北鋼第四高速線材硬線生產(chǎn)的控制冷卻工藝-田維陽

1、北鋼第四高速線材硬線生產(chǎn)的控制冷卻工藝田偉陽 張宏亮 朱江（北營(yíng)鋼鐵集團(tuán)軋鋼廠， 遼寧 本溪117017）摘要 本文首先分析了加熱條件對(duì)性能的影響，軋后冷卻控制，控冷工藝參數(shù)設(shè)計(jì)等問題，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合北鋼第四高速線材生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)情況、設(shè)備能力以及存在的問題，探索了如何在生產(chǎn)硬線時(shí)，通過對(duì)線材尺寸精度、表面質(zhì)量、通條性能及索氏體化率等多方面嚴(yán)格控制,制定合理的控冷工藝和優(yōu)化冷卻工藝參數(shù)，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)線材。關(guān)鍵詞 硬線 控制冷卻 工藝參數(shù)Research on Controlled Cooling Technology of Hard Wire Production in the Fourth

2、High-Speed Wire of Beitai Iron andSteel GroupAbstract：This article has first analyzed the influence from heating condition to performance, controlled cooling after rolling, cold technological parameter design and so on. Based on this, according to the actual production situation, the installed capac

3、ity as well as the existent question of the fourth high speed wire of Beitai Iron and Steel Group, this article has explored how to formulate reasonable controlled cooling craft and optimize cooling technological parameter, and then produce high quality wire rod, through the various control to wire

4、rod size precision, surface quality, poker performance and sorbite rate and so on strict when producing the hard wire. Keywords：high-carbon wire rods; controlled cooling; technological parameters 1 前言在線材生產(chǎn)行業(yè)中，通常把優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中碳的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不小于0.45%的中高碳鋼軋制的線材稱為硬線。硬線是加工低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線、輪胎鋼絲、彈簧等的原料。目前國(guó)產(chǎn)硬線普遍存在索氏體化率不

5、高，塑性差、強(qiáng)度偏高、表面存在缺陷等問題，嚴(yán)重影響了一次拉拔性能。因此，研究實(shí)際生產(chǎn)中如何制定合理的控冷工藝，有效控制硬線產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，有著積極的意義。2 加熱條件對(duì)性能的影響在同樣的軋后控冷條件下,鋼坯的加熱溫度、加熱時(shí)間直接影響硬線的組織和性能,而且這種影響是明顯的。從軋線測(cè)溫情況則反映出,不同出爐溫度的鋼坯隨著軋制道次的增加,軋件溫度趨于一致,無論精軋入口溫度,還是吐絲溫度都基本一致。這說明加熱溫度對(duì)硬線組織性能的影響不是由于其對(duì)終軋溫度的影響帶來的,而是由于不同的加熱條件引起了軋后線材冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變機(jī)理的變化1。首先,加熱溫度高或加熱時(shí)間長(zhǎng)都使鋼坯開軋前起始奧氏體晶粒粗大化,起

6、始晶粒度大必然導(dǎo)致軋制后高溫線材再結(jié)晶晶粒較大。其次,高溫開軋與低溫開軋相比軋后線材組織中的形變位錯(cuò)數(shù)量相對(duì)減少。在終軋溫度和軋后控冷制度相同的情況下,奧氏體相對(duì)粗化和形變位錯(cuò)數(shù)目的減少會(huì)導(dǎo)致冷卻過程中各種組織的轉(zhuǎn)變溫度下降,孕育期延長(zhǎng),表現(xiàn)在連續(xù)冷卻C曲線整體向右、向下移的同時(shí),鐵素體開始形成曲線下移尤為突出,使得在同樣的冷卻速度下,鐵索體析出的可能性大大提高。而鐵素體轉(zhuǎn)變優(yōu)先在奧氏體晶界形核,由于相變前奧氏體晶粒粗大,晶界面積相對(duì)減少,因此使優(yōu)先析出的鐵素體更容易連成網(wǎng)狀。另外,鋼坯的加熱溫度高、加熱時(shí)間長(zhǎng),引起鋼皮脫碳加劇,線材表面一定深度處的碳濃度相對(duì)降低,也可能導(dǎo)致鐵素體析出量增大。

