（材料加工工程专业论文）高碳钢线材轧后冷却工艺优化.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 8 2 a 和8 2 b 高碳钢盘条是高速线材生产线的主力产品，具有很好的经济效益，研究 8 2 a 和8 2 b 高速线材热轧生产过程中工艺参数对组织转变和产品性能的影响是近年来本 学科高线生产工艺研究的热点之一。 武钢集团是武汉科技大学重要的合作伙伴，武钢大型厂高速线材生产线是国内比较先 进的高速线材生产线之一，控轧控冷装备技术完善，产品精度高，性能好且质量均匀稳定。 本文首先阐述了课题内容与研究意义，介绍了国内外高速线材生产的最新发展情况， 讨论了线材控制轧制与控制冷却过程研究的常用方法和模型。针对武钢高线车间8 2 a 和 8 2 b 生产中出现的组织性能不稳定、改判率较高的情况，分析了可能的原因，绘制并研究 了该钢种的连续冷却转变曲线( c c t 曲线) ，通过实验分析了控制冷却过程中热应力对相变 组织的影响，对成品金相组织和力学性能进行了研究。在以上研究的基础上，结合理论模 型分析，提出了控制吐丝温度和冷却速度的原则，针对该钢种控制冷却制度提出了优化建 议。 关键词：高速线材c c t 曲线控制冷却数学模型 a b s t r a c t t h e8 2 a 锄d8 2 bs t e e lw i r er o da r em a i np r o d u c t so f h i 曲s p e e dw i r ep r o d u c t i o nw i t l lg o o d e c o n o m yp e r 硒肿a 1 1 c e r e s e a r c ho ft e c h n o l o g yp a r a m e t e ri n f ；e c t i o no no r g a n i z a t i o n 仃a n s f o m a t i o na i l dp r o d u c tm n c t i o nd u 曲g8 2 a a 1 1 d8 2 b h i 曲s p e e dw i r eh o tr o l l i n gi so n eo f t l l er e s e a r c hh o t s p o t so n h i 咖s p e e dw hr o l l i n gi nr c c e n ty e a r s w i s c oi s 觚硫p o r t a i l tc o o p 蹦i t i o n c o l l e a g u eo fw u h 锄u i l i v e r s i t yo fs c i e n c e 锄d t e c h o l o 鼢i t sh i 咖s p e e dw hp r o d u c tl i n e 通l a 蜓p s c a l er o l l i n gm i l li so n eo fm em o s t m o d e n lmt l l e c 0 u r 血mw 油p e r f e c te q u i p m e n ta n dt e c l l i l o l o g yo fc o l l 仃o l l e dr o l l i n g 锄d c o n 缸o l l e dc o o l i n 岛p r o d u c t i o i l so f l l i 曲p r e c i s i o l l e x c e l l e n tp e 盯0 珊锄c ea n d s t a b l eq u a l i 戗 l o p l cc o m e n t sa 1 1 dr e s e 删lm e a l l i n gw e r ee l a b o r a t e di nt h ef i r s to ft l l et e x t m el a t e s t d e v e l o p m e n t so fh i 曲。s p e e dw i r ep r o d u c ti nd o m e s t i ca i l di n t 锄a t i o n a lw e r ei n t r o d u c e d c o n h n o nm e t h o d sa 1 1 dm a t h 锄a t i c a lm o d e l su s e di nt h er e s e 锄mo f w i r cc o n 仃o l l e dr 0 1 l i n ga n d c o n t r o ic o o i l n gp r o c e s sw e r ed i s c u s s e d a i ma t + h ee m e 唱e n c eo f u n s t e a d yo r g a n i z a t i o na n d p 娟m l a n c e ，h i 曲r a t eo fj u i i g m e n t c h a n 西n gd 城n g8 2 aa l l d8 2 bp r o d u c li nw i s c o n l g h 。