高碳鋼線材生產軋后冷卻工藝探討

朱鳳泉

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇243005）

0 引言

高碳鋼線材產品主要包括輪胎鋼絲、預應力鋼絞線、鋼絲繩、樂器和鋼琴弦線以及彈簧鋼用高線盤條。輪胎鋼絲的質量要求較高高，外包裹黃銅層用來加強子午線輪胎帶束層或胎體區域的強度，它可被拉拔到0.15 mm 細；預應力鋼絞線為編制線，主要用來加固預應力混凝土結構。目前，我國高碳鋼線材產品質量有了很大的提高，部分產品已達到世界一流水平，可以代替進口，但仍有相當大部分的產品需要進口。隨著國家供給側改革，對高碳鋼線材產品的質量提出了更高的要求，這就需要對高碳鋼線材的生產工藝進行梳理、分析、優化，以此來促進高碳鋼線材產品質量的提高。

1 高附加值高碳鋼線材產品主要問題

高附加值高碳鋼線材產品生產中主要存在尺寸精度與表面質量不佳、內部成分不均和金相組織與力學性能不穩定等這幾方面問題。

1.1 線材表面質量缺陷問題

線材的表明質量缺陷主要表現為：直徑尺寸通條性差、公差大、不圓度大，表面劃傷、結疤、折疊，表面氧化鐵皮厚和表面脫碳嚴重等。

1.2 線材內部質量缺陷問題

線材的內部質量缺陷主要表現為：純凈度不高，非金屬夾雜嚴重，成分波動大，網狀碳偏析嚴重等。

1.3 線材金相組織缺陷問題

由于成分問題的缺陷以及冷卻工藝的不合理導致的成品線材索氏體組織晶粒尺寸大且不均勻，進而導致盤條的力學性能不穩定，通條性能不均勻等問題，給下游加工企業帶來了制品性能不合格、斷絲率高等問題。

2 高碳鋼線材產品性能質量的改進措施

2.1 高碳鋼線材表面質量的改進措施

線材表面質量缺陷問題主要是由鋼坯表面質量、高速線材軋機的工藝、設備和坯子加熱質量引起的。線材的尺寸精度與表面質量改進的主要措施：

（1）通過對來料鋼坯表面缺陷進行精整修磨，來改善盤條的表面質量。

（2）通過高速線材軋機減定徑機組來解決線材尺寸精度問題，可實現線材直徑±0.1～±0.15 mm 尺寸公差。

（3）設計合理的孔型、做好輥面的清理工作、及時更換磨損嚴重的易損件、精心打包吊運，以減少盤條表面的損傷。

（4）嚴格按照高碳鋼加熱升溫曲線進行操作，控制好加熱爐氣氛，避免鋼坯過燒或過氧化。

2.2 線材內部質量缺陷的改進措施

線材內部質量缺陷主要是由煉鋼和連鑄工藝造成的。

（1）嚴格LF 爐精煉工藝，可有效減少非金屬夾雜物，降低鋼中 [O]、[N]、[H]等有害氣體含量、減小鋼水成分波動。

（2）連鑄工藝通過降低鋼水的過熱度、動態輕壓下和電磁攪拌等措施來改善高碳鋼坯網狀中心碳偏析的問題。

2.3 線材金相組織缺陷問題改進措施

線材的金相組織、力學性能則主要與微觀組織緊密相關。微觀組織取決于化學成分、控溫軋制（晶粒度）和斯太爾摩風冷工藝（絕好的珠光體片層間距且無網碳組織），其典型高碳鋼82B CCT 曲線如圖1 所示。

微觀組織的形成：奧氏體晶粒度由軋制溫度決定，但奧氏體如何相變是由盤條在斯太爾摩風冷輥道上的冷卻速率決定的，風冷輥道上的強制風冷將使線材冷卻曲線穿過相變區的“鼻尖”部分，從而可使成品形成非常好的珠光體片層結構間距。冷卻速率低會導致珠光體片層間距變大，同時導致形成網碳，減小了盤條的抗拉強度和扭轉特性；冷卻速率高可以獲得最佳的珠光體組織，同時可減少（大規格產品）或消除了（小規格產品）高碳鋼盤條的網碳結構。

綜上所述，雖然線材的表面質量和內部質量缺陷對高碳鋼盤條的理化性能指標有影響，但與高碳鋼盤條金相組織缺陷的影響相比，其影響相對是次要的，問題也容易解決。因此，作者認為軋后冷卻工藝是高附加值高碳鋼線材生產的關鍵，冷卻速率成為成品金相組織的關鍵，軋后冷卻工藝就成為高碳鋼高線生產的核心工藝。本文將重點分析線材軋后冷卻工藝和冷卻效果。

