TWI580792B - 減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法 - Google Patents

Description

減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法

本發明是有關於一種減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，且特別是有關於一種在高溫下利用惰性氣體直吹含碳鋼胚表面，藉此減少含碳鋼胚之表面在高溫下脫碳。

在現今煉鋼產業中，在進行含碳鋼胚之軋延、鍛造等處理前，須先將含碳鋼胚進行再加熱。上述再加熱的步驟係藉由加熱爐進行。然而，由於產線的運作時常有非預定的狀況(例如：產線不預期的中斷、電力停止供應或機器停機等)發生，以至於再加熱後的含碳鋼胚常被置於加熱爐中較久的時間(即處理時間較長)，而使得含碳鋼胚之高溫表面有脫碳的現象發生。

高溫表面脫碳的主要影響因素包含加熱爐內的氣氛、加熱時間以及加熱溫度等方面。加熱時間越長、溫度越高，含碳鋼胚的高溫表面脫碳情況越嚴重(或者說含碳鋼胚的高溫表面脫碳越深)。含碳鋼胚的表面脫碳會造成所製 得之含碳鋼胚的品質穩定度參差不齊，故無法達到目前產業的需求。因此，產業界力求減緩加熱爐中含碳鋼胚因過長的高溫處理時間而造成的表面脫碳的現象。

習知係藉由降低爐內溫度來減緩含碳鋼胚之表面脫碳的現象。然而，即使降低爐內溫度，若含碳鋼胚置於加熱爐內大於2小時，仍會產生脫碳的現象。此外，在降低爐內溫度的同時，加熱爐內的含氧量也顯著地上升，故氧氣會與含碳鋼胚表面的碳進行反應，也會加劇表面脫碳的現象，以致減緩表面脫碳現象的效果不佳。此外，若為克服上述表面脫碳的現象，而更換或改裝原有的加熱爐，會提高設備成本。

因此，目前亟需提出一種減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，以有效減緩含碳鋼胚在高溫處理時間過長而導致表面脫碳的問題。

因此，本發明之一態樣是在提供一種減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，其可使用加熱爐既有的燃燒器管線進行，並有效減緩含碳鋼胚因高溫處理時間過長而導致表面脫碳的問題。

根據本發明之上述態樣，提出一種減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法。在一實施例中，首先提供加熱爐，其包含爐體和燃燒器管線，且爐體包含密閉空間。接下來，將第一含碳鋼胚置於密閉空間中進行加熱步驟，以形成具有 大於900℃至1150℃之第一溫度的第二含碳鋼胚。加熱步驟包含經由燃燒器管線通入燃燒氣體。然後，在上述密閉空間中對第二含碳鋼胚進行降溫步驟，以形成具有800℃至900℃之第二溫度的第三含碳鋼胚。再來，在上述密閉空間中對第三含碳鋼胚進行氣體直吹步驟，以形成第四含碳鋼胚。氣體直吹步驟係經由燃燒器管線通入惰性氣體至前述之密閉空間中，且氣體直吹步驟的氣體流量為至少280標準立方公尺/小時(Nm³/hr)。

依據本發明之一實施例，上述方法更包含在氣體直吹步驟和降溫步驟之間，對燃燒器管線進行淨化(Purge)步驟，以移除燃燒器管線中的燃燒氣體。

依據本發明之一實施例，降溫步驟包含停止通入上述燃燒氣體。

依據本發明之一實施例，惰性氣體可為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氙氣。

依據本發明之一實施例，氣體流量可為280Nm³/hr至300Nm³/hr。

依據本發明之一實施例，加熱步驟的加熱時間係不大於2小時。

依據本發明之一實施例，第四含碳鋼胚可具有第二溫度。

依據本發明之一實施例，加熱步驟、降溫步驟以及氣體直吹步驟之總時間可為大於2小時。

依據本發明之一實施例，第四含碳鋼胚之表面 脫碳率不大於1.3直徑%。

應用本發明之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，可使用加熱爐既有之燃燒器管線，在預定的加熱時間後將惰性氣體通入密閉空間中，直吹含碳鋼胚表面，以保護加熱後之含碳鋼胚不受爐內高溫或氣氛的影響而造成脫碳的現象，進而有效降低加熱後的含碳鋼胚之脫碳率。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：[圖1A]係繪示本發明之實施例1之處理方法的表面脫碳率與時間和溫度間之關係的分佈圖；以及[圖1B]係繪示本發明之比較例1之處理方法的表面脫碳率與時間和溫度間之關係的分佈圖。

