《材料成型工艺学 下》课件：第10章 棒线材生产2015

1、2020/8/16,1,第10章 棒、线材生产高秀华东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,2020/8/16,2,主要内容,棒线材的种类和用途 生产特点及工艺 棒线材轧制的发展方向 棒线材轧机的布置型式 棒线材的控制冷却和余热淬火,2020/8/16,3,第一节 棒、线材的种类和用途,棒材： 定义：一种简单断面型材，一般以直条状交货。 断面形状：圆形、方形、六角形、螺纹钢筋等 断面直径：国外：9300mm，国内：1050mm 线材： 定义：热轧产品中断面面积最小，长度最长且成盘卷状交货的产品。 断面形状：圆形、方形、六角形和异型。 断面直径：国外：540mm，国内：510mm 棒线材用途

2、,2020/8/16,4,棒、线材的产品分类及用途,2020/8/16,5,对棒线材质量要求,质量要求：表面质量 综合性能 建材：化学成分；焊接性；冷弯性；耐蚀性； 物理性 能稳定均匀。 拔丝原料：直径小，保证成分及物理性能均匀稳定； 表面氧化铁皮、脱炭少，可去除；金相组织可索氏体化； 尺寸精确，表面光洁。,2020/8/16,6,第二节 生产特点及工艺,1.棒线材生产特点 棒、线材的断面形状简单，用量巨大，适于进行大规模的专业化生产。（国内占总产量40，世界最高） 线材的断面尺寸是热轧材中最小的，所用的轧机是最小型的。轧件的总延伸非常大，需要的轧制道次很多。 线材的特点是断面小，长度大，尺寸

3、精度和表面质量要求高。但增大盘重、减少线径与提高质量、尺寸精度是矛盾的。,2020/8/16,7,棒线材生产工艺流程,2.棒线材生产工艺,2020/8/16,8,第二节 生产特点及工艺,2.1棒材生产工艺 坯料： 连铸坯为主，少量初轧坯 方坯：120150mm 检查与清理 加热和轧制 冷坯加热 （连铸坯热装加热） 粗轧 中轧 精轧,2020/8/16,9,第二节 生产特点及工艺,棒材轧制的加热温度较低 ； 步进式加热炉； 棒材的合适轧制方式是连轧； 轧机平立（VH布置）交替布置；棒材轧机一般超过18架； 控制轧制。,2020/8/16,10,第二节 生产特点及工艺,冷却和精整 棒材： 精轧 飞

4、剪 控制冷却（余热淬火） 冷床 定尺切断 检查（探伤） 包装,2020/8/16,11,棒材生产工艺流程,2020/8/16,12,第二节 生产特点及工艺,2.2线材生产工艺 坯料： 连铸坯为主，初轧坯 方坯：120150mm，坯料长Max:22M 检查与清理严格 加热和轧制 冷坯加热 （连铸坯热装加热） 粗轧 中轧 （线材预精 轧） 精轧,2020/8/16,13,第二节 生产特点及工艺,线材轧制的加热温度较低 ； 步进式加热炉； 坯料两端加热温度高于中间温度； 轧制速度快，小辊径，高转速； 线材的合适轧制方式是连轧； 机架多，分工细； 轧机平立（VH布置）交替布置，线材轧机的机架数为212

5、8架； 线材的孔型：箱-椭圆-圆,2020/8/16,14,2020/8/16,15,2020/8/16,16,第二节 生产特点及工艺,冷却和精整 线材： 精轧 水冷 吐丝机 散卷控制冷却 集卷 检查 包装,2020/8/16,17,2020/8/16,18,第三节 棒线材轧制的发展方向,连铸坯热装热送或连铸直接轧制； 柔性轧制技术； 高精度轧制 ； 提高轧制速度 ； 低温轧制； 无头轧制 ； 切分轧制。,2020/8/16,19,连铸坯热装热送或直接轧制,目前，高档材也可以连铸坯生产，但不能提供无缺陷坯料； 发展连铸无缺陷坯技术、坯料热状态表面缺陷和内部质量技术； 连铸坯以650800热装热

