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(lè)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(lái)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(lái)加固預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。目前，我國(guó)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(guó)家供給側(cè)改革，對(duì)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(duì)高碳鋼線材的生產(chǎn)工藝進(jìn)行梳理、分析、優(yōu)化，以此來(lái)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(wèn)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(wèn)題。

1.1 線材表面質(zhì)量缺陷問(wèn)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(wèn)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(wèn)題

由于成分問(wèn)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(wèn)題，給下游加工企業(yè)帶來(lái)了制品性能不合格、斷絲率高等問(wèn)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(wèn)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(guò)對(duì)來(lái)料鋼坯表面缺陷進(jìn)行精整修磨，來(lái)改善盤條的表面質(zhì)量。

（2）通過(guò)高速線材軋機(jī)減定徑機(jī)組來(lái)解決線材尺寸精度問(wèn)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(guò)燒或過(guò)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(guò)降低鋼水的過(guò)熱度、動(dòng)態(tài)輕壓下和電磁攪拌等措施來(lái)改善高碳鋼坯網(wǎng)狀中心碳偏析的問(wèn)題。

2.3 線材金相組織缺陷問(wèn)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(wú)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(guò)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(duì)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(duì)是次要的，問(wèn)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(duì)運(yùn)輸線上的線圈進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，傳統(tǒng)上主要通過(guò)調(diào)整輥道速度來(lái)控制線圈間距、控制每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量以及開(kāi)啟風(fēng)機(jī)的數(shù)量來(lái)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(guò)控制網(wǎng)格的密度來(lái)控制通過(guò)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(wú)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(lái)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(guò)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(lái)控制線材的冷卻速度，在第二階段冷卻過(guò)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(guò)水淬提高冷卻速率來(lái)提高索氏體化率。其提高冷卻速率主要通過(guò)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(lái)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(kāi)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）?？諝夂退旌闲纬傻臍忪F通過(guò)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(lái)在冷卻線圈的過(guò)程中將過(guò)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(lái)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(duì)比

上述四種軋后冷卻工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比詳見(jiàn)表1所示。

表1 四種軋后冷卻工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

4 結(jié)論

通過(guò)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(duì)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(guó)已經(jīng)有應(yīng)用，并取得了不錯(cuò)的效果。