s p e e dw l r ep l a j l t ，w ec a m et o 跳a 1 1 a l y s i so np o s s i b i l i t yo fr e a s o n s ，d r e wa l l dr e s e a r c h e d t o w a r d sc o n t l n u o u sc 0 0 l i n gt m s 向m a t i o nc u r v e ( c c tc u r v e ) ，a 1 1 a l y z e dt h ei n f e c t i o no 仆e a t s t r e s so no 唱a j l l z a t i o nt r a n s f o m a t i o nd u r i n gc o n t r 0 1 l e dc 0 0 1 i n 岛r e s e a r c h e dt h e m e t a l l o 翠a p h i c p n a s eo r g 锄z a t l o n 觚dm e c h 肌i c a lp r o p e n y c o m b i n e dw i t ht h e o d e sm o d e la 1 1 a l y s i s ，w ec 锄e t 0t h ep n n c l p l eo fs p i nt e m p e r a t u r e 觚dc o o l i n gr a t ec o n t r o lb a s e do na b o v e r e s e a r c h ，o p t i m i z e s u g g e s t i o n so nc o 曲r o l l e dc o o l i n gs y s t e mw e r ep r o p o s e d k e yw o r d s ： h i 曲- s p e e dw i r e ，c c t 刚e ，c o n t r o l l e dc o o l i n g ，m a t h e i i l a t i c a lm o d e l 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声盼 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 工徊火 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：兰! 鱼叁 指导教师签名：刁缉嫩 日 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 1 1 课题内容 第一章前言 高速线材轧后控制冷却工艺优化是结合武钢高线的实际生产需要立项的科研课题，其 内容包括：研究不同工艺参数( 吐丝温度、冷却速度、辊道速度) 下高碳钢线材在控制轧制 和控制冷却过程中的相变规律和预报力学性能，减少组织性能不稳定和性能改判的情况。 研究工作主要包括现场数据收集、热模拟实验、应力实验、金相组织实验、c c t 曲线的 建立和分析、数学模型的研究、预报模拟和软件开发等。 1 2 研究意义 我国的钢产量近年来一直居世界前列，但是高技术含量、高附加值的产品仍然很缺乏 i 。8 2 a 和8 2 b 线材作为高速线材核心产品，8 2 a 主要用于飞机起落轮胎、大型汽车和高 级轿车轮胎，8 2 b 主要用于生产预应力钢丝、钢绞线和非合金钢盘条，对钢材的强度、拉 拔性能、纯净度以及钢中的央杂物含量都有极高的要求。高线生产的盘条钢，具有生产速 度快，产量大的优点。 然而，市场对钢材的质量要求很严格，不仅要求有很好的表面质量，对钢材的组织力 学性能更是提出了高要求。高碳钢的轧后控冷阶段，钢材内部将发生一系列的物理冶金学 过程，轧件的组织发生一系列复杂的变化，这些变化主要取决于轧件的化学成分和轧件组 织的演变过程，这些过程决定了钢材显微组织特性，从而决定了钢材的力学性能。研究轧 后控冷过程组织和性能演变，优化轧后控冷工艺，进而控制钢材的组织力学性能，可以有 效的提高产品质量，降低组织性能改判率。因此，研究控冷制度与相变规律及最终组织性 能变化的关系具有十分重要的意义。 随着计算机技术的发展和材料科学理论研究和实验研究的重大突破，通过实验室试验 和相关理论建立数学模型，并通过现场数据来检验修正模型以更加精确地预报性能，有着 重要的意义。对于高速线材，考核的三个常规力学性能是抗拉强度、屈服强度和延伸率， 而性能的好坏主要取决于钢的化学成分、晶粒度、各相的体积分数和关键的轧制与冷却工 艺参数。 本课题研究钢种为8 2 a 和8 2 b 高碳钢。通过实验研究和理论分析相结合的方法，建 立并分析了8 2 a 钢动态c c t 曲线，针对性的设计了应力一相变实验，并根据c c t 曲线 和相关理论，建立了一系列数学模型，并通过现场数据对数学模型进行修正，建立组织一 性能预报模型。通过实验模拟和模型预报，为产品性能的预测和实际工艺的改进提供参考。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 国内外发展现状 2 1 1 高速线材生产线的发展 第二章文献综述 现代工业采用由2 5 2 8 架轧机组成的连续式轧机生产线材，轧制过程一般分为粗轧、 中轧、预精轧和精轧4 个阶段。