钢锭退火工艺介绍

     当钢锭、钢坯、钢件中存在内应力时，会引起变形或开裂，需要进行去应力退火。本文主要阐述钢锭的去应力退火，其原理也适用于其他构件的去应力处理。

一

钢锭退火的目的

       将高温钢液浇入钢锭模中后，钢液逐渐凝固冷却，完成结晶过程。由于钢锭各个部位的冷却速度不同，钢锭内外存在温差，会形成热应力; 相变会引起体积的变化，冷却的不等时性会产生组织应力。热应力和组织应力叠加即构成钢锭不同部位的内应力，这种应力一般随着钢中合金元素含量和钢锭质量的增加而增大，达到一定极限时会导致钢锭开裂。对于某些高合金钢，如高铬钢、高速钢等的钢锭，浇注后即使缓慢冷却，如果冷却后不及时退火以消除内应力，则在存放过程中仍然存在自行开裂的危险，甚至爆炸，造成严重事故。生产经验表明，Cr12 型钢、高速钢等的钢锭，应该在浇注后 48h 内进行去应力退火。

     钢锭表面往往存在一些缺陷，需要加工清理，为后续的轧制或锻造做好准备这就需要降低钢锭表面的硬度，以便磨削清理加工。

     以往的钢锭退火工艺陈旧落后，加热温度过高、加热时间过长、耗能大、生产率低，为此研究开发了钢锭节能退火新工艺。

二

钢锭退火工艺设计

1.加热速度的确定

    加热速度太快时，钢内外温度不均匀，会产生热应力。当应力难以松弛，且拉伸应力较大时，就可能导致钢锭开裂。尤其是高碳高合金钢，其热导率小，导热性差，内外温差大，产生的热应力相对较大。高碳钢的脆性较大，易于在内应力作用下发生开裂。因此应缓慢加热。在 550℃以上，钢锭逐渐进入塑性区，加热速度可以加快。实际上，当温度升到 600℃ 以上时，钢的去应力过程已经悄悄开始了。

   因钢锭内外温差而产生的热应力可计算求得，计算公式为σ=0.72αE∆t。式中，α 为线胀系数;E 为弹性模量;∆t 为温差。加热速度越快，温差越大，热应力越大。以 50~100℃/h 速度加热钢时，实际上温差较小，即热应力较小，不会引起钢锭开裂。

2.冷却速度的确定

   控制退火冷却速度是非常重要的。退火一般采用炉冷或控制条件下的缓冷，冷

却速度大多采用 50℃/h，但也有采用 20-30℃/h 的。某些钢锭在退火冷却过程中有相变发生，相变时发生的不均匀体积膨胀会产生新的内应力，故应缓慢冷却。而在 A1以下进行的退火是低温退火，不发生相变重结晶，但在保温过程中发生碳化物的集聚长大及铁素体的回复-再结晶。随着这些过程的进行，钢锭的铸造应力也将松弛。

   钢锭退火兼有降低硬度、以便进行钢锭表面清理的目的，因此，退火冷却速度应缓慢，采用炉冷或以不超过 50℃/h 的速度冷却即可。退火冷却到 500℃以下时，一般已经转变为平衡组织，如珠光体、铁素体等，不容易开裂，继续冷却时可采用炉冷，或打开炉门冷却，冷却到 300℃出炉。

3.保温时间的确定

     退火工艺周期往往较长，物流速度慢，生产率低。缩短保温时间既能有效地降低能耗，又能提高生产率。

     钢锭在退火温度下的保温时间实际上包括透烧时间和纯保温时间两部分，即T总 =T透烧 +T保温。不同的工艺规范、不同大小的钢锭、不同的钢种，其透烧时间是不一样的。这个时间参数实际测量较为困难，而采用计算机软件可算得各种钢锭的透烧时间。纯粹的保温时间应保证相变动力学和去除应力的需要。

   退火时，在纯保温时间内，应该完成相变和碳化物溶解等过程。例如，从 45钢、T8 钢的奥氏体化动力学曲线可知，在 Ac1以上仅需数秒、最多数十秒钟就可以完成珠光体到奥氏体的转变。钢锭退火是为了去除内应力、防止开裂，只要完成相变重结晶即可达到目的。长时间加热不仅耗能，而且增加钢锭的氧化和烧损，造成脱碳，增加金属的损耗。

