华北理工轧钢工艺学课件第4章 棒、线材生产

*Ⅹ第四章棒、线材生产4.1棒、线材的种类和用途4.2棒、线材生产特点和生产工艺4.3棒、线材轧制发展方向4.4棒、线材轧机布置形式4.5棒、线材轧制的控制冷却和余热淬火*一、棒、线材的种类和用途：1.棒材：一种简单断面型材，以直条状交货，断面形状：圆、方、六角形及建筑用螺纹钢筋。产品范围：国外9~300mm，国内10~50mmⅩ4.1棒、线材的种类和用途*一、棒、线材的种类和用途：2.线材：热轧产品中断面面积最小，长度最大且呈盘卷状交货。断面形状：圆、方、六角、螺纹、异型。产品范围：国外5~40mm，国内5~10mmⅩ4.1棒、线材的种类和用途*按照钢种分类，一般结构用钢、建筑用螺纹钢筋、优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、易切削钢、工具钢、轴承钢、冷拔用软线材、焊条钢等等。线材品种按化学成分分类，一般分为低碳线材（称软线）、中高碳线材（硬线），还有低合金与合金钢线材、不锈钢线材及特殊钢线材（轴承、工具、精密等）几大类。量大面广的品种属碳素钢线材，占线材总量的80～90％。4.1棒、线材的种类和用途3.种类：*4.1棒、线材的种类和用途4.用途：直接使用，如：做建筑材料。二次加工（深加工），如：一般机械零件、标准件、重要的汽车零件、汽车机械用弹簧、轴承、各种不锈钢制品、做拉丝的原料，拔制各种丝材、钉子、金属网丝和汽车轮胎用帘线。*线材二次加工产品*1、钢帘线用线材钢帘线是线材制品中高技术含量产品，不但生产装备昂贵，生产工艺也非常繁杂，是线材制品中质量要求最为严格的产品之一，所以是最难生产的品种。钢帘线在加工过程中，长度延伸达1344倍，而在随后的双捻中还要经受扭转、弯曲和拉伸等一系列变形同时，钢帘线作为汽车轮胎的橡胶骨架材料，要承受弯曲拉伸复合交变载荷及冲击载荷等；因此，必须选用最优质线材方能满足高强度、抗疲劳、耐冲击等性能要求。国内外都没有钢帘线用线材专门国家标准，往往是线材企业有对外保密的严格内控标准。

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l）必须是控制冷却线材（斯太尔摩型），金相组织必须是细珠光体，奥氏体晶粒度2～5级（ASTM)，必须能够经受90％以上总压缩率，不许用铝脱氧；

2）脱碳、完全脱碳不允许存在，局部脱碳最大0.10mm；

3）夹杂、塑性夹杂（A、C类）最大2级，(JK)；脆性夹杂（B、D类）最大1级（JK)；钛和锆的氮化物不允许存在；

4）线材偏析度：S、P为10％、C、Mn为3%（最大）（对成分上限而言）；

5）线材内部孔隙：不得超过10μm。

*2、高应力弹簧钢丝用线材高应力弹簧主要指内燃机阀门弹簧、汽车悬挂簧、摇架簧等。近年来汽车行业要求气门簧工作应力由450MPa提高到800～900MPa，疲劳寿命为2.5×l07次不断裂，应力松弛率10年内≤5％等。欧洲各国长期以来习惯用CrV钢，代表钢号是50CrV；近年来又大量使用CrSi钢，代表钢号是55CrSi。

*3、预应力钢丝及钢绞线用线材高强度低松弛预应力钢丝及钢绞线是线材制品中的一个重要品种，也是我国近年来发展速度较快的一种新型建筑材料。据资料介绍，目前全世界跨度大于700m的悬索桥共34座，其中我国占5座，都采用国产PC钢丝及钢绞线建造。国产线材生产的线材产品经过热镀锌后抗拉强度下降很大，满足不了使用要求。目前我国重要用途高强度低松弛预应力钢丝及钢绞线仍然依靠进口线材生产，尤其是镀锌预应力钢丝及钢绞线。