6、送，提高加热炉能力30%45，同时减少钢坯的库存量，减少设备和操作人员，缩短生产周期，加快资金周转，有巨大的经济效益。,2020/8/16,20,连铸坯热装热送或直接轧制,直接轧制定义：连铸坯不经过再加热而直接送至成品轧机轧制成材的一种方法； 直接轧制可省掉钢坯冷却和清理仓库存放及中间加热工序； 前提保证无缺陷钢坯，在线检查和在线清理；保证轧制温度。,2020/8/16,21,柔性轧制技术,对于小批量、多品种的生产，改变规格和品种时，轧机停机时间增加。 为了减少停机，采用无孔型轧制、共用孔型等迅速改变轧制规程，改变品种规格； 长寿命、快速换辊等技术,2020/8/16,22,2020/8/16

7、,23,提高轧制速度,高速轧制 盘重大、断面小 小辊径、高轧速 棒材轧机的终轧速度17-18m/s； 线材轧机的终轧速度100-140m/s；,2020/8/16,24,切分轧制,定义：轧制过程中把一根轧件利用孔型的作用轧成两个或两个以上形状相同的并联轧件，再利用切分设备或轧辊环将并联轧件沿纵向切分成两个或两个以上的单根轧件。将单条轧制变为多条轧制。 切分方法：轮切法、辊切法、园盘剪法、火焰切分法 切分轧制优点： 大幅度提高产量； 扩大产品规格范围； 能耗、轧辊消耗减低。,2020/8/16,25,低温轧制,好处： 轧制中温降小，甚至升温，可以低温轧制；可以降低能耗，提高产品质量，创造经济效益

8、。 两种规程： 降低开轧温度 降低开轧温度，同时降低终轧温度至再结晶温度以下。,2020/8/16,26,2020/8/16,27,低温轧制技术,冶金产品的成本，能源费用约占产品成本的30%。由连铸到精轧成成品过程中，总能耗的65%90%用于加热炉的燃耗，用于轧制的能耗仅占10%35%。 可以通过降低坯料的再加热温度来实现节能。低温轧制就是通过降低坯料的再加热温度，节省加热能耗，减少烧损来实现轧钢节能的。 低温轧制工艺可以确保产品具有更高的机械性能，更好的表面质量，更有利于冷加工，便于热处理。,2020/8/16,28,低温轧制,低温轧制是轧钢领域实现节能降耗的新工艺，国内外很多厂家已将此技术

9、应用到了棒线材的生产上，取得了明显的经济效益。 瑞典的Fagersta公司将低温轧制用于碳钢棒线材的生产，在750时轧制比在1150时轧制节省能量约22.38kJ/t，在850950低温轧制合金钢，可节省能量10.4515.49kJ/t，且无咬入及生产表面缺陷问题。 我国马钢、昆钢高线轧机和唐钢连续棒材轧机对部分产品也采用了低温轧制。,2020/8/16,29,低温轧制技术节能效果,瑞典公司用70mm中碳钢坯经14道轧成10.5mm方钢时, 750加热轧制比1150加热轧制节约能量约182 KWh/t。,表1 常规轧制与低温轧制的能耗 KWh/t,2020/8/16,30,低温轧制技术原理,低

10、温轧制，在轧出成品前最后几道次的形变发生在正火轧制工艺或热机精轧工艺对应的温度范围内。,低温精轧工艺的温度范围,研究表明，在棒线材的轧制中，2道次低温轧制的面缩率应控制在24%31%，4道次低温轧制的面缩率应控制在46%57%。在更多道次中采用大变形量的低温轧制，会导致晶粒尺寸的不均匀。,2020/8/16,31,低温轧制的优缺点,减少加热能耗； 减少氧化烧损； 提高轧钢加热炉的加热产量； 延长加热炉的寿命； 减少轧辊的热应力疲劳裂纹以及氧化皮引起的磨损； 降低脱碳层深度； 提高产品的表面质量； 细化晶粒； 改善产品性能。 缺点： 加大了轧材的变形抗力,从而加大了轧制力和轧制功率； 降低了轧制