7、根據(jù)北鋼四高線實(shí)際生產(chǎn)情況，制定出以下加熱規(guī)程：表2 加熱爐停軋降溫參數(shù)3 軋后冷卻控制在軋鋼生產(chǎn)中,其生產(chǎn)出來的產(chǎn)品都必須從熱軋后的高溫紅熱狀態(tài)冷卻到常溫狀態(tài)。這一階段的冷卻過程將對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有極其重要的影響。因此,如何進(jìn)行線材的軋后冷卻,是整個(gè)線材生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一?？乩涫抢密埡箐摬牡挠酂峤o予一定的冷卻速度,控制其相變過程,不用熱處理，對(duì)高碳鋼線材進(jìn)行控制冷卻的目的就是要模擬一個(gè)鉛浴淬火過程,使線材得到具有良好綜合機(jī)械性能(良好的拉拔性能、高強(qiáng)度和高韌性)的索氏體組織。線材的軋后控制冷卻分為水冷段的強(qiáng)制冷卻和空冷段的相變冷卻兩個(gè)階段2?？刂评鋮s工藝由水冷區(qū)和空冷區(qū)構(gòu)成,

8、線材經(jīng)水冷卻至一定的溫度后，進(jìn)行吐絲,使直條線材形成散圈狀分布在風(fēng)冷線上,進(jìn)行風(fēng)冷。北鋼第四高速線材生產(chǎn)線的軋件冷卻過程分為水冷和風(fēng)冷兩部分，圖1為水冷區(qū)布置示意圖,圖2為斯太爾摩冷卻線工藝布置圖。1-成品軋機(jī) 2-水冷箱 3-恢復(fù)段 4-夾送輥 5-吐絲機(jī)圖1 水冷區(qū)分布示意圖1-成品軋機(jī) 2-水冷段 3-風(fēng)冷段 4-集卷檔筒圖2 斯太爾摩冷卻線工藝分布示意圖4 控制冷卻工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)線材的控制冷卻主要是以改變金相組織,進(jìn)而改善拉拔性能等為目的的一種熱處理工藝,所以控冷工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)是“C”曲線。控制冷卻工藝中需要控制的參數(shù)主要是終軋溫度、吐絲溫度、相變區(qū)冷卻速度(或冷卻時(shí)間)以及集

9、卷溫度等,這些參數(shù)是決定線材產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵。4.1 終軋溫度控制由于奧氏體晶粒度影響相變過程中的組織轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形貌,因此通過控制終軋溫度來控制奧氏體晶粒有一定的意義。終軋溫度的控制可通過增加或減少精軋機(jī)機(jī)架間水冷量和精軋機(jī)前水箱水量來實(shí)現(xiàn)。在終軋溫度確定后,大直徑高碳鋼線材必須考慮噴嘴的冷卻方式,水箱的選用應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離吐絲機(jī),這樣可使水冷后的線材有較長(zhǎng)的均溫時(shí)間,使線材進(jìn)入風(fēng)冷段時(shí),整個(gè)截面上溫度基本均勻,避免在風(fēng)冷過程中還未完成均溫,延長(zhǎng)完成相變的時(shí)間,增加控冷難度,甚至產(chǎn)生異常組織。根據(jù)進(jìn)精軋溫度的要求，我們?cè)O(shè)定如下預(yù)精軋后水冷箱控制參數(shù)：4.2 吐絲溫度控制吐絲溫度是控制相變開

