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1、,高速线材产品 质量控制技术,第一章 控制轧制基础一、控制轧制的概念 控制轧制是指在比常规轧制温度稍低的条件下，采用强化压下和控制冷却等工艺措施来提高热轧钢材的强度、韧性等综合性能的一种轧制方法。控制轧制钢的性能可以达到或者超过现有热处理钢材的性能。二、控制轧制的优点 控制轧制具有常规轧制方法所不具备的突出优点。归结起来大致有如下几点：（1）用控制轧制方法生产的钢材，其强度和韧性等综合机械性能有很大的提高。,（2）简化生产工艺过程。控制轧制可以取代常化等温处理。 （3）由于钢材的强韧性等综合性能得以提高，自然地导致钢材使用范围的扩大和产品使用寿命的增长。从生产过程的整体来看，由于生产工艺过程的
2、简化，产品质量的提高，在适宜的生产条件下，会使钢材的成本降低。 （4）用控制轧制钢材制造的设备重量轻，有利于设备轻型化。 三、控制轧制的种类 控制轧制是以细化晶粒为主，用以提高钢的强度和韧性的方法。控制轧制后奥氏体再结晶的过程，对获得细小晶粒组织起决定性作用。根据,奥氏体发生塑性变形的条件，控制轧制可分为三种类型。 （一）再结晶型的控制轧制 它是将钢加热到奥氏体化温度，然后进行塑性变形，在每道次的变形过程中或者在两道次之间发生动态或静态再结晶，并完成其再结晶过程。经过反复轧制和再结晶，使奥氏体晶粒细化，这为相变后生成细小的铁素体晶粒提供了先决条件。为了防止再结晶后奥氏体晶粒长大，要严格控制接近
3、于终轧几道的压下量、轧制温度和轧制的间隙时间。终轧道次要在接近相变点的温度下进行。为防止相变前的奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒长大，特别需要控制轧后冷却速度。,（二）未再结晶型控制轧制 它是钢加热到奥氏体化温度后，在奥氏体再结晶温度以下发生塑性变形，奥氏体变形后不发生再结晶（即不发生动态或静态再结晶）。因此，变形的奥氏体晶粒被拉长，晶粒内有大量变形带，相变过程中形核点多，相变后铁素体晶粒细化，对提高钢材的强度和韧性有重要作用。 （三）两相区控制轧制 它是加热到奥氏体化温度后，经过一定变形，然后冷却到奥氏体加铁素体两相区再继续进行塑性变形，并在Ar1温度以上结束轧制。在两相区的高温区，铁素体易发
4、生再结晶；在两相区的低温区只发生回复。经轧制的奥氏体相转变成,细小的铁素体和珠光体。由于碳在两相区的奥氏体中富集，碳以细小的碳化物析出。因此，在两相区中只要温度、压下量选择适当，就可以得到细小的铁素体和珠光体混合物，从而提高钢材的强度和韧性。在实际轧制中，由于钢种、使用要求、设备能力等各不相同，各种控制轧制可以单独应用，也可以把两种或三种控制工艺配合在一起使用。 第二章 控制冷却工艺要求 第一节 控制冷却基本知识 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着极其重要的影响。因此，如何进行线材的轧后冷却，是整个线材生产过程
5、中产品质量控制的关键环节之一。,一、控制冷却的概念 轧钢生产中的冷却方法有许多种，但归纳起来只有以下两大类。 1、常规冷却 常规冷却的含义是指从轧机出来的热轧产品在其后的剪切、收集、打捆包装等精整工序中不，加以任何控制手段，而让其在周围环境中自然冷却的一种方法，又称“自然冷却”。 2、控制冷却 控制冷却在轧钢领域内属于控制轧制的范畴，它是指人们对热轧产品的冷却过程有目的地进行人为控制的一种方法。确切地说，所谓控制,冷却，就是利用轧件热轧后的轧制余热，以一定的控制手段控制其冷却速度，从而获得所需要的组织和性能的冷却方法。 二、线材控制冷却的目的和要求 在一般的小型线材轧机上，由于轧制速度低，终轧
