CN101327490A - 拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法，包括如下步骤：首先对高碳钢连铸钢坯进行加热，在高温下进行粗轧、中轧和预精轧处理，使轧件的累计延伸率n₁＝65～120倍；其次对轧件进行预水冷处理；然后对轧件进行4～10道次的精轧处理，每道次延伸率n₂＝1.1～1.3倍，终轧温度为920～1090℃；再对轧件进行水冷处理，冷却结束后进行吐丝的温度为830～900℃，制成散卷；最后对散卷进行风冷处理，散卷出风冷辊道的集卷温度为330～450℃，置于环境空气中冷却至常温，即可制得索氏体数量多、片层间距小、力学性能稳定、在生产过程中不易脆断的拉拔用优质高碳钢热轧盘条。

Description

拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法

技术领域

本发明涉及钢材线材的生产加工，具体地指一种拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法。

背景技术

碳素结构钢线材特别是碳含量达0.6～0.8％的优质高碳钢线材为制造螺丝、螺栓、螺母、钢丝、钢丝绳、钻头、滚珠、焊条以及弹簧钢丝等的重要原料。不同需求和不同用途的优质高碳钢线材，其机械性能标准也不同。而钢的化学成分、组织结构和晶粒度等对钢的机械性能起着决定性的作用，特别是对拉拔成不同规格钢丝的优质高碳钢线材而言，不但要求其强度高，而且还要求其延伸性和韧性好。

常规生产的优质高碳钢热轧盘条，一般只要求检验线材表面质量、化学成分、力学性能、低倍组织以及脱碳层。部分对质量要求严格的线材制品厂家还要求检验钢材组织中的夹杂物、索氏体率，但对索氏体片层间距未作任何要求。

在铁碳合金中，亚共析成分或共析成分的奥氏体冷却到A1以下时，将分解为铁素体与渗碳体的混合物，根据其晶粒大小的差异又分为珠光体、索氏体或屈氏体三种，它们通常呈层片状结构。索氏体组织比珠光体组织细，其碳化物分散度很大，且呈球状，因而索氏体具有良好的综合机械性能。

索氏体组织中相邻两片渗碳体或铁素体中心之间的垂直距离，称为索氏体的片层间距，片层间距的大小主要决定于索氏体的形成温度。随着冷却速度的增加，奥氏体转变为索氏体的温度逐渐降低，亦即转变时的过冷度不断增大，转变所得的索氏体片层间距也不断减小，在一般状态下索氏体的片层间距约为100～250nm。

热轧盘条拉拔属冷形变，拉拔过程中变形量大，如从Φ6mm盘条拉拔到Φ0.3mm的丝线，变形量为400倍，材料所承受的变形抗力很大。常规的优质高碳钢在拉拔时容易出现脆断，主要原因是碳偏析、组织不均匀和存在夹杂物等。例如用于拉拔的优碳70钢热轧盘条，其内部组织不能有脆硬相如马氏体、大颗粒碳化物等，但铁素体数量多时，其强度将降低。因而，拉拔用材料的综合性能特别是组织结构、洁净度等要求较高，以减少拉丝模头中热轧盘条的拉伸阻力、局部变形和脆断。只有索氏体数量多、片层间距小的热轧盘条，才能在拉拔过程中阻力小、且不易脆断。对拉拔用优碳70钢热轧盘条而言，其组织中的索氏体率应大于70％，但索氏体的性能完全决定于其片层间距。

在本发明之前，获得高碳钢热轧盘条的生产方法有中国发明专利申请公开号为CN1840729A的《可拉丝性优良的高碳钢丝线材及其制造方法》、以及公开号为CN 1778486A的《钢绞线用82B盘条轧后强制冷却工艺方法》，前一种制造方法主要体现在：一是高碳钢丝线材包含0.65～1.20％的碳、0.05～1.2％的硅、0.2～1.0％的锰以及0.35％或以下(包括0％)的铬，还包含各自量限制为002％或以下的磷和硫；二是其中80％或以上的金属结构由珠光体结构构成；三是高碳钢丝线材的平均拉伸强度Rm和平均层间隙λ之间表现出 $\mathrm{Rm}\≤8700/\sqrt{(\mathrm{\λ}/\mathrm{Ceq})+290}$ 的关系。后一种工艺方法主要体现在：采取加大相变时的辊道速度、相变处加辅助风机强化相变冷却、通过小盖板调节风量横向分配使横向冷却均匀等的措施稳定盘条组织性能，得到索氏体平均片层间距为0.18μm、平均珠光体球团直径为8.4μm、盘条抗拉强度为1160～1220Mpa、同圈性能差≤40Mpa、通条均匀索氏体组织的一种钢绞线用82B盘条。