10、始溫度的關(guān)鍵參數(shù)。冷卻段數(shù)的多少影響著吐絲溫度的高低,而吐絲溫度的高低,影響奧氏體的晶粒尺寸,間接地影響到冷卻轉(zhuǎn)變曲線的位置。從理論上講，選擇較高的吐絲溫度，吐絲后線材仍處于奧氏體組織狀態(tài)，碳元素和其它伴隨元素依然固溶在奧氏體中。奧氏體晶粒拉長(zhǎng)，奧氏體在風(fēng)冷線上的過冷度增大，致使連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線向右下方移動(dòng)。較粗大的奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變成珠光體的相變?cè)诟偷臏囟认逻M(jìn)行，轉(zhuǎn)變后的珠光體片層間減小，索氏體化率升高。選擇較低的吐絲溫度，線材的奧氏體晶粒很細(xì)，晶界面積增大，珠光體成核點(diǎn)多，珠光體球變小，使得線材的塑性指標(biāo)變好。同時(shí)較低的吐絲溫度配合快速的風(fēng)冷，可以抑制鐵素體析出，減少鐵素體的含量，改善鐵素體的形

11、態(tài)3。根據(jù)C曲線圖，對(duì)于硬線若要得到較高的索氏體化率必須使冷卻速率達(dá)到1015/s。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，北鋼四高速線材生產(chǎn)線風(fēng)冷線設(shè)備最大能夠達(dá)到的冷卻速率為12/s，基本滿足要求。為確定合適的吐絲溫度，我們做了大量試驗(yàn)，吐絲溫度從820到930，鋼種為60#鋼，風(fēng)冷選擇最大。試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)索氏體化率同吐絲溫度關(guān)系不大，而與吐絲后的風(fēng)冷冷卻速率有關(guān)。由于采取了最大的風(fēng)冷，索氏體化率較高，接近75%。(2)隨著吐絲溫度的升高，強(qiáng)度指標(biāo)上升了；吐絲溫度下降，塑性指標(biāo)上升，見圖3圖6圖3 抗拉強(qiáng)度隨吐絲溫度變化曲線圖4 屈服強(qiáng)度隨吐絲溫度變化曲線圖5 延伸率隨吐絲溫度變化曲線圖6 斷面收縮率隨吐絲溫

12、度變化曲線(3)根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，生產(chǎn)硬線時(shí)我們選擇了840-880的吐絲溫度，風(fēng)冷風(fēng)機(jī)全部開啟至最大，輥道速度設(shè)定在1.0m/s。以期獲得較好的塑性指標(biāo)、索式體化率和表面質(zhì)量。隨后我們隨機(jī)對(duì)10個(gè)爐號(hào)的60#鋼進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)，結(jié)果見表1。4.3 相變區(qū)冷卻速度的控制為了使高碳線材獲得接近鉛淬處理的性能,斯太爾摩應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)型冷卻。冷卻速度的控制主要是控制冷卻風(fēng)機(jī)和輥道速度。4.3.1 風(fēng)冷輥道速度的確定斯太爾摩輥道速度由下式可以確定:C=W·V/(·d)式中 C輥道速度,m/s；W線環(huán)間距,mm；d線環(huán)直徑,mm；V一軋制速度,m/s。輥道速度決定于線環(huán)間距、線環(huán)直徑及軋制

13、速度。在終軋速度給定的情況下,線環(huán)直徑也隨之確定,這時(shí)輥道速度取決于線環(huán)間距。線環(huán)間距的選擇與線材直徑有關(guān)。直徑大,要求線環(huán)間距大,一般不同的直徑均對(duì)應(yīng)著一個(gè)最佳的線環(huán)間距,小于該間距,會(huì)影響冷卻效果,大于該間距,隨著間距值的繼續(xù)增大(要考慮風(fēng)冷段的長(zhǎng)度因素),略提高線材與流動(dòng)空氣的相對(duì)速度對(duì)線材強(qiáng)度影響很小。在快速冷卻時(shí),輥道速度應(yīng)能使相鄰線環(huán)間距大于40mm,以保證獲得細(xì)珠光體所需的冷卻速度4。4.3.2 冷卻風(fēng)機(jī)的選用冷卻風(fēng)機(jī)的選用包括兩個(gè)方面,即風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的確定。 冷卻風(fēng)量的分配對(duì)大直徑高碳鋼,為了增加冷卻速度,增加相變前奧氏體的過冷度,風(fēng)機(jī)必須開滿風(fēng)。當(dāng)線材由吐絲機(jī)吐出散布在

