线材及线材制品基本知识.doc

1 线材用钢的冶炼钢铁是现代生产和科学技术中应用最广的金属材料。特别是钢，在金属材料的用量中约占80%以上,这是由于钢的强度高，韧性好，容易加工和焊接，是优良的结构材料。不同含碳量的碳素钢和加入一定量合金元素的合金钢，通过热处理可以分别获得不同的机械性能和一系列特殊性能。铁作为钢的基本组成元素，在地壳中的蕴藏量仅次于金属铝，容易从矿石中提取并加工。近代钢铁生产的主要方法一直沿用“二步法”，即第一步先用铁矿石冶炼出生铁，第二步再以生铁和废钢为基本原料炼出不同的钢。平炉炼钢法曾在世界钢生产中长期占据主要地位，直到六十年代平炉钢还占世界钢产量的70%以上。但平炉炼钢冶炼周期长、能耗高，目前已基本淘汰。氧气转炉炼钢开创了炼钢生产的新阶段。转炉炼钢可处理不同成分的铁水，并可加入最高可达30%的废钢。转炉钢中氮、磷的含量低、质量好，能炼很多钢种。目前，氧气转炉钢的产量在各种炼钢方法中居首位。电弧炉炼钢是靠电极与炉料之间产生电弧，发出热量进行炼钢。由于它以废钢作为主要原料，并有温度高，能控制炉内气氛等特点，特别适合于利用合金废钢，回收合金元素。从近代主要炼钢方法发展的情况可以看出，一种炼钢方法的兴衰，主要决定于它对资源条件的适应性、以及钢的质量、品种和经济效果。一个现代化的钢铁联合企业，一般有以下几大生产工序组成：原料处理、炼铁、炼钢、轧钢、能源供应、交通运输等。这些工序构成一个复杂而庞大的生产体系。钢铁联合企业的生产工艺流程如图1-1所示。码头堆场烧结 结 料结焦炉高炉转炉钢锭精炼铸件连铸电炉废钢加热炉锻压机轧 机机锻 件钢 材 图1-1 钢铁生产工艺流程此外，在钢铁联合企业中，还设有工厂管理机构，技术研究机构，检测中心，备品备件制造加工厂，设备维修和环保等部门。1.1 转炉冶炼的工艺过程及特点 氧气转炉炼钢主要有顶吹氧气转炉炼钢、底吹氧气转炉炼钢和顶底复吹转炉炼钢。1.1.1 顶吹氧气转炉冶炼的工艺过程及特点1.1.1.1 顶吹氧气转炉冶炼的工艺过程上炉钢出完并倒完炉渣后，迅速检查炉体，必要时进行补炉，然后堵出钢口。装入废钢和兑铁水后，摇正炉体。下降氧枪的同时，由炉口上方的辅助材料溜槽加入第一批渣料（石灰、萤石、铁皮）和作冷却剂用的铁矿石，其量约为总渣料量的2/31/2。当氧枪降至规定枪位时，吹炼正式开始。当氧流与熔池面接触时，碳、硅、锰开始氧化，称为点火。点火后约几分钟，初渣形成并覆盖于熔池面。随着硅、锰、磷、碳的氧化，熔池温度升高，火焰亮度增加，炉渣起泡，并有小铁粒从炉口喷溅出来。吹炼中期脱碳反应激烈，渣中氧化铁降低，致使炉渣熔点增高和粘度加大，并可能出现稠渣（即“返干”）现象。此时可分批加入铁矿石和第二批渣料（其余的1/3），以提高渣中氧化铁含量及调整炉渣。第三批渣料为萤石，加入量视炉内化渣情况决定。吹炼末期，金属含碳量大大降低，脱碳反应减弱，火焰变短而透明。最后根据火焰状况，供氧数量和吹炼时间等因素，按所炼钢种的成分和温度要求，确定吹炼终点，并提枪停止供氧、测温、取样。根据分析结果，决定出钢或补吹时间。当钢水成分（主要是碳、磷的含量）和温度合格，打开出钢口，倒炉出钢。出钢过程中向钢包内加入脱氧剂和铁合金进行脱氧和合金化，（有时可在打出钢口前，向炉内投入部分铁合金）。出完钢后，将炉渣倒入渣罐。通常将相邻两炉钢之间的间隔时间（即从装入钢铁料至倒渣完毕的时间）称为冶炼周期或冶炼一炉钢的时间。一般为2040分钟。它与炉子吨位大小和工艺的不同有关。其中吹氧过程的时间称为供氧时间或纯吹炼时间。通常情况下，喷枪是埋没在炉渣中的。炉渣由于含有大量CO气泡而膨胀。熔池受到氧气射流的强烈冲击和熔池沸腾的作用，一部分钢液飞溅起来，成为金属液滴弥散在熔渣中，形成气渣金属乳化相。氧气射流冲击区凹陷下去，熔池冲击处大致呈抛物线状。吹炼过程中金属成分、熔池温度、炉渣成分的变化是随吹炼条件而变化的，一般可作如下描述。吹炼一开始Si、Mn即被迅速氧化到很低含量，继续吹炼不再氧化，而Mn在吹炼后期稍有回升。吹炼一开始，碳就被氧化。但Si、Mn氧化后，碳的氧化速度增加，直到吹炼终点前又降低。磷和锰的变化相似，在硅氧化期急剧下降，进入激烈脱碳期后，不再降低，而有回升趋势，到吹炼末期再度下降。硫在硅氧化期和激烈脱碳期变化不大，进入吹炼末期脱硫才开始活跃。由上所述，在一般铁水温度下，硅最易和氧结合，其次是锰。因而，开吹后不久，熔池中的硅已燃烧完了，熔池中的锰已氧化到很低含量。由于转炉内一次反应区的温度很高，因而碳也会被氧化，同时有铁的蒸发现象（从炉口可看到铁氧化的红烟）。吹炼初期熔池平均温度通常低于1400。由于硅、锰的氧化，初期渣中SiO2和MnO含量较高，炉渣碱度较低。另外铁的氧化和废钢带入的铁锈等使初期渣中（FeO）含量很快达到最高值，约2530%左右。随着加入的石灰逐渐熔化，渣中（CaO）量不断上升，而硅迅速氧化完了，渣中SiO2含量相应降低，所以炉渣碱度逐渐升高。因此初期渣具有一定脱磷能力。