SWRCH22A冷鐓鋼盤條的開發與應用

何力國，嚴進寶，劉春穎，馬明明，張軍利

（日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照276806）

1 前 言

冷鐓鋼線材是生產緊固件、標準件的主要原料，如螺栓、螺母、螺釘、插銷以及汽車電氣設備專用件，是目前發展迅速，應用廣泛的一種高效品種，市場需求量巨大［1］。SWRCH22A 盤條主要用于加工各類自攻螺釘，規格繁雜，根據基體連接件的不同，對強度、硬度有著不同的要求，對母材的性能提出了較高的要求，一方面要求良好的拉拔性能，以便加工各種規格的自攻螺釘，另外要求材料具有優良的冷鐓性能，以適用于加工各種形狀的螺釘頭，同時還要求具備良好的熱處理性能。日照鋼鐵有限公司線材工場結合現有工裝情況以及下游客戶的技術需求，開發生產SWRCH22A盤條鋼軋。

2 SWRCH22A成分及性能設計

SWRCH22A 盤條市場上的主流規格為Φ6.5 mm，下游廠家根據最終產品的規格將母材拉拔至2.0～5.0 mm規格的鋼絲，退火后再對其進行冷鐓、搓絲加工，后期還需經過熱處理，對母材的塑性、韌性都有較高的要求。SWRCH22A 盤條的標準要求及設計要求見表1。

表1 SWRCH22A盤條的標準要求及成分設計（質量分數） %

SWRCH22A 盤條力學性能的標準及設計要求見表2。

表2 SWRCH22A盤條的標準要求及設計要求

冷鐓性能。生產時按1/2 高度進行冷頂鍛試驗，要求鍛后表面無肉眼可見的裂紋。

組織檢驗。要求母材基體鐵素體（F）+珠光體（P），不得出現魏氏組織（W）、貝氏體（B）等異常組織，表面脫碳不得大于公稱直徑的1.0%。

表面質量。要求截面不得有縮孔、分層及夾雜。盤條表面應光滑，不得有裂紋、折疊、耳子、結疤、分層及夾雜等有害缺陷。

工藝流程：鐵水→混鐵爐→60 t轉爐→LF爐→連鑄（163×163 方坯）→鋼坯檢驗→加熱→粗軋→中軋→預精軋→精軋→吐絲→軌道式風冷→集卷→取樣檢驗→打捆→稱重→入庫。

3 關鍵工藝的控制

3.1 煉鋼關鍵工藝參數控制

含鋁鋼可澆性、純凈度改善方向。小方坯生產含鋁鋼難度非常大，尤其是連鑄絮流的問題是開發過程中經常出現的問題。連鑄的絮流導致拉速不穩定、連鑄停澆等事故，造成無法正常生產。第一次試制SWRCH22A鋼時因為連鑄絮流導致連鑄機非計劃停澆。通過對水口結瘤物進行分析，發現水口堵塞物為高熔點的CaO-MgO-Al2O3及CaO-CaSAl2O3復合夾雜，這兩類夾雜物的熔點都遠高于SWRCH22A 的鋼水1 515 ℃的液相［2］，這樣的復合夾雜物在鋼液中為固相，很難上浮去除，留在鋼液中，影響鋼水的可澆性，產生水口結瘤。結瘤物成分見表3。

表3 結瘤物成分（質量分數） %

為了解決此問題，應通過研究三元渣系相圖，才能更好地控制低熔點渣系，遏制住連鑄絮流的發生。含鋁鋼最佳的控制鋼中夾雜以及精煉渣系成分為12CaO·7Al2O3，所以應從精煉渣系以及鋼中鈣的控制入手，控制鋼中的低熔點夾雜物。主要改善LF 爐精煉工藝控制：精煉渣料的加入和渣系的確定；精煉硅、硫含量的控制；鈣處理工藝［3］。

掃描電鏡能譜分析結果表明，中間包鋼水的夾雜物類型歸納為：第一爐主要是CaS，CaS與鋁酸鈣的復合夾雜物；第二爐主要是CaO·Al2O3，12CaO·7Al2O3。

夾雜物來源：1）CaS，不規則狀，為硫化物夾雜，熔點較高，是鈣處理Ca與MnS夾雜反應的產物，數量很大。2）鋁酸鈣夾雜的成分主要是CaO·Al2O3、12CaO·7Al2O3、CaO·Al2O3與12CaO·7Al2O3的混合物，球狀或橢球狀，為鈣處理后的產物。其中以12CaO·7Al2O3夾雜以及CaO·Al2O3與12CaO·7Al2O3的混合物居多，尺寸大多在3 μm左右，是喂鈣鐵線后Al2O3夾雜變性希望得到的理想鈣處理產物，此類夾雜熔點低于煉鋼溫度，易于上浮排除；CaO·Al2O3熔點1 605 ℃，不易排除。