上述两种产生方法的不足之处在于：一是珠光体片层间距大于索氏体片层间距，珠光体的综合性能较索氏体差；二是该方法只提出了平均片层间隙λ和拉伸强度Rm之间的关系，但未公开控制索氏体片层间隙的工艺方法，在实际生产中也很难准确控制索氏体的数量及片层间隙的尺寸。如何在轧制时控制索氏体的形成温度及过冷度，进而控制索氏体的片层间距，是钢铁科研人员至今为止一直在努力探索的难题。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种索氏体数量多、索氏体片层间距小、力学综合性能稳定、在生产过程中不容易局部变形或脆断的拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法。

为实现上述目的，本发明所设计的拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法，采用控制轧制和三阶段控冷的新工艺，即通过在轧制时控制热轧盘条索氏体的形成温度及过冷度，来调节索氏体数量和片层间距，其具体工艺依次包括如下步骤：

1)首先对高碳钢连铸钢坯进行加热升温，并在970～1100℃的高温再结晶区进行粗轧、中轧和预精轧处理，使轧件的累计延伸率n₁＝65～120倍；

2)其次对轧件进行预水冷处理，冷却速度控制在10～40℃/s，冷却时间控制在0.8～2.2s；

3)然后对轧件进行4～10道次的精轧处理，精轧的开轧温度为900～990℃，每道次延伸率n₂＝1.1～1.3倍，精轧的终轧温度控制在920～1090℃；

4)再对轧件进行水冷处理，开始冷却温度控制在920～1050℃，冷却速度控制在50～350℃/s，冷却结束后进行吐丝的温度控制在830～900℃，制成散卷；

5)最后对散卷进行风冷处理，风冷速度控制在2～10℃/s，散卷出风冷辊道的集卷温度控制在330～450℃，置于环境空气中冷却至常温，即可制得拉拔用优质高碳钢热轧盘条。

作为本发明的改进方案，在步骤1)中，在990～1080℃的高温再结晶区对钢坯进行粗轧、中轧和预精轧处理，使轧件的累计延伸率n₁＝70～110倍。在步骤2)中，对轧件进行预水冷处理的冷却速度控制在15～25℃/s，冷却时间控制在1.0～2.0s。在步骤3)中，对轧件进行精轧处理的开轧温度为925～990℃，每道次延伸率n₂＝1.15～1.28倍，精轧的终轧温度控制在930～1030℃。在步骤4)中，对轧件进行水冷处理的冷却速度控制在60～290℃/s，冷却结束后进行吐丝的温度控制在830～890℃。在步骤5)中，对散卷进行风冷处理的风冷速度控制在3～8℃/s，可以根据不同季节来控制冷却风机的送风量，一般夏季送风量控制在冷却风机额定送风量的60～85％，冬季送风量控制在冷却风机额定送风量的30～50％，以确保轧件的风冷速度始终稳定在设计的范围之内。

作为本发明进一步的改进方案，在上述步骤5)中，对散卷进行风冷处理的较佳风冷速度控制在3～5℃/s，最好稳定控制在3～4℃/s。试验证实：在上述优选工艺参数条件下所获得的拉拔用优质高碳钢热轧盘条具有索氏体数量多、片层间距小、在拉拔过程中阻力小、且不易脆断的优良综合机械性能。

对高碳钢连铸钢坯在精轧前后进行预水冷、水冷及风冷控制是本发明的关键。经研究发现，索氏体数量及片层间距主要是由轧件冷却速度决定的。轧制前后的冷却主要可以起到以下四个方面的作用：第一，精轧前的预水冷主要是调节轧件心部及表面的温度，同时控制轧件进精轧机组的温度。第二，精轧后的水冷是对奥氏体进行控制冷却，能促使奥氏体晶界和变形带、甚至变形奥氏体内生成铁素体核，更大程度地促使大量铁素体晶核同时生成、长大，可以得到大小均匀的铁素体晶粒层。铁素体析出后基体成为富碳奥氏体，故渗碳体层也均匀、细小。第三，加快奥氏体的相变速率，使大部分奥氏体转变为索氏体，确保钢中索氏体组织的比例。第四，抑制了相变后铁素体、渗碳体晶粒的长大速度，细化了成品线材的晶粒度。由此可见，本发明的生产方法具有如下优点：