转炉的脱磷反应几乎是与脱碳反应同时进行的。硅、锰氧化后，随着时间的变化，熔池温度上升到1500以上。因而碳大量氧化，渣中（FeO）含量逐渐降低。这将引起部分锰和磷自渣中返回到钢液中（即发生回锰和回磷）。另一方面，此时温度较高，碱度增大，渣中氧化铁又低，并且由于碳的强烈氧化，渣、钢有良好的搅拌作用，所以有利于去硫，钢中硫含量明显下降。随着脱碳反应的进行，碳的浓度降低，因而脱碳速度减小。由于铁的氧化，此时渣中（FeO）含量又急剧增加。同时由于熔池温度高，石灰熔解的多，炉渣碱度高，流动性也好，钢液中的锰、磷再次被氧化而含量降低，并且仍能有效地脱硫，钢液中的硫含量也下降。转炉的脱硫率一般可达5060%。吹炼初期，随着钢液中硅含量降低，氧含量升高。吹炼中期脱碳反应剧烈，钢液中氧含量降低。吹炼末期，由于钢中碳含量降低，钢中氧含量显著升高。一般根据终点碳含量的不同氧含量变化在6001000ppm之间。当然由于钢种不同，吹炼方法不同，终点钢中碳和终点钢中氧含量的关系会有很大差别。1.1.1.2 顶吹氧气转炉冶炼的特点与平炉、电炉炼钢相比，转炉炼钢具有生产率高、钢中气体含量低等特点。转炉内反应速度快，冶炼时间短，具有很高的生产率。随着转炉容量的增大，生产率进一步提高。转炉炼钢法的小时产钢量为平炉炼钢的68倍，是效率极高的炼钢方法。转炉钢具有下列特点：a钢中气体含量少。b由于炼钢主要原材料为铁水，废钢用量所占比例不大，因此Ni、Cr、Mo、Cu、Sn等残余元素含量低。由于钢中气体和夹杂少，具有良好的抗时效性能、冷加工变形性能和焊接性能，钢材内部缺陷少。此外，转炉钢的机械性能及其它方面性能也是良好的。c原材料消耗少，热效率高，成本低。由于转炉炼钢是利用炉料本身的化学热和物理热，热效率高，不需外加热源。因此燃料和动力消耗方面比平、电炉均低。转炉的高效率和低消耗，使钢的成本较低。d原料适应性强。能吹炼中磷（0.51.5%）和高磷（1.5%）生铁，还可吹含钒、钛等特殊成分的生铁。e基建投资少，建设速度快。生产规模越大，基建投资就越省。此外，转炉炼钢生产比较均衡，有利于与连铸机配合。还有利于开展综合利用，如煤气回收及实现生产过程的自动化。1.1.2 底吹氧气转炉炼钢底吹氧气转炉炼钢与顶吹转炉相比较，在炉底耐火材料寿命、喷嘴的维护以及由于吹入碳氢化合物造成钢中含氢量增加等方面，还存在一定的问题。但设备投资低，并适宜于吹炼高磷铁水。1.1.2.1 底吹氧气转炉吹炼反应特点在底吹转炉冶炼中，氧气由分散在炉底上的数支喷嘴由下而上吹入金属熔池，因而使其具有与顶吹转炉明显不同的冶金特性。a. 熔池搅拌强度剧烈，其搅动力要高于顶吹10倍；b由于氧流分散而均匀地吹入熔池，同时又无较强的反向气流作用，因此，吹炼过程平稳，基本不喷溅，氧的利用率高，为提高供氧强度、缩短冶炼时间创造了条件；c由于氧气喷嘴埋在铁水下面，高温和面积较大的反应区在炉底喷嘴出口处附近，反应产物需穿过金属液后，才能进入炉渣或炉气中，因此，上部渣层对炉内反应的影响很小。1.1.2.2 底吹氧气转炉与顶吹转炉的比较表1-1 “顶吹”与“底吹”转炉的比较顶 吹 法底 吹 法1、 工艺简单2、 生产率高3、 废钢熔化率高，适应性强4、 成渣易于控制5、 吹炼操作灵活6、 耐火材料寿命长7、 可脱碳加热8、 在高含碳量下可较好脱磷9、 氧流及其搅拌作用仅仅局部，而且不能维持到冶炼结束10、熔池成分、温度不均匀11、反应未达平衡12、临界状态下喷溅13、不能达到低于0.01%C14、终渣（FeO）高15、炉渣温度高（不适于脱磷）16、由于没有平衡，过程控制困难1、 搅拌能力大2、 渣金属间反应改善（P和S）3、 没有渣的氧化，铁损失较少4、 合金回收率较高5、 氮含量较低6、 喷溅少，烟尘生成少7、 较易预热废钢8、 高重复性9、 废钢熔化能力较低10、炉底材料寿命低11、吹入气体量大12、喷溅处保护气体吸热以及吸入氢气13、为前期去P，只有通过喷入石灰粉，因而工艺复杂顶吹与底吹比较，最突出的问题是顶吹时氧气射流对熔池搅拌不均匀。而氧气射流对熔池搅拌的均匀性是影响转炉吹炼强度和吹炼稳定性的主要因素。氧气顶吹与底吹转炉炼钢法优缺点的比较、综述于表1-1。1.1.3 顶底复合吹炼转炉 顶底复合吹炼氧气转炉的出现，可以说是考察了顶吹氧气转炉与底吹氧气转炉炼钢方法的冶金特点之后，所导致的必然结果。所谓顶底复合吹炼炼钢法，就是在顶吹的同时从底部吹入少量气体，以增强金属熔池和炉渣的搅拌，并控制熔池内气相中CO的分压，因而克服了顶吹氧流不足（特别是在碳低时）的弱点，使炉内反应接近平衡，铁损失减少，同时又保留了顶吹法容易控制造渣过程的优点，具有比顶吹和底吹更好的技术经济指标（见表1-2，表1-3），成为近年来氧气转炉炼钢的发展方向。