在预精轧机和精轧机之间设置有若干段冷却水箱，通过控 制冷却水箱的水温、水压和开关，来调节进入精轧机的轧件温度。从精轧机轧出的线材， 由吐丝机将其平铺于斯太尔摩线的输送链上，运送到集卷器。在精轧机和吐丝机之间也 设置有若干段水冷箱，用于调节线材的吐丝温度。斯太尔摩线长达数十米，生产高碳钢线 材时，通过调节输送链下面风机的鼓风量控制线材的冷却过程。高碳钢线材在其“漫长 的制造过程中，钢的组织经历了奥氏体化、奥氏体组织的变形、再结晶、晶粒长大以及奥 氏体转变为珠光体等一系列变化。这一系列物理冶金过程决定了高碳钢线材最终的组织， 从而也决定了线材的力学性能1 2 l 。钢的化学成分以及轧制线上的主要工艺参数如钢坯加热 温度、终轧温度、轧制速度、吐丝温度、斯太尔摩线的风量、输送链的传送速度等都对线 材的最终组织和性能有着重要的影响。 自2 0 世纪6 0 年代，美国摩根公司设计制造出第一代4 5 0 无扭精轧机组，并发展了与之配 套的散卷冷却运输线( 斯太尔摩控冷线) 以来，线材生产进入了高速连续轧制的新纪元。经 过近4 0 年的发展，成品线材的最高轧制速度由5 0 耐s 提高到1 2 0 i i l s 。轧线的配置由粗中轧 多线有扭轧制发展为单线全无扭轧制。精轧机由侧交4 5 0 标准型发展到第五代顶交4 5 0 超重 型，使低温轧制成为可能。成品卷重已达2 0 0 0 k g 以上，规格包括5 5 2 0 。0 i i l m 系列。产 品尺寸精度公差可达士0 1 2 n u n 。随着全线控制冷却技术的发展，斯太尔摩线冷却能力的不 断改进，中、高碳硬线产品的力学性能和均质性不断提高，已经接近完全替代系统的铅浴 热处理水平。在线计算机自动控制系统的应用，保证在极高轧制速度下的全线小张力及无 张力轧制的稳定运行。成品直径连续测定和表面缺陷探伤仪的在线应用，减少了连续废品 的机率，提高了成材率1 3 j 。 摩根公司在1 9 9 8 年9 月召开的“第七届国际摩根线材轧机技术交流会上推出了面向 2 1 世纪的线材轧制新技术，其核心是在精轧机后配置定径减径机组，全线单一孔型系列， 实现“自由轧制 。产品尺寸范围扩展到5 o 2 5 o m m ，每隔o 1 m m 组距生产一种产品。 定径减径机组实行在线快速更换，离线检修、设定。进一步设想将精轧机组由单一电机集 体传动，发展为每两架一组单独传动。实现在线快速更换，从而极大地减少了停机率，提 高产量，降低成本。轧机控制方面，将发展粗中轧机孔型自动对中，辊缝自动检测设定， 精轧机尺寸自动反馈调整系统。将目前的入工经验调整发展为计算机智能调整。吐丝机是 进一步提高轧制速度、扩大吐丝直径的最后关口。摩根发展的新型吐丝机将增加吐丝椎长 度，改进空问曲线，可调吐丝角度，改善平衡，减少振动，实现吐丝锥整体改换。将使线 材产品直径扩大到2 5 m m ，最高生产速度可望提高到1 4 0 1 1 1 s 。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 在提高产品质量方面，在强调改进坯料钢质纯净度和成分均匀性的基础上，在轧制线 上实现“热一机械加工”“快速淬透一芯部回火”等新工艺，进一步改进线材金相组织， 获得高强度、高韧性的各种高档线材产品。 现代高速线材轧机的产品已经逐渐向高档、优质方向倾斜，以求获取更大的经济效益， 不断提高线材内在性能是一个永远新鲜的主题。 2 1 1 1精料原则 对于中高碳优质线材及低合金、合金钢线材，成品性能优良与否首先取决于钢质的纯 净度、化学成分的均匀性和钢坯缺陷的彻底清理。以美国伯明翰钢铁公司为例，该厂1 9 9 6 年为其线材厂投人了新的钢坯生产系统。在冶炼工艺上采用钢包精炼、真空脱气、大方坯 连铸( 2 6 7 3 4 3 m m ) ，再经热连轧成为小方坯，在热连轧过程中经过高压水除鳞，在线火焰 清理，轧后进行表面喷丸，磁粉探伤检查，砂轮修磨等工序后，再提供高线轧制。这种优 质无缺陷钢坯可保证生产汽车、航空、机械、金属制品等工业所需的各种优质线材。 采用连铸小方坯生产高碳硬线，必须控制钢坯中心碳偏析，其偏析系数应小于1 1 l 。 以生产大直径p c 钢绞线用线材为例，中心碳偏析系数超过1 2 0 ，就有可能在成品线材金相 组织中产生网状碳化物，降低线材的断面收缩率，造成拉拔脆断，即使线材轧机具有优良 的控冷装备也难以克服。钢质的纯净度和化学成分的严格控制，也将对成品线材的性能均 匀性产生重大影响。 据国外资料报导1 4 捌，日本神户、川崎，韩国浦项，台湾中钢等钢铁公司生产8 2 a 高碳 钢线材均采用了转炉一大方坯( 断面大于2 5 0 m m 2 5 0 m m 卜初轧开坯一高线轧机轧制的工 艺路线。我国宝钢采用转炉一模铸初轧开坯一高线轧机轧制的工艺路线。上述工艺均为 二火成材，压缩比大，可以减轻铸坯( 锭) 中心缺陷的危害。但国内钢厂在试验采用转炉一 连铸小方坯( 断面1 4 0 n 吼1 4 0 i r 蚰卜高线轧机轧制的工艺路线时，未取得良好成果。1 9 9 9 年8 月武钢平炉改为转炉后，采用转炉一连铸( 方坯断面2 0 0 m m 2 0 0 删= 1 1 卜一高线轧机轧制的 工艺生产8 2 a 线材。