（材料加工工程专业论文）大规格高碳钢线材组织性能质量影响因素的研究.pdf

东北火学碗二i 论文 摘要 摘要 近十几年来，我国相继从国外引进了二十几条高速线材生产线，并建设了二 十几条国产高速线材生产线。线材生产由以前的复二重轧机生产为主转变为由高 速连轧机生产为主。就线材的品种而言，高碳钢线材生产有了很快的发展。但目 前生产大于0 8 m m 规格高碳钢的线材厂不多，且产量低，性能不稳定，不能满足 后续拉拔深加工的需要，特别是拉拔的断线率较高。而大规格高碳钢线材是生产 高强度低应力松弛钢丝和钢绞线的主要原料，国内市场需求很大，因此进行大规 格高碳钢线材组织性能质量影响因素的研究是有实际意义的。 本文在文献总结，调查国内外高碳钢生产质量控制工艺基础上，针对唐钢中 1 0 m m 的7 7 b 高碳钢线材生产的工艺现状，探讨了改进组织性能的方法，着重从 控冷工艺条件、合金化、坯料的钢质纯净度、化学成分的波动及失效各方面进行 了大规格高碳钢线材质量影响因素的综合研究。 1 通过控冷工艺试验研究和理论分析，确立了生产中1 0 r a m 的7 7 b 高碳线 材的控冷工艺模型，找到线材组织性能与吐丝温度的关系，找出生产中1 0 n u n 的 7 7 b 高碳线材时风冷线不同冷却条件对组织性能的影响情况。 2 通过剖析中1 0 r a m 的7 7 b 线材、研究坯料的化学成分波动，找出合金元 素c r 的加入对轧材组织性能影响；找出坯料的纯净度、成分波动等对线材的力 学性能影响的情况，找到能提高大规格m1 0 m m 高碳钢线材组织性能的方法途 径。 3 通过对中1 0 r a m 的7 7 b 线材进行不同时段残余应力和氢含量的测定研究 分析，初步地获得了时效前后线材的力学性能变化的原因及其变化规律。 关键词：大规格，高碳钢，线材，组织性能，控冷，成分，时效，影响因素 l l 查苎查堂堡圭堕：兰 丝! ! 垦! 堕 a bs t r a c t w i t hm o r et h a n2 0h i g hs p e e ds t e e lw i r er o l l i n gl i n e sw e r ei n t r o d u c e df r o m a b r o a da n dm o r et h a n2 0h o m e m a d eh i g h s p e e d s t e e lw i r e r o l l i n g l i n e sw e r e c o n s t r u c t e df o rm o r et h a n10y e a r s d o m i n a t i o no fw i r ep r o d u c t i o nh a v ec h a n g e d f r o mt w i n sw i r er o l l i n gm i l lt oh i g hs p e e dc o n t i n u o u sw i r er o l l i n gm i l l o nt h ea s p e c t o fw i r e s p e c i e s ，g r e a tp r o g r e s s h a v eb e e nm a d ei nt h e h i g h c a r b o ns t e e lw i r e p r o d u c t i o n b u tf e wf a c t o r i e s c a np r o d u c eh i 曲c a r b o nw i r em o r et h a n8m mi n d i a m e t e r a n di tc a nn o tm e e tt h en e e d so ff u r t h e rp r o c e s s i n gf o rt h el o wy i e l da n d u n s t a b l ep r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yr a t i oo fb r e a k i n gi sv e r yh i 曲f o rt h ed r a w i n ga tt h e p r e s e n tt i m e i ti sv e r yp r a c t i c a lt o r e s e a r c ht h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ep r o p e r t i e sa n d s t r u c t u r eo f l a r g es i z eh i g hc a r b o ns t e e lw i r e ，b e c a u s ei ti sm a i n p r o d u c t i o nm a t e r i a lo f h i g ht e n s i l es t r e n g t hl o w r e l a x a t i o np r e - s t r e s ss t e e lw i r ea n ds t r a n d e dw i r ea n di ti si n n e e di nt h eh o m