表1-2 顶吹与顶底复合吹炼低碳钢成本比较项目铁收得率%（除去铁矿石，铁磷中的铁分）石灰Kg/t铁矿石钢Kg/t铁合金Kg/t气体m3/t钢纯Mn纯SiAl氧氩氮回收气体顶吹与顶底复合吹炼之差+0.5+0.8-1.6-6.7-0.6-0.1-0.04-9.0+0.6+0.8+0.3+0.7+2.0顶底复合吹炼法的冶金特点：a由于增加了底部供气，加强了熔池的搅拌力，使熔池内成分和温度的不均匀性得到了改善。b由于搅拌力增强，改善了渣金属间的平衡条件，减少了钢和渣的过氧化现象，提高了钢液中的残锰含量，降低了钢液中的磷含量，减少了喷溅。c通过改变顶枪枪位和顶吹制度，可以控制化渣，有利于充分发挥炉渣的作用。表1-3 50吨顶吹与顶底复合吹炼转炉指标比较项 目单位顶吹（1997年）顶底复合吹（LBE法）（2500炉生产实践）铁 水铸 铁废 钢铁矿石铁的收得率CO二次烘烧率透气砖透气量透气砖平均寿命Kg/t钢Kg/t钢Kg/t钢Kg/t钢%m3/min78659271695.11069813390495.527正常24，最高810001.2 电炉冶炼的工艺过程及特点 电炉炼钢准确地讲应该叫做电弧炉炼钢，是靠电极与炉料（废钢）之间的持续放电所产生的高温弧光，将电能转化为热能。通过弧光的辐射和电弧的直接作用加热、熔化废钢和炉渣，并在高温下完成一系列物理化学反应，通过合金化冶炼出各种成份的钢。与转炉炼钢一样，电炉炼钢作为现代钢铁冶炼的主要方法，在钢铁生产中发挥了巨大的作用。随着科学技术的发展，电炉炼钢的装备和工艺过程都发生了革命性的变化，生产效率越来越高，生产成本和工人的劳动强度大大地降低，钢的质量在不断提升，对环境的污染越来越小，冶炼的品种范围逐步扩大。1.2.1 现代电弧炉炼钢的工艺过程和特点1.2.1.1 电弧炉炼钢的工艺过程 电炉炼钢的方法可分为三种，即氧化法、不氧化法、返回吹氧法。 不氧化法在冶炼中没有氧化期，能充分回收原料中的合金元素。 返回吹氧法是在炉料中配入大量的合金返回料，利用合金元素与氧亲和力随温度变化的原理，选择适当时期向炉内吹氧，达到脱碳去气、去夹杂和回收合金元素的目的。 现代电炉炼钢中氧化法是最常用的炼钢方法，因为一般炉料都要经过氧化法冶炼才能成为合格钢。 氧化法冶炼由补炉、进料、熔化期、氧化期、还原、出钢及装料等7个工序组成。 a补炉 每一炉钢出完后，必要时对炉衬进行检查，并且要对炉衬侵蚀严重的部位进行修补，以防穿炉事故的发生。b进料将装好的料包用行车吊起并移至炉子上方，将炉料进入炉内。c熔化期从通电开始到炉料全部熔清的阶段称为熔化期。主要任务是迅速熔化全部炉料，并要求去除部分的磷。熔化期所需能耗约占整炉钢的70%，如何节约电耗，提高热效率是这一时期所需解决的主要问题。目前，除炉门吹氧助熔外，还有在炉壁上使用氧油烧咀，凝聚式氧枪，及废气预热等手段来加速废钢的熔化，节约电能。 d氧化期当炉料全部熔清以后就要取样分析成分，为下步操作指明方向。炉料熔清以后就要进入氧化期，氧化期的主要任务为：最大限度地降低钢液中的磷含量； 去除钢液中N、H及夹杂物； 将钢液加热到出钢温度。 氧化期主要操作有向炉内加石灰等造渣，脱磷，向炉内吹氧脱碳，流渣换渣等。在此期要造好泡沫渣防止钢液吸气。 氧化期是氧化法冶炼的主要特征。在高温下，氧与碳发生反应生成CO气体。O+C=CO，气泡从钢中逸出，将钢中的H、N和夹杂带出钢液，起到纯净钢的作用。e还原期还原期就是钢水脱氧的过程。现代电炉炼钢将还原期移至精炼炉进行。 精炼炉的主要任务：去除钢中的硫；脱氧；调整钢的化学成分及温度。 f出钢 电炉氧化期结束进入“终点”即可出钢。终点的标准：P、C等符合工艺求。 将炉内钢水倒入钢包的过程叫出钢。出钢过程中要向钢包内加渣料（石灰、萤石等），合金（FeSi、FiSiAl、MnSi、FeSi等）。进行造渣，脱氧，粗合金化。 出钢时及其以后的操作钢包底吹氩必须打开，否则就不能均匀加热和合金化等。g装料 根据生产钢种的要求，将不同种类的废钢按比例进行搭配，然后分层装入料包，以满足不同钢种冶炼的需要。装料非常重要，关系到一炉钢冶炼的成功与否以及钢质量的优劣。 例如：炉料中C等有色金属含量高，超出工艺要求时就无法继续冶炼该钢种，需要改钢种或倒包等处理，势必影响正常生产；又如原料中配入磷高时，炉前操作就必须重点脱P，要多加石灰，多吹氧等，使炉前冶炼时间延长，消耗增加，钢液吸气吸杂多，质量下降。1.2.1.2 电弧炉冶炼的工艺特点电弧炉冶炼与其他炼钢方法相比较有以下特点：a热效率高、温度控制灵活 电弧区温度高达30000C以上，足以熔化各种废钢和合金。通过电弧加热，钢液温度可达16000C以上，并且可通过电流电压的调整获得所需要的升温及温度范围，满足冶炼钢种的要求。另外，由于电弧直接加热钢液，其热效率可达65%以上。b品种多范围广 在电炉内能够去除钢中的气体（H、N），夹杂等，提高钢的质量，冶炼品种范围广。c设备简单、工艺流程短、建设周期短电弧炉的主要设备为变压器、炉体机械结构两大部分，结构简单，占地面积小，建设投资少，投产快。 