其工艺路线具有流程短、能耗低、金属收得率高、经济效益好的优点， 但由于压缩比较小，因此对生产工艺技术提出了更高的要求。 2 1 1 2 r s m 定径减径机的发展 摩根公司从1 9 8 8 年开始与f 1 本大同钢厂合作，将棒材的定径机应用于线材精轧机之 后，当时该设备取名为t e k l s u n ，仅仅是为提高成品线材的尺寸精度，尺寸公差可控制 在士0 1o i 】啪以内，椭圆度 o 1 0 i m 。经过几年的发展，该技术更加成熟，优点更多。1 9 9 3 年，摩根将新的4 机架定径减径机组定名为r s m ( r e d u c i n g 锄ds i z i n gm i l l ) 并获得专利。 摩根公司在第七届技术交流会上重点介绍了该设备的技术性能和优点，称之为2 l 世纪高线 发展的必经之路。 由于有了r s m ，从巾5 0 1 1 m 至m 2 0 o i 】恤的成品可以从第一架到最后一架共用同一套孔 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 型系统。变更规格仅仅调整各架不同的辊缝值，这就极大地简化了换规格的程序，节省了 停机时间，减少了轧辊和辊环的库存量( 约可减少4 5 ) 。大大减少辊环、导卫的储备量和消 耗，轧槽寿命可以提高到l o o o 影次。节省备件资金，降低成本1 0 。 由于r s m 布置在精轧后第二组水箱之后，轧件经水冷进入r s m 的温度可以在 7 0 0 8 0 0 之间，进行低温轧制，在金属学领域称为“热一机械处理 或“形变热处理 。 这对细化成品线材的晶粒提供了条件。某些双相钢和超细晶粒钢，在传统的精轧机中不能 发挥优势，经过r s m 低温轧制，再经余热自回火，能够显著提高力学性能，细化晶粒， 可以生产高强度、高韧性的产品，改善下工序拉丝的效率。 2 1 1 3 吐丝机的发展 吐丝机又叫成圈机，钢线经导管进入高速旋转的吐丝机而连续均匀地吐出呈不同心的 螺旋状线圈散布到运行着的运输机辊道上，由直线运行转化为散圈，因此它的旋转速度、 动平衡和成圈重量都直接制约着轧制速度的提高。吐丝机能够适应的线材直径范围，也制 约着轧线能够生产的最大直径规格。 6 0 年代最初的吐丝是立式吐丝机，只能适应6 0 r 1 1 s 的轧制速度。7 0 年代发展了卧式( 倾 斜式) 吐丝机，但吐丝锥的长度和外径比l d 较小，轧制速度仅能达到7 0 r i l s 。1 9 7 5 年以后发 展了加为1 4 7 的称为“螺旋式 吐丝锥的改进型卧式吐丝机，倾角由7 5 0 加大到1 5 0 。 由于吐丝锥的长度增加，外径减小，改善了吐丝管的空间曲线，适应了轧制速度的增 长。在这种设计概念指导下，8 0 年代吐丝机的u d 达到1 7 3 。9 0 年代初吐丝机的u d 达到1 8 9 。 轧制速度提高到1 0 0 i s 。我国以天钢高线为首引进的五套高线轧机，就是这种改进型的吐 丝机。摩根最新开发的吐丝机在吐丝锥上附加了一个控制线材散圈尾部圈型的机械装置， 据称可以适应1 2 0 l s 以上的轧制速度，线材尾部圈型不乱。 新型吐丝机的吐丝倾角可以灵活调整，分为l o o 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 五个分度。可适 应最大吐出线材直径达到2 5 o m m ( 所吐线材直径越大、倾角越大) 。为了适应2 l 世纪提高 全线生产效率的发展趋势，最新型吐丝机己设计成吐丝锥可以整体快速改换，便于离线更 换吐丝管，减少停机时间。 2 1 1 4 控冷工艺的发展 控制轧制和控制冷却技术是高速线材生产的两大关键环节。由于高线线材的轧制是在 规定的孔型系统中完成的，变形条件基本固定，各道次的变形参数已确定，在实际生产时 主要是通过控温轧制来实现的，控温轧制的主要目的是细化晶粒。线材高速轧后的控制冷 却技术，也被称为在线热处理，是直接关系到线材最终性能的关键工艺。 从物理冶金角度来看，在吐丝前，钢坯的“变形一热 历史决定了相变前奥氏体的组 织，吐丝后在斯太尔摩线上的风冷控制着奥氏体向珠光体的相变过程。欲得到索氏体组织 的线材，应使热轧奥氏体组织稳定，轧后应迅速将线材冷却到形成索氏体的最佳温度范围， 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 控制奥氏体在此温度下完成珠光体梧变。 斯太尔摩控制冷却技术是直接在轧制线上控制线材组织的重要方法之一，该技术于 1 9 6 4 年由加拿大斯太尔柯钢铁公司和美国摩根公司联合开发出，是目前全世界高速线材轧 机控制冷却线上使用最为广泛的冷却技术。高碳钢线材经过适当的控冷后，可直接得到索 氏体组织。斯太尔摩工艺要点是：从精轧最后一架轧机轧出的线材穿过水箱，控制线材的 温度，然后通过吐丝机形成环状线材圈。环状的线材圈一环压一环的平卧于水平输送链上， 空气从输送链下面吹向线材圈，使线材按预定的冷却速度冷却。考虑到在输送链两边线材 的密度较高，因此向两边的送风量较大。在斯太尔摩线的末端，环状线圈被收集。 摩根公司一直在致力于优化线材生产过程的控制冷却工艺，目前已经实现轧件在全线 的温度自动检测，打印记录，吐丝温度闭环控制。今后优化的重点，将是增加预精轧机后 冷却能力，将冷却箱由一个增至两个，相应增加恢复段长度。