11、时轧材的塑性,从而影响轧材的咬入。,2020/8/16,32,低温轧制的温度控制,常规轧制与低温轧制时各机架的温度变化,低温轧制不仅可降低加热温度，而且可将终轧温度降低至奥氏体再结晶温度以下，除节能外还可明显提高产品的性能。 低温轧制的最佳加热温度与轧材的品种、外形、产品性能、轧机及轧辊情况等因素有关。 一般其终轧温度控制在Ar3以上，以防止轧机过载、避免出现轧制裂纹等缺陷、保证产品的力学性能。,2020/8/16,33,低温轧制的温度控制,ESC轧机1080加热与普通轧机1150 加热轧制时轧件温度比较,普通轧机1150加热轧制和意大利达涅利公司ESC轧机1080加热轧制的各机架温度变化。

12、8架以后轧件的温度是升高的，且终轧温度与开轧温度基本无关，不同开轧温度轧件的终轧温度趋于一致。,2020/8/16,34,无头轧制,提高轧机产量和金属收得率： 提高转速、多线切分等技术； 增大轧件重量； 采用更大断面尺寸的坯料； 采用更长的坯料。 无头轧制优点： 减少切损； 100定尺； 生产率高； 对导卫和孔型无冲击，不缠辊； 尺寸精度高。,2020/8/16,35,棒线材生产新工艺和新技术,通过微合金化强化或工艺强化机理,提高棒线材强度或塑性,如碳纳米管技术、超细晶钢生产技术、超快冷工艺、线材在线盐浴处理工艺等； 通过流程简化和局部工艺优化,提高生产节奏,降低生产成本,如连铸连轧工艺、热装

13、热送工艺、无头轧制技术和超短流程工艺等。,2020/8/16,36,碳纳米管技术,纳米材料由纳米粒子组成,尺寸为1nm100nm。由于尺寸小、比表面大和量子尺寸效应等原因, 它具有不同于常规固体的新特性。 1991年, 碳纤维纳米管由日本饭岛教授通过高分辨率电镜发现, 为黑色粉末状, 由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物, 一般为多层, 直径为几纳米至几十纳米, 长度可达数微米甚至数毫米。 其尺寸只有头发丝的十万分之一, 但强度是钢的100倍，而且质量密度只有钢的七分之一。像金刚石那样硬, 却有柔韧性, 6000左右的熔点是已知材料中最高的。,2020/8/16,37,碳纳米管技术,如果

14、用碳纤维纳米管做绳索, 是唯一可以从月球挂到地球表面, 而不被自身重量所拉断的绳索。碳纤维纳米管成为纳米技术研究的热点。 纳米材料的制备: 物理法:真空冷凝法、物理粉碎法、机械球磨法； 化学法:化学沉淀法、化学还原法、溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热合成法、微乳液法、高温燃烧合成法、模板合成法、电解法。,2020/8/16,38,碳纳米管技术,在炼钢的出钢过程或精炼过程,加入压制后附有一定钝化层的碳纳米管。经充分搅拌后,碳纳米管均匀分布在钢基中,既起到弥散强化的作用,还可在轧制过程中阻止奥氏体晶粒长大,进而达到细晶强化的目的。 现取得良好的应用效果,添加微量碳纳米管后制成的线材强度平均提高3050

15、MPa。 影响碳纳米管广泛应用的最大制约因素在于其制造成本高,但随着其制造技术的提高,可预见添加纳米碳纤维管提高钢的强度在未来必定会普遍应用。,2020/8/16,39,超细晶钢生产技术,目前低碳钢,晶粒度一般为89级,即晶粒尺寸相当于1420m。若把普碳钢晶粒细化到小于5m,其强度就可以由200MPa提高到400MPa以上。对低合金钢晶粒细化至2m左右,强度可提高到800MPa以上。 超细晶核心技术：利用大变形量细化加热后的粗大奥氏体晶粒；防止大变形量后晶粒再长大, 轧制过程中通过快速穿水冷却, 防止轧制升温引起奥氏体晶粒的回复长大；控制冷却速度和终轧温度, 以得到优良的组织和性能。,202

