影响湘钢冷镦钢质量的主要因素_图文

1、第39卷第2期2004年2月钢铁I RON AND ST EELV o l.39,N o.2Feb ruary2004影响湘钢冷镦钢质量的主要因素和前进1潘金焕1姜钧普1尹志强2王明斌2田树生2林国庆2(11北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;21湘潭钢铁集团公司科技开发中心,湘潭411101摘要以实验室工作为基础,结合湘钢冷镦钢生产工艺对影响湘钢冷镦钢质量的两个主要工艺因素即连铸结晶器卷渣与线材轧制过程中不均匀冷却进行了分析讨论。结晶器卷渣形成大型夹杂,破坏了钢的连续性;线材轧制过程中不均匀冷却造成线材内部晶粒尺寸相差悬殊,力学性能不均匀,这些都是造成冷镦开裂的重要影响因素。关

2、键词冷镦钢结晶器卷渣不均匀冷却冷镦开裂中图法分类号T F77712文献标识码AT WO I M PORTANT FACT ORS INFL UENC ING QUAL IT Y OF COLDHEAD ING STEEL AT X I ANGTAN STEELH E Q ian jin1,PAN J inhuan1,J I AN G Junp u1,Y I N Zh iqiang2,W AN G M ingb in2,T I AN Shu sheng2,L I N Guoqing2(11Schoo l of M etallu rgical and Eco logical Engineering

3、,U n iversity of Science and T echno logy Beijing,Beijing 100083;21T echno logy D evelopm en t Cen ter,X iangtan Iron and Steel Group Co1,X iangtan411101ABSTRACTB ased on labo rato ry study and the co ld heading steel p roducti on p ractice at X iang2 tan Steel,tw o detri m en tal facto rs on the qu

4、ality of co ld heading steel w ere investigated1M o ld flux en trapm en t du ring the b illet casting gives som e m acro2and large m icro2inclu si on s to ru in the con tinu ity of the steel1T he inhom ogeneou s coo ling du ring w ire rod ro lling m akes a b ig difference in grain size distribu ti o

5、n in the rod to cau se un2un ifo rm m echan ical p rop erties1T hese are the tw o i m po rtan t facto rs to cau se crack ing du ring the co ld heading test1KEY WORD Sco ld heading steel,m o ld flux en trapm en t,inhom ogeneou s coo ling,crack ing du r2 ing co ld heading1前言冷镦钢是一种在室温条件下,利用冷镦工艺生产紧固件的钢种

6、。湘钢早在1997年就开始了冷镦钢盘条的试制工作,采用工艺流程为:高炉铁水80 t顶底复吹转炉钢包吹氩L F精炼方坯连铸高线轧制检验入库。在试制过程中遇到过盘条试样冷镦开裂的问题。本文仅就湘钢冷镦钢质量研究过程中发现的连铸过程中的结晶器卷渣和冷镦钢盘条内部的晶粒度差别现象及两者对湘钢冷镦钢质量的影响做一概述。2冷镦裂纹观察研制初期湘钢盘条的冷镦开裂有3种情况,图收到修改稿日期:2003204208联系人:姜钧普,教授,jj p1504 1所示为<14mm盘条试样冷镦后产生的星形裂纹(图1(a、与轧向平行的裂纹(图1(b及与轧制方向呈45°的裂纹(图1(c。在星形裂纹和与轧制方向

7、平行的裂纹处均发现过有大型非金属夹杂物存在。与轧制方向成45°的裂纹处未发现有任何夹杂。对上述冷镦开裂试样金相组织的研究未发现金相组织与晶粒度异常,没有发现马氏体、贝氏体等异化组织;对裂纹处及正常处组织的对比未见明显不同。3结晶器卷渣产生的问题与轧制方向平行的裂纹处发现的夹杂如图2所示,夹杂的成分也一并列出。在星形裂纹和与轧制方向平行的裂纹处发现的夹杂物中均含有一定的 图1S W RCH 35K 钢种盘条的冷镦裂纹F ig 11C rack s in w ire rod of S W RCH 35K grade steel du ring co ld headingN a 2O ,分