本發明之目的是在提供一種減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法。上述方法可利用加熱爐既有的燃燒器管線，通入惰性氣體以對含碳鋼胚進行氣體直吹步驟，進而將含碳鋼胚與週邊的助燃氣體及殘餘的燃燒氣體隔離，但不增加加熱爐內助燃氣體的含量。因此，可有效改善高溫處理時間過長而導致含碳鋼胚的高溫表面脫碳之問題。

本發明此處所稱之含碳鋼胚係指碳含量至少為0.30wt%重量百分比之鋼胚。本發明此處所稱之高溫係指 不低於800℃之溫度。

本發明此處所稱之加熱爐可為直吹式加熱爐，且所述直吹式加熱爐可包含但不限於台車式加熱爐、步進式加熱爐、推鋼式加熱爐、管式加熱爐、分室式加熱爐、輥底式加熱爐、斜底式加熱爐或環型加熱爐等。

本發明此處所稱之高溫表面脫碳係因位於含碳鋼胚表面的碳元素，在高溫下與加熱爐內高活性的氧氣反應，碳因而被氧化並從含碳鋼胚之高溫表面脫出，造成含碳鋼胚表面破損進而影響所得含碳鋼胚的機械性質。

本發明此處所稱之既有的燃燒器管線係指未經改裝之設置於加熱爐中的燃燒器，用以通入燃燒氣體以幫助含碳鋼胚加熱的管線。上述之燃燒氣體可例如為焦爐氣，其可包含氫氣、甲烷、一氧化碳、碳數為2以上不飽和烴類化合物、二氧化碳、氧氣、氮氣或上述之任意組合。

本發明此處所稱之助燃氣體可例如為氧氣或空氣。

本發明此處所稱之殘餘的燃燒氣體係指在後續降溫步驟(即停止通入燃燒氣體)後，仍存在於加熱爐之密閉空間的燃燒氣體。

本發明此處所稱之惰性氣體可例如為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氙氣。

本發明此處所稱之氣體直吹步驟係指惰性氣體自燃燒器管線進入加熱爐之爐體的密閉空間後，直接對含碳鋼胚的高溫表面進行吹氣，利用惰性氣體在含碳鋼胚之高溫 表面暫時形成氣體薄膜，藉以保護含碳鋼胚不與助燃氣體反應。

本發明此處所稱之高溫處理時間過長可例如含碳鋼胚於加熱爐內維持大於900℃之溫度超過2小時，在未經本發明之氣體直吹步驟的處理下，會導致含碳鋼胚的高溫表面脫碳嚴重。

本發明之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法包含下述步驟：首先，提供加熱爐，其中加熱爐至少包含爐體和燃燒器管線，且爐體包含密閉空間。

接下來，將第一含碳鋼胚置於密閉空間中並使用上述加熱爐對第一含碳鋼胚進行加熱步驟，以形成具有大於900℃到1150℃之第一溫度的第二含碳鋼胚。上述加熱步驟包含經由燃燒器管線通入燃燒氣體，促使加熱爐內升溫，以加熱第一含碳鋼胚。此外，上述密閉空間中可更包含幫助燃燒氣體加熱第一含碳鋼胚的助燃氣體。第一含碳鋼胚之組成、加熱爐、助燃氣體和燃燒氣體的種類以及燃燒器管線的定義悉如前述。加熱步驟的加熱時間可為不大於2小時。倘若加熱步驟的加熱時間大於2小時或第二含碳鋼胚的溫度高於1150℃，第二含碳鋼胚的高溫表面脫碳嚴重。特別說明的是，此處之加熱時間的下限值並無特別限制，只要是可以將含碳鋼胚加熱至後續製程(如：熱軋)所需的溫度即可，例如：熱軋所需的溫度為至少1000℃。

然後，在前述之密閉空間中對第二含碳鋼胚進行降溫步驟，以形成具有800℃至900℃之第二溫度的第三 含碳鋼胚。此處所稱之降溫步驟包含停止上述經由燃燒器管線通入燃燒氣體的步驟。停止供應燃燒氣體可停止加熱爐的持續升溫，因此可達到降溫的效果。此降溫步驟可緩和第三含碳鋼胚之高溫表面脫碳的速度。若第三含碳鋼胚的溫度高於900℃，則會造成第三含碳鋼胚的高溫表面脫碳明顯。若第三含碳鋼胚的溫度低於800℃，則無法達到後續步驟(例如：熱軋)所需的溫度。