其一，本发明在生产过程中精确控制精轧前、后轧件的温度、及轧后不同阶段的冷却速度，改善了钢坯的组织结构比例，使其索氏体率不低于75％；细化了钢坯的晶粒尺寸，使其索氏体片层间距控制在100～180nm之间；从而使热轧盘条具有优良的综合机械性能，其屈服强度Rel平均可达620MPa，抗拉强度Rm平均为940MPa，延伸率A平均为14％，断面收缩率Z平均为40％，所有指标均比现有优碳70钢的技术标准要求高出20～55％，特别是其延伸率A比标准要求高出55％，完全适合于冷拉拔深加工。

其二，本发明采用控制轧制和三阶段控冷的新工艺生产高碳钢热轧盘条，通过控制高碳钢热轧盘条轧制吐丝温度、轧后的冷却速度来控制索氏体的数量和片层间距，不仅所得钢材线材的拉拔性能优良，而且在拉拔前不需要对钢材线材进行正火处理，可大幅降低生产成本。

其三，本发明操作方便、易于控制、生产周期短，所得高碳钢热轧盘条索氏体数量多、索氏体片层间距小、力学综合性能稳定、在生产过程中不容易脆断，更能适应大规模、大批量生产的要求。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的高碳钢热轧盘条的生产方法作进一步的详细说明：

以生产Φ5.5～14mm的优碳70钢(碳重量含量为0.7％的优质碳素结构钢)热轧盘条为例，对150mm×150mm的连铸方坯进行控轧控冷，在990～1080℃的奥氏体再结晶区进行粗轧、中轧及预精轧，使其累计延伸率n₁达65～120倍，可使奥氏体晶粒细化到5～10μm。该阶段中每道次轧制后将产生完全再结晶，通过多道次反复的形变-奥氏体再结晶，从而获得均匀、细化的奥氏体晶粒。如果初轧开轧的温度过高，即钢坯加热的温度高，将导致奥氏体晶粒粗大、钢坯表面烧损增大。预精轧结束时如果温度过低，则轧制抗力增大，轧机和轧辊的损伤也大。

预精轧后进行预水冷处理主要是调节轧件的温度，使轧件内外温度均匀化，同时控制轧件进入精轧阶段的温度，此阶段的冷却速度控制在10～40℃/s。

精轧开轧温度为920℃～990℃，进行4～10道次精轧，其作用是使细化的奥氏体晶粒拉长，晶内形成形变带，这些高能量形变带将作为铁素体及渗碳体形核相变时的核心。由于轧制速度快，加之每道次压缩量大，这些形变带薄，为以后得到细小的索氏体片层间距组织提供了基础，同时也使轧件的温度上升。精轧的终轧温度控制在920～1050℃，主要是由热轧盘条所需的强度、延伸性、韧性决定的。增加精轧形变程度、降低终轧温度可进一步细化奥氏体晶粒、降低韧脆转变温度，并且提高位错密度，使形变储能增加，导致索氏体形核率的升高。但温度过低，则将降低轧机寿命、增大热轧盘条表面缺陷。

精轧结束后对轧件进行穿水加速冷却，冷却开始温度设定为920～990℃，此时轧件内部全为破碎细小的奥氏体组织，快速冷却主要控制奥氏体晶粒不再长大，确保相变后索氏体晶粒尺寸细小。优碳70钢在910～960℃范围是高温再结晶区间，此时奥氏体晶粒将轧制时承受的形变应力转为内部储成能量，破碎的晶粒再结晶及长大的驱动力强。60～290℃/s的冷却速度可使轧件内部能量大量释放，降低奥氏体晶粒再结晶及长大的驱动力，从而得到晶粒尺寸细小的奥氏体。