em a r k e t b a s eo nt h ed o c u m e n ts u m m a r i z a t i o na n di n v e s t i g a t i o no f p r e s e n tp r o d u c t i o no f l a r g es i z eh i g hc a r b o ns t e e lw i r e ，a i ma tp r o d u c ta c t u a l i t yf o r7 7 b 1 0 n l mo f t a n g g a n g t h em e a n st oi m p r o v et h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sh a v eb e e nd i s c u s s e d t h e s y n t h e t i c a ls t u d yc e n t e r e do ns e v e r a la s p e c t sw h i c hm a ya f f e c tt h e s t r u c t u r ea n d p h y s i c a lp r o p e r t i e so fl a r g es i z eh i 曲c a r b o ns t e e lw i r e ，s u c ha st h ec o n d i t i o n so f c o n t r o l l e dc o o l i n g p r o c e s s ，a l l o y i n g ，t h ep u r i t yo f t h eb i l l e t ，f l u c t u a t i o no fc o n t e n ta n d a g i n g 1 t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h ec o n t r o l l e d c o o l i n gp r o c e s s m a d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h em o d e lo fc o n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s so ft h e7 7 b1 0 m m d i a m e t e rw i r ea n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fw i r e s p i n n i n gt e m p e r a t u r ew e r em a d e t h ea f f e c to f v a r i o u sc o o l i n gs p e e do ns t r u c t u r ea n d p h y s i c a lp r o p e r t i e so f7 7 b 1 0 m md i a m e t e rw a sa l s o a n a l y z e db ym e a s u r i n gt h e c o o l i n gs p e e da n da b i l i t yo f t h i ss e c t i o n 2 t h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d yo nw h o l ec o i lo f7 7 b0 l o m mw i r e ，a n a l y t i c a l 1 1 i 东北人学硕i 论义a b s t r a c t s t u d yo nt h ef l u c t u a t i o no fc o n t e n to ft h eb i l l e t i th a sb e e nf o u n dt h a te f f e c t i v i go f a d d i n gt h ee l e m e n tc ro ns t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fr o l l i n g t h ee f f e c t i n go ft h e p u r i t yo f b i l l e ta n dt h ef l u c t u a t i o no fc o n t e n to n p h y s i c a lh a sb e e nf o u n d t h ew a y t o i m p r o v et h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f t h e7 7 bm l o m mw i r eh a sb e e nf o u n d 3 t h er e a s o n so f c h a n g ei np r o p e r t i e so f w i r ea f t e ra g i n ga n di t sp r i n c i p l e sw e