CN108103282A - 一种线材热处理工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种线材热处理工艺方法，涉及材料在线热处理技术领域，解决了冷却后盘条的组织均匀性差的技术问题。线材热处理工艺包括均温处理、盐浴冷却淬火、盐浴等温和盘条清洗几个步骤，通过均温处理消除吐丝前水冷造成的心表温差，盐浴槽冷却淬火能够将吐丝后温度均匀的盘条快速冷却，从而使高碳钢盘条奥氏体组织向索氏体化组织转变，再经过盐浴等温使盘条未转变的奥氏体组织完成向索氏体组织的转变，最后经盘条清洗步骤清除线材表面残留的盐并烘干水分，从而实现了很好地控制盘条的组织性能均匀性的目的，满足用户对优质盘条深加工性能的要求。

Description

一种线材热处理工艺方法

技术领域

本发明涉及材料在线热处理技术领域，尤其是涉及一种高线厂线材热处理工艺方法。

背景技术

高速线材或者盘条，尤其是高碳钢线材品种对于国民经济制造业来说至关重要，被广泛应用在汽车、建筑、桥梁、大型装备、国防等产业，目前中国的线材产能大约2.5吨，拥有550多条高速线材生产产线，基本生产流程是加热、粗轧、中轧、预精轧、精轧、水冷、吐丝、风冷、打包，其中吐丝后的冷却工艺是决定线材产品组织性能的关键，但是目前国内高速线材产线除了鞍钢和兴澄采用在线水浴冷却外，都采用风冷斯太尔摩的冷却方式，就是通过风机的开度和数量控制盘条的冷却工艺。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

随着用户对线材制品组织性能要求的提高，用户对线材性能指标的关注点由强度和面缩率逐渐向强度波动、拉拔极限、扭转和疲劳等性能指标转移，迫切需要大幅地提高线材热轧盘条组织性能的均匀性。常规的风冷斯太尔摩风冷工艺在解决盘条的组织性能均匀性方面存在致命的缺陷，具体表现在大规格盘条索氏体率控制、高碳钢心部网碳控制、心部马氏体组织控制、珠光体片层间距波动的控制、盘条同圈和通条力学性能的控制、时效性能控制等等，其主要原因就是盘条斯太尔摩风冷工艺是一种组织连续转变工艺，对高碳钢组织转变过程中存在心部和表面、盘条搭接点和非搭接点、先相变区域和后相变区域组织的差别，这种组织的差别导致性能波动和不稳定，造成盘条拉拔过程应力较大、断丝率提高、扭转指标不合等诸多问题。首钢多年致力于解决盘条组织性能均匀性的研发，通过合理设计风机的佳灵装置降低了盘条的同圈温度波动，将力学性能波动由100MPa降低到50MPa以内，同时通过在线缓冷工艺将索氏体率稳定控制在85％前提下，心部马氏体组织控制在0.5级以下，这些措施在一定程度上都促进了预应力82B、帘线82A、弹簧钢、硬线等品种组织性能的提高，但是受控于风冷斯太尔摩风冷工艺的局限性，季节变化、坯料成分波动、产线起停等还是影响产品质量的稳定性。宝钢在很早之前也至于工艺稳定性的开发，通过建立标准冷却曲线，实现线材冷却过程的温度监控，但是一直以来都没有实现线材轧后冷却的闭环温度控制，主要原因就是线材温度检测不像板带是一个平面，而是一个堆垛的区域，中间还有盘条圈与圈之间的空隙，所以一直没有在行业得到广泛推广和实施。最近几年鞍钢和兴澄高线尝试采用EDC水浴冷却，采用高温热水替代风冷作为冷却介质，对吐丝后的盘条进行轧后冷却，解决了部分产品高碳钢线材的性能波动、片层粗大、网状渗碳体等问题，但是水最高就是100℃，再高了就沸腾，导致线材水冷过程存在膜沸腾阶段，一旦这一过程出现，线材就很难保持快速冷却，所以在大规格产生的效果一直不佳；同时，水浴必须精确控制盘条水浴时间，水浴时间太长就导致淬火，水浴时间太短就完成不了相变，这也是水浴工艺最大的缺陷，所以自从水浴在国内投产十年间，只有两条这样的产线出现，大部分厂家新建和改造都依然采用风冷斯太尔摩冷却工艺，只是在风冷线长度设计、风机风量、佳灵装置调节、保温罩保温效果上做些改动，有的厂家甚至在成分设计上进行优化，通过添加Cr、V降C、Mn等方式解决性能波动问题，但结果是增加了流程成本和生产难度，但是效果一直不稳定，而线材轧后冷却一直也没有革命性的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用盐浴对盘条进行在线等温淬火的线材热处理工艺方法，以解决现有技术线材轧后冷却工艺中存在的冷却后组织均匀性差的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种线材热处理工艺方法，包括以下步骤：