轧件进精轧机的温度控制在 8 5 0 9 0 0 ，精轧机中间机架采用水冷导卫，抑制在高速轧制中产生的变形热，终轧温 度不超过l 0 0 0 。r s m 轧机的投入，使轧件在吐丝前再进行一次低温轧制( 7 0 0 8 0 0 ) 。 这些措施都是为了细化线材晶粒，还可适用于轧制有特殊需要的“双相钢 线材。斯太尔 摩风冷线将沿辊遭长度方向安装多点温度测量仪表，适时画出连续冷却曲线以便得到最佳 的成品金相组织。风机的冷却风量目前已提高到2 1 0 5m 3 i l 台，将视轧制速度的提高和产 品规格的增大，而适当加长冷却辊道的总长度。此外，一些特殊的高效冷却方式，如喷雾 冷却，改变冷却风流的波长等提高冷却效率的方法，也在开发研究之中。 2 1 2 武钢高速线材生产线 武钢高速线材轧制生产线由武汉钢铁设计院负责工厂设计，德国s m s ( 施罗曼西马克) 公司负责轧制线生产工艺技术，于1 9 9 6 年8 月投产。采用精轧双线生产法，双线可生产同 规格产品，也可以生产不同规格的产品。精轧设备为m o r g a l l s m s 第五代顶交4 5 0 无扭高精 度精轧机，控轧控冷装备技术完善，产品精度高，光洁度高，性能好且质量均匀稳定。2 0 0 7 年进行技术改造，增加了摩根r s m ( 减定径) 机组，显著提升了产品性能1 6 l 。 吐丝机锥头倾角l o o ，最大吐丝速度1 2 0 i 】佻，吐丝机传动功率d c 3 2 k w ，转速为1 4 5 0 r p m 。 斯太尔摩辊式风冷机全长9 3 m ，冷却过程分9 段，每段长9 m ，辊子4 4 支，辊径m 1 2 0m m ， 每段有2 个控冷单元( 单独可调控风量) 。在运输辊道之下布置有1 3 台离心式强冷风机，每台 风量1 2 1 0 5n m 3 h ，风压1 9 6 l ( p a 。辊道输送速度0 0 5 1 5i i l s ，冷却能力0 5 1 7 s 1 7 i 。 线材经吐丝机中的吐丝头形成环状线材圈后，就在输出辊道上进行冷却。整个辊道有 1 5 段( 其中吐丝出来到第l 架风机前为第1 段，l 撑8 群风机每个风机对应一个辊道段，后有 z o n e 5 、z o n e 6 、z o n e 7 、z o n e 8 、z o n e 9 和出口6 个辊道段) ，各段的速度各不相同，只是给定 辊道的入口速度( 第1 个辊道段的速度) 按辊速比，进行辊速分配。1 3 架风机对线材送风进行 风冷，每架风机的风流覆盖的斯太尔摩线长度为4 3 6 5 米。风机上带有“佳灵 装置，自动 调节两侧和中间的风量分布，考虑到线材圈边部的密度较中心位置高，因此边部的送风量 大于中间的送风量。通常风机分为4 个档，分别是o 、1 、2 、3 档，每个档所对应的风量为0 、 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 3 9 6 0 m 3 l l 、7 9 2 0 m 3 l l 、1 2 0 0 0 m 3 i l 。图2 1 为斯太尔摩风冷线布置图l 引。 锕铉柏椭稻拍 孵稿静桶0 甜l税2觎3 入口趵m l n e 2瑚e 3z e 4 n e 5o o f i e 6 n e 7撕e 8z e 9出口 图2 1 斯太尔摩风冷线布置图 2 1 2 1 8 2 a 和8 2 b 线材生产中存在的问题 武钢高线生产线在经过技术改造后，在8 2 a 和8 2 b 线材的生产过程中，出现了组织性能 不稳定、改判率较高的情况。主要问题如下： ( 1 ) 轧制温度控制不当时8 2 b 线材断面出现网状碳化物； ( 2 ) 8 2 b 线材心部存在条状断续马氏体； ( 3 ) 8 2 a 线材性能不稳定，造成改判率较高。 检测显微硬度发现，8 2 b 线材马氏体部位的硬度较索氏体部位高近7 5 ( 索氏体为 h v 3 0 1 3 3 3 ，而马氏体为h v 5 2 4 5 8 6 ) 。用能谱仪对成分进行分析，发现马氏体部位的c 、 c r 、m n 、s i 含量远高于线材边部的索氏体部位。其偏析比( 马氏体成分索氏体成分) ：s i 为 1 1 8 1 4 8 ，c r 为2 2 2 3 9 5 ，m n 为1 9 4 2 4 3 。 2 1 2 2 已提出的理论和解决办法 张翔等人通过对大量脆断试样的检测分析和对铸坯低倍组织的检查，认为连铸坯的中 心偏析、缩孔、疏松等缺陷是造成8 2 b 线材质量问题的主要原因。由于线材中心成分偏 析，线材冷却速度快，奥氏体转变时间短，线材心部组织为马氏体和残余奥氏体，残余奥 氏体在室温下会继续转变为马氏体，产生很大的内应力1 9 j 。 铸坯中心缩孔和疏松：连铸坯凝固过程中，由于二冷区冷却的不均匀性，在铸坯纵断 面中心常常出现“凝固桥 ，桥下面的残余液体凝固要收缩，得不到上面液体的补充，就 会形成缩孔或疏松，并伴随着严重的中心偏析和夹杂物的富集。 中心偏析：连铸坯中心液体最后凝固，溶质含量高，容易形成中心成分偏析。铸坯轧 成线材后，中心成分偏析并未消除，心部c 、c r 、m n 含量很高，使中心金属的c 曲线与 线材边部金属的c 曲线相比更靠右，因此，即使中心偏析区的冷却速度低于线材表面， 但仍有可能转变为马氏体。