1 前言
　　在線材生產(chǎn)行業(yè)中，通常把優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中碳的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不小于0.45%的中高碳鋼軋制的線材稱為硬線。硬線是加工低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線、輪胎鋼絲、彈簧等的原料。目前國產(chǎn)硬線普遍存在索氏體化率不高,塑性差、強度偏高、表面存在缺陷等問題，嚴(yán)重影響了一次拉拔性能。因此,研究實際生產(chǎn)中如何制定合理的控冷工藝,有效控制硬線產(chǎn)品的質(zhì)量和性能,有著積極的意義。
　　2 加熱條件對性能的影響
　　在同樣的軋后控冷條件下,鋼坯的加熱溫度、加熱時間直接影響硬線的組織和性能,而且這種影響是明顯的。從軋線測溫情況則反映出,不同出爐溫度的鋼坯隨著軋制道次的增加,軋件溫度趨于一致,無論精軋入口溫度,還是吐絲溫度都基本一致。這說明加熱溫度對硬線組織性能的影響不是由于其對終軋溫度的影響帶來的,而是由于不同的加熱條件引起了軋后線材冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變機理的變化。首先,加熱溫度高或加熱時間長都使鋼坯開軋前起始奧氏體晶粒粗大化,起始晶粒度大必然導(dǎo)致軋制后高溫線材再結(jié)晶晶粒較大。其次,高溫開軋與低溫開軋相比軋后線材組織中的形變位錯數(shù)量相對減少。在終軋溫度和軋后控冷制度相同的情況下,奧氏體相對粗化和形變位錯數(shù)目的減少會導(dǎo)致冷卻過程中各種組織的轉(zhuǎn)變溫度下降,孕育期延長,表現(xiàn)在連續(xù)冷卻C曲線整體向右、向下移的同時,鐵素體開始形成曲線下移尤為突出,使得在同樣的冷卻速度下,鐵索體析出的可能性大大提高。而鐵素體轉(zhuǎn)變優(yōu)先在奧氏體晶界形核,由于相變前奧氏體晶粒粗大,晶界面積相對減少,因此使優(yōu)先析出的鐵素體更容易連成網(wǎng)狀。另外,鋼坯的加熱溫度高、加熱時間長,引起鋼皮脫碳加劇,線材表面一定深度處的碳濃度相對降低,也可能導(dǎo)致鐵素體析出量增大。
　　3 軋后冷卻控制
　　在軋鋼生產(chǎn)中(熱軋),其生產(chǎn)出來的產(chǎn)品都必須從熱軋后的高溫紅熱狀態(tài)冷卻到常溫狀態(tài)。這一階段的冷卻過程將對產(chǎn)品的質(zhì)量有極其重要的影響。因此,如何進(jìn)行線材的軋后冷卻,是整個線材生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
　　控冷是利用軋后鋼材的余熱給予一定的冷卻速度,控制其相變過程,不用熱處理，對高碳鋼線材進(jìn)行控制冷卻的目的就是要模擬一個鉛浴淬火過程,使線材得到具有良好綜合機械性能(良好的拉拔性能、高強度和高韌性)的索氏體組織。線材的軋后控制冷卻分為水冷段的強制冷卻和空冷段的相變冷卻兩個階段。控制冷卻工藝由水冷區(qū)和空冷區(qū)構(gòu)成,線材經(jīng)水冷卻至一定的溫度后,進(jìn)行吐絲,使直條線材形成散圈狀分布在風(fēng)冷線上,進(jìn)行風(fēng)冷。
　　4 控制冷卻工藝參數(shù)的設(shè)計
　　線材的控制冷卻主要是以改變金相組織,進(jìn)而改善拉拔性能等為目的的一種熱處理工藝,所以控冷工藝參數(shù)設(shè)計的理論依據(jù)是“C”曲線。控制冷卻工藝中需要控制的參數(shù)主要是終軋溫度、吐絲溫度、相變區(qū)冷卻速度(或冷卻時間)以及集卷溫度等,這些參數(shù)是決定線材產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵。
