高碳鋼線材生產(chǎn)軋后冷卻工藝探討

朱鳳泉

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇243005）

0 引言

高碳鋼線材產(chǎn)品主要包括輪胎鋼絲、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲繩、樂器和鋼琴弦線以及彈簧鋼用高線盤條。輪胎鋼絲的質(zhì)量要求較高高，外包裹黃銅層用來加強(qiáng)子午線輪胎帶束層或胎體區(qū)域的強(qiáng)度，它可被拉拔到0.15 mm 細(xì)；預(yù)應(yīng)力鋼絞線為編制線，主要用來加固預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。目前，我國高碳鋼線材產(chǎn)品質(zhì)量有了很大的提高，部分產(chǎn)品已達(dá)到世界一流水平，可以代替進(jìn)口，但仍有相當(dāng)大部分的產(chǎn)品需要進(jìn)口。隨著國家供給側(cè)改革，對高碳鋼線材產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求，這就需要對高碳鋼線材的生產(chǎn)工藝進(jìn)行梳理、分析、優(yōu)化，以此來促進(jìn)高碳鋼線材產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

1 高附加值高碳鋼線材產(chǎn)品主要問題

高附加值高碳鋼線材產(chǎn)品生產(chǎn)中主要存在尺寸精度與表面質(zhì)量不佳、內(nèi)部成分不均和金相組織與力學(xué)性能不穩(wěn)定等這幾方面問題。

1.1 線材表面質(zhì)量缺陷問題

線材的表明質(zhì)量缺陷主要表現(xiàn)為：直徑尺寸通條性差、公差大、不圓度大，表面劃傷、結(jié)疤、折疊，表面氧化鐵皮厚和表面脫碳嚴(yán)重等。

1.2 線材內(nèi)部質(zhì)量缺陷問題

線材的內(nèi)部質(zhì)量缺陷主要表現(xiàn)為：純凈度不高，非金屬夾雜嚴(yán)重，成分波動(dòng)大，網(wǎng)狀碳偏析嚴(yán)重等。

1.3 線材金相組織缺陷問題

由于成分問題的缺陷以及冷卻工藝的不合理導(dǎo)致的成品線材索氏體組織晶粒尺寸大且不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致盤條的力學(xué)性能不穩(wěn)定，通條性能不均勻等問題，給下游加工企業(yè)帶來了制品性能不合格、斷絲率高等問題。

2 高碳鋼線材產(chǎn)品性能質(zhì)量的改進(jìn)措施

2.1 高碳鋼線材表面質(zhì)量的改進(jìn)措施

線材表面質(zhì)量缺陷問題主要是由鋼坯表面質(zhì)量、高速線材軋機(jī)的工藝、設(shè)備和坯子加熱質(zhì)量引起的。線材的尺寸精度與表面質(zhì)量改進(jìn)的主要措施：

（1）通過對來料鋼坯表面缺陷進(jìn)行精整修磨，來改善盤條的表面質(zhì)量。

（2）通過高速線材軋機(jī)減定徑機(jī)組來解決線材尺寸精度問題，可實(shí)現(xiàn)線材直徑±0.1～±0.15 mm 尺寸公差。

（3）設(shè)計(jì)合理的孔型、做好輥面的清理工作、及時(shí)更換磨損嚴(yán)重的易損件、精心打包吊運(yùn)，以減少盤條表面的損傷。

（4）嚴(yán)格按照高碳鋼加熱升溫曲線進(jìn)行操作，控制好加熱爐氣氛，避免鋼坯過燒或過氧化。

2.2 線材內(nèi)部質(zhì)量缺陷的改進(jìn)措施

線材內(nèi)部質(zhì)量缺陷主要是由煉鋼和連鑄工藝造成的。

（1）嚴(yán)格LF 爐精煉工藝，可有效減少非金屬夾雜物，降低鋼中 [O]、[N]、[H]等有害氣體含量、減小鋼水成分波動(dòng)。

（2）連鑄工藝通過降低鋼水的過熱度、動(dòng)態(tài)輕壓下和電磁攪拌等措施來改善高碳鋼坯網(wǎng)狀中心碳偏析的問題。

2.3 線材金相組織缺陷問題改進(jìn)措施

線材的金相組織、力學(xué)性能則主要與微觀組織緊密相關(guān)。微觀組織取決于化學(xué)成分、控溫軋制（晶粒度）和斯太爾摩風(fēng)冷工藝（絕好的珠光體片層間距且無網(wǎng)碳組織），其典型高碳鋼82B CCT 曲線如圖1 所示。