存在的不足是：耗电量大；电弧对空气的电离作用能使空气和水蒸汽离解成大量的氢、氮等离子进入钢液，因此，电弧炉的增H、增N的速度要高于其它炼钢法。1.3 连铸技术及连铸坯结晶特点 连铸，就是将经过处理的钢液连续不断地注入有一定形状的水冷结晶器中，使之凝固成铸坯并连续不断地向外拉出的工艺过程。 通常，我们把炼钢分成二部分，即冶炼与浇铸。冶炼的过程就是将废钢等通过粗炼和精炼加热处理成化学成分合格、温度合格、纯净度符合要求的钢液，浇铸就是将合格钢液铸成符合一定质量要求的钢坯。简而言之，前者将固体变成液体，后者是将液体变成固体。1.3.1 铸坯结晶特点1.3.1.1 铸坯的凝固过程 连铸坯凝固过程是一个向周围环境放热的过程。该过程释放出三种热量： a过热：指钢水进入结晶器时的温度与钢的液相线温度之差。 b潜热：指钢水由液相线温度冷却到固相线温度，即完成从液相到固相转变的凝固过程中放出的热量。 c显热：指从固相线温度冷却到出铸机时，表面温度达到1000左右时放出的热量。 金属由液态到固态的变化过程，称为钢液的凝固或叫钢液的结晶。钢液凝固过程热量的释放有三种形式，即辐射、传导和对流。1.3.1.2 结晶的过程 金属的结晶过程由形核和核长大两个基本过程组成。 a晶核的形成 从液态金属中产生晶核一般有两种形式，即均核（自发）形核和异质（非自发）形核。均质是从液相直接产生晶核，异质形核是依附于液相中的外来相（固体粒子）产生晶核。 b均质形核 当液态金属达到一定过冷度时，液态金属中体积很小，排列有序的“原子集团”就变成规则排列并稳定下来，成为胚胎晶核，我们把能起晶核作用而尺寸最小的“原子集团”称为临界晶核。 c异质形核 借助于外来物质的帮助，依附于液相中的那些晶体结构与钢的晶体结构相类似的固体微粒或在结晶器壁界面上而形核，这种方式叫做异质形核。 d晶核的长大 晶核形成以后，将随即长大，晶核长大的实质就是原子由液相向固相的扩散转移的过程，晶核长大需要一定的过冷度，增加过冷度，晶体的长大速度增加。金属晶体长大后的外形，在通常的过冷度下是树枝状。晶核长大的过程就是凝固的过程。钢液在一定的过冷度下出现固相溶解度不同，并且在凝固过程中发生选分结晶，溶质元素在液相和固相中的分布是不均匀的，我们将这种现象称之为偏析。在钢中Cr、C、P、S、Mn等元素都能发生偏析，使得钢中某个局部范围内的元素成分与所冶炼钢种不一致，导致钢性能的波动。偏析有“正”偏析和“负”偏析之分，一般先凝固的部位产生负偏析，后凝固的部位产生正偏析。1.3.1.3 钢坯的结构 钢坯由边部向中心逐步凝固，其结构可分三层，它们是激冷层，柱状晶带，锭心等轴晶区。1.3.2 浇铸操作的注意事项1.3.2.1 拉速控制 拉速过高，铸坯内部将出现严重缩孔，疏松，裂纹等。对高碳钢来讲容易出现严重的碳偏析而影响连铸坯的质量。同时整个浇铸过程拉速应平稳。拉速选定除与铸机的性能有关外，还与钢种和中间包温度有密切的关系。1.3.2.2 中间包液面 中间包内钢液必须保持一定的深度，以使钢液内部的夹杂物有足够的时间上浮，减少夹杂物。同时确保更换大包时，不至于因液面过低发生卷渣污染钢液。一般情况下连铸操作都要实行多炉连浇。1.3.2.3 中间包温度 中间包的钢液温度很重要，因为温度过低，将发生断流的危险；但钢温过高，将会使铸坯内部缩孔增大，偏析增加，从而影响铸坯的质量。1.3.2.4 保护浇铸 在连铸浇注过程中，对各个环节进行保护，防止钢液直接与空气接触而产生二次氧化。使钢中增加气体（N，H，O），同时增加钢中的夹杂物。大包至中间包要用保护套管，中间包液面用覆盖剂，中间包到结晶器使用浸入式水口，结晶器液面使用保护渣等进行保护。1.4 钢坯缺陷及对线材的影响 铸坯质量的好坏，直接影响到线材产品质量的高低。没有合格的坯料，就不可能生产出质量符合要求的线材。近几十年来，炼钢、连铸工艺技术的改进以及无缺陷坯生产技术的应用，使钢坯质量有了很大提高，为保证线材产品质量提供了有利条件。1.4.1 表面缺陷及对线材的影响1.4.1.1 表面缺陷铸坯表面缺陷基本可分为以下几种a表面纵向裂纹在铸坯表面，沿铸坯轴向扩展的裂纹，称之为表面纵向裂纹。发生在铸坯角部及靠近角部的称为表面纵向角裂。表面纵向角部裂纹有时与纵向凹陷及菱形变形同时发生。b表面横向裂纹在铸坯表面，沿振动波纹的波谷处发生的横向开裂称为表面横向裂纹。对发生在铸坯的角部的横向开裂，称之为表面横向角裂。表面横裂有时发生在横向凹陷中，表面横裂与角裂往往同时发生。c表面龟裂表面龟裂一般指在铸坯表面的星状裂纹。该缺陷一般覆盖在氧化铁下。表面龟裂的铸坯在轧制时，裂纹会扩展。d气泡沿柱状晶生长方向伸展，在铸坯表面附近的大气泡称之为气泡；而对比较小的气泡且密集的称之为气孔。根据气泡的位置，将露出表面的称之为表面气泡，对不露出表面的称之为皮下气泡，气泡的残留，使成品表面产生缺陷。e双浇因各种原因使钢液浇注中断而在弯月面处产生凝壳，且不易与再浇铸的钢液相融，在铸坯四周产生的连续痕迹称之为“重接”或“双浇”。