r e p r i m a r i l y f o u n db ym e a s u r i n ga n da n a l y t i c a l s t u d y o nt h e r e m a i n i n g s t r e s sa n d h y d r o g e nc o n t e n ti nd i f f e r e n ts e c t i o n k e y w o r d s ：l a r g es i z e ；h i g hc a r b o ns t e e lw i r e ；s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s c o n t r o l l e dc o o l i n g c o n t e n t ；a g i n g ；a f f e c t i n gf a c t o r s i v 东北大学硕上论文声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究 成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我同工作过的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签字： 日期：2 0 0 3 6 2 6 东北人学硕上论殳 1 绪论 1 1引言 1绪论 钢材的性能取决于其内部的组织结构，而以最佳的工艺生产出高质量的产 品，一直是钢铁工作者们共同为之奋斗的理想。要达此目的最佳途径应该是通过 对不同工艺制度所生产出的产品进行内部组织及力学性能研究，从而得出最佳的 工艺方案，生产出高质量产品刨最佳经济效益。 作为对国民经济发展有重要影响的高速线材的生产，随着轧制速度的提高及 进一步深加工的要求，对产品精度、质量、组织性能等提出了越来越高的要求。 影响产品组织及力学性能的因素很多，如轧后冷却、坯料化学成分波动及钢坯纯 净度等。对这些因素加以研究分析找出合理的工艺制度，对最终提高产品质量有 重要意义。 1 2 高速线材生产线的发展及生产情况 1 2 1 高速线材生产线的发展 据资料介绍，第一台线材轧机问世于1 7 世纪，是由锻坯成材的。比较正规 的第一台横列式线材轧机建于1 8 1 7 年，由于受冶金工业发展的限制，线材轧机 发展缓慢，直到1 9 世纪末仍以横列式轧机为主。 在第二次世界大战结束时，工业发达国家的线材生产技术仍沿着高速、连续 两个主要方向发展。当时具有代表性的连续式轧机有两种：一种是以美国摩根公 司为代表研制的精轧机组集体传动的二辊水平式轧机；另一种是以德国施罗曼公 司为代表研制的精轧机组单独驱动的平一立交替式轧机。 当集体传动的二辊水平式轧机，进行多线轧制时，椭圆轧件进入下一道必须 扭转翻钢。最初的摩根二辊水平机组有六架轧机组成，t ；l n 速度为2 5 5 m s 。当 轧制速度进一步提高时，首先受到进入精轧机活套的速度限制。当活套出l i 速度 东北人学硕士论文 1 绪论 太高时“甩尾”、“打结”的故障频繁，所以后期的二辊水平精轧机组都是八架组 成的。改成八架后，其轧制速度由2 5 5 m s 提高到3 5 m s ，其活套入口速度则 由1 4 1 m s 降到1 3 8 m s ，并且活套轧件的断面增大了，因此收到了降低活套事 故的效果。 其次受到扭转翻钢的限制，主要受扭转的限制。随着轧制速度的提高，扭转 导管的故障显著增加，在解决了滚动扭转导管以后，轧制速度才提高到3 0 m s 。 若继续提高轧制速度，不但要求用滚动扭转导管，而且必须是水力驱动的滚动扭 转导管，即使如此，轧制速度也只能提高到3 5 m s 。 德国施罗曼公司研制的平一立单独驱动的精轧机组克服了二辊水平机组的 缺点。平一立交替轧制完全避免了扭转而且实现了单线轧制，从而完全消除了二 辊水平机组多线、扭转翻钢的缺点。但又出现了新问题，一是电机传动的速度精 度低，不能控制在1 以内，更达不到齿轮传动时相邻轧机速比绝对不变的水平； 二是立轧机结构高大，轧辊高速运转震动大，所以速度并没有超过二辊水平机组。 平一立交替机组较二辊水平机组设备费用贵了近一倍，产品尺寸精度提高了2 0 ，速度基本相同。显然平一立交替机组不经济，所以施罗曼公司很快也采用了 二辊水平精轧机组。 线材生产中轧制张力是有害的。张力是造成线材同条尺寸差的主要原因之 一。轧件在未进入下一架轧机之前，和后尾脱开前一架之后，头尾都建立不了张 力，与中间有张力段比较头尾尺寸大。理想的办法是无张力轧制，但在高速轧制 的情况下，细小轧件的活套控制很难。如采用微张力轧制再尽可能缩短轧机间距， 则能将张力的危害减到最小。实现微张力必须提高传动精度，只有机组集体传动 能达到这种要求。由此看来旌罗曼公司舍平一立而取二辊水平机组不完全是经济 上的原因也包含了对张力的认识。 到2 0 世纪6 0 年初线材的最高轧制速度达到了3 5 m s ，盘重达g u t5 5 0 k g ， 精度达到了4 - o 2 5 m m ，较3 0 年代的8 m s 的制速度，4 - 0 6 n t m 的精度，1 0 0 k g 左 右的盘重有了很大的进步，但人们仍然在追求实现更经济的生产方法。所以提高 线材生产的轧制速度仍然是大家努力追求的最主要目标。