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l）钢种与化学成分。首选SWRH82B即国家牌号82MnA，用较高锰含量的钢种为宜。碳含量（C）控制在0.80～0.85%范围内，(P）≤0.02％、（S)≤0.015％。

2）尺寸与偏差直径D≤10mm，≤0.15mm，不圆度≤0.24mm；直径10.5～14mm≤0.20mm，不圆度≤0.32mm3）力学性能。PC钢丝用线材力学性能，希望同炉号、同规格强度差≤50MPa。

4）金相组织。均匀细小索氏体组织不小于85%，不允许有马氏体和网状渗碳体等组织存在。

*4、焊丝用线材船舶、桥梁、工程机械、电站、建筑、汽车、压力容器、锅炉等钢结构件大都采用焊接结构，焊接材料成分一般须与结构材料匹配。一般要求焊缝金属的力学性能达到母材相当水平，主要靠焊丝或焊条及熔剂提供的熔敷金属的化学成分和焊接工艺来保证，而不是靠焊丝或焊条的力学性能。所以，在焊丝用线材的标准中，对各牌号的化学成分有严格规定，并作为交货的重要条件，而对线材力学性能不作具体规定，这是该产品的重要特点。

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(l）化学成分。在保证强度的同时尽量降低碳含量，即碳应控制在标准下限为宜，因为碳元素是造成焊缝冷热裂纹的主要原因之一。另外就是把磷、硫含量控制得越低越好。

(2）钢中气体。因为〔O〕、〔H〕、（N〕气体含量高容易产生焊缝气孔、白点等缺陷，也是造成焊接裂纹的原因之一，所以应控制在最低限度，一般为〔O〕≤40×10-6、〔N〕70×10-6、〔H〕≤2×10-6。

(3）钢中夹杂物。因为钢中夹杂物也是造成焊缝金属缺陷的主要原因之一，所以应该控制非金属夹杂物形态、大小、个数等。

*5、冷镦钢丝用线材冷镦钢丝是生产螺钉、螺帽、螺栓等紧固件用原料，常用规格Φ3～40mm钢丝，其中Φ16mm以下的钢丝占60％以上。由于用冷镦的方法生产标准件变形速度快、变形程度大，变形又不均匀，冷镦开裂率高达30%，所以要求制造标准件用线材首先必须有良好的塑性和尺寸精度。冷镦钢线材对钢种的内在质量和表面质量要求苛刻，冶炼要采用炉外精炼技术。有的国家在生产冷镦钢丝前对线材要进行机械剥皮等处理。

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1）化学成分。要求〔P〕≤0.02％、〔S〕≤0.015%；对碳素钢而言，硅、铝、锰、碳等元素希望控制在中下限为宜，避免造成冷顶锻裂纹。

2）表面质量。对线材表面质量要求很严，尺寸公差±0.20mm，不圆度＜0.30mm，表面裂纹、划伤最深＜0.07mm。

3）脱碳（直径≤15mm）。铁素体脱碳层深度：≤0.02mm，总脱碳层深度：≤0.12。

4）非金属夹杂物。钢中非金属夹杂物含量高、尺寸大，是造成标准件冷镦开裂的一个重要原因，尤其是非金属夹杂中B类和D类脆性夹杂，距钢丝表面愈近危害性愈大，所以要求B类夹杂物距表面层2mm之内应不大于15μm。

5）金相组织。冷镦钢的金相组织应为铁素体+粒状珠光体（F+P)，一般规定2～4级，以3级为最好，不得有片状珠光体和贝氏体组织。

*6、轴承钢丝用线材轴承钢丝主要用来制造滚动轴承上的滚动体——滚珠、滚锥、滚针等。滚动轴承在工作时，承受周期性变化的载荷，滚珠（滚柱）和内套均承受着点（线）接触的周期性高压交变载荷，存在着很大的局部应力集中，所以滚珠（滚柱）表面容易产生接触疲劳破坏；同时，滚珠（滚柱）和内外套之间产生滚动摩擦和滑动摩擦，致使材料因磨损而破坏。轴承钢丝工作条件苛刻，所以对轴承钢丝用线材提出更高的技术要求。