马氏体是碳在弘f e 中的过饱和固溶体，由奥氏体转变为马氏 体时，引起晶格畸变，产生很大的内应力，容易产生裂纹。 在对8 2 b 线材质量现状、生产工艺调查研究的基础上，主要采取了以下措施： ( 1 ) 降低钢水浇注温度，降低拉速，以利降低铸坯中心缺陷的级别； 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 ( 2 i 确保电磁搅拌正常运行； ( 3 ) 采用v d 真空处理，降低钢中气体含量； ( 4 ) 连铸加强保护浇注，减少钢水吸n ，控制成品 n 】s 5 0 l o 击； ( 5 ) 冶炼过程中加钒，细化晶粒，改善线材综合性能； ( 6 ) 优化控轧控冷工艺，控冷温度稳定。 采取相应的改进措施后，8 2 b 线材质量明显提高，一级品率由不足7 5 提高至接近 1 0 0 ，质量异议由之前的8 9 降至1 2 。除了冶炼技术方面的改进，在轧制方面主要还 是控冷制度方面的改进。但在炼钢阶段添加合金元素，增加了成本，降低了产品市场竞争 力。如何仅通过控冷制度的优化，达到产品质量的要求，降低改判率，正是本课题的研究 目标之一。 2 2 过冷奥氏体转变 钢材轧制过程中轧件组织演变和性能长期以来一直是各钢铁界研究的内容之一，起初 热轧组织性能预报是建立在简单回归基础上的，随着物理冶金学模型和计算机的发展应 用，加上现代材料学与计算力学，数值模拟技术的相互结合，组织演变与性能预报模型得 到了很好的发展，并且被大量应用于各种钢铁公司的生产过程i i o ，n i 。对力学性能的精确 预报，首先要求建立一系列的冶金和工艺模型，主要的模型包括奥氏体动态再结晶模型， 亚动态再结晶模型，静态再结晶模型，晶粒长大模型，轧后冷却过程中相变模型以及最终 力学关系h a l l p e t c h 模型i 陆埔l 。 日本的江板一彬对性能预测模型和控制模型进行了开发，用品粒度控制模型，组织控 制模型和金属学因子模型进行了性能预报。晶粒度控制模型编入了奥氏体区的再结晶，恢 复，晶粒长大，冷却相变后铁素体的晶粒尺寸，金属学性能模型求出了各相组织与拉伸特 性的关系1 1 7 1 引。 在国内，一些冶金工作者也对组织与性能之间关系，性能与化学成分关系，对轧制温 度，变形量，冷却速度等之间的关系进行了总结和研究，但尚未系统开展热轧钢材组织和 性能预测方面的分析，只有少数科研工作者对此进行了研究。如北京科技大学的赵辉，刘 靖等针对q 2 3 5 钢建立了动态再结晶模型，业动态再结晶模型，静态再结晶模型等。并给 出了低碳钢组织一性能关系模型| l 引。 然而，这些研究一般都是针对热轧板带生产的。适用于低变形速率下的中厚板的轧制 变形，而对于高速线材轧制方面的研究却很少。高速线材轧制是一个多道次高速率的变形 过程，一般都经过粗轧，中轧，预精轧，精轧等2 0 多个道次，有的最后一道次的变形速 率还可以达到1 0 0 米秒，对线棒材组织性能模型进行了研究的有意大利的a n e l l i ，加 拿大不列颠哥伦比亚材料中心的e b h o w b o l t ，h o d g s o n 和m a c c g n o t m 等。 m a c c g n o t m 分析了线棒材在热轧过程中的组织变化规律，通过电子表格模拟了 线材轧制过程中晶粒度的变化，给出了临界应变模型，动态再结晶模型，亚动态再结晶模 型，晶粒长大模型和最终晶粒尺寸模型。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 h o d g s o n 建立了奥氏体晶粒尺寸随热轧工艺参数变化的关系式。他认为，在道次 间隙时间里，如果累积应变大于临界应变，就发生亚动态再结晶，否则，就发生静态再结 晶，即表示在轧制过程中发生了动态再结晶的晶粒在轧制间隙时间里发生的就是没有孕育 期的亚动态再结晶及晶粒长大。显然，这种将亚动态再结晶和静态再结晶以临界应变为界 分开的方法虽然简单化，但是因为线材轧制过程中速度很快，变形速率也较大，因此这种 观点也为一些研究者所支持，其模型计算与棒线材实际晶粒尺寸大小也吻合。h o d g s o n 还 给出了c m n 钢与微合金钢的力学性能与显微组织的关系1 2 伽。 e t t o r e a n e l l i 针对c m n 钢，也给出了棒线材热轧及控冷过程中奥氏体动态再结晶， 静态再结晶，奥氏体转变百分数，最终的微观组织与力学性能之间的关系模型。 在高速线材热轧过程中，材料发生加工硬化，同时发生动态再结晶、静态再结晶变化， 使组织发生了变化，这一阶段主要是影响组织中晶粒尺寸大小。高速线材轧后控制冷却技 术包括两部分：( 1 ) 精轧机至吐丝机间的喷水冷却( 也称一次水冷) ；( 2 ) 吐丝机至集卷站间的 散卷吹风冷却( 也称二次风冷) 。根据过冷奥氏体等温转变动力学原理，对于共析钢，珠光 体的转变发生于奥氏体与珠光体的平衡温度至5 5 0 的温度区间，在此范围内，铁原子与 碳原子均可进行扩散，因而过冷奥氏体将分解成铁索体与渗碳体两相组织，即珠光体。一 般这两相呈片状相间分布，故又称片状珠光体。根据片层厚度分为睾h 珠光体、细珠光体( 索 氏体) 与极细珠光体( 屈氏体) 3 种。共析钢过冷奥氏体于6 左右时分解的产物为索氏体， 具有强度和塑性的最佳配合，此时形成的索氏体组织，其综合性能最好。