在这个思想指导下，从 6 0 年代初开始，研制了许多高速机组。 高速无扭转精轧机组和控制冷却设备用于线材生产，标志着新一代高速线材 东北大学顾十论文 绪论 轧机的诞生。 从线材精轧机组的发展历史来看， 一般轧机的最大轧制速度提高到4 0 m s 以后，就无法再提高了。因此，所谓高速轧机，一般是指最大轧制速度高于4 0 m s 的轧机。 高速轧机的特点是：高速、单线、无扭、微张力、组合结构、碳化钨辊环和 自动化。其产品特点是盘重大、精度高、质量好。 摩根新式轧机是当代具有代表性的高速轧机。摩根公司从1 9 6 2 年就开始研 制新式线材精轧机，1 9 6 6 年第一一台高速无扭精轧机在加拿大钢铁公司投产，保 证轧制速度为4 3 m s 。 摩根公司在第一台高速无扭精轧机投产后的2 0 年间，发展非常迅速，其线 材轧机的轧制速度提高的很快。摩根线材轧机轧制速度发展经历6 个阶段，现在 摩根线材精轧机的发展已进入第代。 保证轧制速度从第1 代的4 3 m s ，到第代的1 0 0 m s ，提高了1 3 倍；最大 辊径时的轧制速度从第1 代的5 0 m s ，到第代的1 2 0 m s ，提高了1 4 倍：电机 最大转速时的轧制速度从第1 代的6 0 m s ，到第代的1 4 0 m s ，提高了1 3 3 倍。 第1 代至第代的三种速度均列于表1 1 。 其它高速轧机，如德马克、阿希洛、达涅利和摩哥斯哈玛，与摩根轧机一样， 轧制速度发展也很快，其中德马克机型的保证轧制速度也达到了l o o m s ，其他 机型的保证轧制速度都达到了8 0 m s 。 表1 1 摩根第1 代至第代线材精轧机的轧制速度 r 0 1 1 i n gs p e e do fm o r g h nw i r ef i n i s hm i l lf r o mi v e r s i o i lt ov iv e r s i o n 代i i ii i iv 保证轧制速度，m s 4 35 06 17 58 01 0 0 最大辊径时的轧制速 5 06 07 59 01 0 01 2 0 度，m s 电机最大转速时的轧 6 07 29 01 1 21 2 01 4 0 制速度，m s 东北人学硕士论文 1 绪论 1 2 2 高速线材生产线的生产情况 线材用途很。，且使用量很大，在国民经济建设中占有重要的地位。根据有 关资料统计，各国线材产量占全部热轧材总量的5 3 1 5 3 ，在我国该比例为 1 5 1 8 。线材的主要用途共有两类：一是直接使用；二是用作深加工的原料。1 。 我国的线材主要用于混凝土钢筋和线材制品，年需求量分别为1 5 0 0 万吨和1 2 0 万吨。我国虽然已成为线材大国，装备水平也比较高，但是在生产技术水平上与 国外还有一定的差距，主要问题是品种少、规格小和产品质量差旧。 目前，我国线材产量占钢材产量的1 5 1 8 ，而美国为6 7 ，日本为8 o ， 德国为1 0 2 “1 。线材的延伸制品使用比例低，也就是使用小直径高强度的预应 力钢丝替代同等强度的大直径的热轧线材的量较少，尤其是高碳钢线材及其延伸 制品所占比例过低，仅占线材量的9 。从而造成了热轧线材的极大浪费。这就 是我国线材所占比例居高不下的主要原因。 至今为止，我国已从国外引进了二十多条高速线材生产线，并相继建成了二 十多条国产高速线材生产线。硬件一装备水平已达到世界先进水准，但是软件一 生产工艺与先进水平相比还有很大的差距。1 。尤其表现在高碳钢线材( 硬线) 的 生产上，最突出的是大规格高碳钢线材的生产。目前，国内大批量的生产大于由 1 0 i i 1 1 的高碳钢线材的厂家几乎没有，只有几家钢厂小批量地生产过由1 2 5 1 3 r a m 的硬线。主要原因在于生产工艺制度，特别是控制冷却工艺不合理、原料 的质量差等诸多因素，造成了产品性能不稳定、质量较差。因此研究大规格高碳 钢的控轧控冷工艺制度及其它影响因素，找出合理的生产工艺，特别是控制冷却 工艺制度，并综合分析其他因素。为生产出高质量产品奠定基础是十分重要的。 1 3 高速线材的控制轧制和控制冷却 优质的产品性能与具体的生产工艺有着密切的联系。目前在线材生产中，大 多采用控轧控冷工艺。始于2 0 世纪7 0 年代后期的控轧技术，开始只是通过控制 4 东北犬学硕l 论文 l 绪论 开轧温度而实现的。随着高速线材轧机的发展，无扭精轧机型的进一步改进，1 9 8 4 年以后，美周摩根公司新一代v 型机组的出现，高速线材轧机控轧技术引入设备 总体设计中”1 。在中轧机组间、精轧机组前后布置水箱，通过控温轧制实现( 1 ) 二段变形制度：粗轧在奥氏体再结晶区变形，中轧及精轧在9 5 0 以下轧制，在 y 相的未再结晶区变形，在a ，。附近终轧，以得到具有大量形变带的奥氏体未 再结晶晶粒，相变后得到细小铁素体晶粒；或( 2 ) 三段变形制度：粗轧在y 再 结晶区轧制，终轧在9 5 0 。c 以下轧制在y 未再结晶区轧制，变形量7 0 左右，精 轧在a ，。和a ，。之间的双相区轧制，得到细小的铁素体晶粒既具有变形带的未再 结晶奥氏体晶粒，相变后得到细小的铁索体晶粒并有亚结构及位错。 随着线材轧制速度的提高，为满足用户对线材高精度高质量要求，轧后控制 冷却成为必不可少的工艺。1 。