   钢中的内应力分为三类，即第一类内应力、第二类内应力、第三类内应力。随

着退火温度的升高及相变重结晶的进行，内应力均不断降低。无论是相变动力学的需要，还是去除内应力的需要，保温时间均不宜太长。实际所需要的有效时间不超过 1~2h，再加上钢锭的透烧时间就是合理的保温总时间。

4.去应力退火加热温度的确定

    钢锭退火加热温度的选择主要以消除内应力为原则，兼顾软化钢锭的需求，并且应节能降耗。在低温、中温及高温各区加热都有去除内应力的作用，但是由于需要降低钢锭的表面硬度，以便磨削清理，退火温度应选择在较高温区进行。采用较高温度加热有利于迅速去除内应力，提高生产率，但是加热温度也不能过高。综合各种因素，退火加热温度应选择在临界点附近。

    内应力的去除是个应力松弛过程，它本质上是个高温蠕变过程，其最基本的过程是原子的扩散位移，通过扩散完成回复、再结晶、重结晶等转变过程，使内应力得到松弛。应力松弛过程的快慢主要取决于温度，随着加热温度升高，应力消除率也随之升高。例如，普通铸铁、高合金铸铁等在 700℃即能全部去除铸态内应力。在600~700℃保温1h和48h 的效果几乎是相同的，如下图所示。因此，过长时间保温是没有必要的可见，钢件在 650~700℃加热退火时，只需不足 1h 即可将内应力全部去除。更多的资料数据表明，任何钢件的淬火内应力只需经过 550℃加热，即可消除 90% 以上。

5.透烧时间的确定

    钢锭尺寸较大，透烧时间较长，依据经验公式计算其结果往往不够准确。这是由于经验公式往往把加热时间与钢锭有效厚度看成线性关系的缘故，实际上它们是非线性关系。

    利用计算机进行传热计算，得出的透烧时间是较为准确的，而且可以计算钢件温度场与时间的变化规律，可以获得丰富的数据。

    实际测定透烧时间是非常复杂的，工作量较大，难以大量应用。典型钢件的加热曲线的测定具有使用价值，下图所示为实测结果。从这些曲线上可以得知具体钢种在加热条件下的透烧时间。这些曲线是在特定条件下测定的，因此不能完全适用于各种钢锭的去应力退火，但可在制订工艺时参考。

三

钢锭退火典型工艺举例

    为了改善碳化物的不均匀性、高速钢钢锭一般采用小锭型、或采用扁锭、使钢锭凝固快，以减少宏观偏析，得到细小共晶组织。由于凝固快，造成的内应力大，因此必须退火，以去除铸造内应力，防止开裂。

   这里以高速钢 W6Mo5Cr4V2 钢的钢锭为例，进行退火工艺曲线设计。下图 所示为其工艺曲线和计算机计算的钢锭温度变化曲线，图中钢锭形状是方形的，实线为炉温曲线，即施行的工艺曲线。炉温分两个台阶等温，但是钢锭温度的连续变化曲线没有台阶。钢锭达到850℃后即刻冷却，缓慢降低到750℃后又接着冷却。在整个热循环过程中，内应力去除了，同时达到了软化的目的。

    高速钢钢锭的退火一般采用台车式退火炉，装炉后随炉升温，加热速度为50℃/h。当炉温达到 750℃以上时升温速度减慢，此时由于炉子散热加快，使加热速度变慢；另一个原因是由于钢的相变吸收大量的相变潜热，而使加热速度减慢在钢锭刚刚达到预定的保温温度即进入降温阶段，实施“零保温”，这正是本工艺的优点。如前所述，钢锭退火的主要目的是去除内应力，若加热温度已经达到800℃即可以降温。在降温过程中进入曲线的第二个台阶，进行组织转变，以便软化钢锭。

   退火温度达到 500℃以下时，可以断电或切断燃气，令炉温自行降低，200℃以下可出炉。这样可使整个退火工艺周期大幅度缩短，470mm 方锭的退火时间总计为35h，300mm 方锭的退火时间总计为 25h，既节约了能源又提高了生产率。