曹廣珍

（天津鋼線鋼纜集團(tuán)有限公司，天津300050）

1 引言

熱處理是鋼絲生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。對(duì)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(duì)鉛浴（Patenting）處理的習(xí)慣稱(chēng)謂，事實(shí)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(xì)片狀珠光體，即索氏體。鉛淬火因此也被稱(chēng)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(lái)馬弗爐一直都是鋼絲熱處理的主要爐型。近年來(lái)，隨著國(guó)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(yīng)用也越來(lái)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(shì)。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(dòng)小，鋼絲質(zhì)量穩(wěn)定效果好；作業(yè)線多為收線速度單獨(dú)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(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

2 明火加熱爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(gè)燃燒器燒嘴（以下稱(chēng)燒嘴）、分段加熱控溫。上加熱方式一般采用3～4個(gè)燒嘴，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。側(cè)加熱是目前應(yīng)用最廣的一種加熱方式，一般采用20～48個(gè)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(fēng)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(dòng)爐氣直接與被加熱鋼絲接觸，既有輻射傳熱，又有對(duì)流傳熱，熱效率可高達(dá)40%以上，其D V值可達(dá)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(guò)程更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)間的確定

傳統(tǒng)的馬弗爐通過(guò)馬弗磚間接傳熱，熱效率比較低，加熱爐溫實(shí)際控制在950～1150℃之間。明火爐通過(guò)火焰和煙氣的循環(huán)流動(dòng)對(duì)鋼絲直接加熱，熱效率要遠(yuǎn)高于馬弗爐。因此對(duì)于明火爐來(lái)說(shuō)，采用相對(duì)較低的溫度即可滿(mǎn)足鋼絲的加熱要求。

3.1 影響鋼絲加熱溫度和時(shí)間的因素

鋼絲在被加熱過(guò)程中，爐中燃料不斷地燃燒補(bǔ)充，加熱溫度相對(duì)穩(wěn)定，因此可以視加熱爐為一個(gè)穩(wěn)定的熱源，鋼絲在運(yùn)行過(guò)程中不斷吸熱，并通過(guò)傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)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(jì)算公式可知,鋼絲在被加熱過(guò)程中需要吸收的熱量為：

式中：Q為鋼絲達(dá)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(zhǎng)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(zhǎng)度L有關(guān)。

鋼絲在爐中運(yùn)動(dòng)受熱過(guò)程中，需要將熱量通過(guò)徑向和長(zhǎng)度方向進(jìn)行內(nèi)部傳導(dǎo)，使得鋼絲內(nèi)外和長(zhǎng)度方向溫度達(dá)到平衡。由傅立葉熱力定律可知，鋼絲沿半徑方向的導(dǎo)熱速率如下：

鋼絲沿半徑方向傳導(dǎo)熱量為：

鋼絲沿長(zhǎng)度方向的導(dǎo)熱速率為：

鋼絲沿長(zhǎng)度方向傳導(dǎo)熱量為：

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

從理論上計(jì)算，要使鋼絲達(dá)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(yuǎn)大于QL'，即鋼絲沿半徑方向的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)大于長(zhǎng)度方向的導(dǎo)熱率。因此，在設(shè)計(jì)加熱溫度和加熱時(shí)間時(shí)可以忽略長(zhǎng)度方向的導(dǎo)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(guān)系。鋼絲直徑是影響加熱溫度和加熱時(shí)間的最重要的一個(gè)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(duì)于直徑較粗的鋼絲在熱處理時(shí)，應(yīng)提高加熱溫度TF，增大導(dǎo)熱速率QR'，或延長(zhǎng)加熱時(shí)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(dǎo)率略有升高。圖1所示為900℃時(shí)比熱容隨含碳量變化的趨勢(shì)。隨著含碳量的增加，鋼絲達(dá)到工藝溫度所需吸收的熱量Q減少，導(dǎo)熱速度加快QR'。因此，對(duì)含碳量較低的中低碳鋼進(jìn)行熱處理時(shí)，可以適當(dāng)?shù)靥岣呒訜釡囟萒F或延長(zhǎng)加熱時(shí)間t。

圖1 900℃時(shí)比熱容隨含碳量變化的趨勢(shì)

