（材料加工工程专业论文）超细晶粒热轧带肋钢筋的研究开发.pdf

摘要 超细晶粒钢是以c - m n 系为基础，通过有效的工艺手段使钢铁材料的性能显 著提高。 超级钢是目前国内外普遍关注和研制的一种新产品， 它是利用细晶强化 手段， 将普碳钢的最终晶粒度控制在4 - 5 p m以下， 从而获得高的强度和塑性， 使 q 2 3 5 钢种的6 : 由3 3 0 m p a 提高到4 0 0 m p a 以 上从而实现产品升级， 使企业得到可 观的经济效益。 本项研究以 简单成分系的c - m n 钢为对象，研究轧制过程及轧后冷却过程中 的组织变化规律以及获得最佳综合力学性能的强化机制， 确定在现有工业生产条 件下以普通q 2 3 5 成分生产4 0 0 m p a 超细晶粒钢筋的成分体系及生产工艺， 达到降 低原料成本，节约能源的目的。 本文研究的重点是在g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟实验机上进行了q 2 3 5 热模拟实 验。通过热膨胀实验测定该钢种化学成分线材a r 3 , a c 3 温度分别建立了静态 c c t曲 线与动态c c t曲 线， 对斯太尔摩空冷的冷却条件进行模拟与优化。 针 对鞍钢精轧机组的特点进行精轧温升计算，和粗轧机组的轧辊和轧机其他各个 部件的强度进行校核，并校核电机的负荷。结合鞍钢线材厂条件，在原有的装 备基础上进行关键点的改进，实现超细晶粒钢的轧制和冷却。产品组织和性能 达到设计水平。 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。 尽我所知， 除了文中 特别加以 标注和致谢的地方 外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料， 与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确 的说明并表示了谢意。 签 名:日 期: 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、 使用学位论文的 规定， 即: 学校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅: 学校可以 公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、 缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签 名:导师签名:_日期: 鞍山 科技大学硕士学 位论文 第一章绪论 1 . 1 前言 h r b 4 0 0 螺纹钢筋是我国于实施的g b 1 4 9 9 - 9 8 标准中提出的最新钢筋品种，在此 标准中， 钢筋的最小公称直径由原来的1 2 m m 调整为6 m m ， 由直条供货改为可以成盘供 货。 h r b 4 0 0 螺纹钢筋的推广使用， 与目 前国际建筑钢筋向高强度方向发展潮流相适应。 热轧 h r b 4 0 0带肋钢筋是新标准中列入的新的钢筋品种，用它代替目 前广泛采用的n 级钢筋可节约钢材1 0 - 1 5 % ， 用1 2 m m 以 下的h r b 4 0 0 热轧带肋钢筋代替目 前线浇结构中 广泛采用的q 2 3 5 i 级钢可节省钢材4 0 % 左右， 代替l l 5 5 0 冷轧带肋钢筋可提高设计强 度 2 0 m p a ，并且，其塑性指标和耐热性能远远大于 l l 5 5 0 ，可大大提高建筑物整体安 全性能，因此，推广使用h r b 4 0 0 钢筋，特别是1 2 m m以下小规格h r b 4 0 0 热轧带肋盘 条具有很高的社会效益和经济效益。 目 前国内生产h r b 4 0 0 m p a 钢筋主要采用两种方法:一是向原料中添加合金元素， 如采用2 0 m n s i v 轧制i i i 级钢筋; 另外一种就是利用控轧控冷工艺， 充分利用钢筋的轧 后余热相变， 改变钢筋的金相组织， 细化晶粒， 从而达到改善钢筋性能的目 的。 我们 在采用普碳钢原料轧制i i i 级钢筋时， 除了利用细晶强化、固溶强化机制外， 还需要充 分利用相变强化机制，以提高材料的强屈比。 