北钢第四高速线材硬线生产的控制冷却工艺.doc

北钢第四高速线材硬线生产的控制冷却工艺
田伟阳 张宏亮
（北营钢铁集团轧钢厂， 辽宁 本溪117017）
摘要 本文首先分析了加热条件对性能的影响，轧后冷却控制，控冷工艺参数设计等问题，在此基础上，结合北钢四高速线材生产线实际生产情况、设备能力以及存在的问题，探索了如何在生产硬线时，通过对线材尺寸精度、表面质量、通条性能及索氏体化率等多方面严格控制,制定合理的控冷工艺和优化冷却工艺参数，生产出优质线材。
关键词 硬线 控制冷却 工艺参数
Research on Controlled Cooling Technology of Hard Wire Production in the Fourth High-Speed Wire of Beitai Iron and Steel Group
Abstract：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 capacity 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 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
在线材生产行业中，通常把优质碳素结构钢中碳的质量百分数不小于0.45%的中高碳钢轧制的线材称为硬线。硬线是加工低松弛预应力钢丝、钢丝绳、钢绞线、轮胎钢丝、弹簧等的原料。目前国产硬线普遍存在索氏体化率不高,塑性差、强度偏高、表面存在缺陷等问题，严重影响了一次拉拔性能。因此,研究实际生产中如何制定合理的控冷工艺,有效控制硬线产品的质量和性能,有着积极的意义。
2 加热条件对性能的影响
在同样的轧后控冷条件下,钢坯的加热温度、加热时间直接影响硬线的组织和性能,而且这种影响是明显的。从轧线测温情况则反映出,不同出炉温度的钢坯随着轧制道次的增加,轧件温度趋于一致,无论精轧入口温度,还是吐丝温度都基本一致。这说明加热温度对硬线组织性能的影响不是由于其对终轧温度的影响带来的,而是由于不同的加热条件引起了轧后线材冷却过程中组织转变机理的变化[1]。首先,加热温度高或加热时间长都使钢坯开轧前起始奥氏体晶粒粗大化,起始晶粒度大必然导致轧制后高温线材再结晶晶粒较大。其次,高温开轧与低温开轧相比轧后线材组织中的形变位错数量相对减少。在终轧温度和轧后控冷制度相同的情况下,奥氏体相对粗化和形变位错数目的减少会导致冷却过程中各种组织的转变温度下降,孕育期延长,表现在连续冷却C曲线整体向右、向下移的同时,铁素体开始形成曲线下移尤为突出,使得在同样的冷却速度下,铁索体析出的可能性大大提高。而铁素体转变优先在奥氏体晶界形核,由于相变前奥氏体晶粒粗大,晶界面积相对减少,因此使优先析出的铁素体更容易连成网状。另外,钢坯的加热温度高、加热时间长,引起钢皮脱碳加剧,线材表面一定深度处的碳浓度相对降低,也可能导致铁素体析出量增大。
3 轧后冷却控制
在轧钢生产中(热轧),其生产出来的产品都必须从热轧后的高温红热状态冷却到常温状态。这一阶段的冷却过程将对产品的质量有极其重要的影响。因此,如何进行线材的轧后冷却,是整个线材生产过程中产品质量控制的关键环节之一。
控冷是利用轧后钢材的余热给予一定的冷却速度,控制其相变过程,不用热处理，对高碳钢线材进行控制冷却的目的就是要模拟一个铅浴淬火过程,使线材得到具有良好综合机械性能(良好的拉拔性能、高强度和高韧性)的索氏体组织。线材的轧后控制冷却分为水冷段的强制冷却和空冷段的相变冷却两个阶段[2]。控制冷却工艺由水冷区和空冷区构成,线材经水冷却至一定的温度后,进行吐丝,使直条线材形成散圈状分布在风冷线上,进行风冷。
北钢第四高速线材生产线的轧件冷却过程分为水冷和风冷两部分,图1水冷区布置示意图,图2为斯太尔摩冷却线工艺布置图。

