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1、高碳钢线材生产控轧控冷工艺王刚（材料成型及控制工程12）摘要介绍鞍钢高线生产高碳钢线材的创新与实践。通过对高碳钢控轧控冷工艺 的探索与试验，指出影响高碳钢组织性能与加工性能的控轧控冷工艺因素，如轧 制速度、连轧张力、控冷工艺、相变前组织的均匀化程度等。阐述高碳钢氧化铁 皮的生成机制及氧化铁皮脱落控制方法。采用EDC技术开发16 mm YL82B高碳 钢线材，产品抗拉强度1 1951 230 MPa，断面收缩率23%30%索氏体化率 80%,产品经拉拔后合股制成1X7、216mm1 860 MPa级钢绞线，并用于矿山 锚固工程。关键词高碳钢线材；控轧控冷；EDC技术；抗拉强度；AbstractT
2、o introduce the innovation and practice of Ansteel high speed wire rod on high carbon steel wire rod produc-tion. Through exploration and test of high carbon wire rod control rolling and control cooling, the factors affect the propertyof high carbon steel is pointed out , such as rolling speed , rol
3、ling tension, control cooling process, uniform of microstructurebefore phase transformation and so on. The formation mechanism and controlling method of iron scale of high carbon steelintroduced. Diameter 16 mm YL82B high carbon steel wire rod is developed by adopting EDC technology, tensile strengt
4、his 1 195 to 1 230 MPa, area reduction is 23 % to 30% , sorbite rate is no less than 80%.1 860 MPa class strand of 1 X 7,diameter 21. 6 mm after drawing and stranding is made, and used for mine anchoring engineering.Keywords high carbon steel wire rod; control rolling and control cooling; EDC techno
5、logy; tensile strength; sorbite; networkcementite1. 引言国内汽车、航空航天等领域的发展对产品及相关原材料质量和性 能的要求越来越高。高碳线材原材料应具有以下特征 化学成分波动 小，特别是碳质量分数波动W0.03% ;成分均匀化程度高，偏析等级 低，如帘线钢要求碳偏析控制在1.14以下；钢质纯净度高，各类夹杂物及残余元素等级低；表面缺陷少甚至无缺陷；个性化性能质量 设计，通过成分、轧控冷工艺调整达到对线材组织和通条性能的精确 控制，降低通条性能的波动以利于拉拔；产品尺寸精度高；包装防护 牢固；符合国家产业发展政策，如轻量化、节能环保等。高碳钢线