微觀組織的形成：奧氏體晶粒度由軋制溫度決定，但奧氏體如何相變是由盤條在斯太爾摩風(fēng)冷輥道上的冷卻速率決定的，風(fēng)冷輥道上的強(qiáng)制風(fēng)冷將使線材冷卻曲線穿過相變區(qū)的“鼻尖”部分，從而可使成品形成非常好的珠光體片層結(jié)構(gòu)間距。冷卻速率低會(huì)導(dǎo)致珠光體片層間距變大，同時(shí)導(dǎo)致形成網(wǎng)碳，減小了盤條的抗拉強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)特性；冷卻速率高可以獲得最佳的珠光體組織，同時(shí)可減少（大規(guī)格產(chǎn)品）或消除了（小規(guī)格產(chǎn)品）高碳鋼盤條的網(wǎng)碳結(jié)構(gòu)。

綜上所述，雖然線材的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量缺陷對高碳鋼盤條的理化性能指標(biāo)有影響，但與高碳鋼盤條金相組織缺陷的影響相比，其影響相對是次要的，問題也容易解決。因此，作者認(rèn)為軋后冷卻工藝是高附加值高碳鋼線材生產(chǎn)的關(guān)鍵，冷卻速率成為成品金相組織的關(guān)鍵，軋后冷卻工藝就成為高碳鋼高線生產(chǎn)的核心工藝。本文將重點(diǎn)分析線材軋后冷卻工藝和冷卻效果。

圖1 典型高碳鋼82B CCT 曲線

3 高碳鋼線材軋后冷卻形式

線材軋后冷卻主要包括高線精軋機(jī)（或減定徑機(jī)組）后水冷和吐絲機(jī)至集卷站間的冷卻。軋后冷卻的目的是獲得各種鋼種需要的均勻組織和力學(xué)性能，控制通條性能均勻性，減少二次氧化鐵皮產(chǎn)生量，減少或取消下游拉拔前的退火工藝等[1-2]。其主要有以下四種軋后冷卻方式：斯太爾摩風(fēng)冷線（網(wǎng)格化風(fēng)量分配系統(tǒng)）工藝；DLP（Direct in-line Patenting）工藝；EDC（Easy Drawing Conveyor）工藝；氣霧淬火冷卻工藝。

3.1 斯太爾摩風(fēng)冷線工藝

斯太爾摩風(fēng)冷線工藝為在輥道運(yùn)輸?shù)纳⒕砝鋮s運(yùn)輸線下設(shè)若干個(gè)風(fēng)機(jī)對運(yùn)輸線上的線圈進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，傳統(tǒng)上主要通過調(diào)整輥道速度來控制線圈間距、控制每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量以及開啟風(fēng)機(jī)的數(shù)量來達(dá)到一定的冷卻速率，以獲得良好的產(chǎn)品金相組織。

傳統(tǒng)的斯太爾摩風(fēng)冷線工藝的缺點(diǎn)：一是線圈在運(yùn)輸輥道上冷卻不均；二是冷卻速率滿足不了高碳鋼的工藝要求。冷卻不均的解決方式是：在傳統(tǒng)的斯太爾摩風(fēng)冷線上增加了網(wǎng)格化風(fēng)量分配系統(tǒng)，網(wǎng)格化風(fēng)量分配系統(tǒng)使用一組可調(diào)整的帶網(wǎng)格鋼板，通過控制網(wǎng)格的密度來控制通過吹風(fēng)噴嘴甲板去到輥道上縱向的風(fēng)量，線圈密度高的輥道兩側(cè)分配到更多的風(fēng)量以改善冷卻的均勻性，從而減少線圈的同圈差。而冷卻速率受到風(fēng)冷方式的特性而無法大幅度提升，因而衍生出鹽浴、溫水和氣霧冷卻等多種方式來提升冷卻速率。