S1、均温处理：加热盘条，消除吐丝前水冷造成的心表温差，保证后续组织转变的一致性；

S2、盐浴槽冷却淬火：盘条通过传输辊道通过盐浴冷却槽，盐浴槽温度设定在低于所生产盘条平衡相变点温度120-110℃，通过熔盐将吐丝后温度均匀的盘条快速冷却，从而使高碳钢盘条奥氏体组织向索氏体化组织转变；

S3、盐浴等温：经过盐浴冷却槽的盘条进入盐浴等温槽，盐浴等温槽温度控制在高于盐浴冷却槽温度30-50℃，使盘条未转变的奥氏体组织完成向索氏体组织的转变；

S4、盘条清洗：由盐浴等温槽出来的盘条通过清洗槽清洗，清洗槽用于线材盐浴处理后的清洗、漂洗、烘干，清除线材表面残留的盐并烘干水分，清洗后的盘条温度控制在400-450℃。

可选地，在S1中均温段长度为5-10m，均温处理后心表温差在5℃以内。

可选地，在S1中均温段设计有加热炉，盘条连续式通过均温段，加热炉采用天然气燃气加热，烧嘴分布于炉膛两侧及辊道上下，采用脉冲时序控制；冷却采用风机，控制采用变频器调节风机风量，从而实现精确的温度控制。

可选地，在S2中盐浴冷却槽的长度为10-20m，传输辊道速率0.1-0.8m/s。

可选地，为提高索氏体率和减小片层间距，必须保证盘条的深度过冷，桥索、弹簧和轴承的过冷度控制在120℃，帘线、切割丝和硬线的过冷度控制在150℃。

可选地，为提高极限大规格的冷却能力和高合金盘条对冷却速率的要求，在S2中的熔盐中加入水。

可选地，盐浴冷却槽内设置有搅拌器和冷却装置，搅拌器能够使熔盐在盐浴冷却槽内定向流动，且搅拌器具有固定通道，优化盐浴槽内的流场；冷却装置为循环水冷却装置。

可选地，在S3中盐浴等温槽的长度为20-30m，辊道速率为0.8-1.0m/s。

可选地，盘条进出盐浴冷却槽和盐浴等温槽均采用涌泉方式，盘条在盐浴冷却槽和盐浴等温槽的上方通过，盐浴冷却槽和盐浴等温槽内均安装有涌泉装置，通过熔盐螺旋推进器及导流装置，将盐液涌入盘条运输辊道的工作位置。

可选地，在S4中从盘条清洗掉的盐水，一部分被输送到盐浴冷却槽，提高淬火烈度的作用，剩余的盐水可通过盐水分离器进行蒸馏，蒸馏后的残盐会被回收，重新进入盐浴冷却槽循环使用。

本发明提供的一种利用盐浴对盘条进行在线等温淬火的线材热处理工艺方法，经过均温处理消除吐丝前水冷造成的心表温差，盐浴槽冷却淬火能够将吐丝后温度均匀的盘条快速冷却，从而使高碳钢盘条奥氏体组织向索氏体化组织转变，再经过盐浴等温使盘条未转变的奥氏体组织完成向索氏体组织的转变，最后经盘条清洗步骤清除线材表面残留的盐并烘干水分，从而实现了很好地控制盘条的组织性能均匀性的目的，可生产桥索镀锌钢丝用盘条、预应力钢丝用盘条、弹簧钢、帘线钢、轴承钢、切割丝和电梯钢丝绳用优质高碳钢热轧盘条，满足用户对优质盘条深加工性能的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种利用盐浴对盘条进行在线等温淬火的线材热处理工艺过程的示意图；