8、析后认为这一成分只能为结晶器保护渣所带入。湘钢中碳钢小方坯连铸使用的保护渣的成分列于表1。同时,在对湘钢2001年生产的S W RCH 35K 盘条样品进行的研究中发现了部分样品存在比较严重的结晶器保护渣卷入现象,尤其值得注意的是贴近盘条表皮类似图3(a 所示的结晶器卷渣形成的夹杂(长度达1500m ,与图3(b 所示的盘条表面裂纹对应。此类夹杂会对盘条的冷镦性能造成极为不利的影响。通过对冷镦开裂盘条试样裂口内夹杂物的研究,试样冷镦后产生的星形裂纹和与轧制方向平行的裂纹均与结晶器内卷渣现象有直接关系。连铸过程中的卷渣问题此前已经有很多人研究过,一般认为结晶器保护渣卷入坯壳有两种途径。途径之一是

9、钢水由弯月面内部向上涌出, 由外面将保图2冷镦试样与轧制方向平行裂纹根部的扫描电镜照片F ig 12SE M pho to of roo t po in t of the crack parallelw ith ro lling directi on夹杂成分(%:N a 2O 4150,M gO 3132,A l 2O 313190,Si O 24010,CaO 31182,M nO 1189,FeO 4155竖线左边为裂纹,右边为夹杂表1湘钢连铸结晶器保护渣的成分T ab le 1Compo siti on of the mo ld flux at X iangtan Steel%Si O

10、2A l 2O 3Fe 2O 3CaO M gO K 2O +N a 2OF C H 2O L i O 233610111913010031927123419151020112 1120图312号样品横截面卷渣金相照片(a 及其对应的盘条表面裂纹照片(b F ig 13SE M pho to of samp le N o 112show ing slag en traped in cro ss secti on (a and the op ticalpho to of su rface crack ing of the sam e samp le (b 22钢铁第39卷护渣粒卷入坯壳。保护渣卷

11、入坯壳的另一个途径是由浸入式水口流出的钢水,到达结晶器侧边后分为向上和向下两个分流,向上的分流上升到钢水上表面后,由外向内折回,由此造成的钢水流动将保护渣滴带入钢液,部分被生长的坯壳捕捉。当然,这个因素主要对板坯连铸影响显著,采用浸入式水口浇注的方坯连铸,也会有类似影响。雷洪等的研究表明卷渣产生与否取决于渣、金属界面钢液流速是否超过某一临界速度,而临界速度的值又取决于渣的粘度、密度、钢渣界面张力等因素,其中渣的粘度是重要因素1。在结晶器、浸入式水口形状参数确定的情况下,渣、金属界面钢液的流速,受铸机拉速和浸入式水口的浸入深度也即结晶器内钢液面的高度的影响。连铸操作中拉速变化频繁、结晶器内钢水液

12、面大幅波动会通过上述两种途径造成结晶器保护渣卷入坯壳。经现场调查,发现湘钢冷镦钢连铸生产过程中存在过为保证多炉连浇而导致结晶器液面波动较大的问题。当下一包钢水供应不及时,为勉强保证多炉连浇而大幅度降低拉速时此问题尤为突出。同时为提高铸机拉速而扩大浸入式水口直径后结晶器液面也有时放得太低,从而造成了结晶器内卷渣现象的发生。这使得盘条冷镦性能出现了一定程度的不稳定,阻碍了盘条质量的进一步提高。4盘条样晶粒度不均问题在湘钢生产冷镦钢盘条的高速线材轧制线上,在出精轧后至吐丝机之前的冷却段曾发现有冷却不均的现象,表现为盘条表面由于周边冷却水强度不均造成有沿纵向延伸的黑线(低温带。对湘钢表面有类似黑线的S

13、 W RCH 10K 盘条横截面金相组织的研究发现黑线附近靠近盘条表皮部分钢的晶粒度分布表现出很大差异,如图4所示。细晶粒只有34m 大小;而粗晶粒可达5060m 以上。在细、粗晶粒处做HV 显微硬度测试数据见表2。表2湘钢S W RCH 10K 样品细、粗晶粒处HV 显微硬度数据T ab le 2M icro 2hardness (HV of fine and coarse grain s of S W RCH 10K grade w ire rod晶粒12345平均值均方差细21819153151271414510156171601331102粗1041898129211114101101