如果操作不慎会引起在结晶器出口处的漏钢。f夹渣直径为23mm到10mm以上的脱氧产物和侵蚀的耐火材料卷入弯月面，在连铸坯表面形成的斑点称为夹渣。直径小于2mm的夹渣经样品酸洗后也可以看出：锰硅酸盐系夹渣大而且分布浅；Al2O3系夹渣小而且分散。由于夹渣下面的凝固缓慢，故常有细裂纹与气泡伴生。g翻皮凝固在结晶器内发生轻微的破裂时，会有少量钢水流出来，弥合裂口，铸坯表面好象贴了一层皮似的，称为翻皮或重皮。h冷溅由于金属小颗粒夹在铸坯与结晶器壁之间，在铸坯表面形成非常粗糙的凹痕面，称之为冷溅。i擦伤外来的金属异物粘附在导辊、拉矫辊等其他固定辊上引起的铸坯表面机械损伤称为擦伤。1.4.1.2 表面缺陷对线材的影响连铸坯的缺陷除因钢水质量原因外，还有连铸设备及工艺操作本身造成的缺陷，其最主要的表面缺陷是针孔及氧化结疤。针孔在加热中被氧化，使线材表面产生发裂。一般针孔深度要求不得大于2mm。氧化结疤在连铸坯上呈点状缺陷。这些结疤不仅影响线材质量，而且会在轧制过程中堵塞导板而造成事故，必须予以清理。钢坯的皮下气泡、横裂、龟裂、缩孔、角裂、边裂、中心裂纹、重接、夹渣、翻皮等缺陷，按照标准规定不得存在。其他如划痕、深振痕、擦伤、凸坑、凹坑尺寸偏差、鼓肚等缺陷，必须严格控制，一般以下产生轧制缺陷为限。1.4.2 连铸坯的偏析、缩孔、疏松1.4.2.1 铸坯偏析 所谓偏析是指铸坯中化学成分的差异。在钢中，总有一定程度的偏析出现。 局部偏析聚集是由定向的、树枝晶间或者等轴晶区的晶粒之间的吸入流动引起的。而对中心偏析来说，聚集总是在铸坯心部发生的。中心偏析是由铸坯横断面液心内浓化液相的流动引起的，而伴随凝固过程的体积收缩正是促使这种流动的原因。宏观缩孔和疏松的产生往往伴有严重的偏析。对低碳钢来说，中心偏析不会成为问题。而对含较高合金元素的钢来说，它们的组合会发生不同程度的偏析。对碳含量较高钢来说，碳表现出最明显的偏析倾向。其次产生偏析倾向的元素顺序由强到弱是S、P、Nb、Mn、Cu、Ni、V和Si，而铝很难产生偏析。1.4.2.2 缩孔和疏松疏松的产生在很大程度上与钢的成分有关，特别是碳含量。随着碳含量增加和浇铸速度增加，中心疏松的程度也加重。然而浇铸速度的影响并不像碳含量的影响那么明显。产生中心缩孔和中心疏松的一个原因就是凝固前沿之间彼此搭接产生所谓“搭桥”，从而阻止或妨碍液体金属进入收缩孔穴。即使二次冷却非常均匀，也会出现一定程度的疏松。1.4.3 连铸坯夹杂种类、产生途径及不利影响钢中夹杂物的存在破坏了钢的基体的连续性，造成了钢的组织不均匀。1.4.3.1 夹杂物种类及产生途径 按夹杂物的来源来分，它的种类及产生途径有： a外来夹杂物这类夹杂物是由于耐火材料、熔渣等在冶炼、出钢、浇铸过程中进入钢中并滞留在钢中造成的。一般外来夹杂物具有的特征是：外形不规则：尺寸比较大；偶然地在这里或那里出现。b内生夹杂物这类夹杂物是在液体或固体钢内，由于脱氧和凝固时进行的各种物理化学反应而形成的。内生夹杂物在钢中的分布，相对来说是比较均匀的，颗粒一般比较细小。1.4.3.2 夹杂物对钢的性能的影响夹杂物降低钢的塑性、韧性和疲劳性能。a夹杂物对钢的塑性和韧性的影响夹杂物对金属材料抵抗塑性形变能力的一系列强度指标，如屈服强度、抗拉强度等不会产生多少影响。夹杂物对金属材料与断裂过程有关联的性能指标如延伸率、断面收缩率等影响很大。夹杂物对钢材韧性的影响是通过它对韧性断裂过程的影响而起作用的。在金属的变形过程中，夹杂物不能随基体相应地发生变形，这样在它的周围就产生愈来愈大的应力集中，而使之本身裂开，或者是使夹杂同基体的联结遭到破坏。一般来说，夹杂物数量多、尺寸大则钢的韧性下降。b夹杂物对钢的疲劳性能的影响金属材料承受一定的重复或变应力，经多次循环后发生破坏，这种现象称为疲劳。不同类型的夹杂物对疲劳寿命有不同程度的影响，夹杂物愈不容易变形，影响就愈大。微裂纹是产生疲劳断裂的胚芽，它继续发展就引起零件过早的疲劳破坏。钢的强度水平愈高，则夹杂物对疲劳极限所产生的不利影响就愈显著。c夹杂物对钢的加工性能的影响钢中硫化物夹杂增加，钢的热加工性能和弯曲性能下降。增加钢中Mn/S，可形成MnS以代替FeS，钢的性能得到显著改善。对钢的切削性能来说，夹杂物起好的作用。易切削钢中一般要加入S、Pb、P等元素，它们在钢中和其它元素形成非金属夹杂物或金属化合物。1.5 纯净度对结构钢的影响1.5.1 纯净钢的概念及其发展什么是纯净钢？顾名思义，纯净钢应该是所含杂质很少的钢。可见，不管人们怎样改进精炼技术，所得的钢仍然含有非金属夹杂物。即，理论上不可能产生出不含非金属夹杂的钢。而非金属夹杂物对钢性能的影响十分复杂。氮，人们也早就发现它的有害作用。但到今天，则出现了尖锐的对立。一方面，除众所周知的奥氏体不锈钢之外，在低合金高强度钢和铁素体合金钢两大类中主张以氮代碳；另一方面，对其它的钢种又提出了超低氮的纯度要求。