（材料加工工程专业论文）奥氏体不锈钢线材在线固溶处理研究.pdf

鞍山科技大学硕士论文 摘要 摘要 奥氏体不锈钢是不锈钢类中钢种最多、使用量最大的一种。由于标准 g b l 2 2 0 - - 8 4 要求热轧奥氏体不锈钢棒材需采用固溶态交货，而根据国内棒线材生产 能力的现状，其热处理工艺尤其是连续处理方面还值得探讨。本文结合大钢棒材车 间的实际生产设备状况，探讨了在线连续固溶处理工艺的可行性。 大连钢厂生产奥氏体不锈钢要求实现在线固溶处理，以达到目前轧后再加热固 溶处理后的主要指标，因此必须对轧线上的相关设备进行必要可行的改进。改造的 原则是：线上设备损耗如吐丝管、吐丝机、辊道等工作寿命不低于目前的指标，且 性价比高，生产线经必要的设备改进后不影响其它钢种的生产。本文运用a n s y s 有限元的热分析方法，对大连钢厂棒线材生产线的相关设备进行了温度场的模拟， 同时给出了设计时所需的合理的数值，采用了最小的投资，最大限度的发挥了设备 的潜能，以期实现产品的在线固溶热处理要求。 在对固溶处理工艺进行深入的研究后，针对现有设备的不足，本论文主要完成 以下几方面的工作： 1 通过对奥氏体不锈钢组织和性能的影响因素的分析，我们得出奥氏体不锈 钢( 主要是3 1 m h c ) 在线固溶后，当吐丝温度为1 1 0 0c 1 e ，保温时间为3 - 5 分钟时，其晶粒度达5 7 级，抗拉强度在5 0 0 5 5 0 m p a 。 2 对吐丝管进行了优化设计，优化后的吐丝管的耐磨性、耐热性得到了显著 的提高。同时模拟了轧制的过程中吐丝管的温度分布，结果表明对吐丝管 进行气雾冷却，吐丝管的温度也有明显的降低，这对延长吐丝管的寿命也 是有益的。 3 通过对炉墙的改造和模拟分析，将炉墙的原耐热板换为陶瓷板，并当纤维 毡的厚度为1 0 0 1 2 0 r a m 时，模拟结果显示炉外墙的温度不超过8 0 。 4 当把输出辊道换为钢轴外包陶瓷的辊道或全陶瓷辊时，辊颈部分的温度不 超过7 0 。强度不小于许用值，满足要求。 关键词：奥氏体不锈钢。在线固溶，有限元，热分析。模拟计算 a b s t r a c t a u s t e n l t i cs t a i n l e s ss t e e ln o to n l yi st h em a x i m u h lt y p eo fs t e e lb u ta l s oi su s e da tt h e m o s ti ns t a i n l e s ss t e e l a c c o r d i n gt h eb a ra n dw i r es t o c k sp r o d u e t i o nc a p a c i t ys t a t u s ，i t s h e a tt r e a t m e n tn e e d st ob es t u d i e de s p e c i a l l yi nc o n t i n u o u sh e a tt r e a t m e n t f o ri ti s i m p e r a t i v eu n d e rt h es i t u a t i o nt oe m p o l d e rt h ec o n t i n u o u sh e a tt r e a t m e n ta c c o r d i n gt h e g b l 2 2 0 - 8 4a n s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lb a ra n dw i r es t o c k ss o l u t i o ns t a t u sd e l i v e r y i nt h i s p a p e rt h es o l u t i o nt r e a t m e n to n - l i n eo b t a i n e dr e s e a r c hf e a s i b i l i t ya c c o r d i n gt h ed a l i a n w o r k s h o p sc h a r a c t e r i s t i c a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ln e e d ss o l u t i o nt r e a t m e n to n l i n et oo b t a i nt h ep r i m a r y p e r f o r m a n c ei n d e xa si tw a sr e h e a t e ds o l u t i o nt r e a t m e n ta f t e rr o l l i n gi nd a l i a nj i n n i u c o j x d ，s oi ti sn e c e s s a r yt h a tw ei m p r o v et h ec o r r e l a t i v ea t t a c h m e n tf e a s i b i l i t yo nl i n e t h e p r i n c i p l ei s ：t h ee q m p m e n t sw e a rd o