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線材及线材制品基本知识doc

发布时间:2019-07-03 22:14 来源:未知 编辑:admin

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  1 线材用钢的冶炼 钢铁是现代生产和科学技术中应用最广的金属材料。特别是钢,在金属材料的用量中约占80%以上,这是由于钢的强度高,韧性好,容易加工和焊接,是优良的结构材料。不同含碳量的碳素钢和加入一定量合金元素的合金钢,通过热处理可以分别获得不同的机械性能和一系列特殊性能。铁作为钢的基本组成元素,在地壳中的蕴藏量仅次于金属铝,容易从矿石中提取并加工。 近代钢铁生产的主要方法一直沿用“二步法”,即第一步先用铁矿石冶炼出生铁,第二步再以生铁和废钢为基本原料炼出不同的钢。 平炉炼钢法曾在世界钢生产中长期占据主要地位,直到六十年代平炉钢还占世界钢产量的70%以上。但平炉炼钢冶炼周期长、能耗高,目前已基本淘汰。 氧气转炉炼钢开创了炼钢生产的新阶段。转炉炼钢可处理不同成分的铁水,并可加入最高可达30%的废钢。转炉钢中氮、磷的含量低、质量好,能炼很多钢种。目前,氧气转炉钢的产量在各种炼钢方法中居首位。 电弧炉炼钢是靠电极与炉料之间产生电弧,发出热量进行炼钢。由于它以废钢作为主要原料,并有温度高,能控制炉内气氛等特点,特别适合于利用合金废钢,回收合金元素。 从近代主要炼钢方法发展的情况可以看出,一种炼钢方法的兴衰,主要决定于它对资源条件的适应性、以及钢的质量、品种和经济效果。 一个现代化的钢铁联合企业,一般有以下几大生产工序组成:原料处理、炼铁、炼钢、轧钢、能源供应、交通运输等。这些工序构成一个复杂而庞大的生产体系。钢铁联合企业的生产工艺流程如图1-1所示。 图1-1 钢铁生产工艺流程 此外,在钢铁联合企业中,还设有工厂管理机构,技术研究机构,检测中心,备品备件制造加工厂,设备维修和环保等部门。 1.1 转炉冶炼的工艺过程及特点 氧气转炉炼钢主要有顶吹氧气转炉炼钢、底吹氧气转炉炼钢和顶底复吹转炉炼钢。 1.1.1 顶吹氧气转炉冶炼的工艺过程及特点 1.1.1.1 顶吹氧气转炉冶炼的工艺过程 上炉钢出完并倒完炉渣后,迅速检查炉体,必要时进行补炉,然后堵出钢口。装入废钢和兑铁水后,摇正炉体。下降氧枪的同时,由炉口上方的辅助材料溜槽加入第一批渣料(石灰、萤石、铁皮)和作冷却剂用的铁矿石,其量约为总渣料量的2/3—1/2。当氧枪降至规定枪位时,吹炼正式开始。 当氧流与熔池面接触时,碳、硅、锰开始氧化,称为点火。点火后约几分钟,初渣形成并覆盖于熔池面。随着硅、锰、磷、碳的氧化,熔池温度升高,火焰亮度增加,炉渣起泡,并有小铁粒从炉口喷溅出来。 吹炼中期脱碳反应激烈,渣中氧化铁降低,致使炉渣熔点增高和粘度加大,并可能出现稠渣(即“返干”)现象。此时可分批加入铁矿石和第二批渣料(其余的1/3),以提高渣中氧化铁含量及调整炉渣。第三批渣料为萤石,加入量视炉内化渣情况决定。 吹炼末期,金属含碳量大大降低,脱碳反应减弱,火焰变短而透明。最后根据火焰状况,供氧数量和吹炼时间等因素,按所炼钢种的成分和温度要求,确定吹炼终点,并提枪停止供氧、测温、取样。根据分析结果,决定出钢或补吹时间。 当钢水成分(主要是碳、磷的含量)和温度合格,打开出钢口,倒炉出钢。出钢过程中向钢包内加入脱氧剂和铁合金进行脱氧和合金化,(有时可在打出钢口前,向炉内投入部分铁合金)。出完钢后,将炉渣倒入渣罐。 通常将相邻两炉钢之间的间隔时间(即从装入钢铁料至倒渣完毕的时间)称为冶炼周期或冶炼一炉钢的时间。一般为20—40分钟。它与炉子吨位大小和工艺的不同有关。其中吹氧过程的时间称为供氧时间或纯吹炼时间。 通常情况下,喷枪是埋没在炉渣中的。炉渣由于含有大量CO气泡而膨胀。熔池受到氧气射流的强烈冲击和熔池沸腾的作用,一部分钢液飞溅起来,成为金属液滴弥散在熔渣中,形成气—渣—金属乳化相。氧气射流冲击区凹陷下去,熔池冲击处大致呈抛物线状。 吹炼过程中金属成分、熔池温度、炉渣成分的变化是随吹炼条件而变化的,一般可作如下描述。 吹炼一开始Si、Mn即被迅速氧化到很低含量,继续吹炼不再氧化,而Mn在吹炼后期稍有回升。 吹炼一开始,碳就被氧化。但Si、Mn氧化后,碳的氧化速度增加,直到吹炼终点前又降低。 磷和锰的变化相似,在硅氧化期急剧下降,进入激烈脱碳期后,不再降低,而有回升趋势,到吹炼末期再度下降。 硫在硅氧化期和激烈脱碳期变化不大,进入吹炼末期脱硫才开始活跃。 由上所述,在一般铁水温度下,硅最易和氧结合,其次是锰。因而,开吹后不久,熔池中的硅已燃烧完了,熔池中的锰已氧化到很低含量。由于转炉内一次反应区的温度很高,因而碳也会被氧化,同时有铁的蒸发现象(从炉口可看到铁氧化的红烟)。吹炼初期熔池平均温度通常低于1400℃。 由于硅、锰的氧化,初期渣中SiO2和MnO含量较高,炉渣碱度较低。另外铁的氧化和废钢带入的铁锈等使初期渣中(FeO)含量很快达到最高值,约25—30%左右。随着加入的石灰逐渐熔化,渣中(CaO)量不断上升,而硅迅速氧化完了,渣中SiO2含量相应降低,所以炉渣碱度逐渐升高。因此初期渣具有一定脱磷能力。转炉的脱磷反应几乎是与脱碳反应同时进行的。 硅、锰氧化后,随着时间的变化,熔池温度上升到1500℃以上。因而碳大量氧化,渣中(FeO)含量逐渐降低。这将引起部分锰和磷自渣中返回到钢液中(即发生回锰和回磷)。另一方面,此时温度较高,碱度增大,渣中氧化铁又低,并且由于碳的强烈氧化,渣、钢有良好的搅拌作用,所以有利于去硫,钢中硫含量明显下降。 随着脱碳反应的进行,碳的浓度降低,因而脱碳速度减小。由于铁的氧化,此时渣中(FeO)含量又急剧增加。同时由于熔池温度高,石灰熔解的多,炉渣碱度高,流动性也好,钢液中的锰、磷再次被氧化而含量降低,并且仍能有效地脱硫,钢液中的硫含量也下降。转炉的脱硫率一般可达50—60%。 吹炼初期,随着钢液中硅含量降低,氧含量升高。吹炼中期脱碳反应剧烈,钢液中氧含量降低。吹炼末期,由于钢中碳含量降低,钢中氧含量显著升高。一般根据终点碳含量的不同氧含量变化在600—1000ppm之间。当然由于钢种不同,吹炼方法不同,终点钢中碳和终点钢中氧含量的关系会有很大差别。 1.1.1.2 顶吹氧气转炉冶炼的特点 与平炉、电炉炼钢相比,转炉炼钢具有生产率高、钢中气体含量低等特点。 转炉内反应速度快,冶炼时间短,具有很高的生产率。随着转炉容量的增大,生产率进一步提高。转炉炼钢法的小时产钢量为平炉炼钢的6—8倍,是效率极高的炼钢方法。 转炉钢具有下列特点: a.钢中气体含量少。 b.由于炼钢主要原材料为铁水,废钢用量所占比例不大,因此Ni、Cr、Mo、Cu、Sn等残余元素含量低。 由于钢中气体和夹杂少,具有良好的抗时效性能、冷加工变形性能和焊接性能,钢材内部缺陷少。 此外,转炉钢的机械性能及其它方面性能也是良好的。 c.原材料消耗少,热效率高,成本低。由于转炉炼钢是利用炉料本身的化学热和物理热,热效率高,不需外加热源。因此燃料和动力消耗方面比平、电炉均低。转炉的高效率和低消耗,使钢的成本较低。 d.原料适应性强。能吹炼中磷(0.5—1.5%)和高磷(1.5%)生铁,还可吹含钒、钛等特殊成分的生铁。 e.基建投资少,建设速度快。生产规模越大,基建投资就越省。 此外,转炉炼钢生产比较均衡,有利于与连铸机配合。还有利于开展综合利用,如煤气回收及实现生产过程的自动化。 1.1.2 底吹氧气转炉炼钢 底吹氧气转炉炼钢与顶吹转炉相比较,在炉底耐火材料寿命、喷嘴的维护以及由于吹入碳氢化合物造成钢中含氢量增加等方面,还存在一定的问题。但设备投资低,并适宜于吹炼高磷铁水。 1.1.2.1 底吹氧气转炉吹炼反应特点 在底吹转炉冶炼中,氧气由分散在炉底上的数支喷嘴由下而上吹入金属熔池,因而使其具有与顶吹转炉明显不同的冶金特性。 a. 熔池搅拌强度剧烈,其搅动力要高于顶吹10倍; b.由于氧流分散而均匀地吹入熔池,同时又无较强的反向气流作用,因此,吹炼过程平稳,基本不喷溅,氧的利用率高,为提高供氧强度、缩短冶炼时间创造了条件; c.由于氧气喷嘴埋在铁水下面,高温和面积较大的反应区在炉底喷嘴出口处附近,反应产物需穿过金属液后,才能进入炉渣或炉气中,因此,上部渣层对炉内反应的影响很小。 