冷却结束后进行吐丝的温度控制在830～890℃，制成散卷。然后对散卷进行风冷，此阶段细小的奥氏体开始进行相变，析出索氏体，此时的风冷速度影响索氏体片层间距，风冷速度控制在3～5℃/s得到的索氏体片层间距最合适，约在100～180nm的范围内。如果风冷速度过大，将得到部分马氏体硬相组织，影响轧件的拉拔性能；如果风冷速度太小，索氏体片层间距粗大，且还含有较多的铁素体组织，影响轧件的力学性能。由于此时轧件的尺寸小，不仅冷却风机的送风量会影响其冷却速度，环境温度也会产生影响，故需要根据季节的变化来控制冷却风机的送风量，夏季约为额定送风量的60～85％，冬季约为额定送风量的30～50％，以确保轧件的风冷速度稳定在3～5℃/s的范围。具体的生产实例记载如下：

实施例1：Φ14mm规格热轧盘条的生产方法

1)加热150mm×150mm连铸优碳70钢坯，加热后在1050℃的高温再结晶区开轧，进行粗轧、中轧及预精轧，通过17架轧机轧制后，轧件的直径为Φ20.8mm、面积为339.8mm²，累计延展率n₁＝66.2倍；

2)预精轧结束后进行穿水冷却(预水冷)，以调节钢坯心部及表面的温度，预水冷的冷却速度控制在35.7℃/s，冷却时间为1.3s；

3)进行4道次精轧，精轧开轧温度为925℃，精轧结束后其温度为930℃(终轧温度)，每道次轧制后的尺寸(mm)及延伸率n₂见表1；

4)精轧结束后对轧件进行穿水加速冷却，开始冷却温度为930℃，冷却速度控制在60℃/s，水冷结束后进行吐丝的温度控制在870℃，制成散卷；

5)对散卷再进行风冷处理，通过调节冷却风机的开口度，使送风量为额定量的82％，冷却速度为4.8℃/s，风冷辊道速度为0.85m/s，风冷时间为99.6s，散卷出风冷棍道时的集卷温度是390℃，空冷至常温。

表1：

(表1的首栏中为钢坯精轧道次的编号，次栏中b为钢坯的横向尺寸、h为钢坯的纵向尺寸，末栏中n₂为钢坯的每道次延伸率，以下各表中的标注与表1相同)

实施例2：Φ5.5mm规格热轧盘条的生产方法

1)加热150mm连铸优碳70钢方坯，至1072℃开轧，进行粗轧、中轧、预精轧后，轧件的直径为Φ16mm、面积为201.1mm²，累计延展率n₁＝111.9倍；

2)预精轧结束后进行穿水冷却(预水冷)，以调节钢坯心部及表面的温度，预水冷的冷却速度控制在30.1℃/s，冷却时间为1.8s；

3)进行10道次精轧，精轧开轧温度为930℃，精轧结束后的温度为1010℃(终轧温度)，每道次轧制后的尺寸(mm)及延伸率n₂见表2；

4)精轧结束后对轧件进行穿水加速冷却，开始冷却温度为1010℃，冷却速度控制在330℃/s，水冷结束后进行吐丝的温度控制在850℃，制成散卷；

5)对散卷再进行风冷处理，通过调节冷却风机的开口度，使送风量为额定量的42％，冷却速度为4.2℃/s，风冷辊道速度为0.75m/s，风冷时间为112.8s，散卷出风冷棍道时的集卷温度是380℃，空冷至常温。

表2：

实施例3：Φ8mm规格热轧盘条的生产方法

1)加热150mm连铸优碳70钢方坯，至998℃开轧，进行粗轧、中轧、预精轧后，轧件的直径为Φ18.5mm、面积为268.6mm²，累计延展率n₁＝83.7倍；

2)预精轧结束后进行穿水冷却(预水冷)，以调节钢坯心部及表面的温度，预水冷的冷却速度控制在12.0℃/s，冷却时间为1.7s；

3)进行8道次精轧，精轧开轧温度为950℃，精轧结束后的温度为982℃(终轧温度)，每道次轧制后的尺寸(mm)及延伸率n₂见表3；

4)精轧结束后对轧件进行穿水加速冷却，开始冷却温度为982℃，冷却速度控制在205℃/s，水冷结束后进行吐丝的温度控制在832℃，制成散卷；

5)对散卷再进行风冷处理，通过调节冷却风机的开口度，使送风量为额定量的30％，冷却速度为3.7℃/s，风冷辊道速度为0.82m/s，风冷时间为103s，散卷出风冷棍道时的集卷温度是450℃，空冷至常温。