超级钢是目 前国内外普遍关注和研制的一种新产品，它是利用细晶强化手段， 将普 碳 钢的 最 终晶 粒 度控制 在4 - 5 n m 以 下， 从而 获 得高的强 度和塑 性， 使q 2 3 5 钢种 的6 ， 由3 3 0 m p a 提高到4 0 0 m p a以上，6 , / 6 , 1 . 4 , 5 , , 1 7 % , b t 4 0 % ， 从而实现产品 升级， 使企业得到可观的经济效益。目 前在热连轧带钢轧机上， 通过控轧、 控冷已能 实现超级钢的批量生产， 而在线材轧机上生产超级钢则比较困难， 这主要是由于线材 断面厚度相对较大， 散热面没有热轧带钢那么大。 线材在孔型内轧制与板带在平辊上 车 l 制相比 变形不均匀程度较大， 导致最终成品断面晶粒不均匀程度增大。 加上线材轧 制速度高，变形热来不及散发， 轧制中线材升温明显，冷却时间又极短。 受孔型条件 鞍山 科技大学硕士学位论文 限制， 各道变形率不可能像热轧带钢那样可以在较大范围内灵活调整。因此， 在线材 轧机上生产超级钢难度比热轧带钢轧机要大。 热轧带肋钢筋目前以至今后相当长的时期内仍然是建筑材料的主体。 随着社会经 济的发展，线材行业所面临的节省资源、 节约能源、保护环境的压力越来越大， 对传 统的建筑钢筋与盘圆采用特殊的加工工艺，以大幅度提高其性能，延长使用寿命，有 效地提高资源的利用率和回收率，己经成为目前线材行业研究领域的热点。 1 . 2 超细晶粒钢研究国内外的发展现状 晶粒细化是提高金属材料强度但又不损害韧性的唯一方法。 以来， 人们一直致力于低( 微) 合金钢晶粒细化的研究和开发工作， 自2 0世纪 6 0年代 先后开发出未再结 晶控轧( 传统控轧) 、再结晶控轧以及控制冷却等晶粒细化工艺， 并在实际中得以广泛 应用。 但是， 运用上述工艺获得的铁素体最小平均晶粒尺寸， 对于碳素钢为1 0 u m ， 而对 于微合金钢为4 -5 p m ， 其屈服强度分别在2 0 0 -v 3 0 0 m p a 级和4 0 0 -5 0 0 m p a 级。 自 上世 纪 9 0年代开始， 一些旨 在获得超细晶的方法又相继问世， 如超大塑性变形、极限热机 械处理等， 铁素体晶粒可细化至亚微米甚至纳米级， 材料的强度大幅度提高。 但是， 这 些方法目 前仅能在实验室中实现， 而且制备出的材料尺寸小， 成本高， 难以达到钢铁低 成本、 大规模生产的要求。 2 0 世纪8 0 年代初( 1 9 8 1 ) , r . p r i e s t n e r 等报道了低碳钢轧 制时轧缝中( r o l l g a p ) 发生的y - . a相变， 并称之为应变诱导铁素体相变 ( s t r a i n - i n d u c e d t r a n s f o r m a t i o n t o f e r r i t e ) ; y , m a t s u m u r a 和 h . y a d a 等的t - 作表 明， 通过 1 0 7 3 k 多道次变形， 可将普通c - m n 钢的铁素体晶粒尺寸细化到1 -3 u m ， 晶粒 细化的原因被认为是变形诱导相变( d e f o r m a t i o n i n d u c e d t r a n s f o r m a t i o n ) 和铁素体 动态再结晶综合作用的结果。 此后， 澳大利亚的p . d . h o d g o s o n 等、 韩国的s . l e e 等、 w . y . c h o o等相继报道了类似的现象， 并分别称其为应变诱导相变( s t r a i n工 n d u c e t r a n s f o r m a t i o n ) 和应变诱导动态相变( s t r a i n i n d u c e d d y n a m i c t r a n s f o r m a t i o n ) 。 尽管上述名称各异， 研究方法也不尽相同， 但其实质相同: 1 强调了相变发生于变形过程中， 而不是变形之后的冷却过程中 2 强调了可以形成超细铁素体晶粒。 鞍山科技大学硕士学位论文 限制，各道变形率不可能像热轧带钢那样可以在较大范围内灵活调整。因此，在线材 轧机上生产超级钢难度比热轧带钢轧机要大。 热轧带肋钢筋目前以至今后相当长的时期内仍然是建筑材料的主体。