鋼中CaO 來源主要是［Ca］脫氧產物，反應式為：［Ca］+［O］=（CaO）。

CaO與Al2O3反應生成鋁酸鈣，反應式為：

LF 爐中酸溶鋁的工藝控制。改善后關鍵工藝執行情況。轉爐嚴格執行高拉補吹操作，確保碳溫協調出鋼，出鋼參考溫度1 610～1 640 ℃，并根據出鋼口、包況、生產節奏等酌情調整，確保到LF 溫度為1 560～1 590 ℃。精煉時間（精煉工序開始加料通電化渣至出鋼過程）35～60 min，白渣時間≥6 min。精煉全程吹氬（嚴禁混入氮氣，生產前確保氮氣閥門全程關閉）。采用金屬鈣線，以減輕精煉過程鋼水的翻鋼（添加合金及碳粉除外）；出鋼后加入30 kg改質劑；開澆前中間包充氬氣≥5 min，生產過程沖擊區全程吹氬（開澆時沖擊區、澆注點加鐵鈣線）。煉鋼過程控制見表4。

表4 轉爐煉鋼工藝參數

改善后第一爐中包開澆液面≥420 mm，正常澆注中間包鋼水液面高度≥650 mm。結晶器電磁攪拌電流控制在240 A、頻率3 Hz。中間包鋼水表面加高堿度低碳覆蓋劑進行保護。結晶器保護渣使用SWRCH22A 專用保護渣，要求添加保護渣時堅持勤加、少加、均勻的原則，嚴禁渣面發紅，保持黑渣狀態，液渣層保持在9～12 mm。使用塞棒中間包、結晶器+塞棒液面自動控制系統，使用擋渣墻并保證生產過程中不倒塌。大包長水口和浸入式水口使用鋁碳質，大包長水口采用氬封、密封墊保護，使用Φ25鋁鋯碳質水口，做好全程保護工作。連鑄過程控制工藝參數見表5。

表5 連鑄過程控制工藝參數

通轉爐采用高拉補吹工藝執行，終點P 均值0.019%，P命中率82.86%；氬站溫度均值1 587 ℃，T（≥1 575 ℃）命中率94.29%；出鋼過程使用鋁錠對準鋼流脫氧（100～110）×10-6/10 kg（鋁錠），配鋁按照70%回收率計算（0.011%/10 kg）。

電磁攪拌運行正常，中包無低液面澆注情況；正常爐次過熱度28～42 ℃、均值35 ℃；拉速（2.4 m/min）恒拉速，過程保護澆注良好。沒有發生絮流現象，成分控制較好，中包成分均在設計要求范圍內。

3.2 軋鋼關鍵參數

SWRCH22A盤條后期需要多道次拉拔、冷鐓及熱處理，要求材料具有優良的冷拔性能和冷鐓性能。軋鋼重點控制材料的顯微組織和表面質量，確保母材組織為均勻的F+P組織，近表面無脫碳或輕微脫碳，外表面無裂紋、折疊、耳子、結疤等有害缺陷。

3.2.1 脫碳控制

SWRCH22A盤條母材脫碳具有遺傳性，完全脫碳層或較深的半脫碳層都嚴重影響自攻螺釘的強度和硬度，降低其疲勞壽命。鋼脫碳的現象是一個復雜的物理冶金過程，與鋼坯的氧化相似。影響鋼坯脫碳的最主要的影響因素為鋼種特性、加熱溫度、加熱時間和加熱爐爐內氣氛［4-5］。結合工裝現狀，制定了有效控制手段，盤條脫碳層控制效果明顯。

解決線材脫碳問題要從鋼的氧化規律分析。鋼的高溫氧化動力學可用阿累尼烏斯公式進行推算［6］：

式中：△W為單位面積氧化增加的質量，kg；t為時間，s；n為反應級數（一般取0.98）；K0為頻率因子；R為氣體常數；T為絕對溫度；Q2為氧化反應激活能。

當加熱時間越長，分子氧化的內部能量越多，反應激活能越大。線材的脫碳層深度與加熱時間和加熱溫度有直接的關系。加熱時間越長，脫碳層越深，在一定溫度內溫度越高，脫碳越嚴重。鑒于此，在加熱時減少鋼坯裝入量，加大鋼坯間的距離，以盡量縮短在爐時間，爐內高溫區停留時間控制在≤40 min，加熱溫度控制在1 020～1 070 ℃。另外盡量將加熱爐內氣氛控制為還原性氣氛，并對加熱爐各段采用不同的空燃比。