6、材碳质量分数一般不小于0.60%，组织以索氏体为主。通常高碳钢线 材根据拉拔钢丝直径不同被用来制造精细钢丝、钢丝绳和钢绞线。其 中精细钢丝主要包括帘线钢丝、切割钢丝、胶管钢丝等，钢丝直径通 过控制热轧时的温度，压下量等条件，使其最佳化，从而在最终轧制道 次完成时得到与正火相同的微细奥氏体组织的省略热处理的一种轧 制技术.以钢的化学成分适当调整或添加微合金元素Nb、V、iT为基 础，在热轧过程中对钢坯加热温度、开轧温度、变形量、终轧温度及 轧后冷却各工艺实行最佳合理控制，可细化奥氏体铁素晶粒，通过强化 及位错亚结构强化机制,提高钢材力学性能。2. 控制轧制的主要轧制方法2.1控温轧制(CR)控温
7、轧制即完全再结晶型的控制轧制的工艺，全部变形要在奥氏 体再结晶区进行,终轧温度不低于奥氏体再结晶温度的下限，道次变形 量不低于奥氏体再结的临界变形量。控温轧制主要通过在一定温度范 围内(奥氏体再结晶区)变形处理,使轧材最终结构组织符合标准条件 要求。其优点是减少脱碳，控制晶粒尺寸，改善钢的织、性能及控制氧 化铁皮的生成量。在线材终轧过程中采用的变形制度,一般是粗轧时 在奥氏体再结晶区轧制，反复变形使再结晶晶粒细化;中轧、预精轧及 精轧在950C以下轧制，处于奥氏相的未再结晶区，其累计变形量为60% 一 75%，在iA3附近终轧，这样得到存在于大量变形带的奥氏体未再结 晶晶粒，使相变以后得到细小
8、的铁素体晶粒。22两阶段轧制两阶段控制轧制是完全再结晶型与未再结晶型配合的轧制工艺，也就是在完全再结晶区进行一定道次的变形，在部分再结晶区进行待 温或快速冷却，而在奥氏体未再结晶区继续轧制一定道次，并在未再结 晶区结束轧制。在完全再结晶区轧制时，变形温度一般在1000C以上, 轧后轧件的温度须高于950C，确保奥氏体完全再结晶;道次变形量主 要由不同温度下的再结晶临界变形量来确定，道次变形量必须大于奥 氏体的临界变形量，总变形量为60% 80%;此阶段主要利用静态再结 晶过程来细化晶粒,即轧材经多道次轧制变形和多次再结西安建筑科 技大学硕士学位论文晶以达到细化奥氏体晶粒的目的。在未再结晶区 轧
9、制时，不发生奥氏体再结晶的过程。在奥氏体再结晶区轧制,加大道 次变形量，可增多奥氏体晶粒中滑移带和位错密度，且可增大有效晶界 面积,为铁素体相变形核创造条件，使韧性提高，脆性转变温度下降。2.3三阶段控制轧制三阶段控制轧制是完全再结晶型、未再结晶型及奥氏体与铁素体 两相区轧制相配合的轧制工艺。2.3.1奥氏体再结晶型控制，在奥氏体变形过程中和变形后自发产生 奥氏体再结晶的区域轧制,温度在1000C以上。奥氏体变形过程中发 生动态再结晶，变形后发生静态再结晶，两种再结晶均要求变形量超过 其临界变形量2.3.2奥氏体未再结晶型控制，根据钢的化学成分不同奥氏体未再结 晶区的温度。提高反复变形再结晶，
10、细化奥氏体晶粒，细化后的奥氏体 再结晶晶粒通过相变得到细的铁素体晶粒;西安建筑科技大学硕士学 位论文范围在950C为3区间，此区间奥氏体不发生再结晶,塑性变形使奥氏体晶粒拉长，奥氏体晶粒内形成变形带,Nb、V、iT微量元素 的碳氮化物应变诱发沉淀,变形奥氏体晶界是铁素体优先形核的部位, 奥氏体晶粒拉长,阻碍铁素体晶粒长大，随变形量加大,变形带数目增 加,晶内分布更加均匀。2.3.3(Y+Q)两相区变形阶段，当轧制温度继续降低到iA3温度以下时, 不但奥氏体晶粒,部分相变后的铁素体晶粒也要被轧制变形，在铁素体 晶粒内部形成大量位错,这些位错在高温形成亚结构，亚结构使材料强 度提高，脆性转变温度降
11、低。三阶段轧制工艺在具有两阶段轧制工艺 特点基础上，使轧材温度达到奥氏体和铁素体(Y+a)两相区进行轧制， 通过位错强化和晶粒细化使轧材强度进一步提高，降低了脆性转变温 度。2.3.4低温轧制技术就是在轧出产品前最后几道次的形变发生在正火轧 制(NomrialsignRollign)工艺或热机轧制(hTemroMe 比 anie 滋 Rolling) 工艺对应的温度范围内。如图z 一,，在热形变过程中，形变硬化和 动态软化影响材料的性能,动态再结晶是在变形过程中重要的软化机 制之一。轧件在900 一 750C进行低温轧制时，累计变形得到的高位错 密度结构将为相变提供更多形核核心，将更有利于得到
