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1、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516mm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50mm。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8090。,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
2、：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810%，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3
3、0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，19661969年，轧制速度4350m/s；第二代，19701975年，轧制速度5060 m/s；第三代，19761978年，轧制速度6175m/s；第四代，19791980年，轧制速度7580m/s；第五代，19811985年，轧制速度80100m/s；第六代，1986年以后，轧制速度100120m/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910。各国的输出量与输
4、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400450万吨，输人量占4050%；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
5、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200300万吨。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）19881992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）19931994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）19951999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
6、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68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0.0230.14mm，最深为0.230.35mm；国外一般0.020.05mm。(3）金相组织。进口线材实测奥氏体晶粒度为56级，很均匀，索氏体一般85以上。国产线材奥氏晶粒度
7、27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133m，一般为50m，进口国外线材最大30m，一般8m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12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。
8、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
9、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4350m/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
10、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45。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45的美国摩根型；2）15/75的德国德马克（Demak）型；3）顶交45的英国阿希洛（Ashlow）型
11、；4)0/90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。
12、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10002000kg，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80100mm的方坯逐步发展到边长为110130mm的方坯，个别轧机已采用了边长为180200mm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
13、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5.5mm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：
14、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；采用步进式加热炉，以保证灵活的加热制度；在单线生产时粗轧采用平一立机组，减小轧件刮伤；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
15、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
16、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
17、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,1、钢帘线用线材,钢帘线是线材制品中高技术含量产品，不但生产装备昂贵，生产工艺也非常繁杂，是线材制品中质量要求最为严格的产品之一，所以是最难生产的品种。钢帘线在加工过程中，其单丝直径小至0.15mm，从5mm 的线材开始拉拔，长度延伸达1344 倍，而在随后的双捻中还要经
18、受扭转、弯曲和拉伸等一系列变形。在工艺稳定的情况下，凡是断头率高，力学性能不合格等情况，通常与线材质量有关；同时，钢帘线作为汽车轮胎的橡胶骨架材料，要承受弯曲拉伸复合交变载荷及冲击载荷等；因此，必须选用最优质线材方能满足高强度、抗疲劳、耐冲击等性能要求。国内外都没有钢帘线用线材专门国家标准，往往是线材企业有对外保密的严格内控标准。,l）必须是控制冷却线材（斯太尔摩型），金相组织必须是细珠光体，奥氏体晶粒度25级（ASTM)，必须能够经受90以上总压缩率，不许用铝脱氧；2）脱碳、完全脱碳不允许存在，局部脱碳最大0.10mm；3）夹杂、塑性夹杂（A、C类）最大2级，(JK)；脆性夹杂（B、D类）最
19、大1级（JK)；钛和鋯的氮化物不允许存在；4）线材偏析度：S、P为10、C、Mn为3%（最大）（对成分上限而言）；5）线材内部孔隙：不得超过10m。,2、高应力弹簧钢丝用线材,高应力弹簧主要指内燃机阀门弹簧、汽车悬挂簧、摇架簧等。近年来汽车行业要求气门簧工作应力由450MPa提高到800900MPa，疲劳寿命为2.5l07次不断裂，应力松弛率10年内5等。欧洲各国长期以来习惯用CrV钢，代表钢号是50CrV；近年来又大量使用CrSi钢，代表钢号是55CrSi。日本最近又开发了在CrSi钢基础上加钒及镍、铌等元素，综合性能优良，且每个弹簧重量比55CrSi钢号减轻22.6。,l）钢的牌号9254
20、V（超纯净SiCr钢）2）化学成分（熔炼成分）%：C：0.510.59 Si：0.600.80 Mn：1.201.60 S 0.020 P0.025 Cu、Ni：0.10 Cr：0.60 0.803）尺寸公差0.25mm(D10mm)4）不圆度（0.35mm(D10mm)5）表面划痕深度（在卷的二端）0.12(mm)(D10mm)6）脱碳层深度（按JISG0555)总脱碳层深DMT(0.12mm(D10mm)全脱碳：不允许7）非金属夹杂物（按JISG0555)夹杂物总量dT0.1%,3、重要钢丝绳用线材,重要用途钢丝绳多为线接触、面接触、多层股及特殊结构钢丝绳，它的使用条件恶劣、苛刻，因而生产
21、难度大，技术要求高，交货条件严，对线材的质量也相应提出了严格的要求。国际上几个名牌钢丝绳的生产经验之一就是选用优质线材，保证钢丝绳通条性能优良、均匀、稳定。我国钢丝绳质量在逐年提高，但与国际名牌差距仍较大，国产钢丝绳的平均使用寿命比进口低。线材力学性能的通条性要求高，化学成分波动要小，轧钢工艺要稳定。为提高钢绳耐磨、耐疲劳、耐蚀等性能，对线材的表面缺陷、脱碳层、金相组织都应明确规范。,(l）化学成分碳波动范围0.05%，最好控制在0.03内；P0.015%，S0.010%，P+S0.02。(2）力学性能。抗拉强度9001000MPa，同盘强度差50MPa，断面收缩率35%。(3）金相组织。索氏
22、体85%，奥氏体晶粒度细小且均匀，不允许有马氏体组织存在。(4）其余尺寸公差、表面质量、脱碳层、非金属夹杂等项均按GB/T4354优质碳素钢热轧盘条标准执行。,4、预应力钢丝及钢绞线用线材,高强度低松弛预应力钢丝及钢纹线是线材制品中的一个重要品种，也是我国近年来发展速度较快的一种新型建筑材料。据资料介绍，目前全世界跨度大于700m的悬索桥共34座，其中我国占5座，江阴长江大桥主跨1385m,1999年建成，世界排名第5位；大跨度斜拉桥有南京长江二桥、武汉长江三桥、青州闽江大桥等。以上大桥主跨均大于600m，都将采用国产PC钢丝及钢绞线建造。目前我国重要用途高强度低松弛预应力钢丝及钢绞线仍然依靠
23、进口线材生产，尤其是镀锌预应力钢丝及钢绞线。因为国产线材生产的该产品经过热镀锌后抗拉强度下降很大，满足不了使用要求。,(l）钢种与化学成分。首选SWRH82B即国家牌号82MnA，用较高锰含量的钢种为宜。碳含量（C）控制在0.800.85%范围内，(P）0.02、（S)0.015。(2）尺寸与偏差直径D10mm，0.15mm，不圆度0.24mm；直径10.514mm0.20mm，不圆度0.32mm 3）力学性能。PC钢丝用线材力学性能，希望同炉号、同规格强度差50MPa。4）金相组织。均匀细小索氏体组织不小于85%，不允许有马氏体和网状渗碳体等组织存在。,5、焊丝用线材,船舶、桥梁、工程机械、
