高速線材硬線生產(chǎn)的控制冷卻工藝

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。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。

3 軋后冷卻控制

在軋鋼生產(chǎn)中(熱軋),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。

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(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。控制冷卻工藝由水冷區(qū)和空冷區(qū)構(gòu)成,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。

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。

4.2 吐絲溫度控制

吐絲溫度是控制相變開始溫度的關(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，改善鐵素體的形態(tài)。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10_~15℃/s。

為確定合話的吐絲溫度，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;吐絲溫度下降，塑性指標(biāo)上升 

(3)根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，生產(chǎn)硬線時(shí)我們選擇了850℃-850℃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。

表1 60#鋼(Φ6.5mm)鋼跟蹤試驗(yàn)

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/(π·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]。實(shí)踐證明,在間距是40mm時(shí),相鄰線環(huán)熱量互相影響很小,冷卻速度主要由風(fēng)量控制。40mm的間距值是標(biāo)準(zhǔn)型冷卻工藝參數(shù)—輥道速度的控制界限值。此外,運(yùn)輸機(jī)各段速度應(yīng)逐漸增加,使線環(huán)邊緣搭結(jié)點(diǎn)錯(cuò)開,消除熱點(diǎn)影響,提高同圈強(qiáng)度的均勻性。防止在較低冷卻速度下高碳鋼線材中產(chǎn)生先共析Fe₃C,不利于拉拔。

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。

⑴ 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。

⑵ 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。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(huán)熱點(diǎn)間的干擾,因此,啟用風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)也相應(yīng)要多^[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)。

4.4 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#(Φ6.5mm)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#、Φ6.5mm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6%范圍內(nèi),見表2。

表2  45#鋼(Φ6.5mm)的性能檢測(cè)結(jié)果

6 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),生產(chǎn)出滿足不同用戶要求的優(yōu)質(zhì)線材。

來源：網(wǎng)絡(luò)