圖1 典型高碳鋼82B CCT 曲線

3 高碳鋼線材軋后冷卻形式

線材軋后冷卻主要包括高線精軋機（或減定徑機組）后水冷和吐絲機至集卷站間的冷卻。軋后冷卻的目的是獲得各種鋼種需要的均勻組織和力學性能，控制通條性能均勻性，減少二次氧化鐵皮產生量，減少或取消下游拉拔前的退火工藝等[1-2]。其主要有以下四種軋后冷卻方式：斯太爾摩風冷線（網格化風量分配系統）工藝；DLP（Direct in-line Patenting）工藝；EDC（Easy Drawing Conveyor）工藝；氣霧淬火冷卻工藝。

3.1 斯太爾摩風冷線工藝

斯太爾摩風冷線工藝為在輥道運輸的散卷冷卻運輸線下設若干個風機對運輸線上的線圈進行強制冷卻，傳統上主要通過調整輥道速度來控制線圈間距、控制每臺風機的風量以及開啟風機的數量來達到一定的冷卻速率，以獲得良好的產品金相組織。

傳統的斯太爾摩風冷線工藝的缺點：一是線圈在運輸輥道上冷卻不均；二是冷卻速率滿足不了高碳鋼的工藝要求。冷卻不均的解決方式是：在傳統的斯太爾摩風冷線上增加了網格化風量分配系統，網格化風量分配系統使用一組可調整的帶網格鋼板，通過控制網格的密度來控制通過吹風噴嘴甲板去到輥道上縱向的風量，線圈密度高的輥道兩側分配到更多的風量以改善冷卻的均勻性，從而減少線圈的同圈差。而冷卻速率受到風冷方式的特性而無法大幅度提升，因而衍生出鹽浴、溫水和氣霧冷卻等多種方式來提升冷卻速率。

3.2 DLP（Direct in-line Patenting）工藝

DLP 工藝，即直接在線鹽浴淬火處理工藝，是一種使線材在鹽浴中等溫相變的工藝，根據線材化學成分的不同改變溫度，從而優化線材相變過程，其工藝路線如圖2 所示。線材經吐絲成卷后進入1#鹽槽，在鹽槽中盤條隨著一定的速度移動，使線材快冷到一定的溫度，然后線材繼續進入2#鹽槽冷卻，鹽槽中采用電加熱方式控制鹽槽的溫度來控制線材的冷卻速度，在第二階段冷卻過程中完成奧氏體—索氏體相變，形成細小均勻的組織。盤條最后進入清洗線，用溫水沖洗掉殘留在其表面的殘鹽，最后集卷成盤。

圖2 DLP 工藝流程圖

3.3 EDC（Easy Drawing Conveyor）工藝

EDC 工藝是一種使線材在水浴中等溫相變的工藝，其工藝流程示意圖如圖3 所示，是將線材在接近沸點的水中持續冷卻15 到100 秒，線材在出水浴時的溫度大約為400 ℃。線材經吐絲成圈后進入熱水槽，通過水淬提高冷卻速率來提高索氏體化率。其提高冷卻速率主要通過調整水溫、調整輥道角度和調整盤條的運行速度來實現。

3.4 TOA Mist Patenting 氣霧淬火冷卻工藝

圖3 EDC 工藝流程示意圖

氣霧冷卻工藝TMP 為TOA 鋼鐵公司與摩根共同開發的冷卻工藝，為了增強斯太爾摩工藝的靈活性和工藝處理能力，其工藝路線如圖4 所示。氣霧冷卻的設備位于斯太爾摩輥道的第一段，氣霧冷卻設備按照工藝要求從1 段到3 段不等（9 米一段）。空氣和水混合形成的氣霧通過裝在輥道上的一系列噴頭直接噴到線圈上。在噴頭上方還裝有排風管道和風機，用來在冷卻線圈的過程中將過量的氣霧抽出。在輥道甲板下的斯太爾摩風機同時向上高壓吹風，用來協助冷卻并消除蒸汽。整個廢氣和水霧冷卻系統可整體橫移至離線，從而使輥道具有和常規斯太爾摩冷卻輥道擁有相同的工藝靈活性。

圖4 氣霧淬火冷卻工藝示意圖

3.5 上述四種工藝優缺點對比

上述四種軋后冷卻工藝優缺點對比詳見表1所示。

表1 四種軋后冷卻工藝優缺點對比表

4 結論

通過分析線材表面質量缺陷、內部質量缺陷、金相組織缺陷對高碳鋼盤條性能的影響，作者認為金相組織缺陷的影響相比更加突出，因此高碳鋼線材軋后冷卻工藝是高附加值高碳鋼高線生產的關鍵。本文分析了四種軋后冷卻方式，其中斯太爾摩風冷線工藝最成熟，在現有生產中大量采用，但其改善微觀組織的效果最小；其他三種工藝都是比較先進，其中 EDC（Easy Drawing Conveyor）工藝在中國已經有應用，并取得了不錯的效果。