1-成品轧机 2-水冷箱 3-恢复段 4-夹送辊 5-吐丝机
图1 水冷区分布示意图

1-成品轧机 2-水冷段 3-风冷段 4-集卷档筒
图2 斯太尔摩冷却线工艺分布示意图
4 控制冷却工艺参数的设计
线材的控制冷却主要是以改变金相组织,进而改善拉拔性能等为目的的一种热处理工艺,所以控冷工艺参数设计的理论依据是“C”曲线。控制冷却工艺中需要控制的参数主要是终轧温度、吐丝温度、相变区冷却速度(或冷却时间)以及集卷温度等,这些参数是决定线材产品最终质量的关键。
4.1 终轧温度控制
由于奥氏体晶粒度影响相变过程中的组织转变和转变产物的形貌,因此通过控制终轧温度来控制奥氏体晶粒有一定的意义。终轧温度的控制可通过增加或减少精轧机机架间水冷量和精轧机前水箱水量来实现。在终轧温度确定后,大直径高碳钢线材必须考虑喷嘴的冷却方式,水箱的选用应尽可能远离吐丝机,这样可使水冷后的线材有较长的均温时间,使线材进入风冷段时,整个截面上温度基本均匀,避免在风冷过程中还未完成均温,延长完成相变的时间,增加控冷难度,甚至产生异常组织。
4.2 吐丝温度控制
吐丝温度是控制相变开始温度的关键参数。冷却段数的多少影响着吐丝温度的高低,而吐丝温度的高低,影响奥氏体的晶粒尺寸,间接地影响到冷却转变曲线的位置。从理论上讲，选择较高的吐丝温度，吐丝后线材仍处于奥氏体组织状态，碳元素和其它伴随元素依然固溶在奥氏体中。奥氏体晶粒拉长，奥氏体在风冷线上的过冷度增大，致使连续转变曲线向右下方移动。较粗大的奥氏体晶粒转变成珠光体的相变在更低的温度下进行，转变后的珠光体片层间减小，索氏体化率升高。选择较低的吐丝温度，线材的奥氏体晶粒很细，晶界面积增大，珠光体成核点多，珠光体球变小，使得线材的塑性指标变好。同时较低的吐丝温度配合快速的风冷，可以抑制铁素体析出，减少铁素体的含量，改善铁素体的形态[3]。根据C曲线图，对于硬线若要得到较高的索氏体化率必须使冷却速率达到10~15℃/s。经过现场实测，北钢四高速线材生产线风冷线设备最大能够达到的冷却速率为12℃/s，基本满足要求。
为确定合话的吐丝温度，我们做了大量试验，吐丝温度从820℃到930℃，钢种为60#钢，风冷选择最大。试验结果表明:
(1)索氏体化率同吐丝温度关系不大，而与吐丝后的风冷冷却速率有关。由于采取了最大的风冷，索氏体化率较高，接近75%。
(2)随着吐丝温度的升高，强度指标上升;吐丝温度下降，塑性指标上升，见图3—图6

图3 抗拉强度随吐丝温度变化曲线 图4 屈服强度随吐丝温度变化曲线

图5 延伸率随吐丝温度变化曲线 图6 断面收缩率随吐丝温度变化曲线

(3)根据以上试验结果，生产硬线时我们选择了850℃-880℃的吐丝温度，风冷风机全部开启至最大，辊道速度设定在1.0m/s。以期获得较好的塑性指标、索式体化率和表面质量。随后我们随机对10个炉号的60#钢进行了跟踪试验，结果见表1。

表1 60#钢(Φ6.5mm)钢跟踪试验
轧制号
熔炼号
钢种
规格
检验性能
屈服点
抗拉强度
伸长率
冷弯
断面收缩率
0909G0385
09E204703
60#
φ6.5
900
920
17
完好
39
0909G0386
09E204703
60#
φ6.5
775
805
17
完好
39
0909G0387
09E204705
60#
φ6.5
830
855
17
完好
37
0909G0388
09E204705
60#
φ6.5
890
915
17
完好
42
0909G0389
09E305586
60#
φ6.5
785
820
20
完好
44
0909G0390
09E305586
60#
φ6.5
790
830
23
完好
51
0909G0391
09E204708
60#
φ6.5
760
795
27
完好
42
0909G0392
09E204708
60#
φ6.5
505
760
27
完好
53
0909G0393
09E205965
60#
φ6.5
780
895
13
完好
36
0909G0394
09E205965
60#
φ6.5
800
965
11
完好
34