16、0/8/16,40,网状组织：主要是在晶界上，沿晶界分布，由于这种碳化物的存在，大大降低了晶格之间的延续性，降低了产品的性能，使产品耐冲击韧性下降脆性增加，容易使工件在使用中疲劳失效。 控制网状碳化物析出常规的一种作法是:采用低温控轧控冷工艺。 在生产中采用的方法是低温轧制 实际效果并不好： 1）轧制不方便， 2）质量不稳定,控制网状碳化物析出,2020/8/16,41,控制网碳析出的超快冷工艺,轧后超快冷,可快速通过网状碳化物或网状铁素体析出温度区间(700900),有效减少二次碳化物在奥氏体晶界呈网状析出，避免生成网状组织,显著提高冷拔深加工性能。 例如轴承钢GCr15网状碳化物大量析出时

17、的温度范围为700850,轧后实行超快冷却,可以使材料迅速通过网状碳化物析出温度区间,尽量减少在此区间的停留时间,从而避免碳化物呈网状析出,只得到分散细小的碳化物。 轧后快速冷却,过冷度增大,还有减小珠光体球团直径和细化珠光体片层间距作用。,950终轧后水冷到715 ,950终轧后空冷,轴承钢控制网状碳化物析出,2020/8/16,43,超快冷工艺,采用普通碳锰钢,通过控冷可轧出F+P、B+M、B、M+F、M等不同组织和性能的复相材料,材料的屈服强度可以在463933MPa变化,抗拉强度可以在5701136MPa变化,总伸长率可以在7%22%变化,屈强比可以在0.5710.927变化。 利用超

18、快速冷却技术,进行TMCP和冷却路径控制,可明显提高线材强度,提高钢材产品利用率，有十分广阔的应用前景。 利用了线材轧机连续大变形的特点,通过轧后的快速冷却过程抑制线材的再结晶,最后通过相变过程的控制实现线材的细晶化。,2020/8/16,44,盐浴控冷工艺,线材的在线熔融盐浴直接韧化处理(简称DLP)是新日铁最先开发的工艺,应用品种主要是桥梁缆索用线材、高级弹簧钢线材、特殊用途钢丝绳用线材等高档线材。 盘条在进入盐浴前的保温温度是800850,盐浴温度是500600,盐浴中的浸渍时间约为60s。 盐浴的成分为NaNO3和KNO3,采用电加热方式熔融混合盐,通过模拟铅浴淬火等温转变过程使线材索

19、氏体比例最大化(一般可达95%98%,而斯太尔摩控冷后一般80%90%)。 在性能波动性方面,DLP盘条也与铅淬火盘条接近而明显优于斯太尔摩控冷盘条。,2020/8/16,45,不同处理工艺的冷却过程,DPStelmor冷却 DLP熔盐处理 LP铅浴处理,2020/8/16,46,调整冷却案例DLP盐浴处理,将盐加热、融化（约550），线材在其中通过，控制强度，如果在线材生产中使用，用户可以省略一个工序。减量化的生产方法。 将高温奥氏体在导热性良好的恒温金属液体中进行快速冷却，得到铁素体渗碳体片层间距细小、均匀的珠光体组织。片层间隔越小，强度越高。如果冷却不当，片层间距不均匀，则线材加工性降低

20、，强度也降低。,2020/8/16,47,盐浴后钢丝的组织,铁素体、渗碳体的晶体方向随机、不规则,2020/8/16,48,珠光体的片层间距,线材强度是由珠光体片层间距决定的。为了提高线材的强度，需要均匀、微细的片层间距,2020/8/16,49,短流程和超短流程工艺,条材短流程工艺与薄板坯连铸连轧工艺大致类似,并在连铸的凝固末端增加轻压下或重压下设备,通过向后挤压易偏析元素经常聚集的液芯,并切除每浇次的尾坯,明显改善方坯中心偏析及中心疏松。连铸连轧短流程工艺生产成本低于传统工艺,效益优势明显,且生产的线材质量更稳定。 条材超短流程工艺采用液芯轧制核心技术,在铸坯还有液芯的状态下就进行近终形轧