24、电站、建筑、汽车、压力容器、锅炉等钢结构件大都采用焊接结构，焊接材料成分一般须与结构材料匹配。例如钢材有碳素钢、低合金钢、合金钢及不锈钢等，焊丝及焊条也有相匹配牌号及分类的焊接材料。一般要求焊缝金属的力学性能达到母材相当水平，主要靠焊丝或焊条及熔剂提供的熔敷金属的化学成分和焊接工艺来保证，而不是靠焊丝或焊条的力学性能。所以，在焊丝用线材的标准中，对各牌号的化学成分有严格规定，并作为交货的重要条件，而对线材力学性能不作具体规定，这是该产品的重要特点。当然，有时采用气体保护焊为了送丝顺利，要求焊丝有一定的挺直度，这时对焊丝抗拉强度提出适当要求也是可以的。,(l）化学成分。在保证强度的同时尽量降低碳
25、含量，即碳应控制在标准下限为宜，因为碳元素是造成焊缝冷热裂纹的主要原因之一。另外就是把磷、硫含量控制得越低越好。(2）钢中气体。因为O、H、（N气体含量高容易产生焊缝气孔、白点等缺陷，也是造成焊接裂纹的原因之一，所以应控制在最低限度，一般为O4010-6、N7010-6、H210-6。(3）钢中夹杂物。因为钢中夹杂物也是造成焊缝金属缺陷的主要原因之一，所以应该控制非金属夹杂物形态、大小、个数等。,6、冷镦钢丝用线材,冷镦钢丝是生产螺钉、螺帽、螺栓等紧固件用原料，使用领域极其广泛，从航空、航天、计算机、汽车等重要用途，到日常生活用自行车、照相机、钟表、家用电器等领域，年消费量在200万吨以上，常
26、用规格340mm钢丝，其中16mm以下的钢丝占60以上。由于用冷镦的方法生产标准件变形速度快、变形程度大，变形又不均匀，冷镦开裂率高达30%，所以要求制造标准件用线材首先必须有良好的塑性和尺寸精度。有的标准件成形后需要进行调质处理及渗碳、渗氮，所以要求钢材要有较好的淬透性和回火稳定性等。冷镦钢线材对钢种的内在质量和表面质量要求苛刻，冶炼要采用炉外精炼技术。有的国家在生产冷镦钢丝前对线材要进行机械剥皮等处理。,(1）化学成分。要求P0.02、S0.015%；对碳素钢而言，硅、铝、锰、碳等元素希望控制在中下限为宜，避免造成冷顶锻裂纹。(2）表面质量。对线材表面质量要求很严，尺寸公差土0.20mm，
27、不圆度0.30mm，表面裂纹、划伤最深0.07mm。(3）脱碳（直径15 mm）。铁素体脱碳层深度：0.02 mm，总脱碳层深度：0.12。(4）非金属夹杂物。钢中非金属夹杂物含量高、尺寸大，是造成标准件冷镦开裂的一个重要原因，尤其是非金属夹杂中B类和D类脆性夹杂，距钢丝表面愈近危害性愈大，所以要求B类夹杂物距表面层2mm之内应不大于15m。(5）金相组织。冷镦钢的金相组织应为铁素体+粒状珠光体（F+P)，一般规定24级，以3级为最好，不得有片状珠光体和贝氏体组织。,7、轴承钢丝用线材,轴承钢丝主要用来制造滚动轴承上的滚动体滚珠、滚锥、滚针等。滚动轴承在工作时，内套紧固在轴上，同轴一起转动；外
28、套装在轴承座上不动。当轴转动时，内套和滚珠（或滚柱）发生转动和滚动，所承受的载荷作周期性变化，滚珠（滚柱）和内套均承受着点（线）接触的周期性高压交变载荷，存在着很大的局部应力集中（接触应力一般为150500MPa），所以滚珠（滚柱）表面容易产生接触疲劳破坏，甚至可能发生表面龟裂和剥落现象；同时，滚珠（滚柱）和内外套之间产生滚动摩擦和滑动摩擦，致使材料因磨损而破坏。轴承钢丝工作条件苛刻，所以对轴承钢丝用线材提出更高的技术要求。,(1）化学成分。钢中碳含量控制在中限，波动为0.07%，而铬含量控制在中限。（2）钢中气体含量。氮含量：N7010-6；氢含量：H110-6，H会产生白点缺陷，应在液态下
29、测定，尽量减少为宜；总氧量：O1510-6；瑞典SKF公司钢中总氧量由原来的4010-6降到1510-6以下。（3）非金属夹杂物含量。A类细系平均级别为1.25级；A类粗系为0.19，C类、D类非金属夹杂物均未出现为零级；B类细系为0.61级；B类粗系为0.04级。(4）碳化物不均匀性。瑞典和日本对碳化物带状、液析、网状控制很严，从而为球化创造了良好条件。(5）脱碳层。瑞典SKFD33标准规定退火材的脱碳层不大于1%D(D为钢材直径），冷拔材的脱碳层不大于0.8D。（6）尺寸公差。尺寸公差精度较高，大部分为正偏差，负偏差少；例如：2830（+0.25-0.10）。,8、不锈钢丝用线材,不锈钢以
30、其良好的耐蚀性、耐高温性、耐低温性、耐磨性、抗磁性及外观精美等特性，用途非常广泛，在宇航、原子能、石油化工、海洋开发、医疗机械、轻工、食品、建筑及家用电器等方面占有重要地位；而且所用钢种牌号及品种繁多，性能各异，对所用线材要求不尽相同。,以奥氏体不锈钢丝用线材为例，其技术要求如下：(l）化学成分。特别控制Cr、Ni、C成分，要求成分稳定，不宜波动较大，否则对性能影响较大。(2）钢中气体含量。l）氮含量。N控制在小于5010-6；2）氢含量，H一般控制在210-6。3）总氧含量，一般控制在5010-6。(3）低倍组织，在横截面酸浸低倍试片上不得有肉眼可见的缩孔、气泡、夹杂及裂纹。(4）非金属夹杂物。要尽量减少夹杂物总量，不允许存在大颗粒脆性夹杂物，同时要控制夹杂物形态，不允许有尖角脆性夹杂物。(5）力学性能与晶粒度。对奥氏体不锈钢线材，一定要控制吐丝温度与快速冷却，防止碳化物沿界析出；奥氏体钢线材吐丝温度控制在10001050，铁素体钢控制在800880。,谢谢！,