w nl e s st h a nt h ep r e s e n ti n d e x s u c ha ss p i n n i n g p i p e ，f u s u l u s ，r u n o u tt a b l e ，a n dt h er a t i oo fp e r f o r m a n c ea n dp r i c ei sh i g h t h eo t h e rt y p e o fs t e e lc a nb ep r o d u c e dm g u l a r l y i nt h i sp a p e r , a n s y sf e mt h e r m a la n a l y s i sm e t h o di s u s e d n o to n l yt h et e 叩a t u r ef i e l do ft h ec o r r e l a t i v ee q m p m e ma r es i m u l a t e db u ta l s o t h er e a s o n a b l en u m e r i c a lv m u ea r eg i v e nd u r i n gt h ec o n t r i v i n gc o u r s e t h ee q m p m e m p o t e n f i md i s p l a y e dm a x i m a t i l y t h es o l u t i o nt r e a t m e n to n - l i n et e c h n o l o g yi sr e a l i z e d a f t e rd e e pr e s e a r c ho ns o l u t i o nt r e a t m e n tt e c h n i c s ，t h ec o n t e n t so ft h ep r e s e n tw o r k i n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 a f t e rd e e pr e s e a r c ho nt h ea u s t e m t i cs t a i n l e s ss t e e l ss t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e w ek n o wt h a ta f t e rt h ea u s t e n l t i cs t a i n l e s ss t e e lo b t a i n e dt h e s o l u t i o nt r e a t m e n to n - l i n e ，i t sg r a i ns i z ec a na c h i e v e5 - 7l e v e la n di t ss t r e n g t h o fe x t e n s i o ni sb e t w e e n5 0 0 - - 5 5 0 m p aw h e nt h ew i r e st e m p e r a t u r ea t t a i n s l 1 0 0 。ca n di t sh o l d i n gt i m ei s3 5 m i n 2 t h es p i n n i n gp i p e sa b r a d a b i l i t ya n dh e a t - d u r a b i l i t ye n h a n c e do b v i o u s l ya f t e r o p t i m i z a t i o n t h es p i n n i n gp i p e st e m p e r a t u r ec o n t o u rs h o w st h a t i t s t e m p e r a t u r er e d u c e da f t e rg a sc u r t a i nc o o l i n gd u r i n gt h er o l l i n gc o u r s e i ti s b e n e f i c i a lf o rt h es p i n n i n gp i p et oe n h a n c ei t su s e l i f e 3 c h a n g e dt h ec h a m b e rw a l l si n t oc e r a m i cp l a t ea n di n c r e a s e dt h ef i b r o f e l t t h i c k n e s sb y1 0 0 - 1 2 0 r a ma f t e ra n a l y z i n go f ft h ec h a m b e rw a l l t h e c h a m b e r st e m p e r a t u r ei sb e l o w8 0 0 c 一 4 c h a n g e dt h er u t l o u tt a b l ei n t oc e r a m i ct a b l eo rs t e e ls h a f tw i t