[发明专利]一种脱碳弹簧钢表面脱碳层厚度的计算方法

说明书

本发明提供一种脱碳弹簧钢表面脱碳层厚度的计算方法，属于高线轧钢技术领域。该方法首先计算不同脱碳气氛条件下，钢件表面的理论平衡碳浓度；然后，计算在不同加热温度和加热时间条件下，脱碳层内的碳含量及碳在铁素体中的扩散系数；最后，根据脱碳模型计算公式并结合高斯误差函数分析，计算钢件表面脱碳层厚度。通过热轧生产线的实时数据库中炉内气氛参数、温度参数及时间参数，可实时进行热连轧过程中脱碳层厚度的在线预测，依此调整热轧工艺参数，以达到降低脱碳层厚度，改善弹簧钢表面质量的目的。

技术领域

本发明涉及高线轧钢技术领域，特别是指一种脱碳弹簧钢表面脱碳层厚度的计算方法。

背景技术

弹簧钢被广泛应用于各种机械、仪器、仪表、交通、石油化工等领域。随着弹簧钢使用工况的越来越苛刻，对弹簧钢表层质量的要求也越来越严格。弹簧钢棒线材热连轧过程中，表层脱碳层厚度的控制是表面质量控制关键技术之一，实现表面脱碳层厚度变化的实时监控，是控制表面质量的基础。因此，对弹簧钢在热连轧过程中，不同气氛环境下脱碳层厚度的精确演变规律探索，越来越重要。

目前关于钢件脱碳层厚度的研究多集中在离线测量方面，主要采用金相法。另外，中国专利CN108195331A公开了一种获得钢表面脱碳层厚度的方法，利用压头压入待测钢材中，根据压入速度的变化，测量脱碳层的厚度。而目前，对于从理论计算达到在线软测量热连轧过程中钢件脱碳层厚度的研究很少。

本发明通过在热连轧过程中运用在线预测计算的方法，实现了实时调控弹簧钢表层脱碳层厚度的技术，对降低生产成本，生产高表面质量弹簧钢棒线材的发展具有重要的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种脱碳弹簧钢表面脱碳层厚度的计算方法，该方法结合热连轧实际过程中炉内气氛、加热温度和加热时间的实时数据，作为输入参数，实现实时预测脱碳层厚度的变化，从而达到调整工艺参数控制脱碳层厚度，改善弹簧钢棒线材表层质量问题，为棒线材的高质量表层加工技术提供一种新的开发方向。

该方法包括步骤如下：

(1)根据炉内气氛确定平衡碳浓度：

弹簧钢在脱碳气氛中H₂O、CO₂、O₂、和H₂的含量随脱碳反应变化，设定平衡碳浓度C_s为0–0.01；

(2)确定脱碳层内的碳含量及碳在铁素体中的扩散系数：

弹簧钢在脱碳层内的碳含量C计算公式如下：

其中，C为脱碳层内的碳含量，％；C₀钢中碳的原始含量，％；t为保温时间，s；D为碳在铁素体中的扩散系数，m²/s；d为脱碳层厚度，m；

碳在铁素体中的扩散系数D计算公式如下：

其中，D₀为扩散常数，m²/s；Q为扩散活化能，J/mol；R为气体常数，J/(mol·K)；T为绝对温度，K；

(3)建立不同保温温度和保温时间下弹簧钢脱碳测量模型，确定表面脱碳层的厚度：

利用步骤(1)所述的，计算出不同炉气成分分压条件下钢件表面理论上的平衡碳浓度C_s；利用步骤(2)所述的，计算出不同温度下，钢中脱碳层内的碳含量C，碳在铁素体中的扩散系数D。

弹簧钢在不同加热温度、不同加热时间以及不同炉内气氛脱碳模型计算公式为：

其中，d为钢中脱碳层厚度。根据上式并结合高斯误差函数，可以得出钢中脱碳层厚度d的演变规律。