4.3 相变区冷却速度的控制
为了使高碳线材获得接近铅淬处理的性能,斯太尔摩应采用标准型冷却。冷却速度的控制主要是控制冷却风机和辊道速度。
4.3.1 风冷辊道速度的确定
斯太尔摩辊道速度由下式可以确定:
C=W·V/(π·d)式中　C———辊道速度,m/s；W———线环间距,mm；d———线环直径,mm；
V一轧制速度,m/s。
辊道速度决定于线环间距、线环直径及轧制速度。在终轧速度给定的情况下,线环直径也随之确定,这时辊道速度取决于线环间距。线环间距的选择与线材直径有关。直径大,要求线环间距大,一般不同的直径均对应着一个最佳的线环间距,小于该间距,会影响冷却效果,大于该间距,随着间距值的继续增大(要考虑风冷段的长度因素),略提高线材与流动空气的相对速度对线材强度影响很小。在快速冷却时,辊道速度应能使相邻线环间距大于40mm,以保证获得细珠光体所需的冷却速度[4]。实践证明,在间距是40mm时,相邻线环热量互相影响很小,冷却速度主要由风量控制。40mm的间距值是标准型冷却工艺参数—辊道速度的控制界限值。此外,运输机各段速度应逐渐增加,使线环边缘搭结点错开,消除热点影响,提高同圈强度的均匀性。防止在较低冷却速度下高碳钢线材中产生先共析Fe3C,不利于拉拔。
4.3.2 冷却风机的选用
冷却风机的选用包括两个方面,即风机风量和风机台数的确定。
⑴ 冷却风量的分配
对大直径高碳钢,为了增加冷却速度,增加相变前奥氏体的过冷度,风机必须开满风。当线材由吐丝机吐出散布在斯太尔摩运输机上时,呈中间疏、两边密的状态,导致中部与边缘的冷却速度不同。虽然运输机上风嘴分布使两侧冷却能力加强,但为了使同圈性能离散达到最小,还须借助风量调整装置进行风量优化分配。
⑵ 风机台数的确定
风机的启用台数应考虑吐丝温度和辊道速度的影响。一般来说,吐丝温度升高,奥氏体过冷度增大,完成相变时间长,为了确保相变在风冷段中进行,必须增加风机使用台数。同样,风机台数的确定也与辊道速度的快慢有关,在终轧速度一定时,辊道速度快,要求使用风机的台数相对增多。大直径高碳钢线材由于热焓量高,在同样的终轧速度下,为了提高冷却速度,必须加快辊道速度,以消除线环热点间的干扰,因此,启用风机的台数也相应要多[5]。针对不同规格,对应不同的轧制速度、吐丝温度,应确定关键的几台风机,即发生相变时所用的几台风机。
4.4 集卷温度的控制
集卷温度取决于相变结束后的冷却过程。为了保证产品性能和避免集卷后的高温氧化以及改善劳动环境,一般说来要求在250℃以下集卷。有时由于受冷却条件的限制,集卷温度可能要高一些,但最高也不应高于350℃。
5 生产状况
北钢第四高速线材生产线自轧制品种钢以来,已轧制了45#, 55#，60#，65#等硬线品种钢。盘条尺寸公差均控制在C级标准范围内,主要产品45#(Φ6.5mm)抗拉强度为820-900MPa;面缩率在40%以上，索氏体化率达70%以上,;而且没有网状铁素体组织;随机10炉对45#、Φ6.5mm的性能进行检测, 检测表明，强度偏差绝大部分在±50MPa范围内,面缩率偏差在6%范围内,见表2。
表2 45#钢(Φ6.5mm)的性能检测结果
检测位置
试样号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均值
头部
抗拉强度/Mpa
900
900
900
900
900
900
860
870
880
850
886
面缩率%
48
45
50
46
45
45
46
44
42
42
45
尾部
抗拉强度/Mpa
880
890
900
900
880
880
890
860
850
870
880
面缩率%
43
42
44
44
44
44
44
41
44
40
43
6 结论
北钢第四高速线材生产线通过以上控制冷却工艺的控制后，生产出来的硬线产品表面质量及通条性均达到较高水平，且索氏体率高。但同时,还必须不断优化冷却工艺参数,生产出满足不同用户要求的优质线材。

参考文献
[1]《高速轧机线材生产》编写组.高速轧机线材生产[M].北京：冶金工业出版社，1995.
528.ISBN7－5024－1740－0.
[2]孙明荣.攀钢线材厂优质硬线的开发[J].四川冶金.2002（5）.40-42.
[3]刘云旭.金属热处理原理[M].第1版.北京：机械工业出版社，1981.325.
[4]赵志业.金属塑性变形与轧制理论[M].第1版.北京：冶金工业出版社，1994.335.
ISBN7－5024－1351－0.
[5]陈训浩.硬线钢质量特征及脆断分析[J].冶金标准化与质量.1998（2）.19-23.

作者：田伟阳，男，大学本科。毕业于沈阳工业大学材料工程系，金属热处理专业，助理工程师。现工作于北营轧钢厂三四高线生产区，担任生产区工艺员。

作者：张宏亮，男，专科。毕业于本溪冶金高等专科学校，金属压力加工专业。现工作于北营轧钢厂技术质量科，担任科长。

评论：本文结合北钢四高速线材生产线生产硬线的实际生产情况、设备能力以及存在的问题，探索了如何在生产硬线时，通过对线材尺寸精度、表面质量、通条性能及索氏体化率等多方面严格控制,制定合理的控冷工艺和优化冷却工艺参数，生产出优质线材。