随着社会经 济的发展，线材行业所面l 临的节省资源、节约能源、保护环境的压力越来越大，对传 统的建筑钢筋与盘圆采用特殊的加工工艺，以大幅度提高其性能，延长使用寿命，有 效地提高资源的利用率和回收率，已经成为目前线材行业研究领域的热点。 1 2 超细晶粒钢研究国内外的发展现状 晶粒细化是提高金属材料强度但又不损害韧性的唯一方法。自2 0 世纪6 0 年代 以来，人们一直致力于低( 微) 合金钢晶粒细化的研究和开发工作，先后开发出未再结 晶控轧( 传统控轧) 、再结晶控轧以及控制冷却等晶粒细化工艺，并在实际中得以广泛 应用。但是，运用上述工艺获得的铁素体最小平均晶粒尺寸，对于碳素钢为l oum ，而对 于微合金钢为4 5um ，其屈服强度分别在2 0 0 3 0 0 m p a 级和4 0 0 5 0 0 m p a 级。自上世 纪9 0 年代开始，一些旨在获得超细晶的方法又相继问世，如超大塑性变形、极限热机 械处理等，铁素体晶粒可细化至亚微米甚至纳米级，材料的强度大幅度提高。但是，这 些方法目前仅能在实验室中实现，而且制备出的材料尺寸小，成本高，难以达到钢铁低 成本、大规模生产的要求。2 0 世纪8 0 年代初( 1 9 8 1 ) ，r p r i e s t n e r 等报道了低碳钢轧 制时轧缝中( r o l l g a p ) 发生的y n 相变，并称之为应变诱导铁素体相变 ( s t r a i n 二i n d u c e dt r a n s f o r m a t i o nt of e r r i t e ) ；y m a t s u m u r a 和h y a d a 等的工作表 明，通过1 0 7 3 k 多道次变形，可将普通c m n 钢的铁素体晶粒尺寸细化到1 3um ，晶粒 细化的原因被认为是变形诱导相交( d e f o r m a t i o ni n d u c e dt r a n s f o r m a t i o n ) 和铁素体 动态再结晶综合作用的结果。此后，澳大利亚的p d h o d g o s o n 等、韩国的s l e e 等、 w y c h o o 等相继报道了类似的现象，并分别称其为应变诱导相变( s t r a i ni n d u c e t r a n s f o r m a t i o n ) 和应变诱导动态相变( s t r a i ni n d u c e dd y n a m i ct r a n s f o r m a t i o n ) 。 尽管上述名称各异，研究方法也不尽相同，但其实质相同： l 强调了相变发生于变形过程中，而不是变形之后的冷却过程中； 2 强调了可以形成超细铁索体晶粒。 一2 一 鞍山科技大学硕士学位论文 考虑到引起相变的本质是变形导致的自由能升高和形核地点的增多，因而除了 应变之外，影响变形储能的各个变形因素( 如应变速率、温度、变形方式等) 均会影响 相变过程，故将其称为变形诱导铁素体相变( d e f o r m a t i o ni n d u c e df e r r i t e t r s n s f o r m a t i o n ，d i f t ) 。采用该工艺，已分别将碳素钢和低碳微合金钢的铁素体晶粒 尺寸细化到3 且i i 】和 l m ，屈服强度分别提高到4 0 0 m p a 和8 0 0 m p a 以上。图l 示出了 变形诱导铁索体相变加工工艺与传统t m c p 工艺的联系。变形诱导铁索体相变发生于 奥氏体未再结晶区的较低温度范围( a r 3 t d i f t 铁素体 珠光体 上、下贝氏体 马氏体; 按比容排列的顺序则恰相反， 为马氏体 铁素体 珠光体 奥氏体 碳化物。 所以在钢的 组织中，凡发生铁素体溶解， 碳化物析出，珠光体转变为奥氏 体和马氏体转变为 a 相的过程将伴随体积的收缩;凡发生铁素体析出、奥氏体分解为珠光体或马氏体的过 一 1 3 一 鞍山科技大学硕士学位论文 程 将伴随体积的 膨胀。 在奥氏 体转变为铁素体全过程中， 所伴随的总的体积效应是: 铁素体所占比例愈大，体积效应也较大; 碳化物所占比例大，则体积效应也较小。 采用热膨胀法测定c c t曲线时， 首先将热模拟试样加热至奥氏体状态并保温后， 在预定冷却条件下连续冷却，测定出在不同速度下冷却至室温时试样长度的变化曲 线。 q 2 3 5 钢筋的过冷奥氏体冷到珠光体转变区时， 首先析出 铁素体， 试样开始膨胀。 