　　4.1 終軋溫度控制
　　由于奧氏體晶粒度影響相變過程中的組織轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形貌,因此通過控制終軋溫度來控制奧氏體晶粒有一定的意義。終軋溫度的控制可通過增加或減少精軋機機架間水冷量和精軋機前水箱水量來實現(xiàn)。在終軋溫度確定后,大直徑高碳鋼線材必須考慮噴嘴的冷卻方式,水箱的選用應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離吐絲機,這樣可使水冷后的線材有較長的均溫時間,使線材進(jìn)入風(fēng)冷段時,整個截面上溫度基本均勻,避免在風(fēng)冷過程中還未完成均溫,延長完成相變的時間,增加控冷難度,甚至產(chǎn)生異常組織。
　　4.2 吐絲溫度控制
　　吐絲溫度是控制相變開始溫度的關(guān)鍵參數(shù)。冷卻段數(shù)的多少影響著吐絲溫度的高低,而吐絲溫度的高低,影響奧氏體的晶粒尺寸,間接地影響到冷卻轉(zhuǎn)變曲線的位置。從理論上講，選擇較高的吐絲溫度，吐絲后線材仍處于奧氏體組織狀態(tài)，碳元素和其它伴隨元素依然固溶在奧氏體中。奧氏體晶粒拉長，奧氏體在風(fēng)冷線上的過冷度增大，致使連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線向右下方移動。較粗大的奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變成珠光體的相變在更低的溫度下進(jìn)行，轉(zhuǎn)變后的珠光體片層間減小，索氏體化率升高。選擇較低的吐絲溫度，線材的奧氏體晶粒很細(xì)，晶界面積增大，珠光體成核點多，珠光體球變小，使得線材的塑性指標(biāo)變好。同時較低的吐絲溫度配合快速的風(fēng)冷，可以抑制鐵素體析出，減少鐵素體的含量，改善鐵素體的形態(tài)。根據(jù)C曲線圖，對于硬線若要得到較高的索氏體化率必須使冷卻速率達(dá)到10~15℃/s。
　　為確定合話的吐絲溫度，做了大量試驗，吐絲溫度從820℃到930℃，鋼種為60#鋼，風(fēng)冷選擇最大。試驗結(jié)果表明:
　　(1)索氏體化率同吐絲溫度關(guān)系不大，而與吐絲后的風(fēng)冷冷卻速率有關(guān)。由于采取了最大的風(fēng)冷，索氏體化率較高，接近75%。
　　(2)隨著吐絲溫度的升高，強度指標(biāo)上升;吐絲溫度下降，塑性指標(biāo)上升
　　(3)根據(jù)以上試驗結(jié)果，生產(chǎn)硬線時我們選擇了850℃-850℃的吐絲溫度，風(fēng)冷風(fēng)機全部開啟至最大，輥道速度設(shè)定在1.0m/s。以期獲得較好的塑性指標(biāo)、索式體化率和表面質(zhì)量。隨后我們隨機對10個爐號的60#鋼進(jìn)行了跟蹤試驗，結(jié)果見表1。
　　4.3 相變區(qū)冷卻速度的控制
　　為了使高碳線材獲得接近鉛淬處理的性能,斯太爾摩應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)型冷卻。冷卻速度的控制主要是控制冷卻風(fēng)機和輥道速度。
　　4.3.1 風(fēng)冷輥道速度的確定
　　斯太爾摩輥道速度由下式可以確定:
　　C=W·V/(π·d)式中　C———輥道速度,m/s；W———線環(huán)間距,mm；d———線環(huán)直徑,mm；
　　V一軋制速度,m/s。