1.1.2.2 底吹氧气转炉与顶吹转炉的比较 表1-1 “顶吹”与“底吹”转炉的比较 顶 吹 法 底 吹 法 工艺简单 生产率高 废钢熔化率高,适应性强 成渣易于控制 吹炼操作灵活 耐火材料寿命长 可脱碳加热 在高含碳量下可较好脱磷 氧流及其搅拌作用仅仅局部,而且不能维持到冶炼结束 10、熔池成分、温度不均匀 11、反应未达平衡 12、临界状态下喷溅 13、不能达到低于0.01%C 14、终渣(FeO)高 15、炉渣温度高(不适于脱磷) 16、由于没有平衡,过程控制困难 搅拌能力大 渣—金属间反应改善(P和S) 没有渣的氧化,铁损失较少 合金回收率较高 氮含量较低 喷溅少,烟尘生成少 较易预热废钢 高重复性 废钢熔化能力较低 10、炉底材料寿命低 11、吹入气体量大 12、喷溅处保护气体吸热以及吸入氢气 13、为前期去P,只有通过喷入石灰粉,因而工艺复杂 顶吹与底吹比较,最突出的问题是顶吹时氧气射流对熔池搅拌不均匀。而氧气射流对熔池搅拌的均匀性是影响转炉吹炼强度和吹炼稳定性的主要因素。 氧气顶吹与底吹转炉炼钢法优缺点的比较、综述于表1-1。 1.1.3 顶底复合吹炼转炉 顶底复合吹炼氧气转炉的出现,可以说是考察了顶吹氧气转炉与底吹氧气转炉炼钢方法的冶金特点之后,所导致的必然结果。所谓顶底复合吹炼炼钢法,就是在顶吹的同时从底部吹入少量气体,以增强金属熔池和炉渣的搅拌,并控制熔池内气相中CO的分压,因而克服了顶吹氧流不足(特别是在碳低时)的弱点,使炉内反应接衡,铁损失减少,同时又保留了顶吹法容易控制造渣过程的优点,具有比顶吹和底吹更好的技术经济指标(见表1-2,表1-3),成为近年来氧气转炉炼钢的发展方向。 表1-2 顶吹与顶底复合吹炼低碳钢成本比较 项目 铁收得率%(除去铁矿石,铁磷中的铁分) 石灰 Kg/t 铁矿石钢Kg/t 铁合金Kg/t 气体m3/t钢 纯Mn 纯Si Al 氧 氩 氮 回收气体 顶吹与顶底复合吹炼之差 +0.5~ +0.8 -1.6 -6.7 -0.6 -0.1 -0.04 -9.0 +0.6~+0.8 +0.3~ +0.7 +2.0 顶底复合吹炼法的冶金特点: a.由于增加了底部供气,加强了熔池的搅拌力,使熔池内成分和温度的不均匀性得到了改善。 b.由于搅拌力增强,改善了渣—金属间的平衡条件,减少了钢和渣的过氧化现象,提高了钢液中的残锰含量,降低了钢液中的磷含量,减少了喷溅。 c.通过改变顶枪枪位和顶吹制度,可以控制化渣,有利于充分发挥炉渣的作用。 表1-3 50吨顶吹与顶底复合吹炼转炉指标比较 项 目 单位 顶吹(1997年) 顶底复合吹(LBE法)(2500炉生产实践) 铁 水 铸 铁 废 钢 铁矿石 铁的收得率 CO二次烘烧率 透气砖透气量 透气砖平均寿命 Kg/t钢 Kg/t钢 Kg/t钢 Kg/t钢 % % m3/min 786 59 271 6 95.1 10 698 13 390 4 95.5 27 正常2~4,最高8 1000 1.2 电炉冶炼的工艺过程及特点 电炉炼钢准确地讲应该叫做电弧炉炼钢,是靠电极与炉料(废钢)之间的持续放电所产生的高温弧光,将电能转化为热能。通过弧光的辐射和电弧的直接作用加热、熔化废钢和炉渣,并在高温下完成一系列物理化学反应,通过合金化冶炼出各种成份的钢。 与转炉炼钢一样,电炉炼钢作为现代钢铁冶炼的主要方法,在钢铁生产中发挥了巨大的作用。随着科学技术的发展,电炉炼钢的装备和工艺过程都发生了革命性的变化,生产效率越来越高,生产成本和工人的劳动强度大大地降低,钢的质量在不断提升,对环境的污染越来越小,冶炼的品种范围逐步扩大。 1.2.1 现代电弧炉炼钢的工艺过程和特点 1.2.1.1 电弧炉炼钢的工艺过程 电炉炼钢的方法可分为三种,即氧化法、不氧化法、返回吹氧法。 不氧化法在冶炼中没有氧化期,能充分回收原料中的合金元素。 返回吹氧法是在炉料中配入大量的合金返回料,利用合金元素与氧亲和力随温度变化的原理,选择适当时期向炉内吹氧,达到脱碳去气、去夹杂和回收合金元素的目的。 现代电炉炼钢中氧化法是最常用的炼钢方法,因为一般炉料都要经过氧化法冶炼才能成为合格钢。 氧化法冶炼由补炉、进料、熔化期、氧化期、还原、出钢及装料等7个工序组成。 a.补炉 每一炉钢出完后,必要时对炉衬进行检查,并且要对炉衬侵蚀严重的部位进行修补,以防穿炉事故的发生。 b.进料 将装好的料包用行车吊起并移至炉子上方,将炉料进入炉内。 c.熔化期 从通电开始到炉料全部熔清的阶段称为熔化期。主要任务是迅速熔化全部炉料,并要求去除部分的磷。熔化期所需能耗约占整炉钢的70%,如何节约电耗,提高热效率是这一时期所需解决的主要问题。目前,除炉门吹氧助熔外,还有在炉壁上使用氧油烧咀,凝聚式氧枪,及废气预热等手段来加速废钢的熔化,节约电能。 d.氧化期 当炉料全部熔清以后就要取样分析成分,为下步操作指明方向。炉料熔清以后就要进入氧化期,氧化期的主要任务为: 最大限度地降低钢液中的磷含量; 去除钢液中N、H及夹杂物; 将钢液加热到出钢温度。 氧化期主要操作有向炉内加石灰等造渣,脱磷,向炉内吹氧脱碳,流渣换渣等。在此期要造好泡沫渣防止钢液吸气。 氧化期是氧化法冶炼的主要特征。在高温下,氧与碳发生反应生成CO气体。[O]+[C]={CO},气泡从钢中逸出,将钢中的H、N和夹杂带出钢液,起到纯净钢的作用。 e.还原期 还原期就是钢水脱氧的过程。现代电炉炼钢将还原期移至精炼炉进行。 精炼炉的主要任务: 去除钢中的硫; 脱氧; 调整钢的化学成分及温度。 f.出钢 电炉氧化期结束进入“终点”即可出钢。终点的标准:P、C等符合工艺求。 将炉内钢水倒入钢包的过程叫出钢。出钢过程中要向钢包内加渣料(石灰、萤石等),合金(FeSi、FiSiAl、MnSi、FeSig.装料 根据生产钢种的要求,将不同种类的废钢按比例进行搭配,然后分层装入料包,以满足不同钢种冶炼的需要。装料非常重要,关系到一炉钢冶炼的成功与否以及钢质量的优劣。 例如:炉料中Cu等有色金属含量高,超出工艺要求时就无法继续冶炼该钢种,需要改钢种或倒包等处理,势必影响正常生产;又如原料中配入磷高时,炉前操作就必须重点脱P,要多加石灰,多吹氧等,使炉前冶炼时间延长,消耗增加,钢液吸气吸杂多,质量下降。 1.2.1.2 电弧炉冶炼的工艺特点 电弧炉冶炼与其他炼钢方法相比较有以下特点: a.热效率高、温度控制灵活 电弧区温度高达30000C以上,足以熔化各种废钢和合金。通过电弧加热,钢液温度可达16000C以上,并且可通过电流电压的调整获得所需要的升温及温度范围,满足冶炼钢种的要求。另外,由于电弧直接加热钢液,其热效率可达65%以上。 b.品种多范围广 在电炉内能够去除钢中的气体(H、N),夹杂等,提高钢的质量,冶炼品种范围广。 c.设备简单、工艺流程短、建设周期短 电弧炉的主要设备为变压器、炉体机械结构两大部分,结构简单,占地面积小,建设投资少,投产快。 存在的不足是:耗电量大;电弧对空气的电离作用能使空气和水蒸汽离解成大量的氢、氮等离子进入钢液,因此,电弧炉的增H、增N的速度要高于其它炼钢法。 1.3 连铸技术及连铸坯结晶特点 连铸,就是将经过处理的钢液连续不断地注入有一定形状的水冷结晶器中,使之凝固成铸坯并连续不断地向外拉出的工艺过程。 通常,我们把炼钢分成二部分,即冶炼与浇铸。冶炼的过程就是将废钢等通过粗炼和精炼加热处理成化学成分合格、温度合格、纯净度符合要求的钢液,浇铸就是将合格钢液铸成符合一定质量要求的钢坯。简而言之,前者将固体变成液体,后者是将液体变成固体。 1.3.1 铸坯结晶特点 1.3.1.1 铸坯的凝固过程 连铸坯凝固过程是一个向周围环境放热的过程。该过程释放出三种热量: a.过热:指钢水进入结晶器时的温度与钢的液相线温度之差。 b.潜热:指钢水由液相线温度冷却到固相线温度,即完成从液相到固相转变的凝固过程中放出的热量。 c.显热:指从固相线温度冷却到出铸机时,表面温度达到1000℃左右时放出的热量。 金属由液态到固态的变化过程,称为钢液的凝固或叫钢液的结晶。钢液凝固过程热量的释放有三种形式,即辐射、传导和对流。 1.3.1.2 结晶的过程 金属的结晶过程由形核和核长大两个基本过程组成。 a.晶核的形成 从液态金属中产生晶核一般有两种形式,即均核(自发)形核和异质(非自发)形核。均质是从液相直接产生晶核,异质形核是依附于液相中的外来相(固体粒子)产生晶核。 b.均质形核 当液态金属达到一定过冷度时,液态金属中体积很小,排列有序的“原子集团”就变成规则排列并稳定下来,成为胚胎晶核,我们把能起晶核作用而尺寸最小的“原子集团”称为临界晶核。 c.异质形核 借助于外来物质的帮助,依附于液相中的那些晶体结构与钢的晶体结构相类似的固体微粒或在结晶器壁界面上而形核,这种方式叫做异质形核。 d.