14、斯太爾摩運(yùn)輸機(jī)上時(shí),呈中間疏、兩邊密的狀態(tài),導(dǎo)致中部與邊緣的冷卻速度不同。雖然運(yùn)輸機(jī)上風(fēng)嘴分布使兩側(cè)冷卻能力加強(qiáng),但為了使同圈性能離散達(dá)到最小,還須借助風(fēng)量調(diào)整裝置進(jìn)行風(fēng)量?jī)?yōu)化分配。 風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的確定風(fēng)機(jī)的啟用臺(tái)數(shù)應(yīng)考慮吐絲溫度和輥道速度的影響。一般來說,吐絲溫度升高,奧氏體過冷度增大,完成相變時(shí)間長(zhǎng),為了確保相變?cè)陲L(fēng)冷段中進(jìn)行,必須增加風(fēng)機(jī)使用臺(tái)數(shù)。同樣,風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的確定也與輥道速度的快慢有關(guān),在終軋速度一定時(shí),輥道速度快,要求使用風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)相對(duì)增多 5。針對(duì)不同規(guī)格,對(duì)應(yīng)不同的軋制速度、吐絲溫度,應(yīng)確定關(guān)鍵的幾臺(tái)風(fēng)機(jī),即發(fā)生相變時(shí)所用的幾臺(tái)風(fēng)機(jī)。根據(jù)實(shí)際設(shè)備情況我們?cè)O(shè)定以下風(fēng)機(jī)投入?yún)?shù)：4.4

15、 集卷溫度的控制集卷溫度取決于相變結(jié)束后的冷卻過程。為了保證產(chǎn)品性能和避免集卷后的高溫氧化以及改善勞動(dòng)環(huán)境,一般說來要求在250以下集卷。有時(shí)由于受冷卻條件的限制,集卷溫度可能要高一些,但最高也不應(yīng)高于350。5 生產(chǎn)狀況北鋼第四高速線材生產(chǎn)線自軋制品種鋼以來,已軋制了45#, 55#，60#，65#等硬線品種鋼。盤條尺寸公差均控制在C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),主要產(chǎn)品45#(6.5mm)抗拉強(qiáng)度為820-900MPa;面縮率在40%以上，索氏體化率達(dá)70%以上,;而且沒有網(wǎng)狀鐵素體組織;隨機(jī)10爐對(duì)45#、6.5mm的性能進(jìn)行檢測(cè), 檢測(cè)表明，強(qiáng)度偏差絕大部分在±50MPa范圍內(nèi),面縮率偏差在

16、6%范圍內(nèi),見表2。表6 45#鋼(6.5mm)的性能檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)位置試樣號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10頭部尾部 抗拉強(qiáng)度/Mpa 面縮率% 抗拉強(qiáng)度/Mpa面縮率% 900 900 48 45 900 900 900 900 860 870 880 850 50 46 45 45 46 44 42 42 900 900 880 44 44 44 880 890 44 44 860 850 870 41 44 40 平均值 886 45 880 43 880 890 43 426 結(jié)論北鋼第四高速線材生產(chǎn)線通過以上控制冷卻工藝的控制后，生產(chǎn)出來的硬線產(chǎn)品表面質(zhì)量及通條性均達(dá)到較高水平，且索氏體率高。但同時(shí),還必須不斷優(yōu)化冷卻工藝參數(shù),生