高速线材生产工艺技术

钢铁公司轧钢厂培训部2008年1月高速线材生产工艺技术【轧钢厂培训资料】主讲：***一、线材生产发展历程概述线材一般是指直径为5～16mm的热轧圆钢或相当该断面的异型钢，因以盘卷状态交货，统称为线材或盘条。国外线材规格已扩大到Φ50mm。常见线材多为圆断面，异型断面线材有椭圆形、方形及螺纹形等，但生产数量很少。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％。一般将轧制速度大于40m/s的线材轧机称为高速线材轧机。高速线材轧机的生产工艺特点：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）。高速线材产品特点：盘重大、精度高、性能优。线材在国民经济中的作用与地位较重要，是不可或缺的重要品种。首先，线材产量占钢材总产量的比例很大，一般线材产量占钢材总产量的8～10%，而我国占20％以上；其次，线材用途遍布国民经济各个部门，除直接用作建筑钢材外，线材的深加工产品用途更为广泛和重要，例如各类商品钢丝及专用弹簧钢丝、焊丝、冷激钢丝、镀锌钢丝、通讯线、轮胎钢丝及钢帘线、高强度钢丝及钢绞线、轴承钢丝、工具钢丝、不锈钢丝、各种钢丝绳、钢钉、标准件等等。发达国家线材加工比在70％左右，我国为30％左右。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。据不完全统计，目前世界上有近300条高速线材轧机，其中高速无扭线材轧机约260套（摩根式占170套），年产线材约7000万吨。其中高线产量约占80％以上，线材产量占钢材总产量9～10％。各国的输出量与输人量平均在20％左右。美国是世界上最大的线材输人国，每年线材消费量约800万吨，而本国每年只生产400～450万吨，输人量占40～50%；日本是世界上线材输出量最大国，每年线材产量约750万吨，输出量约200万吨；世界上线材产量最大的国家是中国，2004年线材实际产量为4940万吨（其中1/3以上的线材，是复二重轧机生产的）国内外线材生产现状目前我国拥有线材轧机近110套，其中复二重轧机占一半，横列式线材轧机有近30套（将逐步被淘汰）；其余40多套属于高速线材轧机，其中从国外引进的高水平线材轧机有20多套，国产高速线材轧机有近20套。2004年，全国线材生产中，高线比已经超过55%；但优质硬线比约10%，精炼比不到30％。（l）1986年前，无高速线材轧机，高线比为零；线材自给率为60％。国内线材缺口很大，每年进口线材200～300万吨。国产线材质量较差，盘重小、化学成分不稳定、表面质量差、尺寸公差大、性能也较差等。（2）1988～1992年，国产线材有很大改观，高线比近30%，线材自给率达100%，进口逐年减少，出口逐年增加，历史性变化的1991年，线材出口大于进口。（3）1993～1994年，国产线材大幅增长，但满足不了国民经济迅猛增长的需求，造成线材大量进口，线材自给率降到历史最低点57％。（4）1995～1999年，国产线材年净增长200万吨以上，高速线材产量逐年大幅度提高，到1999年高线比达46.7%，这又是一个可喜变化。我国虽然是线材生产大国，但还不能说是线材生产强国。目前我国还有部分线材品种仍然依靠进口维持生产、如钢帘线、高应力弹簧钢、不锈钢、冷镦钢等线材。在重要用途线材实物质量方面，与发达国家仍有较大差距。品种质量差距差距主要表现在以下方面：（l）化学成分。国外线材波动小且稳定，[C]%一般波动在3个范围；国内在6～8个范围，头尾偏析更严重。（2）表面质量主要表现在脱碳层深度方面，国产一般为0.023～0.14mm，最深为0.23～0.35mm；国外一般0.02～0.05mm。(3）金相组织。进口线材实测奥氏体晶粒度为5～6级，很均匀，索氏体一般85％以上。国产线材奥氏晶粒度2～7级，很不均匀，索氏体一般达不到85%，(4）非金属夹杂。国产线材夹杂多且颗粒很大，尤其是A12O3颗粒最长达133μm，一般为≥50μm，进口国外线材最大≥30μm，一般8μm左右。(5）钢中气体含量也普遍比国外线材高，〔H〕、〔O〕、（N〕一般比国外线材高1～2倍甚至更高。理化性能差距其它差距主要表现为线材在钢材中的比例、控冷线材比、硬线比、合金线材比、制品用线材比、线材直径、大规格盘条、盘重、减面率、氧化铁皮量、散捆率、尺寸偏差、不圆度、通条屈服应力差、含碳量、含磷量、含硫量等方面。二、高速线材轧机的发展高速线材轧机与其他先进技术一样也是时代的产物，是冶金技术、电传电控技术、机械制造技术的综合产物。据记载，世界上第一台线材轧机问世于17世纪，当时是用锻坯轧制线材。18世纪中期出现了比较正规的线材轧机，由粗轧及精轧两列横列式轧机组成，其轧速不超过8m/s。20世纪初，开发了半连续式轧机。粗轧及中轧采用连轧，精轧机组仍采用横列式轧机（复二重轧机是半连续式轧机的一个特例）。轧制速度提高到16m/s，盘重增加到100kg左右，尺寸精度较横列式为好，但品种及质量未有根本好转。高线轧机的诞生20世纪60年代是线材生产技术发展的兴盛与创新时期，最高轧制速度达到了35m/s，盘重达到了550kg，精度达到了±0.25mm。在轧制速度不断提高的同时也解决了大盘重线材的控制冷却问题，因此从根本上解决了盘重增大后，内层的线材长时间在高温下停留生成粗大的晶粒，使内外圈线材的力学性能差别很大、表面氧化铁皮厚等问题。