纯净钢的一个重要进展是把微量元素（Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn）归入夹杂之列。它们一般不是作为合金元素使用的，而是作为各种原材料的伴随物被无意中带入钢液，含量又少，约在0.01%以下，长期以来它们不是炼钢生产中常规检验的对象。此外，促使人们注意这些元素的另一个因素是它们并非一般的氧化或还原操作所能有效排除的。这样，随着废钢一次又一次地返回利用，它们在其中就越来越多。碳，钢是铁碳合金，但不锈钢中碳为有害元素。汽车制造业对薄板的需求而推出无间隙元素钢等新钢种，碳在这些钢中又变成了最主要的杂质。对不同的钢种，杂质的概念有所不同，甚至截然相反。纯净钢是一个至今仍然含义模糊的概念。所谓杂质是随钢种而变化的。某一元素在某种钢内是杂质，在另一种钢内也可能是有用的。某元素是否是杂质还和其含量有关，在某种钢内其含量相当低，但可能仍是杂质，而在另一些钢中甚至其含量成倍增加，但它却不是杂质。一句话，什么是“杂质”，又怎样定义“很少”，这是要根据钢的性能要求来考虑的。总之，纯净钢的标准常是生产者和用户之间的一个妥协。1.5.2 结构钢的纯净度要求结构钢种类繁多，分别适应不同的用途，对性能的要求也就不同。1.5.2.1 冷加工性冷镦工艺是生产螺栓、螺母和铆钉等标准件的主要手段。冷镦过程中材料要遭受相当大的复杂变形，因而易于开裂。这种冷压加工方式对钢的纯净度有较高的要求，除要求控制S、P和非金属夹杂物之外，还要求控制Si与Cr的含量。汽车轮胎增强用钢丝的材料是用Si和Mn脱氧的高碳钢。冷拉中最严重的问题是拉断。除夹杂物数量和尺寸外，生成的夹杂物最好是低熔点的复合氧化物，因为它可随着钢丝减径而被延伸。1.5.2.2 易切削性线材用于切削是很少的，但钢棉钢是切削而成的，所以顺带提一下易切削性。现在，汽车等的制动片中正逐步弃用石棉，而广泛使用钢丝绒。它是用高速切削加工出来的。%Al越高，则Al2O3越多，刀具磨损就越快。这种钢只能用Si与Mn脱氧。1.5.2.3 疲劳抗力影响材料抗疲劳性能的因素不少。钢中夹杂物也是一个很重要的因素。减轻钢中夹杂物对疲劳寿命的不利影响的方法有：一是降低非金属夹杂物数量，减小夹杂物粒度，二是控制夹杂物的组分、形态，更多的是上述两种方法的组合。一般通过调整炉渣成分来控制夹杂物。1.6 沙钢冶炼工艺装备特点及新技术应用自1976年10月沙钢第一座3吨电弧炉投产以来，生产规模不断扩大，电炉炼钢发展经历了由小到大，由弱到强，由落后到先进的不平凡历程。目前，电炉钢产量居全国之首，技术经济指标名列前茅，装备水平与国际接轨。随着我国进入WTO，沙钢正瞄准世界冶金前沿水平，走自己发展之路。截止2001年底，沙钢正在生产的电炉有四座，二炼、永新炼钢、润忠炼钢、沙景炼钢。2002年投产的炼钢车间有100万吨特钢。1.6.1 各炼钢车间的工艺装备各炼钢车间工艺参数见表1-4。表1-4 各炼钢车间工艺参数 部门项目二炼永新润忠沙景特钢炉子名称容量/t207090100100变压器容量/MVA954656580二次电压/V140300210621510901510901601910电极直径/min4005005595596101.6.2 竖炉主要特点1.6.2.1 装备先进 竖式电炉具有上世纪90年代国际先进水平，许多新技术在电炉上得到应用，使得该类电炉的故障成本低，技术经济水平高。 废钢通过竖井加入，充分进行二次燃烧化学能的转换和高温炉气的物理余热回收，兼顾过滤烟尘，排除炉内废气的作用。 竖井侧炉墙上装有氧油烧咀，在废钢熔化前向炉内喷射火焰助熔，并有炉壁氧枪，切割废钢，助熔，脱碳。 炉子底部装有3个透气砖供吹氩气，加强熔池搅拌，加快传热，促进炉内反应。 在炉门处安装有水冷碳氧枪，向炉内吹氧和喷碳粉。代替人工吹氧，减少劳动强度。其余设备有自动加料系统、水冷炉壁及炉盖、偏心炉底出钢等。1.6.2.2 生产效率高 90t竖炉设计冶炼周期为58分钟/炉，年作业按300天计算，年产钢能力为65万砘，经不断革新改造，特别是向电炉内热装铁水的成功，不但钢的质量有了进一步的提高，而且生产效率也大大提高，目前年产钢能力已达到90万砘。1.6.2.3 工艺配置合理 电炉完成氧化升温的任务以后即出钢，精炼方式采用脱氧合金化，调温，纯洁钢液的模式，对于我们生产棒材和优质线材等产品，其质量保证是充分的，并且具有操作简单，投资少的特点。参考文献：李 慧钢铁冶金概论北京：冶金工业出版社，1993姜均普钢铁生产短流程新技术沙钢的实践（炼钢篇）北京：冶金工业出版社，20002 高速线材生产2.1 线材生产工艺装备特点及先进性2.1.1 线材概述线材因其以盘卷状态交货又为称盘条。线材的品种按其断面形状分，有园形、六角形、方形、螺纹园形等，主要是圆形和螺纹圆形。对高速线材来说，几乎只生产圆形和螺纹形线材。其规格为5.513mm，近年来又发展到1418mm。