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(shí)間t降低；反之亦然。因此，對(duì)于同一部明火加熱爐來(lái)說(shuō)，就可以通過(guò)調(diào)整加熱溫度和加熱時(shí)間，同時(shí)生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品。但是對(duì)于大生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，加熱爐爐溫的不斷調(diào)整變化會(huì)造成生產(chǎn)效率的降低，同時(shí)導(dǎo)致熱處理后鋼絲性能不穩(wěn)定。因此，對(duì)于同一部明火加熱爐可以采用相對(duì)固定的加熱溫度，根據(jù)所處理鋼絲直徑的不同和化學(xué)成分的變化，應(yīng)采用不同的D V值，使加熱時(shí)間差異化，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)多品種鋼絲同時(shí)在線生產(chǎn)。對(duì)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(yīng)采用不同的加熱溫度和加熱時(shí)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(yùn)行加熱過(guò)程中一般包括預(yù)熱、加熱和保溫3個(gè)階段。通常側(cè)加熱的明火加熱爐沒(méi)有特殊的預(yù)熱區(qū)，一般是在鋼絲進(jìn)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(yù)熱。鋼絲的加熱段一般有3～4個(gè)分區(qū)，加熱段的前幾個(gè)分區(qū)為加熱區(qū)，最后一個(gè)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(shuō)的線溫是熱處理控制的最關(guān)鍵的一個(gè)參數(shù)，出口加熱區(qū)的加熱溫度通常和實(shí)際線溫相近。

3.2.1 線溫的確定

由于鋼絲是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受熱，為提高生產(chǎn)效率，縮短鋼絲的在爐加熱時(shí)間，需要很大過(guò)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(duì)于鋼絲鉛淬火線溫的計(jì)算公式有很多，但有些和實(shí)際生產(chǎn)差異較大。由于直徑的影響對(duì)鋼絲的加熱效果影響很大，細(xì)鋼絲很容易“燒透”，而粗鋼絲需要更高的溫度來(lái)“燒透”。因此，筆者認(rèn)為不同直徑的碳素鋼絲的線溫，應(yīng)采用不同的公式來(lái)計(jì)算。對(duì)于含碳量為0.40%～0.75%的碳素鋼絲，對(duì)鉛淬火線溫的經(jīng)驗(yàn)公式做如下修正：

對(duì)于直徑d≥1.5 m m的鋼絲，線溫計(jì)算公式為：

對(duì)于直徑d＜1.5m m的鋼絲，線溫計(jì)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(jì)算出的鋼絲鉛淬火線溫值。從表中可以看出，對(duì)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(guò)采用不同的加熱時(shí)間來(lái)控制其奧氏體化均勻程度，從而實(shí)現(xiàn)多品種鋼絲同時(shí)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(gè)加熱區(qū)。對(duì)于鉛淬火的鋼絲，在進(jìn)入加熱爐后需要能夠快速達(dá)到奧氏體化溫度，從而縮短鋼絲的在爐時(shí)間，因此明火加熱爐的爐溫設(shè)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(duì)于入口區(qū)的加熱爐溫，沒(méi)有可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)公式，每個(gè)廠家的加熱爐狀況不同，控制也不盡相同。

筆者認(rèn)為，對(duì)于入口的加熱爐溫不宜采用過(guò)高的溫度，否則會(huì)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(jì)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(zhǎng)度為18m，有4個(gè)加熱區(qū)，根據(jù)所處理的鋼絲品種，其出口區(qū)溫度設(shè)置為900℃，則根據(jù)公式（7）計(jì)算入口區(qū)加熱溫度為：

其加熱工藝可以設(shè)置如表2所示。

表2 加熱工藝設(shè)置

3.3 鋼絲在爐加熱時(shí)間的確定

在爐時(shí)間是指鋼絲在明火爐中被加熱過(guò)程中在爐長(zhǎng)有效長(zhǎng)度內(nèi)所運(yùn)行的時(shí)間，是加熱時(shí)間和保溫時(shí)間之和。前面我們已經(jīng)從熱量方面討論過(guò)，對(duì)加熱時(shí)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(guò)程中，隨著含碳量的增加，鋼中碳化物溶解到奧氏體中時(shí)間相應(yīng)要需要更多的時(shí)間，使得奧氏體均勻化過(guò)程變緩。因此，總體上來(lái)說(shuō)，對(duì)于相同直徑的鋼絲，隨著含碳量的增加，鋼絲在爐時(shí)間需要相應(yīng)延長(zhǎng)。硅錳的作用和碳相近，由于碳素鋼絲中硅的含量相對(duì)處于較低的水平，因此可以忽略其影響。對(duì)于錳含量超過(guò)0.6%的碳素鋼絲，每0.3%的錳相當(dāng)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(shí)間可以縮短將近一半的時(shí)間，其D V值可以達(dá)到65以上。對(duì)于明火爐的在爐加熱時(shí)間，有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式不多。筆者推薦經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：τ為鋼絲在爐加熱時(shí)間，s。

