高速线材斯太尔摩线控冷工艺改进
摘要:在SWＲH82B线材生产过程中，选用低能耗、大风量风机是产品成本降低及质量提升的关键。介绍SWＲH82B线材技术要求，高速线材斯太尔摩线冷却采用 DWL － 185 变频轴流式风机，对风机改造前后风冷线上 SWＲH82B 线材温度进行检测，风机改造前后线材平均索氏体化率分别为 88% 和 91% 。冷却风机及控冷工艺改进后，影响使用的网状渗碳体及马氏体组织得到有效控制，抗拉强度及断面收缩率提高，同圈强度差明显减小。
天津荣程联合钢铁集团有限公司( 简称荣钢)线材产品主要为预应力钢丝及钢绞线用热轧线材，占线材总产量80% ，代表牌号为 SWＲH82B，用于制作不同强度级别的预应力光圆钢丝、预应力螺旋肋钢丝及预应力钢绞线产品。因其强度高、抗应力松弛性能好，广泛应用于大型高速铁路、公路、桥梁、高层建筑、矿山及水利工程等领域。
随着预应力钢丝及钢绞线制品用途及使用环境不断变化，对原材料线材的质量要求也不断提高。随着 SWＲH82B 线材生产企业的增多，市场需求量逐渐呈供大于求趋势，竞争压力造成企业利润大幅下降。因此通过设备、技术改造达到节能降耗的目的，已成为企业降本增效的主要途径。
1 、SWＲH82B 线材技术要求
由于预应力制品生产企业的生产方式、工艺装备及终端产品的差异性，对于原料线材的质量控制要求、盘条加工性能的适应性各不相同。对 SWＲH82B线材要求尺寸精度高、化学成分稳定、钢质纯净、力学性能良好并具有高体积分数的索氏体组织。
2、 斯太尔摩线控冷工艺改进
2.1 、冷却风机的升级改造
改造前风冷线共有16台离心式鼓风机，风量为1.98 × 105 m3 / h，电机功率为315 kW。电耗成本高、风机冷却能力小、冷却不均匀成为制约SWＲH82B线材质量提高的主要原因。
离心式鼓风机在工作中，气流由风机轴向进入叶片空间，然后在叶轮的驱动下产生高压风通过风道进入风冷线。其作用是根据不同产品规格和品种要求，对应不同终轧速度及运输辊道速度，配合运用“佳灵装置”送出不同风量，获得对盘卷的不同冷却速率和效果，实现奥氏体向索氏体、珠光体的转变，保证线材具有良好的力学性能、表面质量和冷加工性能［3］。但传统的离心式风机受结构限制，进气口和排气口较小，容易造成进气和排气不畅，在大风量情况下，吹出的风呈间歇性，强弱不均，造成产品性能出现波动。
针对品种结构特点，SWＲH82B 线材主要用于拉拔加工，对性能和组织要求严格，所以改造目标是大风量、低能耗的风机。经过相关技术人员多次考察分析研究，决定选用型号为 DWL － 185 的变频轴流式风机。DWL － 185 的变频轴流式风机参数见表 1。
新型轴流式风机叶片采用特殊设计，风在风道里是湍流状态，形成无数个漩涡，盘旋上升，带走热量多。出风量和压力持续稳定，送风均匀，有利于搭接点的冷却，改善了线材同圈质量差异。该型号风机与改造前相比，功率降低可节能约 41% ，节能效果明显。
2.1.1 、风机改造前后 SWＲH82B 相变过程差异
根据过冷奥氏体等温转变动力学原理，共析钢的珠光体转变发生于奥氏体与珠光体的平衡温度至550 ℃。共析钢过冷奥氏体在 600 ℃ 左右分解产物为索氏体，具有强度和塑性的最佳配合，此时形成的索氏体综合性能最好。高速线材轧后控制冷却的主要目的是控制过冷度及冷却速度，得到强韧化所需要的索氏体组织［4］。改造前后 12.5 mm SWＲH82B 吐丝温度目标值均为 850 ℃，1 ～ 14 #风机全部开启100% 风量。