有的高速线材轧机为扩大成盘交货的大尺寸盘条，研制开发了相应的直径为20mm60mm的盘条。用户可根据需要任意截取长度，从而提高了大规格卷材的利用率，也就提高了用户的经济效益。根据线材的质量性能特点，线材又有软线、硬线及优线、普线之分。软线：通常把含碳量不大于0.25%的低碳钢轧制的线材称之为软线。如我公司按美国及日本有关标准生产的1008、1010、1012、1015、1018、15A、22A等。硬线：通常把优质碳素钢中含碳量不小于0.45%的中高碳线材称之为硬线。对于变形抗力与硬线相当的低合金钢、合金钢及某些专用钢线材也可归入硬线。如30MnSi、45、50、60、65、70、72B-1、77B-1、80、82B及65Mn、60Si2Mn等等。优线：一般是指用优质钢加工而成的线材。此类产品要求钢质比较纯净、性能比较优良，具有较好的深加工性能。普线：一般指碳素结构钢（如GB/T700中的部分牌号或国外相应牌号）加工成的线材。 用于生产线材的钢种很多，有碳素结构钢、优质碳素结构钢、焊条用钢、碳素弹簧钢、碳素工具钢等非合金钢，还有低合金钢及合金结构钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐蚀和耐热钢等，数量最大的是非合金钢。2.1.2 我国高速线材生产现状 改革开放以来，我国线材产量及消费量逐年上升，线材产量占钢材总产量的比例及占世界线材总产量的比例也逐渐增加，1999年线材产量已达2594.85万t，线材生产总量已连续数年居世界首位，占世界线材总产量的27左右。我国现有线材轧机约150套，其中高速线材轧机37套(引进机组24套，共34线，国产机组13套，共18线，生产能力1086万t/年)，其余均为复二重式或横列式轧机，生产能力为1100万t/年)。在建的高线轧机有杭钢、重钢、萍钢、邢钢、鄂钢、安钢等11套，生产能力约430万t/a 。投产后线材轧机总能力将达2800万t/年，高速线材轧机总能力将达到1560万t/年，占线材总能力的60左右。1997年高线产品占线材比例已达42.4，硬线比例也有增加。特别是近年来新引进高线轧机都具有国际先进水平，如1996年投产的张家港润忠钢铁公司的高速线材轧机，最大实际轧制速度可达120m/s，最大卷重2.5t，单线设计年产量达63万t，目前已达75万t，是世界上目前单线生产能力最大的线材轧机。1999年初投入试生产的宝钢高线轧机为高精度线材轧机，在无扭精轧机列后设有减径、定径机组，能生产最小规格5mm的高精度线材，可年产硬线材40万吨，是国内生产硬线规模最大、最先进的生产线。2.1.3 沙钢高速线材轧机装备简介 从1996年9月第一条高线建成投产以来， 沙钢已相继建成三条类型相似、生产能力相近的高线生产线。其主体设备由超高功率交流电弧炉、炉外精炼、连铸、高速线材轧机组成“四位一体”的典型的短流程生产线。整个生产流程采用德国FUCHS（福克斯）公司的单竖井超高功率交流电弧炉，配套钢包精炼炉，年炼钢为80至100万t，与瑞士CONCAST（康卡斯特）公司提供的小方坯连铸机配套实现全连铸，生产工艺、设备水平和控制技术代表了高速线材轧机的国际先进水平。新型摩根轧机采用全线无扭单线连续轧制，高架式布置，设计速度132m/s， 最小辊径时保证速度105m/s， 最大轧制速度120m/s， 最多轧制26道次。坯料尺寸（120150）mm216000mm，成品线材5.520mm， 螺纹钢盘条612mm， 平均盘重2.4t，设计年产量63万t，生产钢种有碳结、优质碳结、低合金、弹簧、焊条钢、焊丝钢和冷镦钢。优线及硬线生产占有较大的比例，目前达80%以上。润忠一轧是沙钢高速线材具有代表性的生产线之一，近年以来，通过不断的技术改造挖潜，各项技经指标已达国内领先水平，其工艺流程框图如图2-1所示。连 铸 坯电 磁 吊 上 料上料台架运送辊道输送、称重入炉辊道装炉步进梁式加热炉出炉辊道出炉拉钢机夹送粗轧机组轧制飞剪切头、碎断中轧机组轧制飞剪切头、碎断侧活套预精轧机组轧制机架间立活套水冷箱水冷两台立活套精轧前测径仪飞剪切头、分段、碎断集卷挂卷P&F线运输精整、检查取样打捆称重及挂标牌卸卷入库精轧机组轧制涡流探伤仪探伤水冷段控冷成品测径仪夹送辊夹送吐丝机吐丝布圈散卷运输控冷不合格坯剔出修磨整理组批图2-1 沙钢润忠一轧高线生产线工艺流程图2.1.4 生产工艺及装备技术特点沙钢三套高速线材生产线，引进美国摩根公司的全套技术及关键工艺设备，采用德国西门子或美国ABB公司提供的电控设备，并尽可能采用了当前线材生产的高新技术。全线26架轧机采用平立交替布置，实现了无扭、小张力轧制和活套控制，生产线投产以来运行正常， 第一条线投产第二年便达年产56万吨，各项技术经济指标均列国内同行业之首的良好成绩，这在国内冶金建设史上是罕见的。2.1.4.1 全连续高速无扭轧制 现代线材生产的主要特点之一是连续式轧制，即轧件同时在几架或全部轧机上轧制，每架轧机只轧制一道次，相邻机架间有一定的连轧关系。