21、制,再通过精轧、控冷生产条材产品,工艺流程极大简化,生产节奏成倍提高。国外已利用该工艺直接生产紧固件等终端产品。,2020/8/16,50,第四节 棒线材轧机的布置型式,棒线材轧机的发展过程 横列式轧机,2020/8/16,51,第四节 棒线材轧机的布置型式,半连续式轧机,复二重式线材轧机,2020/8/16,52,第四节 棒线材轧机的布置型式,传统连续式轧机,2020/8/16,53,传统连续式轧机,45无扭转式精轧机组的连续式线材轧机示例图,2020/8/16,54,第四节 棒线材轧机的布置型式,Y型三辊式线材精轧机组,2020/8/16,55,第四节 棒线材轧机的布置型式,现代化棒线材轧

22、机 现代化棒材轧机 型、棒材一体化节能轧机 现代化线材轧机：摩根型轧机（2/3)、德马克型、阿希洛型轧机、Y型轧机以及泊米尼型等。此外，还有克虏伯型、摩格斯哈玛型、达涅利型和台尔曼型等机组。,2020/8/16,56,现代化线材轧机摩根轧机发展,2020/8/16,57,第五节 棒线材的控制冷却和余热淬火,螺纹钢筋轧后余热淬火处理 在钢筋(棒材)终轧后的组织仍处于奥氏体状态时，利用其本身的余热在轧钢作业线上直接进行热处理，将热轧变形与热处理有机结合在一起，通过对工艺参数的控制，有效地挖掘出钢材性能的潜力，获得热强化的效果。,2020/8/16,58,第五节 棒线材的控制冷却和余热淬火,基本原理

23、 在钢筋(棒材)终轧后的组织仍处于奥氏体状态时，利用其本身的余热在轧钢作业线上直接进行热处理，首先进入高效冷却装置快冷使表面生成一定量的马氏体（33），然后利用心部余热和相变潜热使轧材表面形成的马氏体进行自回火，将热轧变形与热处理有机结合在一起，通过对工艺参数的控制，有效地挖掘出钢材性能的潜力，获得热强化的效果。,2020/8/16,59,第五节 棒线材的控制冷却和余热淬火,可以在轧制作业线上，通过控制冷却工艺，强化钢筋，代替重新加热进行淬火、回火的调质钢筋。 选用碳素钢和低合金钢，采用轧后控制冷却工艺，可生产不同强度等级的钢。 设备简单，不用改动轧制设备，只需在精轧机后安装一套水冷设备。 在

24、奥氏体未再结晶区终轧后快冷的余热强化钢筋在使用性能上存在一个缺点，即应力腐蚀开裂倾向较大。,2020/8/16,60,第五节 棒线材的控制冷却和余热淬火,余热淬火的工艺过程 钢筋的余热淬火工艺是首先在表面生成一定量的马氏体(要求不大于总面积的33%，一般控制在10-20%之间)，然后利用芯部余热和相变热使轧材表面形成的马氏体进行自回火。 根据冷却的速度和断面组织的转变过程，可以分为三个阶段：,2020/8/16,61,余热淬火的工艺过程,第一阶段为表面淬火阶段（急冷段），钢筋离开精轧机在终轧温度下，尽快地进入高效冷却装置，进行快速冷却。芯部温度很高，仍处于奥氏体状态。表层则为马氏体和残余奥氏体

25、组织。 第二阶段为空冷自回火阶段，钢筋通过快速冷却装置后，在空气中冷却。此时钢筋截面上的温度梯度很大，芯部热量向外层扩散，传至表面的淬火层，使已形成的马氏体进行自回火，可以转变为回火马氏体或回火索氏体，表层的残余奥氏体转变为马氏体，同时邻近表层的奥氏体根据钢的成分和冷却条件不同而转变为贝氏体、屈氏体或索氏体组织，而芯部仍处在奥氏体状态。 第三阶段为芯部组织转变阶段，芯部奥氏体发生近似等温转变，转变产物根据冷却条件可分为铁素体和珠光体或铁素体、索氏体和贝氏体。,2020/8/16,62,线材控制冷却,线材控制冷却的优点： 提高了线材的综合机械性能，并大大改善了其在长度方向上的均匀性； 改善了金相