图2是盐浴后的92Si组织的金相图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种高线厂线材热处理工艺方法，其工艺流程为：盘条均温，盐浴槽冷却淬火，盐浴槽等温相变，清洗，收集打捆。盘条的规格范围可以在5-24mm；通过该方法盐浴淬火处理，可以生产众多高端线材，比如高端帘线切割丝、弹簧、桥梁镀锌钢丝、大规格矿用钢绞线等等产品。经过处理后盘条组织性能均匀性大幅提高，抗拉强度波动控制在±20Mpa，消除季节对性能波动的影响，某些产品可实现无时效拉拔，同时盘条心部偏析导致的网状、马氏体带等得到很好的控制，索氏体率稳定达到95％，片层间距波动控制在±0.03μm，非常适合高线厂进行性能优化和高端品种开发。

1、盘条均温处理

均温段用于吐丝后盘条的均温至盐浴处理前的工艺要求温度，长度5-10m，均温处理后心表温差在5℃以内，消除吐丝前水冷造成的心表温差，保证后续组织转变一致性。

均温段设计有加热炉，盘条连续式通过该段，加热采用天然气燃气加热，烧嘴分布于炉膛两侧及辊道上下，采用脉冲时序控制；冷却采用风机，控制采用变频器调节风机风量；从而现精确的温度控制。

设备本体采用优质厚钢板密封焊接制成，并由型钢加强。特殊部位采用耐热钢制品。设备整体框架具有良好的安全强度设计，并经过严格的焊接质量检验。炉内侧墙保温层自外向内由绝热纤维、保温板、保温砖分层砌筑而成；炉顶由绝热纤维模块拼接制成；炉底采用轻质保温砖砌筑而成；绝热层设计可保障相对于周围环境温度炉壁温升小于45℃。炉膛侧部装有窥视孔用于热室状态的观测。加热系统：采用天然气自预热脉冲式烧嘴加热，共选用60Kw烧嘴10个，安装于炉膛空间的两侧的上部和底部，温度波动控制在±3℃。

2、盐浴冷却

盘条通过传输辊道通过盐浴冷却槽，长度10-20m，辊道速率0.1-0.8m/s,盐浴槽温度设定在所生产盘条平衡相变点A1温度以下120-110℃，通过高温熔盐将吐丝后温度均匀的盘条快速冷却，从而开始高碳钢盘条奥氏体组织向索氏体化组织转变；

盐浴冷却槽阶段，盘条开始快速冷却，为获得较高的索氏体率和较细片层间距，必须保证盘条的深度过冷，一般桥索、弹簧、轴承的过冷度控制在120℃左右，帘线、切割丝、硬线控制在150℃左右。同时通过调整辊道速率可以控制盘条的稀疏程度，同时控制盘条在盐浴冷却槽内的通过时间。辊道速率太快，盘条冷速增加，但是盐浴槽内停留时间太短，无法保证冷却到相变点，增加后期盐浴等温槽相变温升导致的盐浴温度的升高。所以盐浴槽长度设计上是考虑到了相变前动力学过程的需要，保证盘条冷却阶段的彻底性。

盐浴冷却速率的保证是高温熔盐自身的热熔，硝盐热熔相比较铅差一点，但是比水要高出很多，硝盐只有在850℃以上才会出现沸腾阶段，所以，目前该发明中涉及的线材热处理都是在对流换热阶段，冷却速率非常快。通常5.5mm盘条的心部冷却速率在30℃/s左右，16mm盘条心部冷却速率在15℃/s以上，也只有较快的冷却速率可以避开材料C曲线的鼻子，控制偏析位置网状渗碳体的析出。同时为提高极限大规格的冷却能力和高合金盘条对冷却速率的要求，在高温熔盐中加入水，这些水来自后续流程中表面残盐的清洗阶段。水的加入极大的提高了淬火烈性，水在高温熔盐中以一种离子结晶水的状态存在，当高温盘条和高温熔盐一接触，盘条周围硝盐会出现温度升高，这些结晶水就会以气态形式产生搅动作用，提高对流换热的效果，由于高温硝盐中水有一定的饱和度并且不断挥发，所以必须安装在线检测装置，实现动态控制，维持盐浴槽水的动态平衡。