hc e r a m i c ，t h e r o l ln e c kt e m t ) e r a t u r ei sb e l o w7 0 i t si n t e n s i t yi su n d e rt h ep e r m i s s i v ev a l u e i tc 姐m e e tt h er e q u i r e k e yw o r d s ：a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，s o l u t i o nt r e a t m e n to n - l i n e ，f i n i t e e l e m e n t ，t h e r m a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 不锈钢是指具有抵抗大气，酸，碱，盐等腐蚀作用的合金钢的总称“1 。由于不 锈钢所特有的不锈性，耐热性，耐蚀性，低温性，生物中性，化学相溶性，装饰性， 加工制造性，寿命长，可回收等优点，目前已经被广泛应用于工业，农业，国防和 人们日常生活的各个领域，其需求量逐年增长，被认为是很有发展潜力的金属材料， 在国民经济发展和国防建设中起着十分重要的作用。随着生产和n - q ：技术的发展以 及人民生活水平的提高，不锈钢的消费量在迅速增长，2 0 0 3 年中国成为全球最大的 不锈钢消费市场，也是全球不锈钢产量增长最快的国家，2 0 0 3 年同比增长1 0 5 ， 使中国成为亚洲第三大不锈钢生产国。预测，2 0 1 0 年国内不锈钢的消费量将达到 5 0 0 6 0 0 万吨，成为世界第一伫】。不锈钢的生产在不断发展，是世界上工业用金属 中增长速度最快的一种。从总的使用寿命周期来看，不锈钢的价格低，使用寿命长， 常常是最低价材料的选择口j 。 1 2 课题的来源 辽宁特钢集团股份有限公司前身大连特钢厂，于1 9 9 3 年，投资1 0 亿元从 德国引进了先进的高速棒线材控轧控冷生产线。其设计年产能力为3 0 万吨，生产的 钢种多，牌号高，规格范围较宽，成品交货形态多样。产品中包括特钢八大类，如 碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、弹簧钢、轴承钢、不锈钢、 高速工具钢等。合金比达7 6 ，高合金比达1 3 。产品的规格为：线材5 5 - 2 0 0 t u r n 。 棒材1 3 o - 6 0 0 m m ，扁钢8 1 4 r a m x ( 4 0 ， 颈缩比9 6 0 ，有的用户还对晶粒度提出要求( 5 - 7 级) 。实际生产表明，对大直 鞍山科技大学硬士论文第一章绪论 径线材( 9 0 r a m 以上) 上述要求比较容易达到，这是由于大直径线材从原料到成 品总的压缩比比较小，晶粒细化( 加工硬化) 程度较低，终轧后冷却速度较慢，晶 粒容易长大的结果。而对小直径线材( 如5 5 r a m ) ，则由于加工硬化程度大，变形 速率高，再结晶来不及进行，冷却速度又快，因而晶粒较细残余内能较高，强度高 而塑性低，如不经过固溶处理，使晶粒长大，碳化物回溶，组织性能均匀化，则用 户要求很难保证。图1 1 给出了0 c r l 8 n i 9 0 0 4 ) 奥氏体不锈钢热加工后的固溶处理和 未经固溶处理的显微组织照片，由图我们可以看出，热加工后未经固溶处理的有明 显的晶间腐蚀，这是因为0 c r l 8 n i 9 等不锈钢属于亚稳定奥氏体钢，存在重要的第二 相c r 幻c 6 ，其溶解度决定于温度【5 j 。 ( a ) 未固溶处理( u n - s o l u t i o nt r e a t m e n t ) ( b ) 固溶处理( s o l u t i o nu m t m t ) 图1 1 热加工后o c r l 8 n i 9 的固溶处理和未固溶处理的组织照片比较 r 9 1 1 m i c r o s c o p i cs t t a l c t u r eo f 0 c r l s n i 9 随着我国加入w t o ，市场竞争日趋激烈，用户要求愈来愈高的现实，大连金 牛股份公司高速线材厂是合金钢专业生产厂，不锈钢的产量已经占到其年产量的一 半，目前采用的是离线处理方法，固溶处理的速度跟不上生产节奏，影响了产品的 正常交货，不但浪费大量厂房、人力、物力，造成吨钢成本上升2 0 0 元，效率低下， 以年处理5 万吨计每年就多耗费近1 0 0 0 万元，降低了企业的竞争力。本文结合企业 高速线材生产线的实际情况，利用原有的斯太尔摩生产线进行在线固溶的改造，通 过在实验室和现场的取样和研究分析，提出了利用轧后余热实现奥氏体不锈钢在线 固溶处理的可行性方案，该方案的实施将大大降低固溶热处理的成本，为企业创造 更大的经济效益。这对辽宁特钢集团进一步消化和吸收国外大型高技术设备，提高 辽宁特钢集团特殊钢棒线材的生产能力和产品质量，增强其产品在国内外市场的竞 争力都有重要的意义。 1 3 文献综述 1 3 l 不锈钢材料的分类和发展 不锈钢基本上怒一种宙c r l o 以上的低碳钢，超过6 0 种，可分成5 类，主要 取决予台盒元豪和显微组织： 1 ) 4 0 0 系列马氏体钢。典型银种为4 1 0 0 只台1 2 一1 8 的o ，可通过热处理 强亿。 