3.2.2 SWRCH22A盤條CCT曲線研究

為了獲得良好的拉拔性能和冷鐓性能，必須保證SWRCH22A 盤條金相組織均勻，組織以等軸的鐵素體和片層狀珠光體為最佳；嚴禁索氏體、貝氏體、馬氏體的出現，盡量減少3 次滲碳體和魏氏組織的產生，以上組織都不利于冷鐓性能［7］。針對SWRCH22A盤條的連續冷卻，中南大學李紅英［8］研究了SWRCH22A 鋼過冷奧氏體的CCT 曲線，不同的冷速獲得的組織也不同（見圖1）：當冷速為0.05 ℃/s 時，轉變產物為鐵素體和珠光體，有些晶界上有三次滲碳體；冷速為0.5 ℃/s時，轉變產物為鐵素體、珠光體、索氏體、屈氏體和少量貝氏體；冷速為10 ℃/s時，轉變產物為鐵素體、少量索氏體、屈氏體和貝氏體；冷速為20 ℃/s時轉變產物為鐵素體和貝氏體；冷速為75 ℃/s時轉變產物為鐵素體和較明顯的桿粒狀貝氏體，沒產生馬氏體；直接水冷時轉變產物為少量殘留奧氏體和板條狀馬氏體。

圖1 SWRCH22A 鋼過冷奧氏體的CCT曲線［8］

通過對SWRCH22A 鋼CCT 曲線的研究，結合現有設備狀況，執行低溫吐絲，緩冷的工藝。設定精軋機入口溫度≯950 ℃；具體吐絲溫度840～880 ℃。風機全關，保溫罩全部關閉，1～6、7～8、9～10、11 各段輥道線速度見表6。過程控制良好，各工藝參數均在目標值范圍內。

表6 軋鋼溫度控制參數

4 成品檢驗

4.1 尺寸及表面檢驗

成品卷開軋前3 支逐支檢驗進行表面和尺寸檢驗，正常軋制時，每爐第1支進行檢測；每爐取樣2 支做拉伸性能，5 支冷鐓樣品檢驗1/2 冷鐓，隨機連續挑選9爐數據，具體數據見表7。

表7 表面尺寸及性能檢驗

本次生產的SWRCH22A 冷鐓鋼盤條尺寸均滿足B 級精度標準，現場酸洗表面無劃傷、折疊等不良缺陷。力學性能符合設計要求，斷面收縮率均＞60%；每爐取5支做1/2冷鐓及1/3冷鐓，表面均未發現裂紋，材料擁有良好的塑性和冷鐓性能。

4.2 顯微組織檢驗

本次生產的SWRCH22A 冷鐓鋼盤條顯微組織良好，以4851爐及4859爐金相組織為例，顯微組織均為F+P，晶粒度8.5級，以均勻、等軸的F+P為主，未出現魏氏組織、混晶等異常組織，邊部未發現明顯的脫碳現象，如圖2 所示。非金屬夾雜控制較好，僅發現少量的0.5級C類夾雜。

圖2 SWRCH22A冷鐓鋼盤條金相顯微組織

4.3 用戶使用情況

目前日鋼生產SWRCH22A 盤條已發往多家標準件廠制作自攻螺釘零件。通過全流程跟蹤本批材料的加工過程，拉絲、打頭、輾牙、熱處理等工藝流程均能滿足要求，后期的扭矩、淬透性、力學性能、硬度檢驗等指標均滿足產品要求。

5 結 論

5.1 采用金屬鈣線鈣化處理提高了鈣的回收率，前期采用一次性添加鋁脫氧，充足的精煉時間和軟吹時間，確保了鋼水的純凈度；出鋼前加入專用高鋁改質劑，調整渣料配比，造渣形成低熔點的七鋁十二鈣，有效減少了水口瘤渣的產生，解決了絮流問題。

5.2 低溫軋制和全程保溫罩罩蓋緩冷工藝，獲得了均勻良好的F+P組織，避免了魏氏組織和其他不利于冷鐓性能的組織出現，確保了優良的冷鐓性能。

5.3 經過多家標準件廠使用，未出現質量問題，滿足了產品的需求，具備了批量生產SWRCH22A 盤條的能力，開發成功。