为控制盐浴槽温度均匀性，盐浴槽设计有搅拌和冷却装置。搅拌器实现高温熔盐在盐浴槽内的定向流动，从而克服铅浴由于流动性差，进口端和出口端温度差异大的缺点。搅拌器设计有固定通道，优化盐浴槽内的流场，做到最大程度的温度均匀性。由于高线产能很大，每小时进入盐浴槽的热盘条在80-100吨，某些产线轧制速度快、盘条规格大的甚至可以达到120-150吨，产生10的12次方数量级的交换热，斯太尔摩风冷是利用空气换热的，将轧后余热白白耗散掉，盐浴槽是通过一个外界循环水冷却装置实现高温熔盐的冷却的，这种冷却装置单个冷却能力是有限的，可以根据产线产能需要布置10个，同时根据实际生产节奏开启单体冷却装置的个数，生产5.5mm盘条开启3个，生产12.5mm盘条开启6个，生产16mm以上盘条的开启9个。

盘条进出盐浴冷却槽采用的是涌泉方式，盘条在盐浴冷却槽上方通过，盐浴冷却槽安装有涌泉装置，通过熔盐螺旋推进器及导流装置，将盐液涌入盘条运输辊道的工作位置，涌泉过程中盘条浸没深度在100-120mm。这种方式实施的关键在高温熔盐在该发明的工作温度密度在1.5-1.6g/mm3,盐的流动性较好。而且采用熔盐螺旋推进器及导流装置，将盐液涌入工作位置，沿导流盒流动，完成盐浴处理过程，推进器驱动电机变频可调，流速可调，没有盐液中的滚轮及轴承，故障率少。这种方式很适合设备起停，整个传动机构都在盐浴槽的液面之上，方便维护。

3、盐浴等温

通过盐浴冷却槽的盘条进入盐浴等温槽，长度20-30m，辊道速率0.8-1.0m/s,盐浴等温槽温度保证控制在盐浴冷却槽温度以上30-50℃，保证盘条未转变奥氏体组织完成向索氏体组织的转变。

进入盐浴等温槽组织转变已经正式开始，按照盘条组织转变特性制定工艺，普通82B的相变时间只有10-15s，高Si的92Si产品相变时间在30-40s。考虑到盘条偏析位置发生索氏体转变的热力学条件，在采用连铸坯或者二火成材的坯料工艺中，铸坯的中心偏析都是导致最终热轧材组织性能均匀性差的关键，如果相变不充分都会造成马氏体或者离异共析组织，将该盐浴槽的温度高于前面冷却槽30-50℃，温度控制在500-580℃范围内。

本阶段同样采用涌泉的方式保证盘条和高温熔盐的接触，只不过该阶段硝盐和盘条之间的换热是盘条组织转变产生的相变热，相变热小于1011焦耳，采用一个单体冷却装置就可实现盐浴槽内硝盐的温度控制。

盐浴等温槽和冷却槽一样设计了加热装置，盐浴槽熔盐保温采用管状加热器加热，加热功率240Kw。硝盐的熔化是设计在一个密闭的熔盐加热器中，当熔盐被加热到工艺温度后，通过盐泵输送到盐浴槽内。

盐浴冷却槽和等温槽含水量都通过加水装置和淬火烈度测试仪实现闭环控制，加的水也是清洗槽的高浓度盐水，盐水含盐量在30％左右，保证盐浴槽内水含量0.06-0.09％。

图2给出了盐浴后的92Si组织的金相图，由图中可见组织均匀性较好。

4、盘条清洗

盘条出盐浴等温槽后，通过清洗槽，水温80-90℃，清洗槽用于线材盐浴处理后的清洗、漂洗、烘干，清除线材表面残留的盐并烘干水分，清洗后的盘条温度控制在400-450℃，然后通过30-40m输送辊道，最后实现收集、打捆。