连续式轧制使设备布置紧凑，轧件温降小，特别是可以使用长坯料生产大盘重线材。现代高速线材轧机的另一个主要特点是精轧机和预精轧机采用轧件无扭轧制，对于以高碳钢和合金钢产品为主的轧机，由于钢的塑性较差，对产品性能要求较严格，粗、中轧机也应采用平立交替布置的无扭轧制。沙钢三条线材轧机机组全线平立交替布置，实现无扭轧制，从而降低了轧制故障，减少了导卫消耗，有效防止了轧件因扭转而产生的划伤及其它缺陷的扩展，提高了线材质量。当前，高速线材生产主流工艺发展的特点是采用单线、高速、无扭及微张力轧制，沙钢高线采用的轧机机组即以其单线、高速、无扭和小张力轧制为特色。在粗、中轧机组的前10个机架间，设定为小张力轧制，从10V到精轧机之间设置有活套，共有5个立活套2个侧活套，进行无张力轧制，精轧机组则通过精确的孔型设计实现微张力轧制，提高了产品的精度。为实现高速生产，沙钢高线的精轧机组采用摩根公司最先进的机型，即10机架超重载型45无扭机组，该机组重心低，高速轧制状态下机组稳定、振动小，取消了扭转装置，减少了轧件前进中的阻力，可有效避免轧件的划伤。该机组结构紧凑，轧机刚度高，采用集体传动，由一台6800KW的交流变频电机传动，适合于高速单线无扭轧制。精轧机组设计速度达132m/s，实际生产6.5mm线材时已达105m/s。2.1.4.2 高产品精度和表面质量的技术保证 沙钢线材轧线的工艺装备使产品精度和表面质量得到保障。其轧机分为粗轧机组、中轧机组、预精轧机组和精轧机组，主要特点如下： (1) 粗轧机组 粗轧机组的主要功能是通过对坯料初步的压缩和延伸，得到温度适宜，断面形状正确，尺寸合格，表面光滑，端头整齐的轧件。沙钢高线粗轧机组由6架轧机组成，轧辊平立交替布置，立式机架采用上传动方式，轧机单机架直流传动，用小张力和微张力轧制，为保证产品质量的高精度和生产工艺的稳定性，粗轧机组轧出的轧件尺寸公差控制在1.0mm以内。 (2) 中轧机组 中轧机组的主要功能是使粗轧机组过来的轧件断面继续缩减，为后续轧制提供良好的无缺陷的中间坯，尤其是要保证中间坯料尺寸精确并且沿全长方向的断面尺寸均匀。 沙钢高线的中轧机组由6架轧机组成，平立交替布置，立式机架为上传动，轧机单机架直流传动。中轧机组包括2台立式活套，分别布置在10V和11H，11H和12V之间，实现该机架之间的无张力轧制。整个中轧机组采用小张力和无张力控制轧制。以合理的道次选择和压下分配获得较高精度的中间料，中轧机组各机架条形尺寸精度为0.6mm。 (3) 预精轧机组 为保证产品的尺寸精度，现代高速线材轧机必须在高速无扭精轧机组前设置预精轧机组，预精轧机组通常由4架或6架平-立辊交替布置的轧机组成， 机架间设有立式活套， 实现轧件单线无扭无张力轧制。其主要作用是对中轧机组的来料进一步缩减断面，获得断面形状合适，尺寸精确的中间料，保证精轧机组的成品尺寸精度。沙钢高线的预精轧机组由4架悬臂式轧机组成，平立交替布置。立式机架为下传动，轧机亦是单机架直流传动。机架间分布有立式活套共3台，在中轧机组间有一台水平活套，保证了无张力轧制。为获得较好成品公差进供了保证。高速无扭线材精轧机组的机架间轧辊速比固定。通过改变来料尺寸和不同的孔型以微张力连续轧制的方式生产出各种规格的线材。这种工艺装备和轧制方式决定了精轧的成品的尺寸。精度与轧制工艺的稳定性有紧密的依赖关系。生产实践表明，精轧810个道次的消差能力为来料尺寸偏差的50%左右。也就是说，要使成品断面的尺寸公差不大于0.1mm，就必须保证预精轧来料断面尺寸公差不大于0.2mm。 (4) 精轧机组 现代高速线材精轧机组的生产工艺固定了道次间轧辊转速比，以单线微张力无扭高速连续轧制方式，通过椭圆孔型系统中的23个轧槽，将预精轧机组供给的34个规格的轧件，轧成十到二十多个规格的成品。合理的孔型设计和精确的轧件尺寸计算，配以耐磨的轧槽，是保证微张力轧制和产品断面尺寸高精度的基本条件。在高速无扭线材精轧机组中，保持来料的金属秒流量差不大于1%是工艺设计的一个基本出发点，从而来保证成品尺寸公差不大于0.1mm。 沙钢高线精轧机组的10个机架，由一台交流电机集体传动。辊径为230mm和160mm，偶数道次出成品。精轧机组间采用微张力轧制，为减少轧件头尾张力失控而引起的尺寸波动。精轧机组的机架间距较小，为820mm，为降低因高速轧制而产生的轧件温升，精轧机组中的椭圆孔出口和圆孔型入口采用水冷导卫。 该生产线的精轧机组以碳化钨辊环代替轧辊，轧机间呈90顶交型布置，实现了无扭轧制。10机架无扭精轧机组在设计上采用组合结构，取消了传统的接轴，解决了轧机的振动问题。尤其是90顶交，降低了整个机组的重心，为高速轧制提供了条件。同时，机架设计采用超重载型，刚度高，弹跳小，机架间间距小(820mm)，采用集体传动，通过精确的孔型设计产生的减速比来保证微张力轧制，从而获得高精度的成品。机组采用小辊径辊环，前5架为230mm