高速線材硬線生產的控制冷卻工藝

 

1 前言

在線材生產行業中，通常把優質碳素結構鋼中碳的質量百分數不小于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應力鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線、輪胎鋼絲、彈簧等的原料。目前國產硬線普遍存在索氏體化率不高,塑性差、強度偏高、表面存在缺陷等問題，嚴重影響了一次拉拔性能。因此,研究實際生產中如何制定合理的控冷工藝,有效控制硬線產品的質量和性能,有著積極的意義。

2 加熱條件對性能的影響

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。這說明加熱溫度對硬線組織性能的影響不是由于其對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變機理的變化。首先,加熱溫度高或加熱時間長都使鋼坯開軋前起始奧氏體晶粒粗大化,起始晶粒度大必然導致軋制后高溫線材再結晶晶粒較大。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數量相對減少。在終軋溫度和軋后控冷制度相同的情況下,奧氏體相對粗化和形變位錯數目的減少會導致冷卻過程中各種組織的轉變溫度下降,孕育期延長,表現在連續冷卻C曲線整體向右、向下移的同時,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。而鐵素體轉變優先在奧氏體晶界形核,由于相變前奧氏體晶粒粗大,晶界面積相對減少,因此使優先析出的鐵素體更容易連成網狀。另外,鋼坯的加熱溫度高、加熱時間長,引起鋼皮脫碳加劇,線材表面一定深度處的碳濃度相對降低,也可能導致鐵素體析出量增大。

3 軋后冷卻控制

在軋鋼生產中(熱軋),其生產出來的產品都必須從熱軋后的高溫紅熱狀態冷卻到常溫狀態。這一階段的冷卻過程將對產品的質量有極其重要的影響。因此,如何進行線材的軋后冷卻,是整個線材生產過程中產品質量控制的關鍵環節之一。

控冷是利用軋后鋼材的余熱給予一定的冷卻速度,控制其相變過程,不用熱處理，對高碳鋼線材進行控制冷卻的目的就是要模擬一個鉛浴淬火過程,使線材得到具有良好綜合機械性能(良好的拉拔性能、高強度和高韌性)的索氏體組織。線材的軋后控制冷卻分為水冷段的強制冷卻和空冷段的相變冷卻兩個階段。控制冷卻工藝由水冷區和空冷區構成,線材經水冷卻至一定的溫度后,進行吐絲,使直條線材形成散圈狀分布在風冷線上,進行風冷。

4 控制冷卻工藝參數的設計

線材的控制冷卻主要是以改變金相組織,進而改善拉拔性能等為目的的一種熱處理工藝,所以控冷工藝參數設計的理論依據是“C”曲線。控制冷卻工藝中需要控制的參數主要是終軋溫度、吐絲溫度、相變區冷卻速度(或冷卻時間)以及集卷溫度等,這些參數是決定線材產品最終質量的關鍵。

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變和轉變產物的形貌,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機架間水冷量和精軋機前水箱水量來實現。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,水箱的選用應盡可能遠離吐絲機,這樣可使水冷后的線材有較長的均溫時間,使線材進入風冷段時,整個截面上溫度基本均勻,避免在風冷過程中還未完成均溫,延長完成相變的時間,增加控冷難度,甚至產生異常組織。

4.2 吐絲溫度控制

吐絲溫度是控制相變開始溫度的關鍵參數。冷卻段數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，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，奧氏體在風冷線上的過冷度增大，致使連續轉變曲線向右下方移動。較粗大的奧氏體晶粒轉變成珠光體的相變在更低的溫度下進行，轉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，晶界面積增大，珠光體成核點多，珠光體球變小，使得線材的塑性指標變好。同時較低的吐絲溫度配合快速的風冷，可以抑制鐵素體析出，減少鐵素體的含量，改善鐵素體的形態。根據C曲線圖，對于硬線若要得到較高的索氏體化率必須使冷卻速率達到10_~15℃/s。

為確定合話的吐絲溫度，做了大量試驗，吐絲溫度從820℃到930℃，鋼種為60#鋼，風冷選擇最大。試驗結果表明:

(1)索氏體化率同吐絲溫度關系不大，而與吐絲后的風冷冷卻速率有關。由于采取了最大的風冷，索氏體化率較高，接近75%。

(2)隨著吐絲溫度的升高，強度指標上升;吐絲溫度下降，塑性指標上升 

(3)根據以上試驗結果，生產硬線時我們選擇了850℃-850℃的吐絲溫度，風冷風機全部開啟至最大，輥道速度設定在1.0m/s。以期獲得較好的塑性指標、索式體化率和表面質量。隨后我們隨機對10個爐號的60#鋼進行了跟蹤試驗，結果見表1。