2 ) 4 0 0 系列铁索体钢。典型钢种为4 3 0 ，也只翕1 2 - 1 8 的c r ，低碳有磁性。 3 ) 3 0 0 系列舆氏体钢。典型钢种为3 0 4 ，含c r l 7 , 一2 5 ，n i 8 , ，2 5 。无磁。 可通过冷搬工强化，并可却7 以下韵铝以增加耐蚀性能。 4 ) 沉淀硬化钢。典型钢种为1 7 4 ，古c r l 2 , 一2 8 ，n i 3 一9 ，马氏体或奥氏 体通过时效热处理使钢产生沉淀强化。 5 ) 双相锯。典型钢种为2 2 0 5 ，含c t l 8 2 5 ，n i 4 ，7 ，m o 含蹙可达4 ， 比奥舜体钢更耐应力腐蚀，韧性优于纯铁紊体钢。 从钢种来看，各国不锈钢镍系与铬系钢种的比例不完全一致，铬钢的比例在西。 欧国家增长很快，如法国已达到不锈钢产量的5 0 p a 上印。而近l o 年来，一些工业 发达国家镪铁生产停滞，艇钢产量减少，但盎予产韭结构和生产需求向高级化发展， 不锈钢的产量却持续增加，至1 9 8 8 年世界不锈锕产量太幅度增长达到了1 0 8 1 5 万 吨。1 9 8 9 年以瑶受世界不锈钢市场的影响，其产量基本未变虽然有些工业发达国 家不同程度地消减了产量，但宦们的不锈钢占粗钢总产量的比例仍在增加或保持不 变，为2 一4 、2 m 。在不锈钢的分类中，按钢的组织结构分，可以分为马氏体不 锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢等。 1 3 2 不镭钢的应用和市场 不锈钢在高台金钢中的产量最大，6 5 以上的不锈钢是用在消费产品中，诸如 汽车用具和电器等删。美国生产每辆客车的不锈钢消费量1 9 7 8 年为1 1 2 k g 、1 9 9 0 年1 4 ，2 蚝。其余3 5 应用在主要工业产品市场上，诸如f ：学工业，重型设备和建筑 工业。目前，一些汽车上的排气系统包括尾管1 0 0 采用不锈钢( 含1 1 c r 的4 0 9 型) “”超低碳铁索体钢作钢筋用，并广泛应用在海洋采油平台结构，通讯塔，地 板，啤酒容器，以及核能工业上【l ”。 3 0 4 型不锈钢应用范围较广，它在建筑结构上不生锈，并耐食品加工环境中的 腐蚀( 除高温并含高浓度教和氧亿物以外) ，耐有机化学物质、染料和许多元机化学 。 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 物质的腐蚀。3 0 4 l 超低碳不锈钢耐一定温度和浓度的硝酸的腐蚀，广泛地用于液化 气的储存、低温设备( 3 0 4 n ) 、用具和其他消费产品、厨房设备、医疗设备、运输、 废水处理等。3 1 6 钢用在易引起点腐蚀的含氯化物的环境中，4 3 0 型比3 0 4 型的合金 含量低，用在腐蚀气氛不太强的高抛光表面的用具中，也用于硝酸和食品工业。4 1 0 钢在3 种通用不锈钢中的合金含量最低，用作需要高强度和耐蚀性能的较高应力部 件，如紧固件。2 2 0 5 钢在某些应用优于3 0 4 和3 1 6 钢，因为它具有较高耐氯化物应 力腐蚀的能力，而且其强度为后者两倍。通常标准对于敏化状态的3 0 4 l 钢在6 5 沸腾硝酸中的腐蚀速率不超过o 6 5 m m 年。当该钢中的碳含量超过0 0 2 时，钢的 腐蚀速率急剧上升u “。 1 3 3 奥氏体不锈钢的概述 1 3 3 1 奥氏体不锈钢的发展 奥氏体铬镍不锈钢包括1 8 c r - 8 n i 钢和在此基础上增加c r 、n i 含量并加入m o 、 c u 、s i 、n b 、西等元素发展起来的高c r - n i 系列钢。奥氏体不锈钢是不锈钢中最重 要的钢类，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的7 0 。钢号也最多。当今 我国常用奥氏体不锈钢的牌号就有4 0 多个，并已有3 3 个牌号纳入国家标准。 奥氏体不锈钢按照维持合金钢奥氏体所采取的合金化方式，可分为铬镍不锈钢 和铬锰不锈钢两大系列。前者以镍为主要奥氏体化元素，是奥氏体不锈钢的主体。 后者的奥氏体化元素除锰之外，还有氮，并常常含有适量的镍，因此这一系列多被 称为铬锰氮不锈钢或铬锰镍氮不锈钢。 与铁素体、马氏体不锈钢及铁素体奥氏体双相不锈钢相比，铬镍奥氏体不锈钢 在多种腐蚀介质中具有优秀的耐蚀性，并且综合力学性能良好，同时工艺性能和可 焊性优良，因而在化工、石油、海洋、食品、轻工等多种领域具有广泛的用途【l “”。 奥氏体不锈钢的非铁磁性和良好的低温韧性也进一步扩大了其应用范围。但是铬镍 奥氏体不锈钢强度，硬度偏低，不宜用于承受较重负荷及对硬度和耐磨性有要求的 设备或部件。而铬锰氮( 铬锰镍氮) 奥氏体不锈钢由于氮的固溶强化可以达到相当 高的强度，适宜用于承受较重负荷而耐蚀性要求不太高的设备构件。 奥氏体不锈钢从1 9 1 3 年在德国问世后，在随后的8 0 多年内，其成分在 1 8 8 ( c r l 8 n i 8 ) 的基础上有以下几方面的重要发展： 1 ) 加m o 改善了钢的点蚀和耐缝隙腐蚀性； 2 ) 降低碳含量或加n 或n b 、t a 稳定化元素，减小焊接材料的晶间腐蚀倾向； 加n i 和c r 改善高温抗氧化性和强度； - 4 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 3 ) 加n i 改善了抗应力腐蚀性能； 4 ) 加s 、s e 改善了切削性和构件表面精度。 