高碳钢线材轧制工艺的研究

罗德信  覃之光  练瑞民

（武汉钢铁集团公司）

   摘要：采用热加工模拟技术研究了高碳钢（C=0.82%）在热加工过程的金属学现象和变化规律，建立了钢的连续冷却转变曲线（CCT）。并着重研究了高碳钢轧制过程中终轧温度、吐丝温度和冷却速度对钢的综合性能的影响，旨在建立合适的热轧工艺。

   关键词：物理模拟  控制冷却  高速线材  高碳钢

1、前言

随着我国国民经济的迅速发展，基础建设的投入不断扩大，对高强度低松弛预应力钢丝产量需求不断增加，开发其高碳钢线材具有良好的发展前景。由于预应力钢丝广泛用于基础建设中的重要部位，因此对钢的综合性能有较高的要求。当前国内主要生产厂家采用二火成材的工艺生产热轧盘条，生产周期长，成本高。近几年来，随着技术装备的完善和生产水平的提高，采用一火成材的技术得到了广泛的应用。本文结合武钢的生产背影，开展了采用连铸工艺生产预应力钢盘条的研制工作，该项工作在对连铸技术进行了专项研究和攻关的基础上，开展了高碳钢控轧控冷技术的研究，摸索高碳钢在热加工过程的规律和特点，制定较为合适的工艺制度，满足用户不断对产品性能的要求。

本研究以钢在热加工过程的物理变化特征为基础，找出影响线材性能的主要因素和变化规律。

2、实验内容

2.1 钢的化学成份

实验钢经过转炉冶炼后，然后进行炉后精炼，使钢的内在质量得到改善和提高，将钢中的化学成份控制在目标范围内，达到技术要求。钢中成份如表1所示。

表1  钢的化学成份(wt%)

2.2 实验方法

试样经过加热、轧制变形，累计总压下量达到了95%，在此基础上，根据实验内容及目的加工成原始试样。常规试样尺寸为φ8*12mm。实验室工作是在“THERMECMASTOR-Z”热加工模拟实验机上进行，先将热电偶直接焊在试样上，用于测量和控制模拟过程中试样的温度。然后把试样置于封闭的真空室内，抽成真空态，防止表面出现氧化对测量膨胀精度的影响。实验工艺的制定以生产实际情况为蓝本，将现场的生产工艺在实验室再现，模拟热加工过程中加热和冷却变形物理过程。

2.3 冷却速度对钢的转变组织影响的研究

控制轧制和控制冷却的主要目的是通过细化钢中的晶粒尺寸，来达到提高钢的强度、韧性和抗脆性断裂的综合能力，细化晶粒的重要途径之一是通过控制钢在冷却过程中的相变过程，获得所需要的组织，满足最终用户对产品质量的要求。因此研究钢在连续冷却过程中的过冷奥氏体转变曲线（CCT）是优化和制定工艺参数的基础，通过从实测的钢的CCT曲线中可以得到在不同冷却条件下的性能、组织以及组织变化规律。研究冷却速度对显微组织的影响，进而研究组织与性能之间的关系，为生产的过程控制及产品的性能控制提供理论基础。实验工艺设定如下：

加热温度为950℃，进行奥氏体化处理，然后模拟现场条件，分别以0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、50℃/s冷却速度控制冷却至室温。在冷却过程中采用氦氖激光器测量钢在冷却中的连续转变过程，从而得到在不同条件下的冷却速度与钢的膨胀曲线，通过数据处理、金相观察和技术分析，得到了高碳钢(0.82)的连续转变曲线（CCT）。

2.4 终轧温度对钢的机械性能的影响

高速线材生产的主要工艺特点之一是大盘重、高速度，如今高速线材的轧制速度超过140m/s，在轧制过中轧件在多机架连续变形，使轧件温度升高，因此在轧制线上设有水箱，通过在轧制中进行大幅度降温以及降低开轧温度等项措施，控制终轧温度。这些手段为控制钢的金相组织提供了非常有利的条件。