经过一定时间后，达到一定温度时， 剩下的奥氏体继续分解为珠光体。由于珠光体的 比 容较铁素体的比 容大，因此， 试样的膨胀过程便出现一个明显的转折点。 此点便是 先共析铁素体析出完了和珠光体转变的开始。由于珠光体、贝氏体、 马氏体转变是发 生在不同温度范围内， 如珠光体在5 0 0 -7 5 0 c ，贝氏体在5 0 0 0c -ms , 所以在冷缩曲 线上也在不同的温度范围内出现拐点。 根据拐点和其所处的温度范围，便可判断发生 了什么类型的转变， 从而判断出在该冷却速度下所形成的组织。 试样长度变化曲 线中 不规则变化部分， 相应于过冷奥氏体发生转变的一定体积百分数。 测定后对得到的数 据进行处理， 可以得出在不同冷却速度下转变开始 转变量为1 %? 、 一定转变百分数 和转变完了 ( 通常指转变量达到9 9 )的温度和时间，并记录在温度一时间 ( 对数) 坐标图中，连接相应的点，即可得到c c t曲线图。 2 . 1 . 1 a r 3 , a c 3 温度的测定和a e 3 温度的确定 奥氏体向铁素体转变的开始温度也可称为钢的临界点温度，本试验采用 g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟试验机测定该温度。 按照国家标准g b 5 0 5 6 - 8 5 的规定， 膨胀法测定钢的临界点时， 其加热和冷却速率 应低于每小时2 0 0 c 。在不影响测试结果的前提下，为了缩短时间，可以在较低温度 时， 快速加热。为此根据经验，在5 0 0 以 下快速加热，加热速率为每小时1 0 0 0 0c o 5 0 0 以上及从奥氏体化后进行冷却时，都严格按照低于每小时2 0 0 的速率进行。 实验结果见图2 - 1 中的膨胀曲线 ( 由 膨胀量一时间，温度一时间曲线得到的温度 一膨胀量曲 线) ， 可测得实验用钢q 2 3 5 a c 3 和a r 3 温度如表2 - 2 。 因为a r 3 a e 3 c 。 时，变形抗力随变形程度的增加而迅速降低。通常变形程度对变形抗力 的影响可以用幂指数函数的形式表示为: 6=a : ( ) “( 7 ) 其中a ; 是与变形温度和变形速度有关的常数， a 为系数。 2 . 3 . 2 .4变形抗力模型的确立 在化学成分一定的情况下。 钢的热加工变形抗力主要受温度、变形速率和变形量 的影响。 根据前文对这三个要素的分析， 试验钢在铁素体区变形过程中的变形抗力可 用下式表示: 6=a ( ) “ ( ) ” ， e x p (一 c t)( 8 ) 其中。 为真应变，s 为变形速率， t 为变形时的绝对温度， a , a , b , c 为待定系数。 将上式两边取对数作线性处理， i n 6 二i n a+a i n ( ) +b i n ( e ) 一c t ( 9 ) 然后用最小二乘法进行回归处理。 根据热模拟试验得到的单道次实验曲线回归得到鞍 钢线材厂q 2 3 5 钢筋变形抗力模型为: 实验钢温度在8 5 0 以 下时: 6= 4 2 5 . 1 6 1 8 8 4 . ,0 .1 5 0 2 8 # ( -0 .0 2 1 5 1 t - 0 .0 5 7 1 8 ) e -0 .8 4 7 8 3 t( 1 0 ) 实验钢温度在8 5 0 以上时: 。一1000 丁一1000 鞍山 科技大学硕士学位论文 二 = 4 4 5 5 .1 7 9 .: 。一、 0.37397 ( 1 1 ) 2 . 3 . 3 实验钢的动态回复与动态再结晶 高温变形的真应力一真应变曲线有两种类型: 一种是动态回复型， 一种是动态再 结晶型。这里的动态回复是指在热变形过程中，金属的光学显微组织发生改变前 ( 即 在再结晶晶粒形成前)所产生的某些亚结构和性能的变化过程。图2 4为动态回复型 真应力一真应变曲 线: 试验钢在热加工时其真应力一真应变曲线在变形开始时， 应力 先随应变而增大， 但增加率越来越小， 继而试验钢开始均匀变形，即开始流动， 并发 生加工硬化，最后转变为水平，达到稳定态，在应力。 ， 的作用下，可以实现持续形 变。 相应地， 金属内部的显微组织也在发生变化。由于变形使位错密度的增大，导致 了回复过程的发生， 位错消失率也不断增加， 达到稳定状态时， 位错的增殖率与消失 率相等。 