再來，在前述之密閉空間中對第三含碳鋼胚進行氣體直吹步驟，以形成第四含碳鋼胚。氣體直吹步驟經由燃燒器管線通入惰性氣體至密閉空間中。氣體直吹步驟之氣體流量為至少280標準立方公尺/小時(Nm³/hr)。較佳地，上述之氣體流量為280Nm³/hr至300Nm³/hr。氣體直吹步驟係持續進行至產線恢復正常運作，可將第四含碳鋼胚自加熱爐內取出為止，故並無特定的時間限制。關於「氣體直吹」的定義悉如前述。若上述之惰性氣體不直吹含碳鋼胚或氣體流量小於280標準立方公尺/小時(Nm³/hr)，則無法有效從加熱爐之密閉空間內的助燃氣體中保護含碳鋼胚，以降低含碳鋼胚之表面脫碳率。

需要說明的是，氣體直吹步驟以預定的氣體流量達到保護第四含碳鋼胚的效果，但不實質降低第四含碳鋼胚的溫度，因此第四含碳鋼胚的溫度係實質與第三含碳鋼胚相同或相似。

在一實施例中，上述方法可更包含在氣體直吹步驟和降溫步驟之間，對燃燒器管線進行淨化(Purge)步 驟。此處所稱之淨化步驟為加熱爐既有之設定，於本技術領域具有通常知識者應可了解，一般使用的加熱爐皆設有淨化的功能鍵，其主要係切換與前述加熱爐之密閉空間相通的燃燒器管線至與外界或其他腔室相通，並藉由抽入空氣或其他氣體，以移除殘留於燃燒器管線中的燃燒氣體。因此，進行淨化步驟的目的為使前述降溫步驟完全，並使氣體直吹步驟進行時所通入的氣體完全為預定的惰性氣體，藉以進一步減少含碳鋼胚之高溫表面脫碳的機率。上述之淨化步驟可例如進行2分鐘至5分鐘。

在一實施例中，上述加熱步驟、降溫步驟以及氣體直吹步驟的總時間為大於2小時。上述之總時間也可稱為含碳鋼胚的高溫處理時間。本發明之方法主要是利用氣體直吹步驟，延長含碳鋼胚可進行的高溫處理時間，使含碳鋼胚即使置於800℃至900℃的環境下達2小時以上，仍可維持低表面脫碳率(例如：不高於1.3直徑%)，以應對產線之突發狀況。表面脫碳率之定義請容後述。由於一般產線之運作的恢復情況不定，故前述之總時間並未有上限值，僅以加熱步驟不大於2小時為限，剩下時間係持續進行氣體直吹步驟，以維持含碳鋼胚的低表面脫碳率。

接下來以實施例說明本發明之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法的具體實施方式。

實施例1

首先將含碳鋼胚(碳含量為0.55wt%)置入動樑 式加熱爐(新日鐵公司製；NIPPON STEEL COPORATION)中，從加熱爐之燃燒器管線通入焦爐氣，將含碳鋼胚加熱至1000℃。再來，停止通入燃燒氣體，使加熱爐內溫度降為800℃至900℃。之後，進行淨化步驟達2分鐘，以在燃燒器管線中通入空氣，藉以清除燃燒器管線中殘留的燃燒氣體。然後，以300Nm³/hr之氣體流量從燃燒器管線通入氮氣達4小時至18小時後，再將含碳鋼胚至加熱至1000℃以上的出爐溫度並取出含碳鋼胚，以符合後續製程(例如：熱軋)所需的溫度。在此實施例中，含碳鋼胚為直棒含碳鋼胚。實施例1係觀察含碳鋼胚於800℃至900℃之加熱爐內，伴隨氮氣的保護下靜置4小時至18小時的期間，對其脫碳程度的影響，其評價結果悉如圖1A所示。

比較例1

比較例1係將與實施例1相同組成之含碳鋼胚進行降溫步驟(即停止通入燃燒氣體)，使加熱爐內溫度降至800℃後，持續置於加熱爐中達4小時至18小時，但不進行氣體直吹步驟。之後，將含碳鋼胚至加熱至1000℃以上的出爐溫度並取出，以符合後續製程(例如：熱軋)所需的溫度。比較例1係觀察含碳鋼胚於800℃至900℃之加熱爐內，在沒有氮氣的保護下靜置4小時至18小時的期間，對其脫碳程度的影響，之評價結果悉如圖1B所示。