由于高线生产过程近似恒温过程，轧制过程中温度的变化幅度不大，对最终产品性能影响较为重要的因素有精轧出口温度，本项研究工作系统进行了终轧温度对性能的影响及变化规律。

实验程序设定如下：终轧温度：890℃，920℃，950℃。

试样以10℃/s的升温速率加热至奥氏体化，保温5分钟，然后以2.5℃/s的降温速度控制冷却。试样经过热循环处理后，进行力学性能的检测，得到承各个温度下的力学性能参数。

2.5 吐丝温度对钢性能的影响

轧后冷却过程中，吐丝温度是影响材料相变开始的主要参数，在高碳钢的冷却过程中，首先希望尽量减少铁素体的析出而得到单一的片层间距合适的珠光体组织，因此在相变前的冷却时加大冷速量来抑制先共析铁素体的析出，然后控制相变。因此，吐丝温度的控制对线材性能的影响是非常重要的。

为了研究吐丝温度的变化，实验设定了810℃、830℃、850℃三种模拟温度。试样经过在奥氏体化950℃/s、920℃/s、890℃/s的预处理，然后分别以30℃/s的冷速冷至不同的温度，然后模拟斯泰尔摩的工艺过程，以2℃/s的冷速控制至室温。然后测量在不同工艺下钢的力学性能，得到了吐丝温度的变化对钢的性能影响。

2.6 冷却温度对高碳钢性能的影响

在线材生产过程中，轧后冷却控制程度直接影响到最终产品的性能，因此线材控冷应根据钢的化学成分及用途严格控制轧件冷却过程中各阶段的冷却速度和相变温度。线材轧后冷却的目的主要是得到优良的组织与性能，使成品性能均匀，同时减少二次氧化铁皮的生成量。在生产中，为了得到所需要的性能，根据不同的钢种控制冷却过程。一般来说，线材轧后控冷可分为三个阶段，第一阶段的目的是为相变开始作晶粒尺寸准备及减少二次氧化铁皮生成量，一般采用快速冷却，冷却至相变前温度，使钢中晶粒尽量细小。生产中此温度通常称为吐丝温度。第二阶段为相变过程，在此期间应控制冷却速度，按照最终产品的要求来控制钢中的组织转变。第三阶段为相变结束，由于转变产物已定，组织转变过程已经结束，冷速对材料性能没有影响，一般采用空冷工艺。

因此研究冷却工艺对钢的力学性能的影响是非常重要的工作，根据前面对高碳钢（C=0.82）连续转变过程的研究基础上，制定了如下实验工艺。钢经奥氏体化处理（950℃*5min）后，分别按1℃/s、2℃/s、5℃/s、10℃/s、20℃/s的冷却速度率控制冷却，试样经过热处理以后，进行物理性能检验，得到了冷却速度对钢的力学性能影响趋势。

实验结果显示，该钢对冷却速度的影响很敏感，在冷却速度为5℃/s时，抗拉强度达到最高值，随着冷却速度的增加，强度逐步降低。这种变化原因如前所述，取决钢中的组织含量及尺寸大小。由于该钢为过共析钢，转变后的组织主要为索氏体，因此影响钢的力学性能取决于珠光体的片层间距以及索氏体含量，要达到合适的组织和强度，需要冷却时有充分的时间使奥氏体完成转变过程。因此，为了获得理想的组织，在生产中应当控制相变过程，使得高碳钢在相变区间停留时间合适，以利于索氏体的转变充分。

3、总结

3.1 在实验室采用热加工模拟试验机研究了高碳钢（C=0.82）在热加工时的冷却过程，得到了冷却速度对钢的组织和性能的影响及其变化规律，建立了钢的连续冷却转变曲线，为研究材料的热加工工艺立了基础。

3.2 通过对热加工过程中终轧温度、吐丝温度、冷却速度的研究，得到了热加工工艺的变化对钢的性能影响及其趋势，为控制和制定合适的工艺及其工艺优化提供了依据。

作者简介：

罗德信，1953年3月生，武钢集团技术中心，高级工程师。

覃之光，1964年2月生，武钢集团技术中心，高级工程师。

练瑞民，1976年8月生，武钢集团技术中心，工程师。