6、温度不高（一般只有750850），且线卷盘重不大，所以轧后的盘卷通常只是采用钩式或链式运输机进行自然冷却。尽管这种自然冷却的冷却速度慢，但因盘卷小，温度低，故对整个线材盘卷的组织和性能影响不大。随着线材轧机的发展，线材的终轧速度和终轧温度都不断提高，盘重也不断增加。尤其是现代化的连续轧机，其终轧速度在)100m/s以上，终轧温度高于1000，盘重也由原来的几十公斤增至几百公斤甚至达23t。在这种情况下，再采用一般的堆积,和自然冷却的方法不仅使线材的冷却时间加长，厂房设备增大，而且会加剧盘卷内外温差，导致 冷却极不均匀，并将造成以下不良后果： （1）金相组织不理想。晶粒粗大而不均匀，由于大量的先
7、共析组织出现，亚共析钢中的自由铁素体和过共析钢中的网状碳化物增多，再加上终轧温度高，冷却速度慢，使得晶粒十分粗大，这就导致了线材在以后的使用过程中和再加工过程中力学性能降低。 （2）性能不均匀。盘卷的冷却不均匀使得线材断面和全长上的性能波动较大，有的抗拉强度波动达240MPa，断面收缩率波动达12%。 （3）氧化铁皮过厚，且多为难以去除的Fe3O4和Fe2O3。这是因为在自然冷却条件下，,盘卷越重盘卷厚度越大，冷却速度越慢，线材在高温下长时间停留而导致严重氧化。自然冷却的盘条氧化损失高达2%3%，降低了金属收得率。此外，严重的氧化铁皮造成线材表面极不光滑，给后道拉拔工序带来很大困难。 （4）引
8、起二次脱碳。由于线材成卷堆冷，冷却缓慢，对于含碳量较高的线材来说，容易引起二次脱碳。 上述不良影响随着终轧温度的提高和盘重的增加而越加显著。若适当地控制线材冷却速度并使之冷却均匀，则能有效地消除这些影响。因此，对于连续式线材轧机，尤其是高速线材轧机，为了克服上述缺陷，提高产品质量，实现轧,制后的控制冷却是必不可少的。 既然自然冷却中出现的线材质量问题主要是由于冷却速度太慢所致，所以工艺上对线材控制冷却提出的基本要求是能够严格控制轧件的冷却速度，使其既能保证产品质量符合要求，又能尽量地减少氧化损耗。 三、控制冷却的金属学原理 1、铁碳合金状态图简介 钢是一种以铁为基体的合金。不同成分的铁碳合金在
9、不同温度下有不同的组织状态。把在十分缓慢的冷却速度下得到的、反映铁碳合金结构状态和温度、成分之间关系的一种图解称为铁碳合金状态图或称铁碳相图。它以成分为横坐标，,以温度为纵坐标，用曲线描述铁碳合金的结晶温度和同素异构转变温度随成分而变化的全部过程。 通过合金状态图可以知道，碳钢加热到某一温度是什么状态，并能分析出钢在缓慢加热和缓慢冷却过程中的组织转变。因此，铁碳合金状态图是确定碳钢加热、轧制和冷却工艺的参考依据。 2、钢的组织状态 由铁碳合金状态图可知，钢在不同的温度下具有不同的组织状态。铁碳相图上反映的组织状态有奥氏体、铁素体、渗碳体和珠光体。它们分别具有如下性能和结构特点： （1）奥氏体。
10、碳在面心立方晶格铁中的固溶体。它是钢加热到一定温度（723）以上所呈现的一种组织状态。奥氏体的强度不高，而塑性、,韧性都很好。因此，热轧一般是在奥氏体状态下进行。 （2）铁素体。碳在体心立方晶格铁中的固溶体。它的碳溶解度很小。随着温度的变化，在723时碳溶解量最大，但也只有0.025%。铁素体质软，强度低，延展性好。 （3）渗碳体。3个铁原子和一个碳原子的化合物，其分子式为Fe3C。渗碳体中的碳溶解量为6.67%。其性质为硬而脆。 （4）珠光体。铁素体和渗碳体在温度低于723时组成的机械混合物。它的机械性能介于铁素体和渗碳体之间。 根据珠光体中铁素体和渗碳体相间间距的大小（又称珠光体粗细程度）
11、，将珠光体分为三种：,间距较粗大的称为珠光体或粗珠光体；间距较细小的称为索氏体；间距极细小的称为屈氏体。其中索氏体具有良好的综合机械性能。它既有较高的强度，又有一定的塑性和良好的冲击韧性，是拉拔工艺的一种较理想的组织。 3、钢的组织转变 钢在加热后的轧制过程中是处于奥氏体状态。轧后的冷却过程中，奥氏体将发生分解转变。奥氏体不同的分解温度（即不同的冷却速度）则可能得到不同的组织状态。 控制冷却的实质就是控制奥氏体的分解温度。对于线材产品，绝大多数是要求得到具有良好拉拔性能的索氏体组织。而获得这种组织的传统方法,是对线材重新进行铅浴淬火处理。这就给后道再加工工序带来困难，使生产成本增加，工人劳动强