晶核的长大 晶核形成以后,将随即长大,晶核长大的实质就是原子由液相向固相的扩散转移的过程,晶核长大需要一定的过冷度,增加过冷度,晶体的长大速度增加。金属晶体长大后的外形,在通常的过冷度下是树枝状。晶核长大的过程就是凝固的过程。 钢液在一定的过冷度下出现固相溶解度不同,并且在凝固过程中发生选分结晶,溶质元素在液相和固相中的分布是不均匀的,我们将这种现象称之为偏析。在钢中Cr、C、P、S、Mn等元素都能发生偏析,使得钢中某个局部范围内的元素成分与所冶炼钢种不一致,导致钢性能的波动。偏析有“正”偏析和“负”偏析之分,一般先凝固的部位产生负偏析,后凝固的部位产生正偏析。 1.3.1.3 钢坯的结构 钢坯由边部向中心逐步凝固,其结构可分三层,它们是激冷层,柱状晶带,锭心等轴晶区。 1.3.2 浇铸操作的注意事项 1.3.2.1 拉速控制 拉速过高,铸坯内部将出现严重缩孔,疏松,裂纹等。对高碳钢来讲容易出现严重的碳偏析而影响连铸坯的质量。同时整个浇铸过程拉速应平稳。拉速选定除与铸机的性能有关外,还与钢种和中间包温度有密切的关系。 1.3.2.2 中间包液面 中间包内钢液必须保持一定的深度,以使钢液内部的夹杂物有足够的时间上浮,减少夹杂物。同时确保更换大包时,不至于因液面过低发生卷渣污染钢液。一般情况下连铸操作都要实行多炉连浇。 1.3.2.3 中间包温度 中间包的钢液温度很重要,因为温度过低,将发生断流的危险;但钢温过高,将会使铸坯内部缩孔增大,偏析增加,从而影响铸坯的质量。 1.3.2.4 保护浇铸 在连铸浇注过程中,对各个环节进行保护,防止钢液直接与空气接触而产生二次氧化。使钢中增加气体(N,H,O),同时增加钢中的夹杂物。大包至中间包要用保护套管,中间包液面用覆盖剂,中间包到结晶器使用浸入式水口,结晶器液面使用保护渣等进行保护。 1.4 钢坯缺陷及对线材的影响 铸坯质量的好坏,直接影响到线材产品质量的高低。没有合格的坯料,就不可能生产出质量符合要求的线材。近几十年来,炼钢、连铸工艺技术的改进以及无缺陷坯生产技术的应用,使钢坯质量有了很大提高,为保证线材产品质量提供了有利条件。 1.4.1 表面缺陷及对线 表面缺陷 铸坯表面缺陷基本可分为以下几种 a.表面纵向裂纹 在铸坯表面,沿铸坯轴向扩展的裂纹,称之为表面纵向裂纹。发生在铸坯角部及靠近角部的称为表面纵向角裂。表面纵向角部裂纹有时与纵向凹陷及菱形变形同时发生。 b.表面横向裂纹 在铸坯表面,沿振动波纹的波谷处发生的横向开裂称为表面横向裂纹。对发生在铸坯的角部的横向开裂,称之为表面横向角裂。表面横裂有时发生在横向凹陷中,表面横裂与角裂往往同时发生。 c.表面龟裂 表面龟裂一般指在铸坯表面的星状裂纹。该缺陷一般覆盖在氧化铁下。表面龟裂的铸坯在轧制时,裂纹会扩展。 d.气泡 沿柱状晶生长方向伸展,在铸坯表面附近的大气泡称之为气泡;而对比较小的气泡且密集的称之为气孔。根据气泡的位置,将露出表面的称之为表面气泡,对不露出表面的称之为皮下气泡,气泡的残留,使成品表面产生缺陷。 e.双浇 因各种原因使钢液浇注中断而在弯月面处产生凝壳,且不易与再浇铸的钢液相融,在铸坯四周产生的连续痕迹称之为“重接”或“双浇”。如果操作不慎会引起在结晶器出口处的漏钢。 f.夹渣 直径为2~3mm到10mm以上的脱氧产物和侵蚀的耐火材料卷入弯月面,在连铸坯表面形成的斑点称为夹渣。直径小于2mm的夹渣经样品酸洗后也可以看出:锰—硅酸盐系夹渣大而且分布浅;Al2O3系夹渣小而且分散。由于夹渣下面的凝固缓慢,故常有细裂纹与气泡伴生。 g.翻皮 凝固在结晶器内发生轻微的破裂时,会有少量钢水流出来,弥合裂口,铸坯表面好象贴了一层皮似的,称为翻皮或重皮。 h.冷溅 由于金属小颗粒夹在铸坯与结晶器壁之间,在铸坯表面形成非常粗糙的凹痕面,称之为冷溅。 i.擦伤 外来的金属异物粘附在导辊、拉矫辊等其他固定辊上引起的铸坯表面机械损伤称为擦伤。 1.4.1.2 表面缺陷对线材的影响 连铸坯的缺陷除因钢水质量原因外,还有连铸设备及工艺操作本身造成的缺陷,其最主要的表面缺陷是针孔及氧化结疤。针孔在加热中被氧化,使线材表面产生发裂。一般针孔深度要求不得大于2mm。氧化结疤在连铸坯上呈点状缺陷。这些结疤不仅影响线材质量,而且会在轧制过程中堵塞导板而造成事故,必须予以清理。 钢坯的皮下气泡、横裂、龟裂、缩孔、角裂、边裂、中心裂纹、重接、夹渣、翻皮等缺陷,按照标准规定不得存在。其他如划痕、深振痕、擦伤、凸坑、凹坑尺寸偏差、鼓肚等缺陷,必须严格控制,一般以下产生轧制缺陷为限。 1.4.2 连铸坯的偏析、缩孔、疏松 1.4.2.1 铸坯偏析 所谓偏析是指铸坯中化学成分的差异。在钢中,总有一定程度的偏析出现。 局部偏析聚集是由定向的、树枝晶间或者等轴晶区的晶粒之间的吸入流动引起的。而对中心偏析来说,聚集总是在铸坯心部发生的。 中心偏析是由铸坯横断面液心内浓化液相的流动引起的,而伴随凝固过程的体积收缩正是促使这种流动的原因。宏观缩孔和疏松的产生往往伴有严重的偏析。 对低碳钢来说,中心偏析不会成为问题。而对含较高合金元素的钢来说,它们的组合会发生不同程度的偏析。对碳含量较高钢来说,碳表现出最明显的偏析倾向。其次产生偏析倾向的元素顺序由强到弱是S、P、Nb、Mn、Cu、Ni、V和Si,而铝很难产生偏析。 1.4.2.2 缩孔和疏松 疏松的产生在很大程度上与钢的成分有关,特别是碳含量。随着碳含量增加和浇铸速度增加,中心疏松的程度也加重。然而浇铸速度的影响并不像碳含量的影响那么明显。产生中心缩孔和中心疏松的一个原因就是凝固前沿之间彼此搭接产生所谓“搭桥”,从而阻止或妨碍液体金属进入收缩孔穴。即使二次冷却非常均匀,也会出现一定程度的疏松。 连铸坯夹杂种类、产生途径及不利影响 钢中夹杂物的存在破坏了钢的基体的连续性,造成了钢的组织不均匀。 1.4.3.1 夹杂物种类及产生途径 按夹杂物的来源来分,它的种类及产生途径有: a.外来夹杂物 这类夹杂物是由于耐火材料、熔渣等在冶炼、出钢、浇铸过程中进入钢中并滞留在钢中造成的。一般外来夹杂物具有的特征是:外形不规则:尺寸比较大;偶然地在这里或那里出现。 b.内生夹杂物 这类夹杂物是在液体或固体钢内,由于脱氧和凝固时进行的各种物理化学反应而形成的。 内生夹杂物在钢中的分布,相对来说是比较均匀的,颗粒一般比较细小。 1.4.3.2 夹杂物对钢的性能的影响 夹杂物降低钢的塑性、韧性和疲劳性能。 a.夹杂物对钢的塑性和韧性的影响 夹杂物对金属材料抵抗塑性形变能力的一系列强度指标,如屈服强度、抗拉强度等不会产生多少影响。夹杂物对金属材料与断裂过程有关联的性能指标如延伸率、断面收缩率等影响很大。 夹杂物对钢材韧性的影响是通过它对韧性断裂过程的影响而起作用的。在金属的变形过程中,夹杂物不能随基体相应地发生变形,这样在它的周围就产生愈来愈大的应力集中,而使之本身裂开,或者是使夹杂同基体的联结遭到破坏。一般来说,夹杂物数量多、尺寸大则钢的韧性下降。 b.夹杂物对钢的疲劳性能的影响 金属材料承受一定的重复或变应力,经多次循环后发生破坏,这种现象称为疲劳。 不同类型的夹杂物对疲劳寿命有不同程度的影响,夹杂物愈不容易变形,影响就愈大。微裂纹是产生疲劳断裂的胚芽,它继续发展就引起零件过早的疲劳破坏。 钢的强度水平愈高,则夹杂物对疲劳极限所产生的不利影响就愈显著。 c.夹杂物对钢的加工性能的影响 钢中硫化物夹杂增加,钢的热加工性能和弯曲性能下降。增加钢中Mn/S,可形成MnS以代替FeS,钢的性能得到显著改善。 对钢的切削性能来说,夹杂物起好的作用。易切削钢中一般要加入S、Pb、P等元素,它们在钢中和其它元素形成非金属夹杂物或金属化合物。 1.5 纯净度对结构钢的影响 1.5.1 纯净钢的概念及其发展 什么是纯净钢?顾名思义,纯净钢应该是所含杂质很少的钢。可见,不管人们怎样改进精炼技术,所得的钢仍然含有非金属夹杂物。即,理论上不可能产生出不含非金属夹杂的钢。而非金属夹杂物对钢性能的影响十分复杂。 氮,人们也早就发现它的有害作用。但到今天,则出现了尖锐的对立。一方面,除众所周知的奥氏体不锈钢之外,在低合金高强度钢和铁素体合金钢两大类中主张以氮代碳;另一方面,对其它的钢种又提出了超低氮的纯度要求。 纯净钢的一个重要进展是把微量元素(Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn)归入夹杂之列。它们一般不是作为合金元素使用的,而是作为各种原材料的伴随物被无意中带入钢液,含量又少,约在0.01%以下,长期以来它们不是炼钢生产中常规检验的对象。此外,促使人们注意这些元素的另一个因素是它们并非一般的氧化或还原操作所能有效排除的。