 

表1 60#鋼(Φ6.5mm)鋼跟蹤試驗

 

軋制號	熔煉號	鋼種	規格	檢驗性能
				屈服點	抗拉強度	伸長率	冷彎	斷面收縮率
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 相變區冷卻速度的控制

為了使高碳線材獲得接近鉛淬處理的性能,斯太爾摩應采用標準型冷卻。冷卻速度的控制主要是控制冷卻風機和輥道速度。

4.3.1 風冷輥道速度的確定

斯太爾摩輥道速度由下式可以確定:

C=W·V/(π·d)式中　C———輥道速度,m/s；W———線環間距,mm；d———線環直徑,mm；

V一軋制速度,m/s。

輥道速度決定于線環間距、線環直徑及軋制速度。在終軋速度給定的情況下,線環直徑也隨之確定,這時輥道速度取決于線環間距。線環間距的選擇與線材直徑有關。直徑大,要求線環間距大,一般不同的直徑均對應著一個最佳的線環間距,小于該間距,會影響冷卻效果,大于該間距,隨著間距值的繼續增大(要考慮風冷段的長度因素),略提高線材與流動空氣的相對速度對線材強度影響很小。在快速冷卻時,輥道速度應能使相鄰線環間距大于40mm,以保證獲得細珠光體所需的冷卻速度^[4]。實踐證明,在間距是40mm時,相鄰線環熱量互相影響很小,冷卻速度主要由風量控制。40mm的間距值是標準型冷卻工藝參數—輥道速度的控制界限值。此外,運輸機各段速度應逐漸增加,使線環邊緣搭結點錯開,消除熱點影響,提高同圈強度的均勻性。防止在較低冷卻速度下高碳鋼線材中產生先共析Fe₃C,不利于拉拔。

4.3.2 冷卻風機的選用

冷卻風機的選用包括兩個方面,即風機風量和風機臺數的確定。

⑴ 冷卻風量的分配

對大直徑高碳鋼,為了增加冷卻速度,增加相變前奧氏體的過冷度,風機必須開滿風。當線材由吐絲機吐出散布在斯太爾摩運輸機上時,呈中間疏、兩邊密的狀態,導致中部與邊緣的冷卻速度不同。雖然運輸機上風嘴分布使兩側冷卻能力加強,但為了使同圈性能離散達到最小,還須借助風量調整裝置進行風量優化分配。

⑵ 風機臺數的確定

風機的啟用臺數應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,完成相變時間長,為了確保相變在風冷段中進行,必須增加風機使用臺數。同樣,風機臺數的確定也與輥道速度的快慢有關,在終軋速度一定時,輥道速度快,要求使用風機的臺數相對增多。大直徑高碳鋼線材由于熱焓量高,在同樣的終軋速度下,為了提高冷卻速度,必須加快輥道速度,以消除線環熱點間的干擾,因此,啟用風機的臺數也相應要多^[5]。針對不同規格,對應不同的軋制速度、吐絲溫度,應確定關鍵的幾臺風機,即發生相變時所用的幾臺風機。

4.4 集卷溫度的控制

集卷溫度取決于相變結束后的冷卻過程。為了保證產品性能和避免集卷后的高溫氧化以及改善勞動環境,一般說來要求在250℃以下集卷。有時由于受冷卻條件的限制,集卷溫度可能要高一些,但最高也不應高于350℃。

5 生產狀況

北鋼第四高速線材生產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級標準范圍內,主要產品45#(Φ6.5mm)抗拉強度為820-900MPa;面縮率在40%以上，索氏體化率達70%以上,;而且沒有網狀鐵素體組織;隨機10爐對45#、Φ6.5mm的性能進行檢測, 檢測表明，強度偏差絕大部分在±50MPa范圍內,面縮率偏差在6%范圍內,見表2。

表2  45#鋼(Φ6.5mm)的性能檢測結果

 

檢測位置	試樣號	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	平均值
頭部	抗拉強度/Mpa	900	900	900	900	900	900	860	870	880	850	886
	面縮率%	48	45	50	46	45	45	46	44	42	42	45
尾部	抗拉強度/Mpa	880	890	900	900	880	880	890	860	850	870	880
	面縮率%	43	42	44	44	44	44	44	41	44	40	43

 

6 結論

北鋼第四高速線材生產線通過以上控制冷卻工藝的控制后，生產出來的硬線產品表面質量及通條性均達到較高水平，且索氏體率高。但同時,還必須不斷優化冷卻工藝參數,生產出滿足不同用戶要求的優質線材。

 

 

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