这也是实现由线材组织性能分析得到高性能产品的 有效手段。线材控制冷却主要有以下优点：( 1 ) 提高线材的综合机械性能，并大 大改善其在长度方向上的均匀性；( 2 ) 改善金相组织，使晶粒细化；( 3 ) 减少氧 化损失，缩短酸洗时间；( 4 ) 降低线材轧后温度，改善劳动条件；( 5 ) 提高产品 质量，有利于线材二次加工。轧后控冷有两类：一类为水冷加运输机散卷风冷， 较典型的为斯泰尔摩冷却工艺、阿希洛冷却工艺、施罗曼冷却工艺及达涅利冷却 工艺；另一类是水冷后不用散卷风冷，而用其它冷却工艺手段。前一种工艺应用 较普遍，发展成熟5 1 。其水冷段相同，风冷段为满足不同钢种需要可分三种：标 准型、缓慢型、延迟冷却型。 控制冷却工艺主要是控制影响线材质量的终轧温度、吐丝温度、相变区冷却 速度和卷曲温度。在控轧中，终轧温度是决定奥氏体晶粒的主要参数之一，且影 响到线材相变过程中组织转变产物形貌、性能“1 。吐丝温度是控制相变开始温度 的关键参数，依据钢种的不同对产品性能的要求不同等因素来选取。相变区的冷 却速度决定了奥氏体的分解温度和时间，也决定着线材最终组织形态，所以整个 控冷工艺的核心问题是如何控制相变区冷却速度。为保持线材通条性能均匀，冷 却条件必须保持相对稳定。控制轧制控制冷却工艺，作为一种有效的相变热处理 手段，已成功地应用于高速线材生产中。在实际生产中，控制轧制通常分为奥氏 体再结晶区轧制、奥氏体未再结晶区轧制和两相区轧制。在实际控制轧制中，一 般采用上述几种方式的组合。在奥氏体高温变形阶段，通过再结晶区控轧得到细 东北大学硕_ i 论义 小的奥氏体再结晶晶粒；在奥氏体未再结晶区变形得到薄饼型未再结晶晶粒，并 在晶内出现高密度的变形带；在两相区变形时，一方面奥氏体晶粒被拉长，另一 方面已相变的铁素体晶粒内部出现皿结构。研究表明，控制轧制和控制冷却合理 配合，可以在一定程度上降低合金元索添加量或含碳量。而且在强化钢材时，并 不恶化其低温韧性。但最佳控轧控冷工艺的制定过程是复杂的。如上所述，轧制 及轧后冷却过程，是通过冶金因素影响产品性能状况的。因此研究线材生产过程 中的组织演变情况，具有很重要的生产意义。 控制轧制和控制冷却技术是近二十多年来国内外新发展起来的轧钢生产新 技术，受到国际冶金界的重视。各国先后开展了多方面的理论研究和应用技术研 究，并在轧钢生产中加以应用，明显地改善和提高了钢材的强韧性和使用性能， 为节约能源消耗，简化生产工艺，开发钢材新品种创造了有利条件“1 。 通过控制轧制和控制冷却新工艺的开发与基本理论的研究，进一步揭示了热 变形过程中变形和冷却工艺参数与钢材的组织变化、相变规律以及钢材性能之间 的内在关系，充实和形成了钢材热变形条件下的物理冶金工程理论，为制定合理 的热轧生产工艺提供了依据“。 控制冷却是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。由于 热轧变形的作用促使变形奥氏体向铁素体转变温度的提高，相变后的铁素体晶粒 容易长大，造成力学性能降低。为了细化铁索体晶粒，减小珠光体片层间距，阻 止碳化物在高温下析出，以提高析出强化效果丽采用控制冷却工艺。随着控制冷 却机理研究的不断深化及其实践。除了在中厚钢板、热轧带钢生产中采用控制冷 却工艺之外，在线材生产中也取得了比较成熟定型的控制冷却工艺。斯太尔摩冷 却法正式发表于1 9 6 4 年。它的问世基本解决了线材的拉拔性能，后来又发展了 各种类型的控制冷却方法。这些方法在世界各国得到广泛的应用，并且在不断改 进和提出新的控制方法。1 。 近年来，控制冷却工艺已经成功地运用到棒材、螺纹钢筋、钢管以及型钢生 产和合金钢生产中，并取得了明显的经济效益和社会效益。而对高速线材的高碳 钢生产来说，控制冷却技术已广泛应用到小规格线材上，并取得了成功的经验。 但针对大规格高碳钢来说，其控制冷却工艺制度还与世界先进水平有很大差距。 因此，对唐钢高线厂的大规格硬线生产工艺的研究也是十分必要的。 6 东北人学硕上论文 绪论 1 4 高速线材生产过程中的冶金学现象 在线材生产中，金属材料凶塑性变形引起的硬化过程和回复再结晶软化两个 相反的过程几乎同时存在。其中的软化过程比较复杂，按其性质主要包括：动态 回复、动态再结晶、亚动态再结晶、静态再结晶和静态回复9 。在热变形间断期 问，或者热变形完成以后，如果金属仍然处于较高的温度中，金属就会发生后三 种变化。这些过程的发生不是必需的，受轧制工艺条件和钢种的限制。在轧制温 度较低时，应变速率较大的情况下，金属材料一般不易发生动态再结晶。多数研 究者认为，静态再结晶是线材生产中的主要软化机制。在粗轧阶段，由于温度较 高，轧制速度较低，奥氏体可发生动态再结晶并在轧制道次间隔时间内发生充分 的静态再结晶；在精轧过程中由于轧制温度下降和轧制速度的提高，轧制变形过 程中一般很难发生动态再结晶，而且在道次间隔时间内仅发生部分静态再结晶， 这时产生应变的积累，诱发亚动态再结晶。总结起来，基于控轧控冷线材生产过 程中的主要显微组织变化为：( 1 ) 轧制过程中，材料产生加工硬化，显微组织被 拉长；( 2 ) 高温奥氏体区，由于动态再结晶引起的组织变化；( 3 ) 轧制道次间歇 时问以及轧后由于静态再结晶引起的组织变化；( 4 ) 由于不完全再结晶所造成的 应变积累；( 5 ) 变形后的奥氏体向铁索体、珠光体的转变。 