*一、棒、线材的生产特点棒、线材断面小，长度大，从坯到成品轧制的总延伸非常大，需要轧制道次很多。盘重大、精度高、性能优。线材的发展：规模向大（盘重）、向小（线径减小）两个方向发展，盘重越来越大。增大盘重与减小线径、提高尺寸精度之间是矛盾的，因为盘重增加和线径减小会导致轧件长度增加，轧制时间延长，从而轧件温度下降，头、尾温差大，轧件头、尾尺寸公差不一致，并且性能不均，上述矛盾推动了线材生产技术的发展。Ⅹ4.2棒、线材生产特点和生产工艺*Ⅹ各种高质量的线材在质量控制上需要各工序都具备生产高质量线材的能力：①保证原料质量。要求原料段具有原料检测、检查与清理修磨的手段，使投入的原料具有生产优质棒、线材的条件；②采用步进式加热炉，以保证灵活的加热制度；③在单线生产时粗轧采用平—立机组，减小轧件刮伤；④尽可能使用滚动导卫及硬面轧辊，保证轧件表面质量。4.2棒、线材生产特点和生产工艺*1.坯料在供坯料允许的前提下，坯料断面尽可能小，以减小轧制道次，保证终轧温度。目前坯料长度大，断面形状一般为方形，边长150、165和180mm，最大可达220mm。由于线材成卷供应，不便于轧后探伤、检查和清理，因此，对坯料质量要求高，表面缺陷易清理。Ⅹ4.2棒、线材生产特点和生产工艺二、棒、线材的生产工艺*2.加热和轧制1）加热：在现代化的轧制生产中，棒、线材的轧制速度很高，轧制过程中温降较小，甚至升温轧制，故一般棒、线材加热温度较低。坯料应加热均匀，故采用步进式加热炉。Ⅹ4.2棒、线材生产特点和生产工艺2）轧制：为提高生产效率和经济效益，适合棒、线材的轧制方式是连轧。①若连轧机均为水平布置，轧件需要扭转翻钢，需扭转导管（导卫），轧件表面易被划伤，轧制不稳定，轧速提高受限制，因此，现代化轧机多采用平、立交替布置。*②轧制道次多，机架数目多，一般棒材车间=18架，线材车间≥28架。③线材的盘重加大，线材直径加大，到2000年国外已出现了直径60mm的盘卷线材。④控制轧制：为了细化晶粒，控轧控冷低温精轧。Ⅹ4.2棒、线材生产特点和生产工艺棒材：精轧→飞剪→控制冷却（余热淬火）→冷床→定尺切断→检查→包装3.棒、线材的冷却和精整线材：精轧→吐丝机（线材）→散卷控制冷却→集卷→检查→包装*1.连铸坯热装热送或连铸直接轧制2.

柔性轧制技术利用无孔型轧制，共用孔型等手段迅速改变轧制规程，改变产品规格Ⅹ4.3棒、线材轧制的发展方向3.

高精度轧制棒、线材二次加工，直径公差大，对加工的影响较大，故对其尺寸精度要求越来越高。孔型高向尺寸可控，不能严格限制宽度方向的尺寸。另外，机架间的张力和轧件的头、尾温差也会明显影响轧件的尺寸。*

方法：精确孔型设计或三辊孔型控制高向和宽向，或在成品孔型后设置专门的定径机组，采用尺寸自动控制AGC系统等。目前棒、线材的尺寸精度可达到±0.12mm目标±0.05mm4.3棒、线材轧制的发展方向4.

继续提高轧制速度线材盘重大，断面小，为提高产量减小头、尾温差，高速轧制，线材的终轧速度一般是100~120m/s国内最高130m/s，国外可达150m/s，先进棒材的终轧速度一般是17~18m/s。*Ⅹ5.

