1喷涂涂料降低U71Mn铸坯脱碳深度的研究
2011年9月,在鞍山鸿达科技进行了U71Mn热送热装铸坯喷涂涂料效果实验。 1#为出加热炉后铸坯南端取样,未涂涂料;2#为出加热炉后铸坯北端取样,喷涂涂料。检检结果见表5,对比分析见图7,各试样脱碳形貌见图8。

可见,2#U71Mn铸坯喷涂涂料部位总脱碳层和脱碳严重层均明显小于1#未涂涂料U71Mn铸坯。U71Mn铸坯喷涂涂料防铸坯表面脱碳效果显著。
4.1.2喷涂涂料降低U75V铸坯脱碳深度的研究
进加热炉前在U75V铸坯东侧面及相邻上下圆角处喷涂涂料,并在出加热炉后铸坯上分别取涂涂料铸坯(加热炉南端取样)和未涂涂料铸坯(加热炉北端取样)试样,进行铸坯表面脱碳层检验,检检结果见表6,对比分析见图9,各试样脱碳形貌见图10。其中,3#试样为出加热炉后铸坯南端取样,喷涂涂料;4#试样为出加热炉后铸坯北端取样,未涂涂料。

3#铸坯重点喷涂的东上圆角和东下圆角处表面脱碳明显轻于其它处,两块铸坯其它部位脱碳层数值在一定范围内波动,未见明显区别。可见,喷涂涂料防U75V铸坯表面脱碳有一定效果,但效果不如U71Mn好。
4.2铸坯喷涂涂料降低钢轨脱碳深度的研究
4.2.1涂料筛选试验
2011年6月鞍山鸿达科技进行了首次铸坯喷涂涂料降低钢轨脱碳深度试验,此次试验所用涂料是由鞍山鸿达科技有限公司独家生产的,根据重轨生产工艺特点,本公司提供了两种涂料,一种是用于热送热装铸坯的涂料,另一种是用于冷铸坯的涂料。选择在铸坯进加热炉前的辊道东侧对铸坯进行喷涂涂料,试验过程中主要涂铸坯东侧面和东上圆角。试验共喷涂5根热坯和4根冷坯,其中热坯3根涂冷涂料,2根涂热涂料;冷坯3根涂冷涂料,2根涂热涂料。钢轨脱碳层检测结果见下表9.按脱碳层0.3mm的内控标准,未喷涂涂料铸坯合格率为0. 将质检中心检验结果汇总,按内控脱碳层0.3mm标准计算合格率见表9.

上述试验结果表明:喷涂涂料后,钢轨对应位置的脱碳层数值均有所降低,特别是2面圆弧和踏面脱碳层内控合格率达到较高水平。9支铸坯、23个检验样的检验数值按内控脱碳层0.3mm合格标准判定,全断面内控合格率为8.7%,但2面侧面合格率达到43.48%、2面圆弧合格率达到69.57 %、踏面的合格率达到 86.96%。可见,喷涂涂料对降低重轨脱碳层作用较显著。
综合分析认为,本公司试验的冷涂料涂在热送热装铸坯上效果更好。
4.2.2 验证试验
在U75V和U71Mn铸坯东侧面及其上下圆角附近喷涂涂料,随后在其轧制的钢轨上取样,同时在相邻未涂涂料铸坯轧制的钢轨上取样,检测脱碳层深度,对比分析铸坯喷涂涂料降脱碳层效果。两个钢种分别进行了三次验证试验,试验结果如下:
4.2.2.1 U75V铸坯涂涂料降低钢轨脱碳深度的研究
共进行了三次U75V铸坯喷涂涂料试验:具体试样数据见下表10可见。选用新涂料后,U75V铸坯表面涂涂料对降低钢轨脱碳深度效果明显。
2011年7月,用筛选试验剩余冷涂料对18支U75V热铸坯进行喷涂涂试验,踏面≤0.3mm合格率仅为22%。
2011年9月15日,用筛选试验剩余涂料对14支U75V热铸坯进行再次喷涂涂试验,踏面≤0.3mm合格率仅为7%。
2012年3月20日,用厂家提供的改进的新涂料对24支U75V热铸坯进行喷涂涂料试验,踏面≤0.3mm合格率达到91%。

 

 4.2.2.2 U71Mn铸坯涂涂料降低钢轨脱碳深度研究
共进行了三次U71Mn铸坯喷涂涂料试验:具体试样数据见下表11可见,铸坯表面喷涂涂料,对降低U71Mn脱碳深度有明显效果。
2011年9月11日,对9支U71Mn热铸坯进行喷涂涂料试验,踏面脱碳层≤0.3mm合格率达到100%。
2012年5月10日,对按新高速轨标准生产的7支U71MnG热铸坯进行喷涂涂料试验,踏面脱碳层≤0.3mm合格率达到86%。
2012年9月26日,对按新高速轨标准生产的19支U71Mn热铸坯进行喷涂涂料试验,踏面脱碳层≤0.3mm合格率达到94%。同时对一根冷料进行喷涂试验,钢轨轨头各部脱碳层均≤0.3mm。

 

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