高速线材的轧后 控制冷却技术的主要目的是控制过冷度及冷却速度，得到强韧化所需要的索氏体组织1 2 。 在风冷线上将发生相变，奥氏体主要转变为铁素体、珠光体，可能还有少量贝氏体。 奥氏体晶粒尺寸与冷却条件影响相变行为，它们决定了相变产物，相变百分数，珠光体晶 粒尺寸、珠光体片层间距等，从而决定了线材的性能。 对于含碳0 6 0 o 8 5 的高碳钢，由于它靠近共析成分，所以希望尽量减少铁素体的 析出而得到单一的珠光体组织。故要求采用较高的冷却速度，以强制风冷来抑制先共析相 的析出，同时使珠光体在较低的温度区形成，这样就可得到细片小间距的珠光体一索氏体。 这种组织具有优良的拉拔性能，适用于深拉拔加工。因此，斯太尔摩风冷线上对于线材的 控制冷却对于线材的最终性能是一个关键的步骤1 2 引。 钢材完成热轧变形后，将对它进行冷却。在轧后冷却阶段，相变将发生。热轧奥氏体 将转变为铁素体，珠光体，贝氏体和马氏体。奥氏体晶粒尺寸与冷却条件影响相变行为， 它们决定了相变产物，相变的百分数，铁素体晶粒尺寸等。奥氏体化后的冷却方式分为两 种：一种是连续冷却，即将钢加热奥氏体化后连续冷却至室温：另一种是等温冷却，即将 钢加热奥氏体化后迅速冷却到临界温度以下的某一温度保温，以进行等温转变。 2 2 1 奥氏体等温冷却相交模型 奥氏体冷却至临界温度以下，处于热力学不稳定状态，称为过冷奥氏体。过冷奥氏体 般经一段等温时间后才开始转变，这段时间称为孕育期。随时阿延长转变量不断增加， 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 当达到5 0 左右时转变速度最大，此后逐渐减小，直至转变告终，一般以出现1 转变量 时为转变丌始时间，以达到9 8 转变量时为转变终了时间。可以用过冷奥氏体等温转变 曲线来表示不同等温条件下的相变转变开始时间及终了时间，即将它们的转变开始点和终 了点分别描绘在以温度为纵坐标，时间对数为横坐标的图上口将所有的转变开始点连结成 一条曲线，称为过冷奥氏体转变开始线，代表转变量为1 的线，将所有的终了线连结成 一条曲线，称为过冷奥氏体转变终了线。等温转变曲线也称1 广r ( t i m et e m p e r a 臼】r e t r 娜如册a t i o n ) 曲线或者c 曲线。 p 、_ ， 越 绢 图2 2 共析碳钢典型t 兀曲线 c 曲线的下部有两条水平线m 。和m f 分别代表过冷奥氏体向马氏体转变开始温度和 终止温度。以共析钢为例，过冷奥氏体等温转变曲线可以划分为三个转变区域： ( 1 ) 过冷奥氏体在a l 5 5 0 温度范围内，将分解为珠光体型组织，它是依靠碳原子 和铁原子的扩散，来完成反应中的碳的重新分布和铁的点阵重构，是一种典型的扩散性相 变，在a l 6 5 0 温度范围形成珠光体，6 5 啦6 0 0 温度范围形成索氏体，6 0 0 5 5 0 温度 范围形成屈氏体。珠光体、索氏体、屈氏体三者均属层片状的铁素体与渗碳体机械混合物， 其差别仅在于粗细不同。珠光体比较粗，一般在5 0 0 倍会相显微镜下即可显示它的组织特 征；而索氏体比珠光体细，要在8 0 肚l 0 0 0 倍金相显微镜下才能鉴别；屈氏体更细，只有 在鉴别率更高的电子显微镜下才能分辨清楚，否则呈黑色团状组织。过冷奥氏体所分解成 的珠光体类型组织，其渗碳体一般呈片状，只有在a l 附近的温度范围内作足够长时间的 保温，才可能使片状渗碳体球化。此时转变产物可能是粒状珠光体而不是层片状珠光体。 珠光体类型组织的机械性能与其粗细程度有很大关系。索氏体层片间距比珠光体小， 即索氏体组织比珠光体细，因而索氏体的强度和硬度比珠光体大。屈氏体组织更细，因而 它的强度和硬度就更大，硬度可达h b 3 0 叫5 0 ，比珠光体的硬度大得多。 对于相同成分的钢，粒状珠光体比片状珠光体具有较少的相界面，因而其硬度、强度 较低，但塑性、韧性较高。粒状珠光体常常是高碳钢( 高碳工具钢) 切削加工前要求获得的 组织状态。 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 在5 5 0 一m 。温度范围内，将分解为贝氏体类型组织，它是依靠铁原子的切变实 现点阵重构，同时有碳原子的扩散，属于半扩散性相变，在5 5 肌3 5 0 温度范围内形成羽 毛状的上贝氏体，而在3 5 0 m s 温度范围内形成黑色针状的下贝氏体。上贝氏体是在平 行的铁素体条之间分布着不连续的短杆状的f e 3 c ，下贝氏体是片状铁素体和其内部沉淀 碳化物的组织，即针状过饱和铁素体加上碳化物。 贝氏体的机械性能主要取决于贝氏体的组织形态。上贝氏体的形成温度较高，上贝氏 体铁素体条状晶粒较宽，它的塑变抗力较低，上贝氏体渗碳体分布在铁素体条之间，易于 引起脆断，因此，上贝氏体的强度和韧性均较差。下贝氏体的形成温度较低，在较低温度 下形成的下贝氏体组织，具有较优良的综合机械性能。下贝氏体的强度、韧性和塑性均高 于上贝氏体。它是较高强度，较高塑性与韧性的配合。下贝氏体的亚结构高密度位错以及 细小碳化物在下贝氏体铁素体内沉淀析出是保证下贝氏体具有优良综合机械性能的主要 因素。 ( 3 ) 当奥氏体快冷至m 。以下，在m 。