风机改造前 12.5 mm SWＲH82B 线材的相变最低温度为 632 ℃，在 7#风机处。从吐丝机到7#风 机，线材温度从 850 ℃降至 632 ℃，由于高温热辐射及风机强冷的对流传热，温度下降较快，但最大冷却速率小于10 ℃ / s。在 8 ～ 10 #风机处，相变过程最为剧烈，线材回温最高温度约662℃，此区间相变的放热与风机强冷的散热达到热平衡，随后相变逐渐减弱，而风量不变，冷却效果相对较好，冷却速率逐渐增大; 在 14#风机后，线材温度降至 596 ℃。对比原风机，改造后风机流量提高到 2.4 × 105 m3 / h，增加了4.2 × 104 m3 / h。12．5 mm SWＲH82B 线 材的相变最低温度为 606 ℃，在 6 #风机处，最大冷却速率 12．2 ℃ / s; 线材相变过程中回温最高温度低于 650 ℃。在 14 #风机后，线材温度降至 552 ℃。风机改造 前 后 风 冷 线 上 检 测 的 线 材 温 度 如 图 1所示。
2.1. 2 、风机改造前后 SWＲH82B 线材力学性能和显微组织
2.1.2.1、力学性能
根据金属热处理原理，加大冷却速率可以使连续冷却曲线向右下方移动，冷却速率越快，C 曲线向右下方移动越大，Ar3 点越低，冷却时的过冷度越大。风机改造后，在使用相同风冷工艺的情况下，相变温度由 632 ℃ 降至 606 ℃ 。随着相变前冷却速率的提高，索氏体体积分数增大，这是因为过冷度的增大细化了索氏体组织的片层间距，风机改造前后 SWＲH82B 线材索氏体检验结果见表 2，风机改造前后 SWＲH82B 索氏体片层间距如图 2 所示由表 2 和图 2 可以看出，风机改造后珠光体片层间距明显减小，细珠光体使钢的综合力学性能得到 提 升，强 度 增 大，塑 性 提 高。风 机 改 造 前 后SWＲH82B 线材力学性能检验结果见表 由表 3 可以看出，风机改造后 SWＲH82B 线材力学性能得到明显改善。在相同控冷工艺条件下，平均抗拉强度提高约 18 MPa，断面收缩率提高约4% ，同圈抗拉强度极差由 80 MPa 降低到 40 MPa。
2.1.2.2、显微组织
SWＲH82B 属于高碳钢范畴，中心碳偏析控制难度较大，如控制不当，热轧后极易在线材心部形成网状渗碳体。网状渗碳体在相变过程中沿原奥氏体晶界析出，在拉拔加工时，硬而脆的网状渗碳体导致心部与其他部位变形不一致，形成笔尖状断口。网状渗碳体是 SWＲH82B 线材在拉拔过程中出现问题的主要原因，网状渗碳体组织如图 3 所示。
许多学者都对网状渗碳体的形成规律进行了研究，网状渗碳体主要来源于方坯的中心碳偏析，可以从连铸及控轧控冷方面加以改进来减少网状渗碳体的产生。轧后实行快速冷却，可以使材料迅速通过网状碳化物析出温度区间，尽快减少在此区间的停留时间，抑制碳化物的析出，得到分散细小的碳化物，达到减少网状碳化物的目的。轧后快速冷却，过冷度增大，有减小珠光体球团直径和细化珠光体片层间距作用。快速冷却降低组元的扩散系数，也会达到减小二次碳化物的作用［5］。
风机改造前2018 年共生产 SWＲH82B 线材9 384炉，其 中 网 状 渗 碳 体 超 标 180 炉，检 验 合 格 率 约98． 08%。风机改造后因相变前冷却强度增大，能有效抑制先共析渗碳体的析出，2019 年生产 SWＲH82B线材 10 189 炉，网状渗碳体超标 34 炉，检验合格率约99． 67%。通过对比，风机改造后 SWＲH82B 线材网状渗碳体检验合格率明显提高。