奥氏体不锈钢常温下是单一的奥氏体组织，强度不高，不能通过热处理来提高 机械性能；无磁性，焊接性能好切削性能差；抗蚀性好，在高温下抗蚀性仍较好。 由于奥氏体不锈钢具有无磁性、良好的焊接性能及抗蚀性，因而它在核电工业上有 广泛的应用。使用奥氏体不锈钢时，应注意了解它的特性，以便采取措施，避免发 生晶间腐蚀或污染，从而有效地用它来为工农业生产服务。奥氏体不锈钢通过p i l l 、 p s 和等离子渗氮等表面处理技术可以提高他的耐磨性【1 札2 ”。 为了使奥氏体不锈钢得到最好的耐蚀性能以及消除加工硬化，必须进行热处理。 奥氏体不锈钢热处理有三种形式：固溶热处理、稳定化热处理、消除应力热处理。 固溶热处理：这是奥氏体不锈钢主要的热处理形式，就是将钢加热到1 0 0 0 - 1 1 0 0 的高温，经保温后使碳化物、盯相等分解、固溶，可以得到成分均匀的单一的奥 氏体组织，然后水淬，使高温的稳定奥氏体一直保持到常温，称为固溶热处理。这 种处理的铬镍奥氏体不锈钢，其硬度最低，韧性、塑性最高，耐蚀性能最好，是最 佳的使用状态。固溶处理温度的选择随钢含碳量而异，对于含碳量较高的钢以及含 有提高盯相存在上限温度的元素( 如钼、硅等) 的钢，其固溶处理的温度相应提高， 以保证碳化物及盯相的充分固溶。但要注意，固溶处理的温度不宜过高，以免因温 度过高而使钢中析出盯铁素体，将影响钢的塑韧性。 稳定化处理：这种热处理主要是针对含钛、铌等元素稳定化的钢而言。尽管钛 或铌加入1 8 - 8 钢中能与其中的碳形成t i c 或n b c ，但加热到高温进行固溶处理时， 这些碳化物将部分甚至大部分分解并固溶于基体中，奥氏体中溶进了大量的碳，在 以后的4 5 0 - 8 0 0 。c 区间若经受如焊接之类加热时，由于t i 、n b 的扩散比c r 困难， 形成c r 2 3c 6 比t i c 或n b c 容易，所以形成的碳化物仍以c r 2 3 c 6 为主，析出铬的碳 化物。因此，为了使稳定化元素首先与固溶的碳结合，可进行稳定化处理。所谓稳 定化处理就是经固溶处理之后，进行8 5 0 - 9 5 0 0 c j j i 热，保温后水( 油) 冷或空冷。稳定 化处理视不同的钢种而异。1 c r l 8 n i 9 t i 钢的稳定化处理工艺可为8 6 0 - 8 8 0 。c ，保温 2 6 h ，空冷。 消除应力热处理：消除应力热处理的主要目的是为了消除奥氏体不锈钢经冷加 工、焊接、热处理后残存的内应力，以消除工件对应力腐蚀开裂的敏感性。这种热 处理的加热温度一般在8 7 0 以上。对于不含钛或铌的钢，加热后应快速冷却。以 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 防析出碳化铬及其所导致的晶间腐蚀。对于含钛和铌的钢，可与稳定化热处理一并 进行，不再另行处理。 1 4 不锈钢固溶处理的发展和现状 纵观国内外的发展现状，对不锈钢线材的固溶处理方法主要有以下几种：离线 固溶、半离线固溶、在线固溶。 1 4 1 离线固溶处理 离线固溶是最传统的固溶处理方式，即将最终的产品运输到专业热处理间，再 进行热处理精整工序，线材生产在正常吐丝，集卷后送往专用的热处理炉内，根据 钢种不同，将线材重新加热到1 0 5 0 1 1 5 0 并保温一段时间，然后整盘水淬。所用 固溶炉可以有室状炉( 小批量生产) ，连续辊底炉或环状炉( 大批量生产) 。其中机 械化自动化程度最高的当属环状炉。环状炉因采用机械手装出料，改变炉底转速、 可灵活调整加热时间，炉内分段控制温度，炉子密封性好，且便于计算机控制，因 而是最先进的固溶处理炉。目前达涅利和上钢五厂等就采取这种方法，但投资大。 ( 一座直径2 5 m 的环型炉包括自控和水淬系统约4 0 0 0 万元) ，目前大连钢厂采用小 批量生产的离线固溶方法，炉子比较陈旧，生产不连续，能耗和人工成本运输成本 均较高，是很不合算的。 1 4 2 半离线固溶处理 即在线材生产车间内，在斯太尔摩线另一侧，设单独的固溶处理炉和水淬生产 线。线材在吐丝后，快速通过斯太尔摩线，高温集卷后送往固溶处理炉趁热( 约 8 0 0 - 8 5 0 ) 加热固溶处理，然后成卷水淬。这种方法与离线固溶相比，节省了能 源和运输，固溶效果也较好，但要求生产组织，管理较严，否则两个工序衔接不好， 造成温度波动，或生产能力不匹配，另外，原有车间内要有足够的场地才行。采用 这种方法在国外有b r e d a 、a c c i a i 、c o g n e 、a a s t a 等厂。 1 4 3 在线固溶处理嘲 过去不锈钢的线棒材的热处理都是离线进行，随着科学的发展和轧制工艺研究 的不断深入，现代不锈钢热处理也较多采用在线方式。不锈钢线棒材热轧后进行在 线热处理与离线固溶相比，可节约费用。 生产棒材时，对奥氏体不锈钢，由于不易产生冷裂和白点，轧后可空冷和堆冷， 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 或者在飞剪前设穿水冷却装置以实现余热淬火。