高线轧机的发展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。摩根公司80年代中期研制的高精度轧机是高速线材轧机的又一突破。该高精度轧机是在精轧机后面的水冷段之间或夹送辊之前再增加一对或两对轧机。轧机型式如同现在的精轧机，是顶交45º。原精轧机将轧制断面放大，高精度轧机再精轧减径，每两道次减径lmm左右。既可提高轧制速度又可提高轧件精度。高精度轧机生产的成品尺寸精度皆可达到±0.15mm。由于高精度轧机置于水冷区之后，轧制温度低（在奥氏体、铁素体两相区），可以收到形变热处理的效果，能改善线材的力学性能。高速线材轧机一出现就显示出极大的优越性，继美国之后，其他一些国家和公司也纷纷创新高速线材轧机，出现了各种机型，目前基本上有四种：1）侧交45º的美国摩根型；2）15º/75º的德国德马克（Demak）型；3）顶交45º的英国阿希洛（Ashlow）型；4)0º/90º平－立布置的达涅利（Danili）型。各种机型各有优点，但基本工艺特点差异不大，其中摩根机型应用最广泛。现代高线轧机技术新进展(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。三、高线轧机生产工艺高速无扭精轧工艺是现代线材生产的核心技术之一，它是针对以往各种线材轧机存在诸多问题，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。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。因此，高速无扭精轧是高速线材轧机的一个基本特点。高速无扭精轧工艺坯重与盘重盘重是线材轧机的基本工艺参数之一。近年盘重随轧制速度的提高得到迅速增加。盘重可增大到1000～2000kg，个别的甚至达到2500kg。随着连续铸钢技术的发展和轧制速度的提高，轧机采用的坯料已从原来的边长为80～100mm的方坯逐步发展到边长为110～130mm的方坯，个别轧机已采用了边长为180～200mm的方坯，为满足增大盘重的需要，坯料断面还有继续增大的趋势。高线轧机的高质量控制要求线材产品质量包括外形、尺寸精度、表面质量、化学成分、金相组织及力学性能几个方面的内容。随着生产技术的发展，用户对产品质量提出越来越高的要求。如：目前φ5.5mm线材的尺寸精度可达±0.lmm，个别的甚至可达±0.05mm。提高外形尺寸精度，一方面能减小超差废品，提高收得率，另一方面，可为金属制品提供优质原料，提高拉丝效率和拉模寿命，减少拉拔道次及动力消耗。线材表面不得有裂缝、折叠、结疤、夹层等缺陷，允许有轻微的划痕。对冷镦、高碳钢丝和琴钢丝用线材，表面质量要求更加严格，一般必须作酸洗检查。含碳量在0.3％以上的线材，应严格控制其表面脱碳，否则脱碳后的线材表面变软，疲劳强度降低。质量控制手段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，即：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一立机组，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。控轧及轧后控制冷却以高速连续、大盘重方式生产的高线产品，终轧温度比普线轧机更高，必须采用轧后控制冷却工艺。控制冷却是分阶段控制自精轧机轧出的成品轧件的冷却速度，尽量降低轧件的二次氧化量，可根据钢的化学成分和使用性能要求，使散卷状态下的轧件从高温奥氏体组织转变成与所要求性能相对应的常温金相组织。高线轧机问世后，大盘重自然冷却使产品质量恶化极为突出，这就使轧后控制冷却工艺被广泛采用，并随用户对产品日益提高的要求而逐渐完善。轧后控制冷却工艺已成为高速线材轧机不可分割的组成部分，是高线轧机区别于老式线材轧机的特点之一。轧后切头及切尾高速无扭线材精轧机组采用微张力轧制，轧件头部及尾部失张段断面尺寸大于公称断面尺寸。失张段长度和张力值大小、机架间距以及精轧延伸系数成正比，同所要求公称断面尺寸偏差成反比。通常要将此超偏差段切除后交货。超差段可以在散卷空冷运输机上用人工切除，但在延迟型控制冷却过程中因为无保温罩段过短操作困难，而且切除头部时容易造成线圈拉乱变形，集卷困难。目前较合理的切除超差段是在集卷后打捆前的运输过程中，采用倒卷系统，由人工用液压便携剪先切去轧件尾部的超差段，之后将盘倒卷，使轧件头部超差段露在外面，再由人工用液压便携剪切去头部超差段。保证高速轧制的主要工艺条件主要条件是保证原料质量、轧件精度、轧件温度。应保证进人精轧机的轧件偏差不大于±0.30mm。当成品精度要求小于±0.15mm时，进入精轧的轧件偏差不应大于成品尺寸偏差的2倍。必须严格控制钢坯尺寸精度，钢坯尺寸的波动对粗轧前几道影响较大。为此近几年粗轧机组都采用单独传动，以便及时灵活地调节轧制速度，保证微张力轧制。要保证轧件精度，轧机精度必须高，必须减少槽孔加工误差和轧机部件间不可控制的配合间隙等造成的偏差误差。要保障轧件精度，必须保证轧件温度均匀稳定，要求加热温度均匀、控冷设施灵敏。四、重要品种开发的主要技术要求目前国产线材除个别品种外（如钢帘线、气门簧、悬架簧、超低碳不锈钢用线材等），基本都能满足用户要求，供需基本平衡，自给率达93％以上。从线材品种与质量来看，我国基本能按国际标准（ISO）、欧洲标准（EN）、日本标准（JJS）等标准要求生产。典型线材钢号和主要用途见下表。国内外应用现状对比国外我国钢