14、31031887194图4S W RCH 10K 盘条横截面金相组织照片F ig 14M icro structu re of S W RCH 10K grade w ire rod图中一小格为10m由表2所示,粗晶粒与细晶粒区的显微硬度可相差50%。文献2认为这种晶粒的大小不均会显著降低盘条的结构强度,使盘条易于出现脆性断裂。多晶体形变理论认为晶界对形变有阻碍作用。晶界区所占的比例越大,则其抗力也越大。在同样外加应力作用下大晶粒的形变由一个晶粒转移到另一个晶粒的机会要大得多,小晶粒则正相反,因此细晶粒较之粗晶粒变形抗力大。从表2可看出,细、粗晶粒的显微硬度值有明显差异。在一定的应力作用下,当

15、粗晶粒区的变形到达粗、细晶粒交界处时,由于细晶粒有较大的变形抗力,大晶粒部分的形变将因小晶粒晶界的阻碍而无法向小晶粒区扩散,从而造成应力集中。工程力学相关理论表明与作用力呈45°方向上的切应力最大,因此这种应力集中可能使试样在冷镦过程中产生如图1(c 所示的与轧制方向呈45°的剪切裂纹。控轧控冷理论认为冷却强度会影响碳钢的组织。在冷却强度大的地方过冷度也将增加,从而使铁素体的晶核形成速率的增加比使其长大速度的加快作用更大,因而其晶粒也就会较细,反之亦然。轧制终点冷却不均造成了湘钢冷镦钢盘条出现了晶粒度差别很大的现象,造成盘条内部机械性质不均从而影响盘条的冷镦性能。5结论(下

16、转第31页32第2期和前进等:影响湘钢冷镦钢质量的主要因素 图3轨头与轨腰中心线不重合的情况F ig 13D isp lacem en t of the cen ter line of rail head in relati on to the cen ter line of rail body通风型钢尺寸精度对电机质量的影响,每吨钢材的净收入增加数千元。在以提高尺寸精度和表面光洁度为主要目标时,异形钢材可以考虑使用冷定径工艺。这一优点对零件轧制具有重要意义。冷定径零件的表面光洁度可以达到粗磨的水平,轧制后轧件可直接使用。型钢冷轧辊工作辊面必须具有很高硬度,需要采用冷工具钢制造,并进行淬火,成

17、本较高。而轧辊辊颈由于安装轴承的需要,要求较高加工精度,并且要求有很好的韧性。辊颈和辊面应具有不同性能,这就为轧辊材质选择带来了矛盾。如果使用整体工具钢轧辊,由于辊面有轧槽并经过淬火,轧辊的修磨很困难,一次报废则成本极高。笔者使用组合轧辊则较好地克服了这一问题。具体措施是在结构钢辊轴上安装工具钢辊环,修磨时褪下辊环,辊环的拆装均进行加热。5结论(1型钢的高精度轧制,不仅仅取决于装备水平,更重要的是取决于轧件的变形条件和轧制工艺。圆钢使用定径孔型,复杂断面型钢使用冷定径轧制工艺,可以大幅度提高型钢的轧制尺寸精度。(2根据轧件的使用要求,在以提高尺寸精度和表面光洁度为主要目标时,异形钢材可以考虑使

18、用冷轧工艺。冷轧异形钢的孔型设计方法与热轧异形钢有区别。冷定径异形钢可以明显提高尺寸精度,在主要的使用方向上,尺寸公差可以小于±0102mm 。这一优点对零件轧制具有重要意义。冷轧零件的表面光洁度可以达到粗磨的水平,轧制后轧件可直接使用。(3控制型材的尺寸精度,起决定性作用的是精轧孔型。精轧孔型的数量不必多,国内的生产实践已经提供了同样的结论。棒线材定径有两个精轧孔型即可明显提高精度。复杂断面型钢,其精轧定径孔,根据尺寸精度要求的高低,一般有12个即可。参考文献1L IW ei .T echno logy of C lo se To lerance Ro lling of H eav

19、y R ail Steel .Iron Steel V anadium T itan ium ,1995,16(3:73761(李炜1重轨的高精度轧制技术现状1钢铁钒钛,1995,16(3:737612大野隆幸1异形形钢精密压延1塑性加工,1993,34(384:697413柳本润,形钢压延现代压延理论1CAM P 2IS I J ,2000,(13:27628014日本塑性加工学会1棒线形管压延1日本东京: 社,1991110410815ZHAO Shep ing .A pp licati on and D evelopm en t of on line D i m en si onal M easu rem en t and Con tro l T echno logy .W o rld Iron &Steel ,2002,2(1:14.(赵社平1在线尺寸检测控制技术