t 二常数 二常数 只侧麟 真应变， 图 2 - 1 9动态回复时的应力一应变曲线 奥氏体动态再结晶是指在再结晶温度以上的变形过程中，随着变形所产生储 存能的 释放， 应变能逐渐下降， 新的无畸变的等轴晶粒的形成和长大过程。 图2 - 1 9 为动态再结晶真应力一真应变曲 线:在高温变形过程中发生了 动态再结晶， 在高 应变速率的情况下，应力随应变不断增加，直至达到峰值后又随应变下降，最后 达到稳定态。在低应变速率下，与其对应的稳定阶段的曲线成波浪形变化，则是 鞍山科技大学硕士学位论文 仃，：4 0 5 5 17 9 s a 占( 啷3 9 7 志m 2 4 5 4 1 沙舢5 志( 1 1 ) 2 3 3 实验钢的动态回复与动态再结晶 高温变形的真应力一真应变曲线有两种类型：一种是动态回复型，一种是动态再 结晶型。这里的动态回复是指在热变形过程中，金属的光学显微组织发生改变前( 即 在再结晶晶粒形成前) 所产生的某些亚结构和性能的变化过程。图2 4 为动态回复型 真应力真应变曲线：试验钢在热加工时其真应力一真应变盐线在变形开始时，应力 先随应变而增大，但增加率越来越小，继而试验钢开始均匀变形，即开始流动，并发 生加工硬化，最后转变为水平，达到稳定态，在应力0 ，的作用下，可以实现持续形 变。相应地，金属内部的显微组织也在发生变化。由于变形使位错密度的增大，导致 了回复过程的发生，位错消失率也不断增加，达到稳定状态时，位错的增殖率与消失 率相等。 。 r 通 蜮 真应变，e 图2 一1 9 动态回复时的应力一应变越线 奥氏体动态再结晶是指在再结晶温度以上的变形过程中，随着变形所产生储 存能的释放，应变能逐渐下降，新的无畸变的等轴晶粒的形成和长大过程。图2 1 9 为动态再结晶真应力一真应变曲线：在高温变形过程中发生了动态再结晶，在高 应变速率的，隋况下，应力随应变不断增加，直至达到峰值后又随应变下降，最后 达到稳定态。在低应变速率下，与其对应的稳定阶段的曲线成波浪形变化，则是 一2 5 鞍山科技大学硕士学位论文 造成的。 b - r 型 蜮 真赢变，e 图2 2 0 动态再结晶时的应力一应变曲线特征 与再结晶过程相似，动态再结晶也是形核和长大的过程，但是由于在行核和长大 的同时还进行着形变，因而使动态再结晶的组织具有些新的特点：首先，在稳定阶 段的动态再结晶晶粒呈等轴状，但在晶粒内部包含着被位错缠结所分割的亚晶粒。其 次，动态再结晶时的境界晶界迁移速度较慢。 根据本文试验得到的真应力一真应变曲线，可以把试验钢的整个变形过程分为 三个阶段： 变形的初始阶段：由于在高温进行变形，在变形过程中同时发生了加工硬化和软 化两个过程，这两个过程在变形中不断的交替进行以保证变形能够顺利进展。在变形 的初期，变形速率由零而增加到所采用的变形速率s ，随着变形的进行，位错密度( p ) 将不断的增加，产生加工硬化。并且加工硬化的增加速率较快，使变形抗力迅速上升。 同时，由于在较高温度下进行的变形，位错在变形过程中通过交滑移和攀移的方式运 动，使部分位错相互抵消，使材料得到回复。由于回复和加工硬化同时进行，所以这 里也称作动态回复。当位错排列并发展到一定程度时候，会形成清晰的、2 。晶，称作动 态多边形化。虽然随着位错的增加，位错的消失速度也加快，使加工砭寥逐渐减弱， 但在这一阶段加工硬化的作用还是强于动态回复的软化作用。反映在应7 j 应变曲线上 一2 6 鞍山科技大学硕士学位论文 则是随着变形量的增大，应力值仍然不断增大。由于回复的软化作用不能完全的抵消 加工硬化，随着变形量的增加，位错密度继续增加，内部储存能也继续增加。 第二阶段：在这一阶段的变形过程中，真应力真应变曲线变得平缓。随着变形 量的增加，应力值变化不大。如果变形温度高且变形速率低的时候，曲线有可能出现 峰值，然后趋向于一定值，即发生动态再结晶现象。在这一阶段，动态软化作用加强， 反映在应变曲线上就是应力值随变形量的增加而增加的速率变得平缓，应力一应变曲 线变得平直。这一阶段，动态的回复作用加强，使更多的位错消失，奥氏体的变形抗 力下降。 第三阶段：在试验钢变形的最后阶段，应力随变形的增大，有一个急埘0 升高的阶 段。在普通的碳锰钢的变形过程中，在动态再结晶发生后，随着变形的进一步进行， 应力值会基本保持不变，趋向于一定值。而在试验钢中的真应力一真应变曲线上，在 变形后期应力升高是两种作用综合的结果。一是由于试验钢中的微合金碳氮化物的应 变诱导析出所引起的，见图2 一1 9 。