評價方式 表面脫碳率

本發明之表面脫碳率係藉由量測未處理之直棒含碳鋼胚的直徑和處理後(即實施例1或比較例1)的直棒含碳鋼胚之直徑而得。本發明此處所稱之表面脫碳率，可由下式(I)計算加熱處理前後之直棒含碳鋼胚的直徑變化而得：(未處理直棒含碳鋼胚之直徑-處理後直棒含碳鋼胚之直徑)/未處理直棒含碳鋼胚之直徑×100% (I)

其中，式(I)所得的值以1.3直徑%為表面脫碳率的上限值，也就是說，表面脫碳率低於1.3直徑%為佳。此外，如圖1A和圖1B所示實施例1與比較例1之表面脫碳率的結果中，數值點越少者表示脫碳的數量越少，且脫碳的數量以越少者為越佳。

請參考圖1A和圖1B，其係分別繪示本發明之實施例1和比較例1在不同溫度和時間下的表面脫碳率。特別說明的是，圖1A和圖1B的橫座標軸為時間和溫度因素的乘積，越往右表示時間和溫度增加。由於時間和溫度皆與表面脫碳率成正相關，故根據下式(II-1)至(II-4)，將溫度、時間與表面脫碳率的三維座標，轉換成溫度-時間(T×lnt)和表面脫碳率的二維座標：D=D₀×exp(-E/RT) (II-1)

δ C/δ t=D×δ²C/δ²X (II-2)

C/t=A×exp(-1/T) (II-3)

lnC₀-lnt=-1/T (II-4)

其中，D為碳擴散係數之實際值、D₀為碳擴散係數之理論值、E為每莫耳之能量(J/mol)、C為表面脫碳率、A為常數、T為含碳鋼胚之出爐溫度(即氣體直吹步驟後加熱所達到的溫度，其係以絕對溫度(K)為單位)、t為時間以及C₀為lnC-lnA。

從圖1A可知，使用本發明之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法進行處理後的直棒含碳鋼胚的表面脫碳率，即使在溫度和處理時間皆增加的情況下，仍維持於1.3直徑%以下，且脫碳的數量較少。然而，從圖1B可觀察到，若加熱後之直棒含碳鋼胚在僅進行降溫步驟，但不進行氣體直吹步驟的情況下，隨著處理時間和溫度的增加，會使得直棒含碳鋼胚的表面脫碳率增加，且脫碳的數量也較多，造成直棒含碳鋼胚的表面破損嚴重。

應用本發明之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，可有效解決在現場製程因不預期因素而延滯時，加熱爐中含碳鋼胚因高溫處理時間過長而導致的高溫表面脫碳的問題。此外，本發明之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法可利用加熱爐既有的燃燒器管線通入惰性氣體，而不需額外改裝加熱爐，因此可有效降低成本。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

1. 一種減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，包含：提供一加熱爐，其中該加熱爐包含一爐體和一燃燒器管線，該爐體包含一密閉空間；將一第一含碳鋼胚置於該密閉空間中進行一加熱步驟，以形成具有大於900℃到1150℃的一第一溫度的一第二含碳鋼胚，其中該加熱步驟包含經由該燃燒器管線通入一燃燒氣體，且該加熱步驟的一加熱時間係不大於2小時；在該密閉空間中對該第二含碳鋼胚進行一降溫步驟，以形成具有800℃至900℃之一第二溫度的一第三含碳鋼胚；以及在該密閉空間中對該第三含碳鋼胚進行一氣體直吹步驟，以形成一第四含碳鋼胚，其中該氣體直吹步驟係經由該燃燒器管線通入一惰性氣體至該密閉空間中，且該氣體直吹步驟之一氣體流量為至少280標準立方公尺/小時(Nm³/hr)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，更包含在該氣體直吹步驟與該降溫步驟之間，對該燃燒器管線進行一淨化步驟(Purge)，以移除該燃燒器管線中的該燃燒氣體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，其中該降溫步驟包含停止通入該 燃燒氣體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，其中該惰性氣體為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氙氣。
5. 如申請專利範圍第1項所述之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，其中該氣體流量為280Nm³/hr至300Nm³/hr。
6. 如申請專利範圍第1項所述之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，其中該第四含碳鋼胚具有該第二溫度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，其中該加熱步驟、該降溫步驟以及該氣體直吹步驟之一總時間為大於2小時。
8. 如申請專利範圍第7項所述之減少含碳鋼胚高溫表面脫碳的方法，其中該第四含碳鋼胚之一表面脫碳率不大於1.3直徑%，且該表面脫碳率係由下式(I)計算而得：該表面脫碳率(直徑%)=(該第一含碳鋼胚之一直徑-該第四含碳鋼胚之一直徑)/該第一含碳鋼胚之該直徑×100% (I)。