这样,随着废钢一次又一次地返回利用,它们在其中就越来越多。 碳,钢是铁—碳合金,但不锈钢中碳为有害元素。汽车制造业对薄板的需求而推出无间隙元素钢等新钢种,碳在这些钢中又变成了最主要的杂质。 对不同的钢种,杂质的概念有所不同,甚至截然相反。 纯净钢是一个至今仍然含义模糊的概念。所谓杂质是随钢种而变化的。某一元素在某种钢内是杂质,在另一种钢内也可能是有用的。某元素是否是杂质还和其含量有关,在某种钢内其含量相当低,但可能仍是杂质,而在另一些钢中甚至其含量成倍增加,但它却不是杂质。一句话,什么是“杂质”,又怎样定义“很少”,这是要根据钢的性能要求来考虑的。 总之,纯净钢的标准常是生产者和用户之间的一个妥协。 1.5.2 结构钢的纯净度要求 结构钢种类繁多,分别适应不同的用途,对性能的要求也就不同。 1.5.2.1 冷加工性 冷镦工艺是生产螺栓、螺母和铆钉等标准件的主要手段。冷镦过程中材料要遭受相当大的复杂变形,因而易于开裂。这种冷压加工方式对钢的纯净度有较高的要求,除要求控制[S]、[P]和非金属夹杂物之外,还要求控制[Si]与[Cr]的含量。 汽车轮胎增强用钢丝的材料是用Si和Mn脱氧的高碳钢。冷拉中最严重的问题是拉断。除夹杂物数量和尺寸外,生成的夹杂物最好是低熔点的复合氧化物,因为它可随着钢丝减径而被延伸。 1.5.2.2 易切削性 线材用于切削是很少的,但钢棉钢是切削而成的,所以顺带提一下易切削性。 现在,汽车等的制动片中正逐步弃用石棉,而广泛使用钢丝绒。它是用高速切削加工出来的。[%Al]越高,则Al2O3越多,刀具磨损就越快。这种钢只能用Si与Mn脱氧。 1.5.2.3 疲劳抗力 影响材料抗疲劳性能的因素不少。钢中夹杂物也是一个很重要的因素。减轻钢中夹杂物对疲劳寿命的不利影响的方法有:一是降低非金属夹杂物数量,减小夹杂物粒度,二是控制夹杂物的组分、形态,更多的是上述两种方法的组合。一般通过调整炉渣成分来控制夹杂物。 1.6 沙钢冶炼工艺装备特点及新技术应用 自1976年10月沙钢第一座3吨电弧炉投产以来,生产规模不断扩大,电炉炼钢发展经历了由小到大,由弱到强,由落后到先进的不平凡历程。目前,电炉钢产量居全国之首,技术经济指标名列前茅,装备水平与国际接轨。随着我国进入WTO,沙钢正瞄准世界冶金前沿水平,走自己发展之路。 截止2001年底,沙钢正在生产的电炉有四座,二炼、永新炼钢、润忠炼钢、沙景炼钢。2002年投产的炼钢车间有100万吨特钢。 1.6.1 各炼钢车间的工艺装备 各炼钢车间工艺参数见表1-4。 表1-4 各炼钢车间工艺参数 部门 项目 二炼 永新 润忠 沙景 特钢 炉子名称容量/t 20 70 90 100 100 变压器容量/MVA 9 54 65 65 80 二次电压/V 140~300 210~621 510~901 510~901 601~910 电极直径/min 400 500 559 559 610 1.6.2 竖炉主要特点 1.6.2.1 装备先进 竖式电炉具有上世纪90年代国际先进水平,许多新技术在电炉上得到应用,使得该类电炉的故障成本低,技术经济水平高。 废钢通过竖井加入,充分进行二次燃烧化学能的转换和高温炉气的物理余热回收,兼顾过滤烟尘,排除炉内废气的作用。 竖井侧炉墙上装有氧油烧咀,在废钢熔化前向炉内喷射火焰助熔,并有炉壁氧枪,切割废钢,助熔,脱碳。 炉子底部装有3个透气砖供吹氩气,加强熔池搅拌,加快传热,促进炉内反应。 在炉门处安装有水冷碳氧枪,向炉内吹氧和喷碳粉。代替人工吹氧,减少劳动强度。 其余设备有自动加料系统、水冷炉壁及炉盖、偏心炉底出钢等。 1.6.2.2 生产效率高 90t竖炉设计冶炼周期为58分钟/炉,年作业按300天计算,年产钢能力为65万砘,经不断革新改造,特别是向电炉内热装铁水的成功,不但钢的质量有了进一步的提高,而且生产效率也大大提高,目前年产钢能力已达到90万砘。 1.6.2.3 工艺配置合理 电炉完成氧化升温的任务以后即出钢,精炼方式采用脱氧合金化,调温,纯洁钢液的模式,对于我们生产棒材和优质线材等产品,其质量保证是充分的,并且具有操作简单,投资少的特点。 参考文献: 李 慧.钢铁冶金概论.北京:冶金工业出版社,1993. 姜均普.钢铁生产短流程新技术—沙钢的实践(炼钢篇).北京:冶金工业出版社,2000. 2 高速线 线材生产工艺装备特点及先进性 2.1.1 线材概述 线材因其以盘卷状态交货又为称盘条。线材的品种按其断面形状分,有园形、六角形、方形、螺纹园形等,主要是圆形和螺纹圆形。对高速线材来说,几乎只生产圆形和螺纹形线%的低碳钢轧制的线材称之为软线。如我公司按美国及日本有关标准生产的1008、1010、1012、1015、1018、15A、22A等。 硬线:通常把优质碳素钢中含碳量不小于0.45%的中高碳线材称之为硬线。对于变形抗力与硬线相当的低合金钢、合金钢及某些专用钢线、82B及65Mn、60Si2Mn等等。 优线:一般是指用优质钢加工而成的线材。此类产品要求钢质比较纯净、性能比较优良,具有较好的深加工性能。 普线:一般指碳素结构钢(如GB/T700中的部分牌号或国外相应牌号)加工成的线材。 用于生产线材的钢种很多,有碳素结构钢、优质碳素结构钢、焊条用钢、碳素弹簧钢、碳素工具钢等非合金钢,还有低合金钢及合金结构钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐蚀和耐热钢等,数量最大的是非合金钢。 2.1.2 我国高速线材生产现状 改革开放以来,我国线材产量及消费量逐年上升,线材产量占钢材总产量的比例及占世界线材总产量的比例也逐渐增加,1999年线万t,线材生产总量已连续数年居世界首位,占世界线%左右。我国现有线线线万t/年),其余均为复二重式或横列式轧机,生产能力为1100万t/年)。在建的高线轧机有杭钢、重钢、萍钢、邢钢、鄂钢、安钢等11套,生产能力约430万t/a 。投产后线万t/年,高速线万t/年,占线年高线%,硬线比例也有增加。特别是近年来新引进高线轧机都具有国际先进水平,如1996年投产的张家港润忠钢铁公司的高速线材轧机,最大实际轧制速度可达120m/s,最大卷重2.5t,单线万t,是世界上目前单线生产能力最大的线年初投入试生产的宝钢高线轧机为高精度线材轧机,在无扭精轧机列后设有减径、定径机组,能生产最小规格5mm的高精度线万吨,是国内生产硬线规模最大、最先进的生产线月第一条高线建成投产以来, 沙钢已相继建成三条类型相似、生产能力相近的高线生产线。其主体设备由超高功率交流电弧炉、炉外精炼、连铸、高速线材轧机组成“四位一体”的典型的短流程生产线。整个生产流程采用德国FUCHS(福克斯)公司的单竖井超高功率交流电弧炉,配套钢包精炼炉,年炼钢为80至100万t,与瑞士CONCAST(康卡斯特)公司提供的小方坯连铸机配套实现全连铸,生产工艺、设备水平和控制技术代表了高速线材轧机的国际先进水平。 新型摩根轧机采用全线无扭单线连续轧制,高架式布置,设计速度132m/s, 105m/s, 120m/s, 26道次。坯料尺寸(120~mm2×16000mm,成品线万t,生产钢种有碳结、优质碳结、低合金、弹簧、焊条钢、焊丝钢和冷镦钢。优线及硬线生产占有较大的比例,目前达80%以上。 润忠一轧是沙钢高速线材具有代表性的生产线之一,近年以来,通过不断的技术改造挖潜,各项技经指标已达国内领先水平,其工艺流程框图如图2-1所示。 图2-1 沙钢润忠一轧高线 生产工艺及装备技术特点 沙钢三套高速线材生产线,引进美国摩根公司的全套技术及关键工艺设备,采用德国西门子或美国ABB公司提供的电控设备,并尽可能采用了当前线材生产的高新技术。全线架轧机采用平立交替布置,实现了无扭、小张力轧制和活套控制,生产线投产以来运行正常, 第一条线万吨,各项技术经济指标均列国内同行业之首的良好成绩,这在国内冶金建设史上是罕见的。 2.1.4.1 全连续高速无扭轧制 现代线材生产的主要特点之一是连续式轧制,即轧件同时在几架或全部轧机上轧制,每架轧机只轧制一道次,相邻机架间有一定的连轧关系。连续式轧制使设备布置紧凑,轧件温降小,特别是可以使用长坯料生产大盘重线材。 现代高速线材轧机的另一个主要特点是精轧机和预精轧机采用轧件无扭轧制,对于以高碳钢和合金钢产品为主的轧机,由于钢的塑性较差,对产品性能要求较严格,粗、中轧机也应采用平-立交替布置的无扭轧制。 沙钢三条线材轧机机组全线平立交替布置,实现无扭轧制,从而降低了轧制故障,减少了导卫消耗,有效防止了轧件因扭转而产生的划伤及其它缺陷的扩展,提高了线材质量。 