12、度增大。采用控制冷却新工艺，不但能够避免热轧后自然冷却的一系列不良影响，而且还能收到近似铅浴淬火的效果，因而能够取代铅浴淬火。 第二节 线材控制冷却的工艺要求 线材轧后冷却的目的主要是得到产品所要求的组织与性能，使其性能均匀和减少二次氧化铁皮的生成量，为了减少二次氧化铁皮量，要求加大冷却速度。要得到所要求的组织和性能，则需根据不同品种，控制冷却工艺参数。一般线材轧后控制冷却过程可分为三个阶段，第一阶段的主要目的是为相变作组织准备及减少二次氧化铁皮生成量。一般采用快速冷却，冷却到相变前温度,，此温度称为吐丝温度；第二阶段为相变过程，主要控制冷却速度；第三阶段相变结束，除有时考虑到固溶元素的析出采
13、用慢冷外，一般采用空冷。 按照控制冷却的原理与工艺要求，线材控制冷却的基本方法是：首先让轧制后的线材在导管（或水箱）内用高压水快速冷却，再由吐丝机把线材吐成环状，以散卷形式分布到运输辊道（链）上，使其按要求的冷却速度均匀风冷，最后以较快的冷却速度冷却到可集卷的温度进行集卷、运输和打捆等。因此，工艺上对线材控制冷却提出的基本要求是能够严格控制轧件冷却过程中各阶段的冷却速度和相变温度，使线材既能保证性能要求，又能尽量地减少氧化损耗。各钢种的成分,不同，它们的转变温度、转变时间和组织特征各不相同。即使同一钢种只要最终用途不同，所要求的组织和性能也不尽相同。 因此，对它们的工艺要求取决于钢种、成分和最
14、终用途。一般用途低碳钢丝和碳素焊条钢盘条一般用于拉拔加工。因此，要求有低的强度及较好的延伸性能。 低碳钢线材硬化原因有两个，即铁素体晶粒小及铁素体中的碳过饱和。铁素体的形成是形核长大的过程，形核主要是在奥氏体晶界上。 因此奥氏体晶粒大小直接影响铁素体晶粒大小，同时其他残余元素及第二相质点也影响铁素体晶粒形成。为了得到比较大的铁素体晶粒，就需要,有较高的吐丝温度以及缓慢的冷却速度，先得到较大的奥氏体晶粒，同时要求钢中杂质含量少。 铁素体中过饱和的碳，可以以两种形式存在：一种是固溶在铁素体中起到固溶强化作用；另一种是从铁素体中析出起沉淀强化作用，两者都对钢的强化起作用。但对于低碳钢来说，沉淀强化对
15、硬化的影响较小，因此必须使溶于铁素体中的过饱和碳沉淀出来。这个要求可以通过整个冷却过程的缓慢冷却得到实现。所以对这两类钢的工艺要求是高温吐丝，缓慢冷却，以便先共析铁素体充分析出，并有利于碳的脱溶。这样处理的线材组织为粗大的铁素体晶粒，接近单一的铁素体组织。它具有强度低、塑性高，延性大的特点，便于拉拔加工。,第三章 控制冷却工艺方法 自60年代世界第一条线材控制冷却线问世以来，各种新的线材控冷方法和工艺不断出现。迄今为止，世界上已经投入应用的各种线材控冷工艺装置至少有十多种，充分体现了世界各国20多年来为改善线材产品性能而作出的巨大努力及高速轧机线材生产中控冷工艺的演变和发展。从各种工艺的布置和
16、设备特点来看，不外乎两种类型；一类是采用水冷加运输机散卷风冷（或空冷），这种类型中较典型的工艺有美国的斯太尔摩冷却工艺、英国的阿希洛冷却工艺、德国的施罗曼冷却工艺及意大利的达涅利冷却工艺等；另一类是水冷后不用散卷风（空）冷，而用其他介质或用其他布圈方式冷却。,一、工艺特点及类型 斯太尔摩控制冷却工艺是由加拿大斯太尔柯钢铁公司和美国摩根公司于1964年联合提出的，目前已成为应用最普遍、发展最成熟、使用最为稳妥可靠的一种控制冷却工艺。据统计，该冷却线在世界上已投产的约208条。该工艺是将热轧后的线材经两种不同冷却介质进行不同冷却速度的两次冷却，即一次水冷，一次风冷。斯太尔摩控冷工艺最大的特点是为了适应不同钢种的需要。 二、工艺布置 斯太尔摩控制冷却的工艺布置是：线材从精,轧机组出来后，立即进入由多段水箱组成的水冷段强制水冷，然后由夹送辊送入吐丝机成圈，并呈散卷状布放在连续运行的斯太尔摩运输机上，运输机下方设有风机可鼓风冷却，最后进入集卷筒收集。线材的水冷是在水冷喷嘴和导管里