低温轧制：轧制速度高，轧制温升，终轧温度过高会导致产品质量下降，低温轧制可提高质量、节能。方法：⒈降低开轧温度，从1050~1100℃降至850~950℃⒉降终轧温度，将终轧温度降至再结晶温度（700~800℃）以下，节能且提高产品机械性能。4.3棒、线材轧制的发展方向优点：①减少切损②100%定尺③生产率提高④对导卫和孔型不冲击，无冲击，不缠辊⑤尺寸精度高坯料在出炉辊道上前后焊接起来。6.无头轧制：*Ⅹ1）轮切法：用特殊的孔型将轧件轧成预备切分的形状，在轧机的出口安装切轮，将轧件切开7.切分轧制：4.3棒、线材轧制的发展方向*2）辊切法：利用特殊设计的孔型，在变形的同时将轧件切开4.3棒、线材轧制的发展方向*4.3棒、线材轧制的发展方向*4.3棒、线材轧制的发展方向*一、棒、线材轧机的发展过程：1.横列式轧机：单列式轧机速度不能单调，采用多列式，一般线材轧机多超过3列，终轧速度≤10m/s盘重≤100kg2.半连续式轧机Ⅹ改进后称复二重式轧机：粗轧横列式，连续式或跟踪式，精轧为复二重式轧机4.4棒、线材轧机的布置形式*与横列式比较：①速度升高，解决了轧件温降的问题②取消反围盘，轧制稳定，便于调整③盘重增加、产量升高Ⅹ4.4棒、线材轧机的布置形式*3.传统连续式轧机优点：轧制速度高，轧件沿长度方向上的温差小，产品尺寸精度高，产量高，线材盘重大。20世纪40年代，水平二辊式轧机，轧件在轧制时需扭转，限制了轧制速度（25~30m/s），因此限制了盘重。20世纪50年代：平立交替式，轧件在轧制时无扭转，轧速提高到30~35m/s。20世纪60年代以后45°高速无扭精轧机和Y型精轧机。Ⅹ4.4棒、线材轧机的布置形式*4.Y

型三辊式或线材45°精轧机组：由3个互成120°角的盘状轧辊组成相邻机架互成倒置180°，轧制时无扭转。多用于难变形合金和有色金属的轧制，三向压应力有利于轧制低塑性钢材。45°连续式无扭精轧机，根据轧机结构与传动形式分为：悬臂式：轧机布置紧凑，轧辊以悬臂式敞露在整体之外，轧辊轴线与地面成一定角度，相邻机架互成90°。框架式：为闭口框架式，由8个机架组成、成组传动，相邻各架轧辊互成90°。4.4棒、线材轧机的布置形式*二、现代化棒线材轧机布置形式1.现代化棒材轧机平、立交替布置全线无扭轧机。粗轧采用操作和易换辊轧机，中精轧机采用高精度轧机。微张力或无张力控制、合理孔型设计等以提高轧制速度、产量、产品尺寸精度和表面质量。Ⅹ4.4棒、线材轧机的布置形式*4.4棒、线材轧机的布置形式*