当前,高速线材生产主流工艺发展的特点是采用单线、高速、无扭及微张力轧制,沙钢高线采用的轧机机组即以其单线、高速、无扭和小张力轧制为特色。在粗、中轧机组的前10个机架间,设定为小张力轧制,从10V到精轧机之间设置有活套,共有5个立活套2个侧活套,进行无张力轧制,精轧机组则通过精确的孔型设计实现微张力轧制,提高了产品的精度。为实现高速生产,沙钢高线的精轧机组采用摩根公司最先进的机型,即10机架超重载V型45°无扭机组,该机组重心低,高速轧制状态下机组稳定、振动小,取消了扭转装置,减少了轧件前进中的阻力,可有效避免轧件的划伤。该机组结构紧凑,轧机刚度高,采用集体传动,由一台6800KW的交流变频电机传动,适合于高速单线无扭轧制。精轧机组设计速度达132m/s,实际生产φ6.5mm线m/s。 高产品精度和表面质量的技术保证 沙钢线材轧线的工艺装备使产品精度和表面质量得到保障。其轧机分为粗轧机组、中轧机组、预精轧机组和精轧机组,主要特点如下: (1) 粗轧机组 粗轧机组的主要功能是通过对坯料初步的压缩和延伸,得到温度适宜,断面形状正确,尺寸合格,表面光滑,端头整齐的轧件。沙钢高线架轧机组成,轧辊平立交替布置,立式机架采用上传动方式,轧机单机架直流传动,用小张力和微张力轧制,为保证产品质量的高精度和生产工艺的稳定性,粗轧机组轧出的轧件尺寸公差控制在±1.0mm以内。 (2) 中轧机组 中轧机组的主要功能是使粗轧机组过来的轧件断面继续缩减,为后续轧制提供良好的无缺陷的中间坯,尤其是要保证中间坯料尺寸精确并且沿全长方向的断面尺寸均匀。 沙钢高线架轧机组成,平立交替布置,立式机架为上传动,轧机单机架直流传动。中轧机组包括2台立式活套,分别布置在10V和11H,11H和12V之间,实现该机架之间的无张力轧制。整个中轧机组采用小张力和无张力控制轧制。以合理的道次选择和压下分配获得较高精度的中间料,中轧机组各机架条形尺寸精度为±0.6mm。 (3) 预精轧机组 为保证产品的尺寸精度,现代高速线材轧机必须在高速无扭精轧机组前设置预精轧机组,预精轧机组通常由4架或6架平-立辊交替布置的轧机组成, , 沙钢高线架悬臂式轧机组成,平立交替布置。立式机架为下传动,轧机亦是单机架直流传动。机架间分布有立式活套共3台,在中轧机组间有一台水平活套,保证了无张力轧制。为获得较好成品公差进供了保证。 高速无扭线材精轧机组的机架间轧辊速比固定。通过改变来料尺寸和不同的孔型以微张力连续轧制的方式生产出各种规格的线材。这种工艺装备和轧制方式决定了精轧的成品的尺寸。精度与轧制工艺的稳定性有紧密的依赖关系。生产实践表明,精轧8~10个道次的消差能力为来料尺寸偏差的50%左右。也就是说,要使成品断面的尺寸公差不大于±0.1mm,就必须保证预精轧来料断面尺寸公差不大于±0.2mm。 (4) 精轧机组 现代高速线材精轧机组的生产工艺固定了道次间轧辊转速比,以单线微张力无扭高速连续轧制方式,通过椭圆孔型系统中的2~33~4 在高速无扭线材精轧机组中,保持来料的金属秒流量差不大于1%是工艺设计的一个基本出发点,从而来保证成品尺寸公差不大于±0.1mm。 沙钢高线个机架,由一台交流电机集体传动。辊径为φ230mm和φ160mm,偶数道次出成品。精轧机组间采用微张力轧制,为减少轧件头尾张力失控而引起的尺寸波动。精轧机组的机架间距较小,为820mm,为降低因高速轧制而产生的轧件温升,精轧机组中的椭圆孔出口和圆孔型入口采用水冷导卫。 该生产线的精轧机组以碳化钨辊环代替轧辊,轧机间呈90°顶交V型布置,实现了无扭轧制。10机架无扭精轧机组在设计上采用组合结构,取消了传统的接轴,解决了轧机的振动问题。尤其是90°顶交,降低了整个机组的重心,为高速轧制提供了条件。同时,机架设计采用超重载型,刚度高,弹跳小,机架间间距小(820mm),采用集体传动,通过精确的孔型设计产生的减速比来保证微张力轧制,从而获得高精度的成品。机组采用小辊径辊环,前5架为φ230mm,后5架为φ160mm。辊径小,宽展小,延伸大,轧件尺寸波动小,便于成品精度控制,碳化钨辊环具有很高的耐磨性,生产出来的线材表面光亮,尺寸精度高。 为更好地确保线材的尺寸精度,及时迅速地掌握产品精度信息,在精轧机组前安装了一台英国ORBIS公司生产的在线测径仪,可以对进行入精轧机组的条形进行在线检测,从而使其得到有效的控制。同时在精轧机后的水箱之间也安装了一台同样的在线测径仪,快速提供线材尺寸及部分表面质量信息,进一步确保了产品精度。 为有效地去除氧化铁皮,在1#机架前设置了高压水除鳞装置。利用压力高达200bar的高压水把铸坯表面氧化铁皮去掉,保证无氧化铁皮进入下一道工序,从而大大提高了线材的表面质量。 为更好更快地监测产品质量,在精轧机后增设了一台涡流探伤仪,能及时了解线材成品的表面质量情况,一旦发现有缺陷,采取相应的解决办法,进行消除。 与该生产线相匹配的是由美国戴维公司提供全套技术的小方坯步进梁式加热炉。该炉采用优化了的加热曲线加热,能显著地节省能源外,有效的控制脱碳。 钢坯在入炉以前,对钢坯逐根进行表面质量的检查,发现有不合格的坯料,通过入炉前的剔废装置将其剔出,并设有离线的钢坯修磨机,对不合格的坯料进行表面清理,重新组批入炉,成品另行堆放,定向发货,跟踪控制。 2.2 线材生产控冷工艺及其特点 2.2.1 控制冷却简介 热轧后对钢材进行的旨在控制金相组织和钢材力学性能的冷却称为控冷。控制冷却是在精轧机后输出辊道上设置一个一定长度的冷却带,钢材热轧后通过冷却带,按一定的冷却制度进行冷却。冷却制度根据钢的化学成分和对钢材的组织性能的要求决定。 轧后控制冷却通常可分为以下三个阶段: (1) 第一阶段——从终轧到Ar3温度区间。终轧后,特别是在奥氏体未再结晶区轧制后,在奥氏体内产生了大量位错和变形带,奥氏体晶粒产生了很大变形。在相变前如进行一定强度的冷却,既可阻止在高温下奥氏体晶粒的长大,又可阻止碳化物过早析出,同时也可适当固定位错,增加相变的过冷度,为变形奥氏体以后的相变作好组织上的准备。 (2) 第二阶段——从A r3到以后的相变温度区间。在此温度区间奥氏体发生相变。冷却速度在这个温度区间起着决定的作用。而冷却速度的选择则要根据钢的化学成分和所要求的钢材性能来决定。 (3) 第三阶段——第二阶段后的空冷。空冷主要起自回火和消除由前段快冷产生的应力的作用,也有增大析出强化和使相变组织均匀化的作用。 现代高速线材轧机均设有轧后控制冷却线.5% (2) 简化二次加工工艺, (3) 经过控冷的线材, , FeO, , (4) 控冷线材组织中索氏体占大部分, 。 (5) 通过控制冷却,可以获得要求的组织结构和机械性能,提高线材通条性能均匀性。 轧后控制冷却线由穿水冷却和散卷冷却两部分组成。精轧机轧出的线,,?恢复?再水冷?再恢复?再水冷的过程,使线, 线材成圈后,散布于散卷冷却运输机上进行二次控制冷却,实现线材的组织转变。根据钢种的不同,须采用不同类型的二次控冷。按控冷原理分,现代最常用的有三种控冷方式:标准型、延迟型和缓慢型。对于中碳钢、高碳钢和部分弹簧钢等,控冷的目的是要获得易于拉拔的较细珠光体球团和索氏体组织和良好的综合机械性能,在二次冷却中需要有较快的冷却速度,则采用标准型冷却方式,在运输机下设有冷却风机,对线材进行强迫风冷;对于用于深加工的低碳钢类(如1008、1020等)来说,理想的显微组织是由占有绝大部分粗大的最好是块状并且均匀的铁素体晶粒和分散的少量珠光体组成,具有较低的抗拉强度。如果采用快速冷却,将使晶粒细化、强度增大。这类钢应采用延迟型冷却方式,在散冷辊道上加设保温罩,降低线材冷却速度,达到缓冷目的。 2.2.2 高速线材生产的控轧控冷 控制轧制与控制冷却是高线生产的两大工艺支柱。 控制轧制工艺包括把钢加热到最合适的温度,在轧制时控制变形量及变形温度,以控制奥氏体晶粒尺寸大小和再结晶过程,为轧后通过控冷进行相变,得到理想的组织结构提供良好的条件。由于线材的轧制都是在规定的孔型系统中完成的,变形条件基本固定,各道次的变形参数已设计确定,因此,线材的生产的控制轧制主要是通过对轧制温度的控制即控温轧制来实现的。控冷是线材生产工艺系统的核心,线材所要求的组织结构主要是通过控冷来获得的。 由于用户对钢材性能要求的多样性,这就促使钢厂愈来愈重视钢材的控制轧制与控制冷却,即通过控制钢材的化学成份及热处理工艺参数而获得细小的显微组织结构及优良的性能。由于化学成份由冶炼决定,它决定了钢材的临界温度及再结晶速率,而热处理工艺参数控制在一定温度及变形量的情况下进行回复再结晶所需的能量,所以必须了解控制轧制的工艺过程及参数,才能正确地对各钢种进行控制轧制进而获得所需的性能。 