1 5 合金化及夹杂物控制对钢的强化机制 一种材料要通过各种检验指标来确定它的加工性能和使用性能，不同的性能 可以采用各种不同的检验方法，例如力学的、金相的、磁学的、防腐蚀的方法 等。在这些检验中，对于钢材来说，在大多数情况下其力学性能是最重要的，其 中强度性能又居首位。但是从加工和使用要求出发，对钢材不仅只要求强度，往 往还要求一定的韧性和可焊接性能，而这方面的指标又是和强度性能指标相牵连 的，甚至相互矛盾，很难使其中的某项性能单方面发生变化。结构钢材的最新发 展方向就是要求材料的强度、韧性和可焊性能诸方面都比较满意。控制轧制正是 满足这些要求的一种比较合适的工艺。为了能够合理的利用各种强化机制来制定 查! ! 盔堂堡兰笙塞 一j 皇! ! ! 一 控制轧制工艺，有必要对钢的强化机制及其对钢的强度和韧性的影响有粗略的了 解。 1 5 - 1 合金化对钢的强化机制 通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强 化。而所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下所能承受的应 力来表示。随着试验的不同，强度有不同的表示方法，每一种强度都有其特殊的 物理本质。所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。 一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，但对另一强度指标未必有同样的效 果。 我们这里所指的强化是指光滑的金属材料试样在大气中且在给定的变形速 率、室温条件下，对拉伸时所能承受应力的提高。 提高钢的强度首先提高屈服强度，这是钢材使用的计算基础。金属的屈服过 程是一种塑性变形过程，它是在结晶学的优选平面上产生一种间断的滑移步骤。 从而形成位错运动。因此增加位错运动的困难就意味着屈服强度的提高。根据金 属点阵中阻碍位错运动的障碍物的类别，金属学方面可应用的强化机制可有以下 几种： 置换的或间隙固溶的异质原子以点状障碍物的形式起作用( 固溶强化、急冷 强化) ： 位错以线状障碍物形式起作用( 通过冷加工变形的强化) ； 晶粒界作为面状的障碍物形式起作用( 通过晶粒细化) ： 非内聚的析出和内聚的析出显示为空间障碍物形式起作用( 弥散强化、沉淀 强化) 。 为了获得比较满意的钢材，一方面要调整钢的化学成分和组织结构，使位错 运动增加足够的困难，即使屈服强度上升。另一方面又要保证在大延伸力的作用 下位错运动仍有可能产生，即保持足够的延伸性。 要提高金属的强度可使金属与另一种金属( 或非金属) 形成固溶体合金。固 溶体合金或以固溶体为基的合金( 如碳钢等) 一般具有较纯金属高的强度。这种 东北大学硕士论文 绪论 采用添加溶质元素使固溶体强度升高的现象称为固溶强化。因此固溶强化是通过 改变金属的化学成分米提高强度的办法( 晶格中铁素体的组织状态没有发生变 化) ，其强化的金属学基础是由于运动的位错与异质原子之问的相互作用的结果。 固溶强化的效果如何取决于一系列的条件，根据大量的实验结果发现有以下 的规律。 ( 1 ) 溶质元素溶解量增加固溶体的强度也增加。对于无限固溶体，当溶质原 子浓度为5 0 时的强度最大。对于有限固溶体( 如碳钢) 其强度随溶质元素溶解 量增加而增大； ( 2 ) 溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小其固溶强化的效果愈好： ( 3 ) 形成间隙固溶体的溶质元素( 如c 、n 、b 等元素在f e 中) 其强化作用大 于形成置换式固溶体( 如m n 、s i 、p 等元素在f e 中) 的溶质元素； ( 4 ) 溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。 对于非合余的和低合金的钢而言，可以把固溶强化看作是基体的强化机制， 与轧制制度无关。钢中最主要的合金元素m n 、s i 、c r 、n i 、c u 和p 都能构成置 换固溶体，并促使屈服强度和抗拉强度呈线性增加。直线的升高程度可通过 ao c 来确定。系数中ao 是强度增长值，c 是合金元素浓度变化值。根据 大量的实验结果可得到下表1 2 的数据。 表1 2由不同合金元素提高的屈服强度和抗拉强度的平均值 t a b l e l 2a v e r a g ei n c r e a s ev a l u eo fy i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t h f o ra 1 1k i n d so fa 1 1 0 ye l e m e n t s 含量屈服强度提高值抗拉强度提高值 元素 重量o 。m p a ob ，m p a 0 1碳2 7 4 46 8 6 0 0 1磷5 3 9 04 5 0 8 1 o硅5 4 8 89 0 1 6 1 0锰8 2 3 27 8 4 0 1 o铬5 3 9 07 2 5 2 1 0铜7 8 4 05 5 8 6 1 o 镍4 4 1 03 3 3 2 东北犬学碱士论文绪论 除了置换元素外，c 、n 等元素在 ? o 中形成间隙固溶体，但宦们在铁中的溶 解度都很低( 当温度为5 8 56 c 时n 的最大溶解度为1 ，当温度为7 2 1 时c 的畿 大溶菸度为0 ，0 1 8 ) ，瑟量涟蓍涅褒懿下降瑟大大下簿。