26、组织，使晶粒细化； 减少氧化损失，缩短酸洗时间； 降低线材轧后温度，改善劳动条件； 提高了产品质量，有利于线材二次加工。,2020/8/16,63,线材控制冷却,两个类型 珠光体型控制冷却 在冷却过程中使钢材获得索氏体组织。 马氏体型控制冷却 通过轧后淬火回火处理，得到中心索氏体，表面是回火马氏体的组织。,2020/8/16,64,珠光体型控制冷却原理,为了获得有利于拉拔的索氏体组织，线材轧后应由奥氏体化温度急冷至索氏体相变温度下进行等温转变，其组织可得到索氏体组织。,2020/8/16,65,a-理论路径 b-铅浴淬火 c-控制冷却 d-未经控制冷却,2020/8/16,66,马氏体型控制冷

27、却原理,线材轧后以很短的时间进行强烈冷却，使线材表面温度急剧降至马氏体开始转变温度以下，使钢的表面层产生马氏体； 在线材出冷却段以后，利用中心部分残留的热量以及由相变释放出来的热量使线材表面层的温度上升，达到一个平衡温度，使表面马氏体回火。 最终得到中心为索氏体，表面为回火马氏体的组织。,2020/8/16,67,穿水冷却线材断面温度的变化简图,2020/8/16,68,线材控制冷却工艺,线材冷却过程分三个阶段： 1）奥氏体急速过冷阶段（一次冷却）：采用轧后快速冷却，为相变做准备，减少氧化铁皮。冷却到相变前温度，为吐丝温度； 2）等温处理过程（二次冷却）：相变过程，主要控制冷却速度，散卷冷却。

28、 3）迅速冷却阶段（三次冷却）：相变结束后，空冷至室温。 线材出成品轧机通过水冷套管快速冷却至接近相变温度，然后吐丝机把线材吐丝成环状，以散卷形式陆续落在连续移动的链式运输机上，按照要求的冷速进行均匀风冷，最后一较快的速度进行集卷。,2020/8/16,69,斯太尔摩法,线材出成品轧机通过水冷套管快速冷却至接近相变温度，然后经导向装置引入线圈形成器（吐丝机），线材在成圈的同时陆续落在连续移动的链式运输机上，使每圈相隔一定距离而成散圈。 视钢种不同，在运输过程中可用鼓风机强制冷却，或自然空冷，或加罩缓冷，以控制线材组织性能。为了上述目的，运输机速度可调。当线圈冷却至相变完成温度（约5504500

29、）后，通过集卷器收集并打捆。,2020/8/16,70,斯太尔摩法,热轧后的线材经过两种不同的冷却介质进行冷却：水冷和风冷。重点是在风冷阶段实现对冷却的控制。,1-水冷套管，2-吐丝机，3-运输机，4-鼓风机，5-集卷器，6-盘条,2020/8/16,71,斯太尔摩法,标准型斯太尔摩冷却法：冷却速度410/s，适合于高碳钢 缓慢型斯太尔摩冷却法：在运输带上加上保温罩，0.2510/s，适合于低碳及低合金钢； 延迟型斯太尔摩冷却法：以上二者结合形式，冷却速率：110/s,2020/8/16,72,施劳曼法,在斯太尔摩法基础上改进而来，有两大变动： 改进了水冷装置，强化了水冷能力，使轧件一次水冷即接近相变温度； 采用水平锥管式成圈器，成圈后的线圈可直立着进行水平移动，通过空气对流冷却，使盘圈冷却更加均匀且易于散热。而不用强制鼓风，冷却速度为290/s。,2020/8/16,73,施劳曼冷却线的5种形式,1-普碳钢