2.2.3 斯泰尔摩及控轧控冷系统基本原理 在高线生产过程中,钢经过加热高温奥氏体化以后,经过多道次的连续轧制,其奥氏体晶粒在大变形下,并通过回复与再结晶等过程不断细化。细化了的奥氏体晶粒快速转变成过冷奥氏体,再以适当的过冷度(以控制冷却速度来得到)获得铁素体(F)、珠光体(P)、索氏体(S)、回火马氏体(M)……等所期望的组织及组织比例。斯泰尔摩控轧控冷方法较好地体现了这一热处理工艺过程。从金属学原理上讲,这一过程可以归纳为四个阶段: (1)形变奥氏体晶粒控制阶段:通过控制奥氏体的形变温度以阻止其晶粒长大,从而达到形变奥氏体所期望的晶粒尺寸。 (2)形变后急剧冷却阶段:将终轧温度为950~1050750~900 (3)冷却热处理阶段:过冷奥氏体在斯泰尔摩运输辊道上,晶粒在不同的冷却速度下形核、长大,奥氏体转变为铁素体、珠光体、索氏体、回火马氏体等组织。 (4)迅速冷却阶段:当组织转变结束后,为了尽可能地减少氧化铁皮形成造成的损失,需将线材尽快地冷却。这一阶段主要是控制二次氧化铁皮的形貌及组份。 2.2.4 控轧控冷设备组成及布置 沙钢高线生产控轧控冷系统由以下设备组成: 精轧机前水冷箱及导槽、精轧机间水冷导卫、精轧机后导槽及水箱; 吐丝机前夹送辊; 倾斜式吐丝机; 斯泰尔摩控冷运输机; 线 水箱及其水冷控制 水冷却的目的是为了降低轧制时轧件的温度以较好地实现控制轧制,或降低轧后线材的温度以满足吐丝温度的要求。水箱长度决定了水流量或轧件的温降程度,而后者又取决于轧机设计小时产量(或轧制速度)。斯泰尔摩控轧控冷系统的水箱冷却一般由三部分组成,一是冷却段(即水箱),一个是均温段(即导糟);每个水箱后一段导槽的作用是使轧件的芯表温度趋向均匀。值得注意的是,均温段的长度很重要,它不仅会影响控制轧制的实际效果,而且也可防止线材在吐丝前因表面温度过低而提前发生了组织转变;对于精轧机后的水冷,其作用是将线材快速冷却到转变点温度之上,使线材能在风冷运输线上进行均匀冷却,从而保证线材的通条性能均匀一致。 精轧机间水冷导卫 在精轧机组中,共有四套提供冷却水的导卫(圆轧件出口导卫及入口导卫,也称之为水冷导卫),用来冷却精轧过程中的圆形轧件,到降低轧制温度。 精轧机后水箱 精轧机后共有4~6 对于光面线材,终轧后水箱冷却的目的是使线材温度迅速降到所求的吐丝温度,以阻止其晶粒长大并减少氧化铁皮的生成,但要防止其表面过冷,以防止产生表面淬火马氏体,因此如果在精轧机水冷导卫通水的情况下,第一个水箱的水流量一般不超过其设计流量的80%。 对于自回火钢螺纹线材,则通过水冷箱对线材的快速冷却,使钢筋表面产生回火马氏体,而内部则是晶粒细小的铁素体及珠光体组织。 2.2.4.2 夹送辊 夹送辊用以帮助自精轧机轧出的线材头部进入吐丝机成圈, 2.2.4.3 吐丝机 吐丝机的作用是将从精轧机出来的线材成圈地散布在运行的输送辊道上,,2.2.4.4 斯泰尔摩控制冷却运输 散卷冷却设备将吐丝机散布于运输机的线圈运输并在运输过程中以一定冷却速度, 用于线材散卷控制冷却的方法很多,沙钢使用斯泰尔摩法处理线材。斯太尔摩法分三种控冷形式:标准型、延迟型和缓慢型。 标准型斯太尔摩法是在线圈运输辊道下装设若干个离心式风机,对运输机上的线圈进行强迫风冷,通过控制运输机速度来调节线圈间距和控制每台风机风量和开启风机的数量来达到控制冷却速度的目的,使线材获得索氏体为主的组织,从而获得良好的综合机械性能。这种冷却常在中、高碳钢和部分弹簧钢盘条生产中使用。 延迟型斯太尔摩法是在线圈运输机上加设保温罩, 缓慢型斯太尔摩法也是在运输机上加设保温罩, 标准型斯太尔摩运输机常采用链式运输机或辊道式运输机。当线圈在链式运输机上冷却时,由于线圈搭接点不变,同时由于运输机速度一定,相邻线圈之间的搭接也始终在一个点,这样使线圈在一圈内各点冷却不均,造成性能不均;而辊式运输机很好地解决了这个问题,线圈与辊道之间有一定的速度差,以便将线圈间距拉开,改变线圈相互搭接位置,从而使线材得到了比较均匀的冷却。 沙钢高线斯泰尔摩控冷运输线由输送辊道、冷却风机、保温罩、佳灵装置、集卷筒等组成。全长90~100(入口到出口),分9~109m长。第3、5、7、8、9、10风冷段后各有一定高度的落差,可实现几方面的效果:(1)可在较大范围内调整运输辊道速度。(2)可以较好地控制线圈间距,避免线圈产生道岔而形成堆钢故障。(3)调节线圈搭接点的位置,保证线圈通条性能均匀一致,(4)使进入集卷筒的线圈速度较理想,从而使盘卷形最好。控冷运输线是整个控冷系统的核心,其作用是合理控制线材的冷却速度以得到满足用户所要求的内部组织及机械性能.运输线的主要构成部件情况如下: 风机:斯泰尔摩控冷运输线台风机,每台风机的电机速度恒定且不可逆转,风机有两个风量可调节的进风口,均装有调节阀板。在标准斯泰尔摩冷却方式下, 1#~7154700~180000m3h,静压为300mm水柱,工作压力为1.4bar,阀板开口度的最小调节量为5%,这可通过主控室来进行自动控制。对于标准型斯泰尔摩冷却,开启前七段风冷段的风机对线材进行强制风冷,从而使线材获得高抗拉强度和较好的韧性。 佳灵装置:其作用是在运输辊道横向方向灵活控制风量的分布情况,以使整圈线个调节板以控制风室中部及两侧的风量分配,此调节板(即佳灵装置)的最小调节增量为1%,开口度为0%时,表示风量全部通过风室两侧,调节板的开口度可以人工调节。 保温罩:1~93个保温罩。分别用气缸来控制其开启,在延迟型斯泰尔摩冷却方式下才使用保温罩,根据不同的钢种来选用第1至第9段上的保温罩。对于延迟型斯泰尔摩冷却模式,在运输辊道上盖上保温罩,生产低碳钢、低合金焊条钢及合金弹簧钢等,通过缓冷可以得到合适的强度及有利于拉拔的组织。 运输辊道:其作用是将线圈从吐线机运置集卷筒,运输速度范围为6~120m/min1)盘卷之间间隙增大功能,可控制不同盘线)尾部停顿功能,其作用是防止线材尾部从吐丝机出来后散乱地分布在运输辊道上。(3)级联调速功能,若选择了这种操作模式,则可对各风冷运输段的辊道进行级联调速(也可以人工调整)。运输辊道速度可调一方面是为了改变线圈之间的搭接点,更重要的是为了获得最佳的线圈间距,以达到均匀冷却的效果.(4)振荡功能,在延迟型斯泰尔摩冷却方式下,线圈堆垛紧密且重量大,温度高,这时若停止运转辊子,则容易使辊子发生弯曲变形,因此在输辊道停止时,通过振动(即正反交替转1/2转以上)辊子,避免因不均匀受热而使辊子发生弯曲变形。(5) 入口倾斜段功能,根据线材规格及吐丝温度来改变人口倾斜台架位置的高低,一般说来,大规格线材或吐丝温度低时,台阶位置就低,反之台阶位置就高。 集卷筒:位于输送辊道的末端。当线圈的尾部掉入集卷筒内, 2.2.5 控轧控冷方法 2.2.5.1 终轧温度的控制:根据不同钢种,选择不同的开轧温度,通过精轧机前水冷箱对轧件的冷却,控制进入精轧机轧件的温度,通过精轧机间水冷导卫的水冷以有效地控制因高速变形热造成的轧件温升,从而最终控制奥氏体晶粒的大小。 2.2.5.2 吐丝温度的控制:通过精轧机后水冷箱对热轧后线材的快速冷却,合理地控制吐丝温度,使形变奥氏体快速冷却为过冷奥氏体。 2.2.5.3 冷却速度的控制:从精轧机出来的线材,经夹送辊夹送及吐丝机吐丝成圈,在斯泰尔摩运输辊道上;通过不同的冷却模式,以不同的冷却速度对其进行等温处理,以控制过冷奥氏体向所需的组织结构转变。 2.2.5.4 集卷温度的控制:通过相变以后对线材的风冷或空冷,迅速降低线圈的集卷温度,以控制氧化铁皮的形成及组份。 2.3 线 线材外部缺陷 线材用途十分广泛,用途不同对线材的质量要求亦有所不同。例如,焊条、焊丝用线材对化学成份及偏析有严格要求;冷镦用线材要求具有良好的表面质量,弹簧用线材对化学成分、表面质量、低倍及高倍组织等都有严格的要求。本章重点讨论线材的表面和内部几种常见缺陷及成因。 线材的表面缺陷与拉拔的关系非常密切,从某种程度上来说,其危害甚于线材的内部缺陷,因而广大金属制品厂对线材的表面质量要求十分严格。 表面缺陷一是坯料带来的,二是热轧或精整过程造成的。线材表面质量的控制首先要严格控制连铸坯质量,要严格检查、正确判定、并认真清理修磨。不让有缺陷的钢坯流入轧材工序。 GB/T4354、YB/T146、YB/T170等标准对常用无扭控冷轧制的线材表面质量有明确的规定,要求表面应光滑,不得有裂纹、折叠、耳子、结疤、分层、夹杂等,对表面缺陷允许有压痕局部划痕、麻点,其深度或高度A级精度不得大于0.15mm,B、C级精度不得大于0.10mm。