因藏c 、n 在霆溶含爨 内对屈服强艘和抗拉强度的增长影响都很小。但是在过饱和的固溶体中由于c 、 n 原子有很好的扩散能力，形成的时效过程可使屈服强度、抗拉强度提高，假却 丈大降糕了旗蛙。然瑟钢中豹骧薅强度起着拳是轻爨翡嫠爱，霆为碳在组织中叛 渗碳体( 或珠光体) 形式存在时能产生很大的强化作用( 相交强化) 。各种试验 结果表明，每增加0 ，1 c 能使抗拉强度平均提高7 0 m p a ，屈服强度平均提高2 8 m p a 。 缓定台金元素戆叠燕圣# 翔璧线牲关系，靛霹激歹l 爨下式耀激诗纂囊纯学残努弓 越 的强度值。 屈服强度os ( m p a ) = 9 8 1 2 4 + 2 8 c + 8 4 m n + 5 6 s i + 5 5 c r + 4 5 n i + 8 ，0 c u + 5 5 p + 【3 。0 0 。2 国一5 ) j ( 1 ，i ) 抗拉强度ab ( m p a ) = 9 8 f 2 3 0 + 7 0 c + 8 0 m n + 9 2 s i 十7 4 c r + 3 4 n i + 5 7 c u + 4 6 p + 2 卜0 1 4 ( h - 5 ) ( 1 2 ) 式中h 麓产瑟霉凄，务嚣素含量戳孬分吉量鼗入。 1 5 2 气体和夹杂物掇制对钢的强化机制 钢中的气体主要是氮、氧、氮，夹杂物主要是氧化物和硫怯物。氢和氮主鼹 以溶解状态存在，而氧主漤以化合物状态存在。 氢可鞋弓| 起塞熹秘氢艨，应该尽爨酶甄。氯与袋缝结合力较强，逶过形残气 团而阻止位锚运动时钢的韧性下降。氮怒固溶态时危害更大。只有在普通低碳合 余钢中，若钢中有钒则能与氮形成v n ，能提高钢的强度并阻止嶷氏体再结晶， 轻度数缨弦菇粒，还可番黪是寿盏元素。镶孛戆氧常叛氧证浆形式存在，一般谈 米，夹杂物禽蹙愈多韧性愈低，尤其是越过临界尺寸的夹杂物存在会使韧性明擞 的降低。 镪孛气体量帮夹杂穆爨熬多少与汝燧方法、浇淀方法壹接存荚。爨蘩怼c a 、 s i 、m n 、a i 、t 1 等脱氧剂的研究表明，对低碳钢用m n - a i t i 或单独用a l 脱氧， 钢中氧和氧化物夹杂最少。镇静钢的夹杂物、气体量最少，因而韧性较沸腾钢优 越a 半镇静镪分子两者之瓣。滋麓键楚好憨沸骛终援可霞夹杂物含壁显著舞低。 1 0 东北大学硕士论文 1 绪论 不同的浇注r 艺对钢锭中夹杂物也有明显影响。 钢中另一种晕要夹杂物是硫化物。硫是钢中的有害元素，锰的添入可以与硫 形成具有塑性的m n s 夹杂，减轻硫的有害影响。但m n s 会引起热轧钢板横向 韧性较差的问题。解决的办法一是降低钢中硫含量，二是加锆( z r ) 和稀土等元 素以同定硫，热轧后仍保持球状，改善横向韧性。 1 6 本文研究的背景与意义 唐钢高速线材厂由美国布兹波罗( b i r d s b o r o ) 公司引进，粗轧机为摩根公 司制造，精轧机西马克公司制造。年设计能力3 5 万吨，现年产量已达5 5 万吨， 产品规格为：中5 5 1 3 m m 。目前主要生产巾6 5 西8 m m 的低碳钢和高碳钢线材。 生产的硬线( 高碳钢线材) 产品存在着性能波动大、力学性能在线检测值较低、 组织均匀性及通条强度均匀性不理想的现象。不能完全满足后序拉拔加工要求， 拉拔断丝现象严重，是质量争议的焦点。 而且高碳钢线材是生产预应力钢丝和钢绞线的主要原料。它的拉拔制品是生 产子午线轮胎的主要原料之一。目前世界范围内，子午线轮胎的产量约占轮胎总 量的7 5 以上，发达国家已达9 0 以上。就我国而言，具有年产2 6 5 万套子午线 轮胎的能力，显然很难满足其需求量的要求，需要进一步的发展。这就需要高速 线材厂提供越来越多的优质高碳钢线材，以生产轮胎钢帘线一子午线轮胎的骨架 材料，来满足子午线轮胎生产的需要。 唐钢高速线材厂一直小批量地生产西l o m m 的硬线( 高碳钢线材) ，由于控冷 工艺制度设定的有失合理、坯料一连铸坯的化学成分波动较大和纯净度较差等原 因，生产出产品组织性能和力学性能及质量的稳定性较差。 由此，本研究课题的主要目的就是针对生产大规格巾l o m m 7 7 b 硬线的组织性 能，从控冷工艺制度、合金化、化学成分波动、坯料钢质纯净度等诸多影响因素 进行研究。从而探讨影响大规格中l o m m 硬线组织性能的因素。 另外，在进行控冷实验过程中，发现中l o n g n 7 7 b 硬线的在线检测力学性能较 低，而自然放置一段时间时效后，其力学性能有所改善，特别是塑性指标一延伸 率和面缩率大幅度提高。关于时效前后线材的力学性能变化的机理各种文献涉及 东北大学硕十论文 1 绪论 很少也欠详细。因此本研究课题另一个目的就是对时效后线材力学性能变化的机 理进行初步的研究，为了进一步的提高硬线的力学性能，本研究着重从线材时效 前后残余应力和氢含量的变化这两个方面进行。 通过本次研究和试验，综合研究控制冷却工艺条件、合金化、坯料的成分波 动、坯料钢质的纯净度对产品组织性能的影响程度，初步的探讨一下线材时效后 力学性能变化的机理。