盘条清洗掉的盐水，一部分被输送到盐浴槽，起到提高淬火烈度的作用，剩余的盐水可以通过盐水分离器进行蒸馏，蒸馏后的残盐会被回收，重新进入盐浴槽循环使用。

清洗后的盘条的余温可以实现等温时效，从而降低盘条的组织转变应力，对于清洗过程不能造成温降太大，否则会引入冷却应力，影响盘条的塑性指标。

本发明提供的一种在线盐浴热处理技术和装备，其工艺核心就是用高温熔盐等温淬火工艺替代风冷和水浴的连续转变工艺。本发明熔盐采用硝盐，包括硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钾以及亚硝酸钠，将配置好的硝盐，高温加热到熔融状态，硝盐在150-350℃范围内开始融化，安全使用温度在600℃左右。吐丝后的盘条通过辊道经过盐浴槽，通过和高温硝盐之间的热交换，完成盘条的冷却和组织转变，这一工艺最大的优点就是盐浴可以稳定的控制盘条的冷却速率和相变温度，从而实现组织转变和力学性能的均匀性，同时通过硝盐内添加一定量的水进一步提高硝盐的冷却能力，满足大规格高碳钢线材产品的需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种线材热处理工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、均温处理：加热盘条，消除吐丝前水冷造成的心表温差，保证后续组织转变的一致性；

S2、盐浴槽冷却淬火：盘条通过传输辊道通过盐浴冷却槽，盐浴槽温度设定在低于所生产盘条平衡相变点温度120-110℃，通过熔盐将吐丝后温度均匀的盘条快速冷却，从而使高碳钢盘条奥氏体组织向索氏体化组织转变；

S3、盐浴等温：经过盐浴冷却槽的盘条进入盐浴等温槽，盐浴等温槽温度控制在高于盐浴冷却槽温度30-50℃，使盘条未转变的奥氏体组织完成向索氏体组织的转变；

S4、盘条清洗：由盐浴等温槽出来的盘条通过清洗槽清洗，清洗槽用于线材盐浴处理后的清洗、漂洗、烘干，清除线材表面残留的盐并烘干水分，清洗后的盘条温度控制在400-450℃。

2.根据权利要求1所述的一种线材热处理工艺方法，其特征在于，在S1中均温段长度为5-10m，均温处理后心表温差在5℃以内。

3.根据权利要求2所述的一种线材热处理工艺方法，其特征在于，在S1中均温段设计有加热炉，盘条连续式通过均温段，加热炉采用天然气燃气加热，烧嘴分布于炉膛两侧及辊道上下，采用脉冲时序控制；冷却采用风机，控制采用变频器调节风机风量，从而实现精确的温度控制。

4.根据权利要求1所述的一种线材热处理工艺方法，其特征在于，在S2中盐浴冷却槽的长度为10-20m，传输辊道速率0.1-0.8m/s。

5.根据权利要求4所述的一种线材热处理工艺方法，其特征在于，为提高索氏体率和减小片层间距，必须保证盘条的深度过冷，桥索、弹簧和轴承的过冷度控制在120℃，帘线、切割丝和硬线的过冷度控制在150℃。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种线材热处理工艺方法，其特征在于，为提高极限大规格的冷却能力和高合金盘条对冷却速率的要求，在S2中的熔盐中加入水。

7.根据权利要求1所述的一种线材热处理工艺方法，其特征在于，盐浴冷却槽内设置有搅拌器和冷却装置，搅拌器能够使熔盐在盐浴冷却槽内定向流动，且搅拌器具有固定通道，优化盐浴槽内的流场；冷却装置为循环水冷却装置。

8.根据权利要求1所述的一种线材热处理工艺方法，其特征在于，在S3中盐浴等温槽的长度为20-30m，辊道速率为0.8-1.0m/s。

9.根据权利要求1所述的一种线材热处理工艺方法，其特征在于，盘条进出盐浴冷却槽和盐浴等温槽均采用涌泉方式，盘条在盐浴冷却槽和盐浴等温槽的上方通过，盐浴冷却槽和盐浴等温槽内均安装有涌泉装置，通过熔盐螺旋推进器及导流装置，将盐液涌入盘条运输辊道的工作位置。

10.根据权利要求1所述的一种线材热处理工艺方法，其特征在于，在S4中从盘条清洗掉的盐水，一部分被输送到盐浴冷却槽，提高淬火烈度的作用，剩余的盐水可通过盐水分离器进行蒸馏，蒸馏后的残盐会被回收，重新进入盐浴冷却槽循环使用。