有的国外标准规定麻点深度不得超过公称直径的1%。下面对线材常见表面缺陷的形成原因作一简要说明。 耳子 线材表面沿轧制方向的条状凸起称为耳子(如图2-2所示),因产生的形状不同可分为单边耳子、双边耳子和上下两个半圆错开的错边耳子。它们产生于线材的全长上,亦可能存在于局部,呈连续的或断续的分布。形成耳子的主要原因在于轧槽过充满或倒钢造成的,轧槽导卫安装不正或松动,以及轧辊车削、安装、调整不当等均能使轧件产生耳子。轧制温度的波动或局部不均匀,影响轧件的宽展量,也可能形成耳子。此外,坯料的缺陷,如缩孔、偏析、分层及外来夹杂物,影响轧件的正常变形,因此也是形成耳子的原因。耳子缺陷若产生于成品孔,其外形明显可见,若产生于半成品孔,则在以后的轧制时必将造成表面折叠。 折叠 线材表面沿轧制方向呈直线状或锯齿状的细线,在横断面上与表面呈小角度交角状的缺陷叫折叠(如图2-3所示)。它可以是连续状的或不连续的,经过扭转后呈现翘起。这主要是前道的耳子、也可能是其他纵向凸起物折倒轧入本体所造成的。方坯上的缺陷处理不当留下的深沟,轧制时也形成折叠。折叠的两侧伴有脱碳层或部分脱碳层,并常存在氧化铁夹杂。折叠缺陷有时被线材的氧化铁皮覆盖而不易被发现,有时在作性能检测时才被发现,拉拔时影响了线材的延伸性能,并产生裂纹、断丝等不正常现象。 裂纹 线材表面沿轧制方向或横向有时有呈直线、弯曲或折曲状的细线,这种缺陷多为裂纹或裂缝, 其在横截面上的形态如图2-4所示。线材在承受加工过程中,金属表面、次表面或内部,会因材料本身的原因或加工不当而形成裂纹。裂纹在线材上以纵向或横向裂纹两种形式出现。纵向裂纹在线材表面呈连续或不连续分布;而横向裂纹多是不连续的。有时裂纹内有夹杂物,在裂纹两侧存在脱碳现象。形成裂纹的原因,一方面是材料本身原因,主要是钢坯上已有纵(横)向裂纹、皮下气泡及非金属夹杂物在热轧后暴露,此外坯料皮下夹渣、星形裂纹及深振痕也是产生裂纹的因素,其中皮下气泡是常见的重要缺陷之一,不显露时很难检查出来,另一方面主要是加热、轧制时产生的,如钢坯加热工艺不当,加热速度过快、加热温度过高造成过热或过烧,钢坯温度不均等,经轧制时易产生裂纹。线材轧后冷却速度过快,也可能造成成品裂纹,后者还可能出现横向裂纹,轧后控冷不当形成的裂纹无显著脱碳现象。 结疤 在线材表面与线材本体部分结合或未完全结合的金属片层称为结疤,一般呈舌状,厚薄不均,大小不一。结疤主要是由于被氧化的金属轧入线材表面不能焊合所造成的。前者是由成品以前道次轧件上的凸起物轧入本体形成的,后者则是已脱离轧件的金属碎屑轧在轧件表面上形成的。漏检锭坯上留有的结疤,未清除干净的翘皮、飞翅也可形成线材表面的结疤。 分层 线材金属基体的完整性和连续性被破坏,金属分成两层或多层的现象叫分层。分层大多出现在线材的头部或接近头部的位置 。其产生的主要原因有:坯中的氧化气泡在热轧时不能焊合而形成分层;铸坯中卷渣大片非金属夹杂物在轧制时就要开裂分层;钢质不良,特别是低熔及有害元素的偏析,引起轧裂分层。分层在拉拔后易产生劈裂。 凸块及压痕 线材表面呈周期性的凸起、凹下称为凸块、压痕。这主要是轧槽损坏、磨损、局部硬度不够等因素造成的。老式轧机生产的线材,有时出现这类缺陷,高速轧机的产品甚少遇到,主要是因为高速轧机的轧辊材质坚硬,磨制光洁平滑之故。 麻点 麻点又称麻面,线材表面上由许多细小凹凸点组成的粗糙缺陷叫麻点,麻点产生的主要原因有:轧辊质量差,表面硬度不一或失去冷硬层;轧辊车削后存放时发生严重锈蚀及轧槽磨损严重;终轧温度过高,冷却速度过慢,线材表面受到严重氧化;线材轧成后长期贮存在潮湿及腐蚀介质之中,作为金属制品原料,麻点将影响钢丝的表面质量。 划痕 线材表面上沿轧制方向出现直线形沟状且可见沟底的缺陷叫划痕,划痕是轧件在运动过程中由于与粗糙或尖锐物剧烈磨擦而造成的。如导卫加工不良,进口夹板有刺或安装偏斜,夹板内存有氧化铁皮或异物;围盘出口喇叭口不正,轧件与喇叭口剧烈磨擦,或拉钢时与安全桩磨擦均可形成划痕;成品通过有缺陷的设备,如水冷箱、夹送辊、吐丝机、散卷输送线、集卷器及打捆机等都可能产生划痕。划痕在生产过程中难以避免,但其深度如果超过标准规定,则必须检查与轧件发生摩擦的部位,并及时处理使线材产品没有明显的划痕。 氧化皮 线材在高温轧制过程中,由于表层与氧气接触产生化学反应生成的氧化物吸附在线材的表面称为氧化皮。线材在轧制过程中表面不可避免的要产生氧化皮,但过厚致密的氧化皮在线材后续加工过程中不易清除干净,可能会给生产带来困难。国内有关标准规定:线材表面氧化铁皮重量不大于10kg/t。国际上一般标准规定不超过8kg/t。过去有的厂家对线材表面的氧化铁皮未予重视。过多的氧化铁皮严重影响深加工产品的成材率。不同氧化皮结构和组成对机械除鳞或化学酸洗除鳞有不同的影响。 对直接用作建筑材料的线材,其表面缺陷主要影响强度、疲劳极限;作为拉丝及其他深加工的原料,线材的表面缺陷除对拉丝模及其他工模具有损害之外,重要的是严重影响其中间产品及最终产品的质量。如裂纹在拉丝过程中将会逐步扩大,在退火过程中脱碳层加深,调质过程中在裂纹尖端处产生较大的内应力,裂纹进一步扩展,导致产品不合格或报废,甚至还会造成设备故障、安全事故,降低工作效率。 线材成品缺陷的判断及产生原因,是线材生产人员所必须具备的基本知识,否则就不能做好缺陷预防和检验把关工作,也无法调整工艺。 2.3.2 线材的内部缺陷 线材的显微组织决定了线材性能,特别是力学性能及工艺性能。线材按用途可分为两大类,一类是直接使用,主要用于建筑业;另一类是深加工后使用。线材表面缺陷,比较容易看到,但是线材内部缺陷,往往在线材拉拔过程中暴露,经过检查才能发现。线材的显微组织决定线材的通条性能,直接影响着线材的拉拔性能。对于采用控制冷却工艺所生产的中高碳钢线材,要求获得拉拔性能优良的索氏体组织,对于一些高碳及合金钢线材,由于钢坯本身的缺陷,如偏析、缩孔、夹杂等对轧后线材的组织及通条性能均会产生不利影响。下面就当前国内外线材可能存在的内部缺陷及形成机理作一介绍。 缩孔 线材截面中心部位的疏松或空洞称为缩孔。在拉拔过程中,有时会发现钢丝的内部有针头大小的孔洞,如图2-5所示。缩孔处存在非金属夹杂,同时某些非铁元素也易于此处富集。缩孔的形成要追溯到铸钢过程,当连铸钢坯的钢液冷缩时,在锭坯中心部位易出现空洞。正确的铸锭工艺操作使缩孔减少,缩孔严重会带入线材。连铸方坯按“小钢锭理论”有时出现周期性的缩孔。缩孔与内裂(由内应力产生的锭、坯、材中心部位的裂纹)不同,缩孔伴有严重的非金属夹杂物,内裂是由加工应力、热处理相变应力及收缩产生内应力造成的内部裂纹,两侧及附近没有夹杂物聚集。 缩孔在拉拔时,尤其是拉拔细规格线材时会引起断丝,并严重影响成品的性能,在加工轴类零件时,经车削加工后,表面有时出现纵向无脱碳裂纹,可能是由于材质内部存在的缩孔经车削暴露所致。 非金属夹杂 非金属夹杂物是线材中不可避免的夹杂,因其破坏了金属基体的连续性,对线材的各种性能,诸如疲劳性能、常规力学性能、耐腐蚀性能及加工性能等均能产生一定不利的影响。拉拔时钢丝开裂,除了工艺原因外,一部分是由于非金属夹杂造成的。这些夹杂,有的是由于冶炼过程中化学反应所产生的内生夹杂,有的是炼钢炉,钢水包和流钢槽中渣料及耐火材料落入钢水中而产生的外生夹杂。非金属夹杂对拉丝的危害很大,主要有以下几点: (1)在拉拔过程中,由于非金属夹杂物的存在,会使变形连续性遭到破坏,以致断线。钢丝愈细,影响愈大; (2)非金属夹杂经过轧制和拉拔,虽能延续变形,但影响钢丝的机械性能; (3)非金属夹杂会增加拉丝模的消耗。 在长期的生产实践中发现,若钢的纯净度较为良好,一般出现的超级别夹杂物与缩孔相伴产生,主要出现在头坯轧制的线材上,由于结晶的规律,头坯上的纯净度较差、缩孔较严重,当切头量不够时仍存在较严重的夹杂物及缩孔,所轧成的线材在相应部位相应产生较严重的缩孔及超级别的夹杂物。 根据夹杂物的形态和分布,夹杂物分为四个基本类型,分别以字母A、B、C、D表示。A类——硫化物类型;B类——氧化铝类型;C类——硅酸盐类型;D类——球状氧化物类型。非金属夹杂物还可分为塑性夹杂和脆性夹杂。塑性夹杂例如MnS、硅酸盐等,其软化点很低,在热加工中常随金属基体变形延伸而拉长变薄。脆性夹杂如Al2O3等,其软化点很高,很脆,随金属拉伸而破碎,拉长为链状碎块,在其附近的金属基体常形成锐角的空隙,受外力时产生很大应力而集中。线材中的非金属夹杂物评级,采用与GB10561-1989中的JK评级图谱比较的方法评定。 