随着变形的进行，在晶界和位错上会析出弥散细小 的微合金碳氮化物，这些弥散的微合金碳氮化物会钉扎位错和晶界，阻止了位错的进 一步移动，使进步变形变得困难。表现在真应力一真应变曲线上就是随着变形量的 增加，应力值升高。另一方面就是随着变形的进行，还会由于试样的缩短，试样变粗 而引起的面积效应，也会使应力值升高。由于在前一变形阶段应力应变曲线比较平缓， 从而会在应力一应变曲线上出现一个转折点。 2 7 鞍山科技大学硕士学位论文 根据图 2 - 1 8 ，试验钢的真应力一 真应变曲 线均为动态回复型。在给定的变形条 件下， 没有发生明显的动态再结晶。 在应变速率比 较低时， 在 1 1 5 0 .8 5 0 0c 的变形温 度范围内， 应力随着变形温度的降低而增大， 但当 变形温度较低， 如试样在8 5 0 - - 7 0 0 变形时，在一定的变形程度范围内，会出现变形温度降低而变形抗力降低的情况。 这是由于试样在两相区内受相变过程的影响， 应力随变形温度的升高而增大， 这一规 律与单相区不同。 线材轧制应变速率比较大，在工业试验过程中采用控温轧制时轧制 im . 度比较低， 因而线材轧制过程不可能发生动态再结晶，只可能发生一定程度的动态回复。 2 . 4 本章小结 1 对普通成 分q 2 3 5 钢以 热 膨胀法测定的c c t曲 线如图2 - 2 一图2 - 5 ; a t 3 为7 8 0 ，a c 3 为 8 5 5 0c. a e 3 应处于7 8 0 - 8 5 5 之间。 2 热模拟表明， 精轧出口线材降温1 0 0 0c / s 条件下 吐丝后喷雾降温速度应大于1 7 一2 0 0c/ s o 3 冷却速度由空冷到1 2 0c l s 的范围之内， 内部组织为铁素体加珠光体组织当热模拟 试样的冷却速度达到2 0 c / s 时， 试样转变组织主要有铁素体、 珠光体和贝氏 体。 。 4 线材精轧时， 轧制速度高， 道次间隔时间短， 会发生较大的应变积累， 这对于轧 制之后进行控制冷却具有重要意义。 5 线材精轧是升温轧制，即应变速率高， 冷却条件差， 温升幅度大， 这是与板材控 的本质区别，也是线材超级钢研究的首要难点。 鞍山科技大学硕士学位论文 第三章工艺设备概述及工业实验 3 . 1 国内外线材轧机生产概况 3 . 1 . 1 线材轧机的发展历史 从第一套线材轧机问世至今已经有 1 0 0多年的历史了。线材轧机发展及演变过 程的代表主要为横列式线材轧机、半连续式线材轧机和连续式线材轧机。 横列式线材轧机是最老的一种线材轧机， 其轧制速度一般在8 米/ 秒以下， 盘重 不超过 1 0 0 公斤。 所谓半连续式线材轧机， 是将横列式轧机和连续式轧机组合起来的 一种轧机， 其轧制速 度在1 0 米/ 秒左右， 盘重1 5 0 公 斤以 下。1 9 世纪7 0 年代摩根公 司、 施罗曼一西马克公司研制的4 5 “无扭组合式连续式线材轧机轧制速度可达6 0 米/ 秒。 1 9 6 42 0 0 2 年， 高速线材轧机发展很快， 全世界已 经建成3 0 0 多条高速无扭精轧 机组，其主要机型有摩根、德马克、阿希洛、 达涅利。 3 . 1 . 2 高速线材发展趋势 日 本东京钢公司高松厂棒线材生产连续作业线( 产量9 0 t / h )自1 9 9 8 年3 月开始 工业化生产以来，一直运转正常。 这条生产线包括圆坯连铸机、除鳞机、铸坯自 动焊 接机、清理毛刺机、感应加热器及轧钢机。连铸圆坯经焊接后直送轧机，无间歇的生 产棒、 线材。 生产线中关键部分 ( 连续式轧制线)由日 本n k k 公司供货并称为新型棒 线材无头轧制装置 ( e b r o s ) ，为该公司专利技术。 日 本 新日 铁 子 公 司 一 东 方 光 行 公 司 若 松 厂1 9 9 8 年 投 产 了 一 条 线 材 直 接 轧 制 生 产线，连铸机生产的方坯通过带有感应加热的传输台直接送往轧机轧制，其间跨度为 1 3 0 m ，小方坯运行时间9 0 s ,最高速度可达2 4 0 m / m i n a 美国 共和工程公司坎顿厂于1 9 9 5 年投产了 一条达涅利公司开发的“ 黑匣子” 直 接轧制生产线， 用以生产线材和棒材， 用侧装步进炉作为热连铸坯的缓冲和均热装置， 热铸坯经均热后直送轧机轧制。 鞍山科技大学 硕士学位论文 9 0 年代以来，美国摩根公司开发了在无扭精轧机后增加减径和定径机架以 提高 线材精度和轧机产量。