　　輥道速度決定于線環(huán)間距、線環(huán)直徑及軋制速度。在終軋速度給定的情況下,線環(huán)直徑也隨之確定,這時輥道速度取決于線環(huán)間距。線環(huán)間距的選擇與線材直徑有關(guān)。直徑大,要求線環(huán)間距大,一般不同的直徑均對應(yīng)著一個最佳的線環(huán)間距,小于該間距,會影響冷卻效果,大于該間距,隨著間距值的繼續(xù)增大(要考慮風(fēng)冷段的長度因素),略提高線材與流動空氣的相對速度對線材強度影響很小。在快速冷卻時,輥道速度應(yīng)能使相鄰線環(huán)間距大于40mm,以保證獲得細(xì)珠光體所需的冷卻速度[4]。實踐證明,在間距是40mm時,相鄰線環(huán)熱量互相影響很小,冷卻速度主要由風(fēng)量控制。40mm的間距值是標(biāo)準(zhǔn)型冷卻工藝參數(shù)—輥道速度的控制界限值。此外,運輸機各段速度應(yīng)逐漸增加,使線環(huán)邊緣搭結(jié)點錯開,消除熱點影響,提高同圈強度的均勻性。防止在較低冷卻速度下高碳鋼線材中產(chǎn)生先共析Fe3C,不利于拉拔。
　　4.3.2 冷卻風(fēng)機的選用
　　冷卻風(fēng)機的選用包括兩個方面,即風(fēng)機風(fēng)量和風(fēng)機臺數(shù)的確定。
　?、?冷卻風(fēng)量的分配
　　對大直徑高碳鋼,為了增加冷卻速度,增加相變前奧氏體的過冷度,風(fēng)機必須開滿風(fēng)。當(dāng)線材由吐絲機吐出散布在斯太爾摩運輸機上時,呈中間疏、兩邊密的狀態(tài),導(dǎo)致中部與邊緣的冷卻速度不同。雖然運輸機上風(fēng)嘴分布使兩側(cè)冷卻能力加強,但為了使同圈性能離散達(dá)到最小,還須借助風(fēng)量調(diào)整裝置進(jìn)行風(fēng)量優(yōu)化分配。
　　⑵ 風(fēng)機臺數(shù)的確定
　　風(fēng)機的啟用臺數(shù)應(yīng)考慮吐絲溫度和輥道速度的影響。一般來說,吐絲溫度升高,奧氏體過冷度增大,完成相變時間長,為了確保相變在風(fēng)冷段中進(jìn)行,必須增加風(fēng)機使用臺數(shù)。同樣,風(fēng)機臺數(shù)的確定也與輥道速度的快慢有關(guān),在終軋速度一定時,輥道速度快,要求使用風(fēng)機的臺數(shù)相對增多。大直徑高碳鋼線材由于熱焓量高,在同樣的終軋速度下,為了提高冷卻速度,必須加快輥道速度,以消除線環(huán)熱點間的干擾,因此,啟用風(fēng)機的臺數(shù)也相應(yīng)要多[5]。針對不同規(guī)格,對應(yīng)不同的軋制速度、吐絲溫度,應(yīng)確定關(guān)鍵的幾臺風(fēng)機,即發(fā)生相變時所用的幾臺風(fēng)機。
　　4.4 集卷溫度的控制
　　集卷溫度取決于相變結(jié)束后的冷卻過程。為了保證產(chǎn)品性能和避免集卷后的高溫氧化以及改善勞動環(huán)境,一般說來要求在250℃以下集卷。有時由于受冷卻條件的限制,集卷溫度可能要高一些,但最高也不應(yīng)高于350℃。
　　5 生產(chǎn)狀況
　　北鋼第四高速線材生產(chǎn)線自軋制品種鋼以來,已軋制了45#,  55#，60#，65#等硬線品種鋼。盤條尺寸公差均控制在C級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),主要產(chǎn)品45#(Φ6.5mm)抗拉強度為820-900MPa;面縮率在40%以上，索氏體化率達(dá)70%以上,;而且沒有網(wǎng)狀鐵素體組織;隨機10爐對45#、Φ6.5mm的性能進(jìn)行檢測, 檢測表明，強度偏差絕大部分在±50MPa范圍內(nèi),面縮率偏差在6%范圍內(nèi),見表2。
　　6 結(jié)論
　　北鋼第四高速線材生產(chǎn)線通過以上控制冷卻工藝的控制后，生產(chǎn)出來的硬線產(chǎn)品表面質(zhì)量及通條性均達(dá)到較高水平，且索氏體率高。但同時,還必須不斷優(yōu)化冷卻工藝參數(shù),生產(chǎn)出滿足不同用戶要求的優(yōu)質(zhì)線材。