3.2 DLP（Direct in-line Patenting）工藝

DLP 工藝，即直接在線鹽浴淬火處理工藝，是一種使線材在鹽浴中等溫相變的工藝，根據(jù)線材化學(xué)成分的不同改變溫度，從而優(yōu)化線材相變過程，其工藝路線如圖2 所示。線材經(jīng)吐絲成卷后進(jìn)入1#鹽槽，在鹽槽中盤條隨著一定的速度移動(dòng)，使線材快冷到一定的溫度，然后線材繼續(xù)進(jìn)入2#鹽槽冷卻，鹽槽中采用電加熱方式控制鹽槽的溫度來控制線材的冷卻速度，在第二階段冷卻過程中完成奧氏體—索氏體相變，形成細(xì)小均勻的組織。盤條最后進(jìn)入清洗線，用溫水沖洗掉殘留在其表面的殘鹽，最后集卷成盤。

圖2 DLP 工藝流程圖

3.3 EDC（Easy Drawing Conveyor）工藝

EDC 工藝是一種使線材在水浴中等溫相變的工藝，其工藝流程示意圖如圖3 所示，是將線材在接近沸點(diǎn)的水中持續(xù)冷卻15 到100 秒，線材在出水浴時(shí)的溫度大約為400 ℃。線材經(jīng)吐絲成圈后進(jìn)入熱水槽，通過水淬提高冷卻速率來提高索氏體化率。其提高冷卻速率主要通過調(diào)整水溫、調(diào)整輥道角度和調(diào)整盤條的運(yùn)行速度來實(shí)現(xiàn)。

3.4 TOA Mist Patenting 氣霧淬火冷卻工藝

圖3 EDC 工藝流程示意圖

氣霧冷卻工藝TMP 為TOA 鋼鐵公司與摩根共同開發(fā)的冷卻工藝，為了增強(qiáng)斯太爾摩工藝的靈活性和工藝處理能力，其工藝路線如圖4 所示。氣霧冷卻的設(shè)備位于斯太爾摩輥道的第一段，氣霧冷卻設(shè)備按照工藝要求從1 段到3 段不等（9 米一段）。空氣和水混合形成的氣霧通過裝在輥道上的一系列噴頭直接噴到線圈上。在噴頭上方還裝有排風(fēng)管道和風(fēng)機(jī)，用來在冷卻線圈的過程中將過量的氣霧抽出。在輥道甲板下的斯太爾摩風(fēng)機(jī)同時(shí)向上高壓吹風(fēng)，用來協(xié)助冷卻并消除蒸汽。整個(gè)廢氣和水霧冷卻系統(tǒng)可整體橫移至離線，從而使輥道具有和常規(guī)斯太爾摩冷卻輥道擁有相同的工藝靈活性。

圖4 氣霧淬火冷卻工藝示意圖

3.5 上述四種工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比

上述四種軋后冷卻工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比詳見表1所示。

表1 四種軋后冷卻工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比表

4 結(jié)論

通過分析線材表面質(zhì)量缺陷、內(nèi)部質(zhì)量缺陷、金相組織缺陷對高碳鋼盤條性能的影響，作者認(rèn)為金相組織缺陷的影響相比更加突出，因此高碳鋼線材軋后冷卻工藝是高附加值高碳鋼高線生產(chǎn)的關(guān)鍵。本文分析了四種軋后冷卻方式，其中斯太爾摩風(fēng)冷線工藝最成熟，在現(xiàn)有生產(chǎn)中大量采用，但其改善微觀組織的效果最小；其他三種工藝都是比較先進(jìn)，其中 EDC（Easy Drawing Conveyor）工藝在中國已經(jīng)有應(yīng)用，并取得了不錯(cuò)的效果。