冷床是采用改进的步进齿条冷床， 如意大利d a n i e l i 公司设计的1 9 8 9 年投产的美国t e l e d y n e a i i v a c 厂的冷床，它伸入 高温侧的个槽中，槽可以放上水使冷床淹没在水中，这样可以对奥氏体不锈钢进 行水淬，而不用水淬的品种则直接进人冷床，该冷床还可以装备绝热罩，可使轧件 延迟冷却，在罩上绝热罩进行延迟冷却时，其冷却速度相当于自然冷却的一半。 不锈钢生产厂的要求：如今，绝大多数不锈钢线棒材生产厂销售的盘卷经历了 以下生产步骤： a ) 热轧 b ) 当生产盘卷圆材时，在空冷辊道输送装置或步进式输送装置上空冷 c ) 盘卷重整，压实和捆扎 d ) 离线常规固溶处理 e ) 经处理的盘卷去扎和散捆 f ) 酸洗 曲最终压实和捆扎 h ) 盘卷发运 所有这些操作都逐步影响着盘卷的最终形状( 特别在d 、e 、f 和g a ：序) 。因此在过 程结束时盘卷的最终形状很不规则。在盘卷装卸期间，也存在盘卷表面损伤的危险， 而且这些操作还占用相当多的时间，经常会延长产品的交货期。 如今( 而且将来更是如此) ，市场开始要求高质量标准的不锈钢盘卷，加上更好 的盘卷形状和非常短的交货时间。对于不锈钢生产厂而言。对待这些市场趋势的唯 一办法是在他们的厂内配备在线直接固溶处理设备以生产高质量的不锈钢盘卷，降 低生产成本和得到更好的卷形以击败市场上的竞争对手和推出获胜的产品。 线材生产时的在线热处理的方式有以下四种： 第一种是在线水淬。 其工艺是：1 ) 在q t _ 幺幺_ 0 k t ：进行高温成圈( 1 0 5 0 。c 1 1 0 0 。c ) ；2 ) 在辊式运输机 上进行上下水淬( 喷嘴或槽式) 几秒种，使材料再结晶；3 ) 盘卷再成形、压紧和打 捆。这种方法简单易行，但这仅能处理奥氏体钢，对最终晶粒尺寸不能控制，为达 到较高的质量水平，必须进行进一步的离线固溶处理。d a l i e l i 公司已为美国的 t e l e d y n e a i i v a c 伊拉克的n a s s re n t e r p r i s e 厂、西班牙的f o r i a s a l a v e s a s 厂、印度 的m u k a n o 厂、美国的t a l l e y 公司安装了这种在线水淬系统。 第二种方法：辊式运输机在线固溶热处理。 其工艺为：1 ) 在吐丝机上高温成圈( 1 0 5 0 6 ( 2 一1 1 0 0 。c ) ；2 ) 轧件在安装在辊式 运输机上的炉内进行高温均热；3 ) 在炉后的辊式运输机上立即进行在线水淬( 喷水 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 或水槽式) ；4 ) 盘卷成形、压紧和打捆。采用该系统，轧件在轧后通过安装在运输 机上的炉子可以控制晶粒尺寸，用于生产奥氏体和铁素体不锈钢，冶金质量可以与 采用离线固溶退火得到的结果相媲美，但该系统仅限于线材，对加勒特卷取机作业 而言，则必须安装另套水淬系统，还有在水槽淬火情况下，必须安装一个恒温系 统。在法国的u g i n cs a v o y 厂采用了d a n i d i 公司的水淬系统，保温则采用了本厂的 专有技术。 第三种方法是在辊式运输机侧的炉内在线直接固溶处理。 其工艺为：1 ) 在吐丝机上标准温度成圈；2 ) 在吐丝机后盘卷立即形成；3 ) 盘 卷呈立式状进入辊式运送机侧的隧道式或回转式保温炉中；4 ) 在保温炉的出口侧进 行在线水淬火；5 ) 压紧和打捆。这种方法可以对奥氏体、铁素体和马氏体不锈钢进 行在线热处理，并且冶金质量水平比采用离线处理所获得的结果更好，安装费用比 前两种要高。d a n i c l i 公司已为意大利的d e l t a s i d e rc o g n c 厂提供了套这样的系统。 第四种方法是1 ) 在上标准温度成圈2 ) 在吐丝机后盘卷立即形成；3 ) 盘卷呈 立式进入辊式运送机侧的保温罩种进行缓冷。 对于最终使用质量要求不是很严格的奥氏体不锈钢，如弹簧、钢绳和一些要求 强度高而韧性要求不很高的产品，以及作为最终热处理前的预处舡序，都可采用 在线散卷固溶处理。 上海宝钢五钢公司采用的散卷固溶处理方式为：在摆动段辊道后的辊道上、下 方设置一段高压水喷嘴，长约1 0 m 。当线圈进入喷淋段后，辊道上、下方同时喷水， 使此时组织为奥氏体的线圈快速冷却而达到固溶的要求。用后的冷却水在辊道下方 收集，由泵提升送至水处理站循环使用 2 4 1 。这种直接利用轧制余热进行的奥氏体不 锈钢固溶处理，对于某些钢种可作为最终热处理，也可作为有高质量要求钢种的预 处理而缩短最终固溶处理时间，因而可节省能源，降低成本。 1 4 4 奥氏体不锈钢盘卷在线环型炉固溶处理 为了充分利用轧制余热，减少离线固溶处理二次加热的能耗，得到忘好固溶状 态的奥氏体不锈钢盘卷，采用了在线环型炉处理工艺。上海宝钢五钢公司采用的是 在线散卷固溶处理渊，其方式为：在摆动段辊道后的辊道上、下方设置一段高压水 喷嘴，长约1 0 m 。当线圈进入喷淋段后，辊道上、下方同时喷水，使此时组织为奥 氏体的线圈快速冷却而达到固溶的要求。用后的冷却水在辊道下方收集，由泵提升 送至水处理站循环使用。这种处理方式对于某些钢种可作为最终热处理，也可作为 有高质量要求钢种的预处理而缩短最终固溶处理时间，因而可节省能源，降低成本。 下图给出了宝钢与固溶处理相关的一些设备图。 