唐钢棒材车间布置图4.4棒、线材轧机的布置形式*2.现代化线材轧机平、立交替布置全线无扭轧机。粗轧和中轧机与棒材轧机无区别。精轧机组采用高速无扭、微张力45°轧机。连续、高速、无扭和控冷。其中高速轧制是最主要的工艺特点（此外，单线、微张力、组合结构、碳化钨辊环和自动化）。Ⅹ线材发展总趋势：提高轧速、增加盘重、提高尺寸精度、改善产品力学性能、简化生产工艺、提高作业率。4.4棒、线材轧机的布置形式*现代化线材轧机新进展(l）无扭精轧机组。其发展趋势如下：降低机组重心，降低传动轴高度，减少机组的震动；强化轧机，增加精轧机组的大辊径轧机的数量；改进轧机调整性能。（2）采用控温轧制与低温轧制。（3）高精度轧制设备。（4）粗轧机组的改进。4.4棒、线材轧机的布置形式*高速无扭精轧工艺是现代线材生产的核心技术之一，精轧的高速度要求轧制过程中轧件无扭转，否则事故频发，轧制根本无法进行。它是综合解决产品多品种规格、高断面尺寸精度、大盘卷和高生产率的有效手段。唯精轧高速度才能有高生产率、才能解决大盘重线材轧制过程的温降问题。因此，高速无扭精轧是高速线材轧机的一个基本特点。目前高速精轧机组基本上有四种：1）侧交45º的美国摩根型；2）顶交45º的英国阿希洛（Ashlow）型；3）15º/75º的德国德马克（Demak）型；4)0º/90º平－立布置的达涅利（Danieli）型。4.4棒、线材轧机的布置形式*侧交45º的美国摩根型4.4棒、线材轧机的布置形式*4.4棒、线材轧机的布置形式顶交45º的英国阿希洛（Ashlow）型*目前世界上应用最广泛的摩根型高速无扭轧机是美国摩根（Morgan）公司1962年开始研制的，1966年首先应用于加拿大钢铁公司哈密尔顿（Hamilton）厂，其轧制速度43～50m/s。同时摩根公司和加拿大斯太尔摩(Stelmo）公司联合开发了线材轧后控制冷却系统，称之为斯太尔摩线。摩根新式精轧机发展经历了6个阶段，精轧机的轧制速度从第I代的43m/s，到第Ⅵ代的100m/，提高了1.3倍。4.4棒、线材轧机的布置形式*轧制速度是高速线材轧机发展水平的标志，按照轧制速度可将现代轧机分为如下几代：第一代，1966～1969年，轧制速度43～50m/s；第二代，1970～1975年，轧制速度50～60m/s；第三代，1976～1978年，轧制速度61～75m/s；第四代，1979～1980年，轧制速度75～80m/s；第五代，1981～1985年，轧制速度80～100m/s；第六代，1986年以后，轧制速度100～120m/s。4.4棒、线材轧机的布置形式*4.4棒、线材轧机的布置形式*4.5

棒、线材轧制的控制冷却和余热淬火一、螺纹钢筋轧制后余热淬火处理工艺及原理原理：钢筋轧后为奥氏体，利用其轧后余热进行热处理，通过对工艺参数的控制（如冷却速度、时间、冷却温度）得到要求的组织、性能。Ⅹ第一阶段：表面淬火阶段（急冷阶段），钢筋离开精轧机后尽快进入高效冷却装置进行快速冷却。①冷却速度必须大于使表面层达到一定深度淬火马氏体到临界速度②钢筋表面温度低于马氏体开始转变温度（Ms），发生γ→M转变，该阶段结束时，表层为马氏体和残留奥氏体，心部温度还很高，仍处于γ，表面马氏体层的深度取决于强烈冷却的持续时间。*Ⅹ第二阶段：空冷自回火阶段，此时钢筋截面上的温度梯度很大，心部热量向外层扩散，传至表面的淬火层，对已形成的马氏体进行回火，根据回火温度的不同，表面组织可能转变为回火马氏体或回火索氏体，表层的残余γ→M，邻近表层的γ根据钢的成分或冷却条件不同→贝氏体/屈氏体/索氏体，心部仍为γ。第三阶段：心部组织转变阶段，γ发生近似等温度转变，冷却条件不同可转变成铁素体+珠光体或α、索氏体和贝氏体。（钢的成分、钢筋直径、终轧温度、第一阶段的冷却效果和持续时间等）4.5

棒、线材轧制的控制冷却和余热淬火*4.5

棒、线材轧制的控制冷却和余热淬火*二、线材控冷的基本原理根据轧后控制冷却所得到的组织不同，线材控制冷却可分为珠光体型控冷和马氏体型控冷。其工艺参数主要基于得到二次深加工所需要的不同的组织和性能。Ⅹ1.珠光体型控制冷却目的：通过连续冷却过程获得有利于提拔的索氏体组织。4.5

棒、线材轧制的控制冷却和余热淬火*过程：将终轧温度高达1000~1100℃的线材出轧辊后立即通过水冷区急冷到相变温度，此时加工硬化的效果部分保留，破碎γ