12、均匀细晶组织。 多道次大变形量低温轧制会导致晶粒尺寸的不均匀，这是由于超过了 与应变能累积相关的总应变极限后产生了部分动态再结晶。对一些和 正火轧制不能改善其性能的钢种，通过此种技术,使轧件从头到尾保持 稳定的轧制温度，使产品的组织均匀性及尺寸公差得到保证。3. 线材组织性能与质量控制3.1索氏体化率与力学性能索氏体具有优良的拉拔性能与较高的加工 硬化率。高碳钢线材一般采用控温轧制与斯太尔摩强制冷却进行生产 对于不同规格线材，索氏体化率不同，以80钢为例，对长期生产数 据进行汇总，索氏体化率变化趋势：随着高碳钢线材直径的增大，索 氏体化率逐渐下降对高碳钢显微组织进行分析，小规格高碳钢显微组 织
13、均匀化程度高，边部组织与心部组织差异较小，索氏体化率高，大 块状珠光体组织极少，片层间距均匀。随着线材规格的增大，显微组 织的均匀化程度降低，边部组织与心部组织差异变大，大块珠光体组 织增多，片层间距差异也较大，13 mm 80钢边部与心部显微组织。3.2对于此边部与心部组织的差异，线材无论在拉拔过程或在力学性 能测试过程，其组织的协调变形能力必然不同，各显微区域拉拔过程 中纤维化程度不同，抗拉极限也不同，因此，大规格线材在变形过程 中容易在截面上产生较大的应力集中，进而大大增加微裂纹的形成概 率。在进一步应变过程中，当局部应力超过了基体强度极限即发生断 裂，因此，控轧控冷相变后组织的均匀化程
14、度对线材加工性能与使用 性能均具有重要影响。根据不同规格80钢的数据统计（非时效）， 力学性能也具有与索氏体化率相同的变化趋势，5.5 mm线材抗拉强度1 1201 200 MPa,断面收缩率27% 37% ;而16mm 线材抗拉强度1 0601 120 MPa，断面收缩率11%19%。产 生这一差异的主要原因在于不同规格线材索氏体化率不同。1. 2影 响线材组织性能的因素高强度、极限拉拔性能是高碳钢线材生产的目 标，因此，各生产线均根据各自布局特点进行大量的试验，总结出一套优化的自适应的控轧控冷工艺参数。因线材孔型系统固定，因此, 高速线材控轧控冷主要包括控温轧制与控制冷却2个阶段。控温轧
15、制的目的是控制过冷奥氏体的稳定性，为相变做好组4. 控制轧制过程中钢的变形抗力热金属的变形抗力对轧机设备、电机负荷和制定轧制工艺规程都 是非常重要的。用控制轧制、钢材低温加热、反复相变再结晶细化晶 粒、奥氏体低温区有足够累积变形量、及极低的终轧温度等，都易使 轧制压力增大，在控轧过程中金属的变形抗力是变形温度、变形量、 化学成分的函数,且与变形中金属的组织变化有关。4.1奥氏体晶粒尺寸对变形抗力的影响奥氏体晶粒尺寸愈小，屈服应力愈大。即使采用高温控制轧制，通过反复变形一再结晶也可使晶粒细化到20 一 40,m。4.2微量元素对变形抗力的影响控轧中加入Nb、V、iT元素，获得细小Q,得到析出强化
16、的效果, 尤其加入Nb、iT，因抑制了动态回复的发生，使奥氏体变形抗力增加; 固溶于奥氏体中微量元素阻碍晶粒的长大，及析出的碳化物抑制了奥 氏体再结晶，均可使变形抗力增加。4.3多道次变形及变形热对变形抗力的影响在控制轧制中，温度在900 一 950C或以下，多道次轧制时,随轧制 温度降低，奥氏体静态回复和静态再结晶得到抑制，应变积累增加,变 形应力增大。在高速轧机上轧制，变形抗力大的钢材，越是大的压下率, 温度就上升的越高，其升温量e在绝热条件下近似求得：5. 控制冷却原理5.1控制冷却控制冷却是对轧后钢材的冷却工艺参数（始冷温度、终冷温度、 冷却速度）的合理控制。在控轧后奥氏体向铁素体相变的温度区域进 行某种程度快速冷却，使相变组织比单纯控制轧制更加微细化，从而控 制、改善了钢材的组织状态，细化了奥氏体组织，阻止或延迟了碳化物 在冷却过程中过早的析出,使其在铁素体