8 鞍山科技大学颈士论文第一章绪论 f a ) 最新一代的高速吐丝机( b 瑚勒特式卷取机( c ) 环形高温同溶炉 奥氏体不锈钢热装盘卷在环型炉的热处理能力为6 0 t h ，与轧线生产能力相匹 配。热装盘卷的最大高度1 6 9 6 m m , 盘卷最大重量1 9 5 0 k g 。环型热处理炉也可用作离 线热处理炉，冷装奥氏体不锈钢卷的热处理能力为1 8 t h 。 环型炉固溶热处理工艺流程：收集好的热态奥氏体不锈钢线材盘卷或卷取好的 大盘卷由环型炉装料机将盘卷送 环型炉中，盘卷在炉中加热并保温至1 0 5 0 - - 1 0 8 0 。c ， 之后由卸卷机取出，并送往设在出炉口侧的循环冷却水箱中进行淬火固溶处理。淬 火固溶水箱设置4 个盘卷位置，出水箱后的盘卷温度1 0 0 e ，然后送往p & f 线进 行打捆、收集。 在线热处理炉的特点：( 1 ) 节省能源，降低生产成本；( 2 ) 缩短产品交货周期；( 3 ) 盘卷与炉子间无相对运动，可避免盘卷划伤。 奥氏体不锈钢在固溶处理时，当加热温度高时，保温时间应当缩短才能保证得 到细小的奥氏体晶粒。加热速度快时，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高， 形核率和长大速度越大，奥氏体的起始晶粒越小。奥氏体不锈钢固溶处理的加热温 度一般是在1 0 5 0 - - 1 1 0 0 。c ，通常是含碳量偏高时取上限，含碳量偏低时取下限，如 果温度过低，碳化物溶解不充分，温度过高则容易引起奥氏体晶粒粗大【笛】。 因此，加热方式的选择以及加热过程中的温度控制就成为保证固溶处理质量的 关键所在。为此，采用一些先进技术，加强设备在工艺方面的控制能力，提高热效 率，对保障机械产品内在质量以及提高热处理工艺水平具有现实意义哳】。 1 5 大连钢厂准备采用的在线固溶处理方案 通过不锈钢固溶处理的现状和发展的分析，同时考虑到目前大连钢厂具体条件， 及将来有搬迁可能的现实，我们拟采用在线保温炉方案，即利用原斯太尔摩冷却线 进行改造，将其保温罩改为加热罩或保温炉( 加热炉) ，利用吐丝后的高温余热，使 线圈边缓慢进行边保温( 或加热) ，达到固溶处理的目的。待保温完毕，则使辊道加 速，使线圈散开，并利用斯太尔摩下部风机强制风冷，最后集卷。此过程中采用的 方法是将保温罩加装煤气烧嘴。充分和用现厂吐丝机后第一集卷器前的1 8 m 长辊道 和l 一5 # l 果温罩，改造成一个有煤气加热的在线保温炉，其加热煤气取自现有缓冷坑 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 煤气管道，通过总管、阀门、金属软管，通往保温罩上的简易烧嘴。作用是在变钢 种后给保温罩预热，防止线圈在保温炉内过快的温降，维持线材温度在1 1 0 0 。c 左右， 以保证固溶要求。同时尽量加大线材吐丝后的密度，并采用较低辊道速度，以保证 保温时间。 1 6 论文的主要工作 1 ) 分别进行试验室试验和现场取样的试验，对试样的力学性能、金相组织、 晶粒尺寸等项目的检查和检验，分析固溶处理制度对奥氏体不锈钢组织和 性能的影响，给出现场生产时所需的较合理的工艺参数。 2 ) 通过对影响吐丝管的寿命的因素的分析，运用a n s y s 软件对吐丝管进行 模拟热分析，采取措施提高吐丝管的寿命。 3 ) 在方案改造中，为充分利用轧后余热，采取措施增强辊道侧边墙及底部保 温效果，同时对辊道边墙的传热进行计算，确定改造过程中需要设计的尺 寸以及所需的材质。 4 ) 根据力学原理对改造后的辊道的强度进行校核。 5 ) 根据在线连续保温炉方案，由输出辊道传热过程中的温度场模拟图，结合 辊的工作环境及安装，来选择最合理的材质的辊道。 鞍山科技大学硬士论文第二章固溶处理制度对奥氏体不锈钢的组织和性能的影响 第二章固溶处理制度对奥氏体不锈钢的组织和性能的影响 2 1 引言 金属材料的力学性能取决于材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力 及表面和内部缺陷等内在因素。奥氏体型不锈钢属于f e c r n i 系和f e c r m n 系，为奥氏体组织。奥氏体型不锈钢同绝大多数的其它金属材料相似，其抗拉强度、 屈服强度和硬度，随着温度的降低而提高；塑性则随着温度降低而减小。其抗拉强 度在温度1 5 8 0 范围内增长是较为均匀的。奥氏体钢经过热加工后，并非是单相 奥氏体，还存在少量的碳化物。为了获得单相不锈钢，提高耐蚀性，将钢重新加热 到1 0 0 0 - - 1 0 5 0 。c 的高温，经保温后使碳化物、o 相等3 - y 角 、固溶，可以得到成分单 一的奥氏体组织，然后水淬，使高温的奥氏体一直保持到常温。奥氏体不锈钢的固 溶处理温度在1 0 5 0 1 1 5 0 0 c ，如果加热温度达不到此温度，则其内部的组织不稳定， 便会有碳化物析出。固溶处理是奥氏体不锈钢最有效的软化处理方式。它与一般的 钢的淬火有所不同，对于1 8 8 钢来讲，固溶处理的目的是提高耐蚀性，并使钢软化。 在淬火状态下塑性很好( 6 = 4 0 ) ，适于进行各种冷塑变形。这类钢唯一的强化方法 是加工硬化，硬化后强度可以从6 0 0 m p a 提高到1 2 0 0 - - 1 4 0 0 m p a ，伸长率6 = - 1 0 。 