至m f 之间产生马氏体转变，它是依靠铁原子的 切变，主要是滑移和孪生来完成点阵重构，而碳原子保留在品格中，使得晶格由体心立方 变成体心正方，这属于无扩散性相变。马氏体组织就是过饱和的旺铁素体。 钢中马氏体组织形态主要有两种基本类型，一类是板条状马氏体，另一类是片状马氏 体。随着钢中高温奥氏体含碳量的增加，淬火后组织中板条状马氏体逐渐减少，而片状马 氏体则逐渐增多。当奥氏体含碳量大于1 o 的钢淬火后，组织中马氏体形态几乎完全是 片状的；当奥氏体含碳量小于o 3 0 时，淬火组织中马氏体形态几乎完全是板条状的。 马氏体的硬度与其含碳量有密切关系。板条状马氏体中的位错和片状马氏体中的孪 晶，均能引起强化，尤其是孪晶对片状马氏体的硬度和强度做出的贡献更为明显。同时， 高碳片状马氏体的韧性和塑性均很差，而低碳板条状马氏体的韧性和塑性相当好i 矧。 a 、哟m i 用以下公式来表示等温温度条件下的相变模型： x = l c x p ( - 6 ，)( 2 1 ) 式中：卜相变率，r 时间( s ) ，6 、，r 常数。 当奥氏体在相变温度以下经等温转变生成铁素体或珠光体时，晶核优先在奥氏体晶界 处形成，因而，其相变动力学常常用下式来表示： j ，一1 一e x p ( k ( 乃( 扩) )( 2 2 ) 式中：卜相变率，r 等温时间( s ) ，卜奥氏体晶粒尺寸( p m ) ，风n 一仅与相变 温度有关的相变速率常量，聊、r 常量。 2 2 2 奥氏体连续冷却相变模型 在实际生产过程中，钢材在冷却阶段一般为连续冷却，由于在冷却过程中冷却速率变 化比较大，因而无法用等温转变相变动力学描述，那么必须用连续转变相变动力学来表示 它。可以通过应用热分析法、金相法和膨胀法来测定过冷奥氏体的连续转变图( c c t 曲线) 来描述。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 ， p 、_ ， 謦 叠 蒌誉蓑冷却峨绕冀篓鑫曩 一一一耋棚绕一碍嗣j 朋珑一转变曲线 图2 3 共析碳钢典型c c t 曲线 以共析钢为例：在连续冷却相变转变过程中，只有高温区域珠光体转变和低温区域马 氏体转变，无中温区域贝氏体转变。冷却速度不同，发生的相变也不相同。当冷速大于临 界冷却速度1 3 8 s 时，不发生珠光体分解，只产生马氏体转变，室温组织为马氏体和残 余奥氏体。当冷却速度小于3 3 s 时，冷却曲线与转变开始线相交，奥氏体开始向珠光 体转变，与终了线相交则转变结束，全部形成珠光体。冷速在3 3 到1 3 8 s 时，冷却至 转变开始线相交，开始珠光体转变，冷却至转变终了线珠光体转变中止，继续冷却至m 。 以下，剩余奥氏体产生马氏体转变，室温组织为珠光体和马氏体。 不同的研究者对于连续冷却过程相变模型进行了描述。y a d a 提出的预报钢热轧过程 中组织演变的模型，在其一个子模型中考虑了冷却辊道上发生的相变，h u 妇a n s 等采用 有限差分模型和热传递系数描述输出辊道上的热变化。他们用膨胀法测量了给定冷却速度 下的相变动力学，和热传递模型结合在一起，已经预报了各种钢的相变过程。m o r i t a 等人 则采用磁性相变检测仪来跟踪相变过程。 关于相变开始温度的计算，可利用1 丌曲线，将从吐丝到相变开始这一段时间的冷 却过程看做是许多时间微量段的叠加，而每一个时间微量对应于一个不同的等温温度。利 用相变动力学方程，得到在每一个等温温度下，时间微量占该温度总孕育期的百分比，这 样不断的累加，直到总的比值达到1 时，认为相变开始。这个时候对应的温度即为相变开 始温度。 关于连续冷却的相变模型，可以用等温数据和相变开始时间的经验公式来描述它。 s c h e i l 假设相变之前的等温孕育期是可叠加的，提出连续冷却条件下的相变丌始时一问为 孕育期时间。h a w b o l t 等人和c 锄p b e l l 采用经验数据得到连续冷却相变丌始时间，它是 冷却速度和化学成分的函数。 等温冷却的相变模型包括a i 锄i 系数b 和n ，用等温膨胀计实验法确定这2 个参数， 相变开始温度和铁素体形成百分数是连续冷却速度的函数。作为一个典型的应用，用模型 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 计算了沿输出辊道不同位置的温度分布，一直计算到给定结点的温度低于相变丌始温度为 止。假设在时间f 内，相变为等温过程，采用适当的n 值和b 值，用a v r 锄i 方程计算部 分相变。 l n 1 n ( 1 ( 1 田) = l n b ( d + n l n f( 2 3 ) 式中：卜相变率，卜结点温度( ) ，卜等温时间( s ) 在下一个及随后的时间步长内，应用叠加原理计算增量部分相变，如果在时间f 时， 一个结点的温度是瓦，相应的部分相变是只，那么时间什缸后，结点的新温度可以用热 传递方程求解出来。为了确定在该时间步长内的增量部分相变，首先用a 、，r 舡i l i 方程计算 时间知，该时间为在温度耳山下完成相变e 所需时间，r 和b 恤之间的区别为时间 内的增量相变。这个增量部分相变用来计算增量热，求解这个时间步长内的热传递方程必 须先求出增量热。在每个结点上重复以上计算，直到相变完成为止。这说明计算是叠加的， 部分相变取决于时间和温度。通过实