美国美钢联/ 神户合资公司建设了带减、定径机组的摩根公司 线材轧机，该轧机出口速度为1 1 1 . 7 6 m / s，成品材尺寸精度甚佳，轧机于 1 9 9 5 年投 产。 加拿大伊瓦科公司由 摩根公司提供包括t e k i s u n 减径一定径轧机在内的设备使其 年产能力由7 0 万吨增至9 5 万钝， 成为北美洲线材产量最大的轧机， 线材最小规格为 5 m m ，成品公差10 . 1 m m 。中国台湾省中钢公司在原有每条生产线无扭精轧机组后增 加减径和定径机架各两台 ( r o d -t e k i s u n ) ，改善线材的断面形状、尺寸精度以及增 加有效轧制时间。在生产f 5 . 5 m m线材时，轧机产量可增加 巧% ，各种规格线材的直 径公差将限制在土 0 . 1 二以内。 轧机将可以生产用于生产钢帘线的高碳特殊钢线材， 轧机改造后己于1 9 9 7 年投产。 9 0 年代以来， 新建线材轧机终轧速度进一步提高， 1 9 9 1 年摩根公司提供给巴西 贝尔格厂棒、线材轧机投产，最高极限轧速为 1 4 0 m / s ，保证最高轧速达 工 2 0 m / s , 最高设计速度1 0 0 耐s 以上，一般采用单线布置。这就是所谓第六代高速无扭线材轧 机 ( 第五代轧机极限速度为1 2 0 m / s ，设计速度1 0 0 m / s ，保证速度8 0 m / s ) ，单线轧 机能力由过去年产3 5 万吨左右提高到6 3 万吨。 为提高线材力学性能并节约能耗， 控 温轧制技术开始用于高速线材生产， 主要措施有两项， 一是降低开轧温度 ( 粗轧开轧 温度约为 7 0 08 0 0 0c )， 二是精轧前采用强迫水冷， 降低轧件进入精轧机温度( 约为 8 0 0 9 5 0 0c ) 。 为适应控温轧制负荷机架得到应用和发展。 超重负荷机架可承受轧制力 为正常负荷机架的 1 8 4 % - 1 9 2 %。 由于机电设备可靠性的提高、结构的改进 ( 整体或快速更换等) ，并增加了事故 诊断及预警系统， 使其故障率及非作业时间大幅度降低，当前线材生产线机电设备的 故障率仅为 2 % - 3 % ， 操作事故及更换规格等非作业时间 仅占4 % - 6 % ，使线材轧机进入 了理想时代。 在线测径仪和在线探伤仪大量应用， 实现 a d c闭环控制和各种缺陷自动检测。计 算 机控 制进 一步智 能 化， 计算 机 管理 系 统实 现系 统网 络 化、 智能 化 随着设备的更新产品的质量不断提高。线材的质量系指尺寸精度，表面状况，力 鞍山科技大学硕士学位论文 学性能。由于精轧机及其后部散卷冷却线的改进， 线材尺寸精度可达士 0 . 1 m m， 整盘 线材的力学性能差小于2 0 m p a 。此外，扩大了在线处理功能，如芯热回火，淬火，软 化退火等， 简化或取消了线材的离线处理， 可直接用于再加工。 产品的规格范围不断 扩大，产品最小规格可达 h 4 . 5 m m ，最大规格已超过 4 0 m m 。产品盘重不断增大，高线 产品盘重从最初 7 0 0 k g以下，发展到目 前 2 . o t以上，国外有的高线厂盘重己达到 2 . 5 - 3 . o t。 不断开发新 钢种产品，由 建筑用钢向 金属 制品 用钢转变。 低碳钢中以 铆 螺钢，自 攻钉用钢为主，焊条用钢比例在逐渐缩小，焊丝用钢比例增加。 3 . 2 鞍钢线材厂简介 鞍钢线材厂，引 进的 是美国 美钢联弗尔利线材车间 二手设备，1 9 8 7 年6 月正式 投产。经 1 9 9 5 年设备改造后，轧机速度达7 5 米/ 秒，生产能力达9 0 万吨以上。主要 装备有梁底组合式步进加热炉、水平粗中轧机组， 无扭预精轧、精轧机组，s t f l m o e 冷却系统。 原料: 产品: 1 2 0 m m x 1 2 0 m m x 1 1 . 7 m 连铸方坯。 中5 终轧速度: 5 - 1 3 m m ，盘重 1 . 2 8 t . 保证速度7 5 m / s ，设计速度9 0 m / s o 3 . 2 . 1 工艺流程 画 一 fq :- fa r e -画 ff i l - , w 一 画 - k i - 鹅 黝 娜 资 限叫豁 滁 .