根据 SWＲH82B 使用特性，要求线材保证一定的初始强度，随着行业标准不断提高，质量稳定的大规格高强度 SWＲH82B 成为一种发展趋势。为满足综合性能指标，需添加适量的合金元素。锰溶入铁素体引起固溶强化，且含量不高时可以少量提高或不降低钢的断面收缩率和冲击韧性。铬具有细化晶粒、提高淬透性的作用。故增加合金元素锰、铬可以在一定程度上弥补控冷的不足，提高强度。线材心部锰和铬的偏析导致此区域共析转变进程被推迟， 使“C 曲线”向右下方移动，马氏体临界冷速降低，在同等冷却条件下，更容易产生马氏体或者贝氏体等不利于变形的异常组织。风机改造后冷却能力增加，相变过冷度增大，珠光体相变在更低温度发生。产生这种变化的主要原因是由于随相变区冷速增大，奥氏体稳定性增强，推迟了相变的发生，导致相变点降低，珠光体转变时间也逐渐缩短［6］。当冷速增大到一定程度后，过冷奥氏体产生马氏体的概率进一 步 增 加，SWＲH82B 线材马氏体组织如图 4所示。
线材在拉拔变形过程中，通过拉丝模后金属基体各点的流动不均匀，有些金属质点如表面以及近表面金属质点在承受拉应力的同时承受压应力，而线材中心部位的质点主要承受拉应力，不同位置的金属质点在变形时产生速度差，同时马氏体、贝氏体等异常组织的流动速度和变形速度远小于金属基体质点，形变速度差导致金属产生裂纹源。在大变形量情况下，裂纹源扩展积累，最终也会产生笔尖状断口［7］。
斯太尔摩线冷却风机改造后，风量增大，整体冷却强度增大。采用1～14#风机开启100% 风量的一段式冷却方式，线材心部产生了大量的马氏体组织。为解决马氏体等异常组织问题，优化原控冷工艺，采用二段式或者三段式冷却模式进行生产，控冷工艺优化前后设置见表 4。即相变前风量不变，保证相变前大风量冷却，抑制先共析渗碳体析出; 减小相变过程及相变后风量，同时将风机关闭后线材温度升高到 600 ℃左右，避免了脆性组织的产生。
2.2 、控冷工艺优化
采用三段式冷却，有效控制了线材由奥氏体区到相变点以及整个相变区间的转变速度，使得相变过程平稳、相变时间增加，有利于进一步提高线材的索氏体体积分数及减少异常组织产生。优化控冷工艺后，SWＲH82B 线材平均索氏体率提高至 92% ，平均抗拉强度稳定在 1 200 MPa 左右，无影响使用的马氏体组织产生。
2.3 、经济效益
分析荣钢高速线材厂年产量约 120 万 t，主要以生产SWＲH82B 线材为主。斯太尔摩线冷却风机改造后，电机功率由 315 kW 降低为 185 kW; 改造后风冷线整体冷却能力提高，优化控冷工艺减小相变过程及相变后风量。统计风机改造前2018年吨钢平均用电量为 166．3 kW·h，改造后 2019 年吨钢平均用电量为 141．6 kW·h。根据电费 0．58 元/( kW·h) 测 算，每年降低成本约: 0．58 × ( 166．3 － 141．6) × 120 =1 719．12 万元
3 、用户使用情况
斯太尔摩线冷却风机改造及控冷工艺优化后，可得到组织与强韧性最佳匹配的 SWＲH82B 线材，产品质量稳定性较改造前明显提升。用户对12.5mm SWＲH82B 线材经 9 道次拉拔至 5．05 mm 的钢丝，机械剥壳拉拔速度由 4．5 m / s 提高到 6 m / s，拉拔断 丝 现 象 明 显 减 少，成 材 率 提 高 了 0． 4% ～0． 9%，加工成本进一步降低。经过多家钢丝及钢绞线厂家使用，受到用户的一致好评，取得了良好的社会效益和经济效益。
4 、结语
提高冷却强度，SWＲH82B 线材珠光体片层间距明显细化且均匀，细珠光体使钢的综合力学性能得到提升，强度增大，塑性提高。
通过风机改造，在控冷工艺不变的情况下，同圈及同卷性能更加均匀稳定。风机改造后，风量增大，整体冷却强度增大。可一定程度抑制先共析渗碳体析出，降低网状渗碳体形成概率。优化控冷工艺采用三段式冷却方式，有效控制了线材由奥氏体区到相变点以及整个相变区间的转变速度，避免了影响拉拔加工的脆性组织产生。相变过程平稳、相变时间增加，有利于提高线材的索氏体含量，使钢的综合力学性能进一步得到提高。
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