并确定出生产出1 0 m m 硬线的控制冷却制度，为庸钢高线 厂生产高质量、满足后序拉拔要求的中1o m m 7 7 b 硬线提供理论依据和实际途径。 总之，本课题不仅具有一定的理论深度，也具有指导生产、优化生产工艺的实用 价值。 东北大学烦士论文 2 实验条件及数据处理分析方浊 2 实验条件及数据处理分析方法 2 1 现场条件 2 1 1唐钢高速线材厂斯太尔摩空冷线简介 唐钢高速线材厂斯太尔摩冷却线属延迟型冷却线。整条冷却线总长为 1 4 2 1 0 0 m m ( 包括精轧机组前的预水冷箱) 。精轧机组前预水冷段长1 3 2 0 0 m m ，水 冷箱1 个长度2 8 0 0 m m 。精轧机组后水冷段总长3 6 3 0 0 m m ，水箱3 个。辊式延迟 型风冷段总长8 0 0 0 0 m m ，分8 个冷却段，配置8 台风机，并配置有缓冷用保温盖。 该冷却线根据轧制线材的钢种、尺寸和用途进行轧后控制冷却，以获得组织合理、 机械性能优良的产品。 2 - 1 2水冷段简介 水冷段包括精轧机组前的预水冷段、精轧机组间的水冷、精轧机组后的水冷 段三部分控制水冷。其目的是减少轧件的氧化铁皮生成量，提高轧件的机械性能、 获得合理的内部组织。布置示意图见图2 1 。 东北大学硕十论文 2 实验条件及数据处理分析方法 】精轧机组前预水冷箱2 精轧机组3 1 。水冷箱 4 2 4 水冷箱5 3 4 水冷箱6 - 吐丝机前夹送辊7 - 吐丝机 图2 i 段布置示意图 f i g 2 1 a g e n e r a lv i e w o f t h el a y o u to f h y d r o c o o l i n ga r e a 2 1 2 1 精轧机前预水冷段 全长1 3 2 0 0 m m ，有一个冷却水箱和一个恢复段组成。位于预精轧机组后的 切头剪之后，精轧机组之前。 主要作用： 控制迸精轧机组的轧件温度。该水冷段设置有水量调节阀门，以调整冷却水 量，控制线材的金相组织。进精轧机组轧件温度最大可降低9 0 。c 。 技术参数： 冷却水箱长度：2 8 0 0 m m 水箱内安装：3 个正向喷嘴、1 个反向喷嘴、1 个反向气喷嘴 水压：6 k g f f c m 2 水量：1 2 5 m 3 h 气压：5 k g f c m 2 最大温降：9 0 2 1 _ 2 2 精轧机问水冷导卫 轧件进入精轧机组后，由于高速率的变形使轧件温度提升，因此需配置特殊 的水冷导卫，防止轧件温度过高。 1 4 l 东北大学硕上论文2 实验条件及数据处理分析方法 作用： 利用轧机的进、出口导卫将冷却水引向s l f i ：，控制高速轧制中的轧件温度， 确保终轧温度，细化晶粒结构，提高轧件刚度，使轧件顺利通过精轧机组后的水 冷段。 技术参数： ( a ) 辊式导卫冷却水水压：5 5 k g f c m 2 ，水量：2 5 m 3 h ( b ) 机架问冷却水水压：3 k g f c m 2 ，水量：6 4 m 3 h 2 1 2 3 精轧机组后水冷段 位于精轧机组后，由精轧机组出口至吐丝机前夹送辊入口，包括3 个冷却段， 每个冷却段由一个水冷箱和一个导管式恢复段组成，整个水冷段全长3 6 3 0 0 m m 。 全段降温能力约为3 0 0 。 作用： 调节轧件温度以控制晶粒的增长，减少氧化铁皮的形成，控制吐丝温度，通 过人工调节供水流量阀，组合各冷却水箱形成各种冷却程序，使所s l n 的各钢种、 各规格的轧件能得到优良的性能。 技术参数： ( 1 ) 1 。水冷箱 喷嘴型式：环形喷嘴 正向水冷喷嘴数量：9 个 反向水冷喷嘴数量：1 个 水箱长度：8 4 7 0 m m 正向水冷水压：6 k g f c m 2 反向水冷水压：1 0k g f c m 2 水温：3 0 水量：9 5 m 3 h ( 2 ) 2 4 水冷箱 喷嘴型式：环形喷嘴 正向水冷喷嘴数量：6 个 东北大学碗士谚文 2 实验条件及数攒链理分析方法 反向水冷喷嘴数量：1 个 压缩空气清扫喷嘴数量：1 个 隶罐长凄：6 0 7 0 r 正向水冷水压：6k g f c m 2 反向水冷水压：1 0k g f c m 2 承瀵：3 0 水撵：8 0 m 3 h 艇缩空气压力：5 7k g f c m z 曩绽空气量：1 2 t a 3 m i n ( 3 ) 3 8 水冷箱 喷嘴型式：环形喷嘴 正淘承冷嚷臻数筮：6 令 魇向水冷喷嘴数量：1 个 骶缩空气清扫喷嘴数量：1 个 东簇长疫：6 0 7 0 m m 难向水冷水压：6k g f c 舻 反向水冷水压：1 0k g f c m 2 柬滋；3 0 水髓：8 0 一h 愿缩空气压力；5 7k g f c m 2 援缝空气量：2 。6 寤厢i n 2 。1 。3 风冷段简介 唐钢高遮线材厂风冷段为大风量8 区段斯太尔摩冷却运输线。风冷段如图 2 。2 嚣示。俄冷段冷却运埝线全长8 0 m 。褒遂魏传动方式秀凌式，辗予个数3 5 7 个，辊径由1 2 0 m m ，辊间距2 0 0 m m 。跗运输的重叠线豳，根据其钢犟中和规格，可 采用大风量的快速冷却，也可通过关闭缓冷盖、减少风量的方法而采用缓慢的延 遮冷却，以求镁线耱达到掰要求豹金穗缎缓帮辊城蛙越。每令区段竣謦一台风瓿， 1 6 东北大学硕士沦文 2 实验条件及数据处理分析方法 全段共设置8 台风机，每台风机风量为9 9 2 6 0 m 3 h ，风压为2 4