带状组织 由于钢坯内存在成分偏析,在热轧的优质碳素结构钢中,时常发现沿轧制方向成层分布铁素体和珠光体,这种沿轧制方向分布的组织称为带状组织,如图2-6所示。带状组织使钢材的力学性能呈各向异性,特别是降低钢的横向冲击韧性和断面收缩率,严重时该组织能使工件变形。 带状组织依照钢的显微组织评定方法——GB/T13299-1991中相应的带状组织评级图谱进行比较 ,评定带状组织要根据带状铁素体数量的增加,带状贯穿视场的程度、连续性和变形铁素体晶粒多少综合判定。 魏氏组织(针状铁素体) 魏氏组织在钢中形成条件是钢中碳含量较低、晶粒度大和加热时超过正常的加热温度,所以在中、低碳优质碳素结构钢中出现该缺陷的可能性较大, 魏氏组织的评级依照GB/T13299-1991中相应的评级图谱进行比较,评定线材过热后的魏氏组织级别要根据析出的针状铁素体的数量、尺寸和由铁素体网确定的奥氏体晶粒大小的原则确定。 气泡 锭坯中的气泡是钢水冶炼除气不良所致,过多的气体在锭坯凝固时难以析出,因此留在锭坯内部或皮下。皮下气泡破裂会造成线材表面裂纹,内部气泡影响致密度和性能,对加工不利。 晶粒粗大 对于无扭控冷热轧盘条来说,多数拉丝厂拉拔前并不再经过铅浴处理,而是进行“生拉”。因此要求这类线材具有均匀细致的组织和较好的塑性。有些线材在拉拔时容易断头原因之一,就是其组织不均匀和塑性不好。产生这种缺陷的原因,可能是钢材终轧后其温度超过再结晶温度,过早地堆放在一起,内部温度高达800℃以上,在这样高的温度下缓冷,网状碳化物及游离铁素体的析出增加,以致线材的塑性和强度下降。钢坯在加热炉内燃油加热时,由于喷油不均,可能导致钢坯局部加热温度过高,在轧成的线材成品中边缘局部可能会产生粗晶现象,如图2-8所示,这也影响线材的拉拔性能。所以用油加热生产盘条的厂家,必须注意保证炉内燃油雾化均匀,提高钢坯加热的均匀性。 一般技术条件要求控冷线级以上,在日常的晶粒度检测中均测定线材控冷后的实际晶粒度,依照GB6394-1986——金属平均晶粒度测定法,通过与标准评级图对比来评定晶粒度,对于拉拔变形后的非等轴晶的晶粒度的测量不能采用比较法。 脱碳 线材在加热轧制过程中,由于高温,表面严重氧化而内层产生脱碳,如图2-9所示,脱碳层厚度大小与炉内气氛、加热温度、冷却速度、轧制方法和钢的成分(主要是含碳量)等密切相关。弹簧钢丝,特别是高级弹簧钢丝、工具钢丝、需淬火的紧固件等,对材料脱碳有严格的要求,因为脱碳严重,会影响材料的硬度、耐磨性及疲劳性能。一般程度的脱碳,经过多次酸洗和反复拉拔可以有所改善。 脱碳是线材表层上的碳损失。这种损失可以是部分脱碳、全脱碳(或近似于全脱碳)。通常线——钢的脱碳层深度测定方法来检测,线材表面脱碳深度是指单边总脱碳层,其深度是部分脱碳和全脱碳的总和。各种线材所允许的脱碳层深度应在有关产品技术条件中规定。 表层局部碳含量高 在低、中碳钢的线材表面局部区域出现高碳钢的组织,经成分分析,此处碳含量远高于基体的平均碳含量,有这种缺陷的碳钢线材,在拉拔过程中通条性能较差,塑性会变坏,表面还容易产生横裂或龟裂。 表层局部碳含量偏高的可能因素在于:保护渣的卷入,引起表面局部富碳;钢坯被加热到高温状态时,如果加热炉管理不善,油嘴雾化不良,还可能导致线材表层的含碳量局部增高。 表面碳化物 表面局部存在的块状及网状碳化物,如图2-10所示。这种缺陷在冷拔时,线材表面易产生横裂并形成沿晶脆性断裂。有时这种缺陷在机械剥壳时就出现表面一侧开裂,或平切断裂,所以危害较大。 线材表面网状及块状碳化物的形成可能与连铸时保护渣卷入有关。结晶器液面波动性较大,当液面下降时,靠结晶器壁处会出现渣条,如果操作工来不及将渣条捞出,就可能卷入钢液,并附结在钢坯表面,带有这种缺陷的铸坯很难被发现并清理。保护渣的碳含量一般在2%-5%,这种表面局部含高碳量的铸坯,在加热炉内无法充分扩散,制后会在线材表面析易出网状及块状碳化物。 心部马氏体及网状碳化物 无扭控冷热轧线材心部的马氏体及网状碳化物的形态如图2-11及图 2-12所示,图中所揭示的马氏体及网状碳化物的相对较严重,在线材中一般较少出现这样的情况,相对尺寸较小的马氏体及不连续的沿晶界析出的半网状碳化物出现的较为普遍。大量实践证明,相对尺寸较小的马氏体及半网状碳化物对线材的拉拔性能不会产生太大的影响。此外,这种缺陷的产生有一个特点,在高碳、大规格线材心部较普遍存在马氏体及半网状碳化物,在低中碳钢及小规格线材心部一般不会出现此类缺陷。 对于无扭控冷热轧线材的显微组织,虽然国内相关标准规定,在线材内部不得出现淬火组织(马氏体、下贝氏体和屈氏体)和网状碳化物,但由于生产方式、设备状况以及工艺水平等因素的影响,国内外无扭控冷热轧线材内部时有淬火马氏体、屈氏体以及心部网状碳化物的出现。国外还针对这一现状提出了产品采购标准,如规定马氏体的最大长度不得大于20μm,网状碳化物不得大于2级等。 研究认为,对0.70%以上含碳量的线材,轴心元素偏析是产生马氏体及网状碳化物的直接原因。轴心较严重的碳偏析及大规格线材在心部冷却较慢可能会促成网状碳化物的析出;轴心锰、铬等合金元素的偏析产生马氏体组织。 当马氏体尺寸较大、碳化物构成区域性封闭网状时,对拉拔性能有较严重的影响,大大削弱了基体组织的均匀性,破坏了线材的塑韧性及通条性能,因其引起不均匀变形或阻碍变形会造成线材在拉拔过程中会出现杯锥及平齐脆性断裂。 引起线材心部轴心元素偏析的原因在炼钢、连铸的工艺过程中。从大量的连铸坯的质量检验中发现,当连铸坯中心等轴晶区所占比例过小,树枝晶区所占比例较大时,这种钢坯经热轧控冷后较易出现网状碳化物及马氏体组织。等轴晶区过小,碳偏析严重,为线材心部网状碳化物的析出创造了热力学条件;树枝晶区较大,钢中晶间偏析(合金元素偏析,如Cr、Mn)较严重,锰、硅、铬等合金元素,使偏析区域相变时,C曲线右移,达到了产生马氏体的形成条件。 从结晶原理来看,铸坯从结晶器出来后,到凝固末端,铸坯的柱状晶向中心生长,碰到一起造成“搭桥”,桥阻止了上面的钢液向下面凝固穴的补充,当桥下的钢液全部凝固后,在中心产生疏松及缩孔,而中心偏析是与中心疏松,缩孔相伴产生,通过电磁搅拌,在钢液内部产生的旋转运动,改善了固液相之间的热交换,液芯温度梯度减小,成分均匀,在继续冷却过程中液芯达到同时结晶,总之,减轻凝固前沿的温度梯度,使柱状晶的生长条件受到抑制,明显减少中心疏松及缩孔,提高等轴晶区所占比例,可达到降低偏析的作用。 连铸时采用结晶器和凝固末端组合电磁搅拌,对中心偏析产生了明显的改善, 特别对减少连铸坯的中心偏析程度起到了至关重要的作用,线材心部偏析随之得到明显改善,组织均匀,通条性能优良,心部区域网状渗碳体的析出数量很少,且以短线形或游离状分布;因合金元素富集而形成的马氏体亦很少出现,即使出现马氏体,此尺寸均在20μm以下,组织形态如图2-13所示。此外,影响连铸坯的偏析因素还包括中间包的过热度、连铸速度、拉速稳定性、冷却方式等方面。 为了确保线材的组织优良,还需要优化轧钢工艺。吐丝后线材的冷却能力不足能导致网状渗碳体的析出;冷却速度过快易于在合金元素富集区形成马氏体,这一矛盾决定了冷却速率选择十分重要,且对控制大规格高碳线材的成品组织尤其重要。 2.3.3 时效及其作用 线材中所存在的内应力及气体,随着时间的延长, 气体对时效性能的影响 氮在α—Fe中的溶解度在590℃时达到最大,约为0.1%,在室温时降到0.001%以下,当将含氮量较高的线材自高温较快地冷却,铁素体中溶氮量达到过饱和,如果将此线材在室温下放置一段时间,氮将逐渐以氮化物的形式沉淀析出,这使低碳钢的强度、硬度上升,但塑性下降。这种时效对低碳钢的性能影响较大,对高碳线材,氮含量应严格控制在一定的范围内,否则氮所引起的自然时效对线材的性能就会产生较大的不良影响。 线材中的氢一般是由锈蚀含水的炉料、油污带入或从含有水蒸气的炉汽中吸入,在高温下分解出氢,部分溶于液态金属中,凝固后若冷却较快,氢将过饱和存在线材中。 时效的一般规律 线材的时效效果已被大量实验所证实。国内不少厂家要求中、粗规格线天以后再使用,正是考虑时效的影响。某厂72B-1(Φ13)线材时效时间与力学性能之间的变化情况示于表2-1。 表中所列数据表明线材经一段时间自然时效后存在以下规律: 1、线材的抗拉强度变化幅度不大; 2、线材的断面收缩率有较大幅度的增加,这将有利改善线天的自然时效后使用,线材的力学性能基本稳定。 表2-1 72B-1φ13盘条力学性能随天数的变化(

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