确 心呻嗯 戳翼如 水冲 怡 卜州城 自 帕 黑 留 0一敬熨峥 吐幼确 上 而七 门 卜 州 曦巍 巍 1- 性 磊 黔 耀 黔， 雇 喂 ! ， 罗啊墨 卜v,a 水冷 介 皓走峪 梦 数 1梨 黔 攀 瑞璞 扩 图3 - 1设备布置平面图 3 . 2 . 2 装备水平同行业对比 鞍山科技大学硕士学位论文 表3 - 1装备水平对比表 单位宝钢高线厂武钢线材厂鞍钢线材厂 70一75 70一105 40一110 项目 设计产量 保证速度 线数 规格 万 t / 年 m/ s m m中5 . 5 - - 中2 2 小5 . 5 - - 小2 5巾5 . 5 一1 3 小6 一中 1 6 盘重t 钢坯m m x m 1 . 9 - - 2 3 1 4 0 2 - - 1 6 0 x 1 4 . 6 - - 1 0 . 5 2 0 0 2 x 61 2 0 只 i . 了 步进梁式步进梁底组合式 步进梁式 150一25 150一30 180一30 加 热 炉 车 l 制 道次 型式 能力 t / h 小计 粗轧机组 中轧机组 予精轧机组 精轧机组 8 + rs m4 精轧机组型式 活套个数个/ 线 风冷线长度 ( m) 风机数量 ( 个) 设备制造厂 摩根超重型 摩根超重型摩根顶交 4 5 1 0 3 . 8 4 3 . 2 93一11 摩根、a b b 施罗曼西马克 施罗曼西马克 3 . 2 . 3 孔型系统 采用箱一 椭圆一 圆一 椭圆一 圆孔型系统， 具体孔型参数见下表: 鞍山科技大学硕士学位论文 表3 - 2孔型尺寸表 小6 . 5小8 刀 小 1 0 刀 高度孔宽辊缝槽深高度孔宽辊缝槽深高度 ， 。 宽 辊缝槽深 m mm mm mm mm mm mm mm mm m 一 :n m i nl nm m 18 51 4 7 32 03 2 . 58 51 4 7 . 3 2 03 2 . 58 5 14 7 .3 2 03 2 . 5 27 21 6 22 o2 67 21 6 22 02 67 21 6 22 02 6 38 79 3 . 61 83 4 . 58 79 3 石1 83 4 . 58 79 3 . 61 83 4 . 5 44 91 2 41 51 74 91 2 41 51 74 91 2 41 51 7 56 26 5 . 8 81 42 46 265 . 8 8 1 42 46 26 5 . 8 81 42 4 63 88 81 01 43 88 81 01 43 88 81 0 一 、， 74 75 0 . 8 581 9 . 54 75 0 . 8 58i 9 . 5 4 75 0 . 8 581 9 . 5 82 8 . 46 681 0 . 22 8 . 4 6 681 0 22 8 . 46 681 0 . 2 93 5 . 63 7 . 6 461 4 . 8 3 5 . 63 7 . 6 461 4 . 83 5 . 63 7 . 6 4 61 4 名 1 02 3 . 8 5 268 . 92 3 . 85 26 8 . 92 3 . 85 268 . 9 1 12 8 . 6 3 0 石4 . 21 2 . 22 8 . 63 0 . 6 4 .21 2 . 22 8 . 63 0 . 64. 2 1 2.2 1 21 93 8 36 76 . 1 5 1 93 8 36 . 76 . 1 51 9 3 8 36 . 7 6 . 1 5 1 32 3 . 92 4 . 8 3 4 . 99 . 52 3 . 92 4 : 8 34 . 99 . 5 2 3 . 92 4 . 8 34 .9 9 . 5 1 41 63 0 . 4 4 . 06 . 01 6 3 0 . 44. 06 . 01 6 3 0 . 44.06 . 0 1 51 9 . 521 . 23 . 0 8 . 2 51 9 . 521 . 23 刀 8 . 2 51 9 . 521 . 2 3 . 08 25 1 61 3 . 4 6 2 5 . 8 62 . 0 85 . 6 9 1 3 滩12 5 . 8 62 . 0 35 . 6 91 3 . 41 2 5 . 8 62 . 035 . 6 9 1 71 5 . 8 1 72 . 5 06 . 6 5 1 5 71 72 . 4 06 . 6 5 1 5 . 71 7 2 . 4 06 . 6 5 1 8 1 0 . 321 . 81 . 7 2 4 . 2 91 0 . 1