例：對(duì)于上例明火加熱爐中，直徑1.8m m的65號(hào)鋼鋼絲的線溫為900℃，按公式（8）計(jì)算在爐加熱時(shí)間為：

這里鋼絲的含碳量取65號(hào)鋼的上限值。

4 鉛溫和鋼絲在鉛時(shí)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(guò)程中在較高的溫度下會(huì)沿著晶界析出鐵素體，而且鋼的含碳量越低，這種趨勢(shì)越明顯。在鋼絲的索氏體化過(guò)程中，為盡可能減少先共析鐵素體的析出，對(duì)于含碳量較低的鋼絲需要更大的過(guò)冷度，鉛溫要適當(dāng)?shù)鸵恍沟娩摻z以最快的速度達(dá)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(shí)際的鋼絲熱處理過(guò)程中，鉛液溫度的設(shè)定值要低于索氏體轉(zhuǎn)變溫度。這是因?yàn)椋摻z從加熱爐中進(jìn)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?chē)你U液溫度升高，尤其對(duì)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(shí)際的轉(zhuǎn)變溫度也在600℃以上。鋼絲的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程事實(shí)上是在一定溫度區(qū)間內(nèi)連續(xù)冷卻的過(guò)程。因此隨著鋼絲直徑的加大，要適當(dāng)加大轉(zhuǎn)變的過(guò)冷度。

4.2 鉛溫的計(jì)算

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

對(duì)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(gè)，在鉛槽的前部和后部。循環(huán)冷卻效果好的鉛槽，2個(gè)熱電偶顯示的鉛液溫度不會(huì)超過(guò)5℃。由于循環(huán)冷卻的效果好，在鉛槽中過(guò)熱區(qū)很小，過(guò)熱區(qū)溫度和鉛液的溫差也不大，因此鉛液溫度的設(shè)置比不循環(huán)的鉛槽要高一些，推薦設(shè)置在540～580℃。

對(duì)于鉛溫的工藝設(shè)計(jì)，一般應(yīng)考慮鉛槽長(zhǎng)度和容量，并應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中鋼絲最終的金相組織狀態(tài)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。關(guān)于鉛溫的計(jì)算也有一些經(jīng)驗(yàn)公式，都是針對(duì)沒(méi)有循環(huán)冷卻的鉛槽設(shè)定的，如：

在此，筆者推薦經(jīng)驗(yàn)公式如下：

對(duì)于沒(méi)有循環(huán)冷卻裝置的鉛槽，鉛液溫度計(jì)算公式為：

對(duì)于循環(huán)冷卻效果很好的鉛槽，鉛液的計(jì)算公式為：

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

沒(méi)有循環(huán)冷卻鉛槽：循環(huán)冷卻好的鉛槽：

4.3 鋼絲在鉛時(shí)間的確定

明火加熱爐熱處理作業(yè)線由于設(shè)計(jì)的D V較高，鉛槽長(zhǎng)度設(shè)計(jì)一般都超過(guò)加熱爐有效長(zhǎng)度的50%。經(jīng)驗(yàn)表明，碳素鋼絲完成索氏體轉(zhuǎn)變的時(shí)間一般不會(huì)超過(guò)15s，加上安全系數(shù)也不過(guò)20s。鋼絲在鉛時(shí)間一般都會(huì)長(zhǎng)于鋼絲的索氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間，因此在鉛槽長(zhǎng)度設(shè)計(jì)合理的前提下，無(wú)需再考慮鋼絲的在鉛時(shí)間的影響。

5 收線和放線張力的設(shè)置

除了對(duì)“三溫一速”的考慮外，在鋼絲鉛淬火的過(guò)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(qiáng)度會(huì)大幅降低。尤其對(duì)細(xì)規(guī)格鋼絲，當(dāng)收線張力過(guò)大時(shí)，很容易超過(guò)鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限，鋼絲在加熱爐中會(huì)被拉細(xì)，甚至被拉斷。因此，對(duì)于細(xì)規(guī)格鋼絲應(yīng)采用主動(dòng)放線方式，同時(shí)避免采用過(guò)大的收線張力。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)鉛淬火加熱溫度和加熱時(shí)間時(shí)，應(yīng)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(yīng)適當(dāng)提高鋼絲線溫；同時(shí)隨著鋼絲直徑的增大及含碳量和含錳量的增加，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)加熱時(shí)間。明火加熱爐入口爐溫不宜過(guò)高，否則會(huì)加大鋼絲脫碳的傾向。推薦入口爐溫比出口爐溫增加5%。對(duì)于帶有鉛液循環(huán)冷卻的鉛槽，其鉛液溫度設(shè)置要比沒(méi)有循環(huán)裝置的鉛槽設(shè)置的高一些。