表3：

实施例4：Φ10mm规格热轧盘条的生产方法

1)加热150mm连铸优碳70钢方坯，至1075℃开轧，进行粗轧、中轧、预精轧后，轧件的直径为Φ18.5mm、面积为268.6mm²，累计延展率n₁＝83.7倍；

2)预精轧结束后进行穿水冷却(预水冷)，以调节钢坯心部及表面温度，预水冷处理的冷却速度控制在45.8℃/s，冷却时间为1.2s；

3)进行6道次精轧，精轧开轧温度为983℃，精轧结束后的温度为1031℃(终轧温度)，每道次轧制后的尺寸(mm)及延伸率n₂见表3；

4)精轧结束后对轧件进行穿水加速冷却，开始冷却温度为1031℃，冷却速度控制在230℃/s，水冷结束后进行吐丝的温度控制在887℃，制成散卷；

5)对散卷再进行风冷处理，通过调节冷却风机的开口度，使送风量为额定量的50％，冷却速度为5.2℃/s，风冷辊道速度为0.80m/s，风冷时间为106s，散卷出风冷棍道时的集卷温度是336℃，空冷至常温。

表4：

根据上述实施例1～4的实验数据获得的本发明产品的力学性能测试结果见表5：

表5：

从表5的结果可见，本发明对规格为Φ5.5～14mm的优质碳素结构钢70钢热轧盘条的生产加工采用控制轧制和三段控冷的工艺方法，生产出的热轧盘条在力学性能上有了大幅提高，所有指标均比现行技术标准高出20～55％，特别是其延伸率A比现行标准高出55％，证实采用本发明生产的钢材线材具有优良的力学综合性能。

Claims (8)

1.一种拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法，依次包括如下步骤：

1)首先对高碳钢连铸钢坯进行加热升温，并在970～1100℃的高温再结晶区进行粗轧、中轧和预精轧处理，使轧件的累计延伸率n₁＝65～120倍；

2)其次对轧件进行预水冷处理，冷却速度控制在10～40℃/s，冷却时间控制在0.8～2.2s；

3)然后对轧件进行4～10道次的精轧处理，精轧的开轧温度为900～990℃，每道次延伸率n₂＝1.1～1.3倍，精轧的终轧温度控制在920～1090℃；

4)再对轧件进行水冷处理，开始冷却温度控制在920～1050℃，冷却速度控制在50～350℃/s，冷却结束后进行吐丝的温度控制在830～900℃，制成散卷；

5)最后对散卷进行风冷处理，风冷速度控制在2～10℃/s，散卷出风冷辊道的集卷温度控制在330～450℃，置于环境空气中冷却至常温，即可制得拉拔用优质高碳钢热轧盘条。

2.根据权利要求1所述的拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法，其特征在于：所说的步骤1)中，在990～1080℃的高温再结晶区对钢坯进行粗轧、中轧和预精轧处理，使轧件的累计延伸率n₁＝70～110倍。

3.根据权利要求1所述的拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法，其特征在于：所说的步骤2)中，对轧件进行预水冷处理的冷却速度控制在15～25℃/s，冷却时间控制在1.0～2.0s。

4.根据权利要求1所述的拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法，其特征在于：所说的步骤3)中，对轧件进行精轧处理的开轧温度为925～990℃，每道次延伸率n₂＝1.15～1.28倍，精轧的终轧温度控制在930～1030℃。

5.根据权利要求1所述的拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法，其特征在于：所说的步骤4)中，对轧件进行水冷处理的冷却速度控制在60～290℃/s，冷却结束后进行吐丝的温度控制在830～890℃。

6.根据权利要求1所述的拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法，其特征在于：所说的步骤5)中，对散卷进行风冷处理的风冷速度控制在3～8℃/s。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法，其特征在于：所说的步骤5)中，对散卷进行风冷处理的风冷速度控制在3～5℃/s。

8.根据权利要求7所述的拉拔用优质高碳钢热轧盘条的生产方法，其特征在于：所说的步骤5)中，对散卷进行风冷处理的风冷速度控制在3～4℃/s。