大连金牛股份公司高速线材厂是合金钢专业生产厂，不锈钢的产量目前已经占 到其年产量的一半，目前对不锈钢采用延迟型辊道冷却方法冷却，吐丝温度仅1 1 0 0 ，保温罩内虽温降较慢，但保持不了固溶温度和时间，3 0 4 h c 的强度偏高，而塑 性偏低，满足不了用户的要求，部分产品不得不采用离线固溶，使每吨线材成本增 加2 0 0 元左右。根据在线固溶的思想，我们想在不增加设备投资的情况下，在现有 的斯太尔摩冷却线上，利用轧后余热，实现近似的在线固溶处理，于是我们结合了 企业实际情况，我们进行了实验室和大生产条件下不锈钢盘条的抗拉强度与加热温 度及保温时间的关系试验，以便为近似在线固溶处理的工艺，提供科学依据。 2 2 试验方法 些生坠苎奎兰翌圭耋奎 丝三童里篓丝矍型璧塑皇垦篁至璧堡竺堡垒童丝篓竺丝竺 表2 1 ：3 0 4 h c 试验钢线材的化学成分( 质量分数，) t a b 2 1 ：t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f 3 0 4 h c ( w t ) 元素 vna 1ns n p b s bc ab 0 0 30 2 20 0 1 50 0 60 0 0 60 0 0 1 40 0 1 0 90 0 0 1 40 0 0 0 l 试验材料为s u s 3 0 4 h c 热轧冷却后的盘条，直径5 5 m m ，化学成分见表2 1 。 将试样剪成长度3 0 0 m m ，放入试验室加热炉内。试验条件见表2 2 。 表2 2 试验条件 t a b 2 2c o n d i t i o no f e x p e r i m e n t 编号固溶方式编号圊溶方式 ( 盎)1 0 0 0 c l ：保温3 分钟空冷( ”1 0 0 & c 保温3 分钟水冷 ( c ) 1 0 5 0 。c 保温3 分钟空冷( d )1 0 5 0 。c 保温3 分钟水冷 ( e ) 1 1 0 0 。c 保温3 分钟空冷( d1 1 0 0 。c 保温3 分钟风冷 龟) 1 1 0 0 。c 保温3 分钟水冷m )1 1 0 0 。c 保温3 分钟空冷 ( i ) 1 1 0 0 。c 保温3 分钟水冷( j ) 1 1 0 0 。c 保温5 分钟水冷 o 【)1 1 5 0 轧态( i )1 1 5 0 。c 保温1 分钟水冷 ( m )1 1 5 0 。c 保温2 分钟水冷 说明：( b i j 为3 0 4 m 钢种，其余均为3 0 4 h c ) 将上述固溶处理的试样加工后，在z e i s s 金相显微镜下放大2 0 0 倍，观察取得 如下照片。 1 试验结果金相检验 1 2 苎当墼茎盔兰至圭丝茎 丝三耋里兰垄耋璺鏖苎塞曼垡至璧叁竺堡垒耋兰兰兰髦堕 1 3 墼尘塾茎杰兰墨圭兰銮量三茎塑兰丝量型墨墼墨垦篁至重塑竺堡垒童竺丝墼丝塞 图2 1 试验室不同固溶处理制度后的金相组织照片( x 2 0 0 ) h 9 2 1m i e r o s n u e u n eo f t e s ts t e e la f t e rd i f f e r e n ts o l u t i o nt r e , a l m e n t ( 2 0 0 ) 2 力学性能 对上述试样分别在万能试验机上做力学性能测试，结果如表2 3 所示 表2 3 ：部分试样处理后的力学性能检测结果 t a b 2 3m e c h a n i c a lp r o p e r t yr e s u l ta f t e rd i s p o s a l 保温1 分钟m保温3 分钟保温5 分钟 温度吒( m p a ) 晶粒度吼( m p a )晶粒度( i v l p a )晶粒度 l o 5 9 075 7 5 65 6 54 1 0 5 05 9 565 6 065 5 53 1 1 0 05 8 565 6 055 4 03 2 3 结果分析 比较试样a 、c 、e 可见，在1 0 0 0 。c 、1 0 5 0 0 c 、1 1 0 0 。c ，保温3 分钟，空冷条 件下，可以看到，随着固溶温度的提高，其中的碳化物组织逐渐减少( a 中的黑点 为碳化物) ，晶粒也随着温度的升高而长大。温度达到1 1 0 0 。c 以上时，可以达到固 1 4 茎生墼苎奎兰至圭篁茎 苎三塞塑童丝兰塑塞塾塞垦篁至丝塑窒堡堡墼兰塞塑丝塞 溶要求。 由各组试样对比可见，在相同的温度和固溶时间条件下，水冷的晶粒度小于 空冷。 在1 1 0 0 。c 固溶处理温度下，保温3 分钟，然后空冷、风冷以及水冷，可以看 出：在空气中冷却，奥氏体组织中含有一定量较大的碳化物，经吹风冷却，其组织 中碳化物含量相比有一定程度的减少且细化，水冷处理后，钢的组织中的碳化物的 含量明显减少，且更加细化。说明冷却方式影响固溶效果，水冷能有效的抑制碳化 物的析出。如；c ，d ；对比也同样说明此问题。 由图k 、】、m 可见，在1 1 5 0 温度下保温，随着保温时间的增长，奥氏体晶 粒长大明显。由j 和m ，以及d 和l 的比较，二者晶粒度相当，可见温度的影响比保 温时间的要大。因此在线固溶处理应尽可能提高吐丝温度。 力学性能分析表明，妒5 5 r a m 的3 0 4 系列不锈钢线材经1 1 0 0 保温3 分钟、 水冷或风冷的圊溶处理后，晶粒度为4 - 5 级，抗拉强度在5 6 0 - 5 8