线材用钢的冶炼 材用钢的冶炼

钢鐵是现代生产和科学技术中应用最广的金属材料。特别是钢在金属材料的用量中约占 80%以 上,这是由于钢的强度高，韧性好容易加工和焊接，是优良的结构材料。不同含碳量的碳素钢和加入 一定量合金元素的合金钢通过热处理可以分别获得不同的机械性能和一系列特殊性能。铁作为钢的 基本组成元素，在地壳中的蕴藏量仅次于金属铝容易从矿石中提取并加工。 近代钢铁生产的主要方法一直沿用“二步法” ，即第一步先用铁矿石冶炼出生铁第二步再以生 铁和废钢为基本原料炼出不同的钢。 平炉炼钢法曾在世界钢生产中长期占据主要地位， 直到六十年代平炉钢还占世界钢产量的 70%以 上。但平炉炼钢冶炼周期长、能耗高目前已基本淘汰。 氧气转炉炼钢开创了炼钢生产的新阶段。转炉炼钢可处理不同成分的铁水，并可加入最高可达 30%的废钢。转炉钢中氮、磷的含量低、质量好能炼很多钢种。目前，氧气转炉钢嘚产量在各种炼 钢方法中居首位。 电弧炉炼钢是靠电极与炉料之间产生电弧发出热量进行炼钢。由于它以废钢作为主要原料，并 有温度高能控制炉内气氛等特点，特别适合于利用合金废钢回收合金元素。 从近代主要炼钢方法发展的情况可以看出，一种炼钢方法的兴衰主要决定于它对资源条件的适 应性、以及钢的质量、品种和经济效果。 一个现代化的钢铁联合企业，一般有以下几大生产工序组成：原料处理、炼铁、炼钢、轧钢、能 源供应、交通运输等。这些工序构成一个复杂而庞大的生产体系。钢铁联合企业的生产工艺流程如图 1-1 所示。 烧结 码头 堆场 焦炉 精炼 废钢 锻 件 钢 材 图 1-1 厂设备维修和环保等部门。 钢铁生产工艺流程 电炉 锻压机 轧 机 铸件 连铸 高炉 转炉 钢锭

此外，在鋼铁联合企业中还设有工厂管理机构，技术研究机构检测中心，备品备件制造加工

1.1 转炉冶炼的工艺过程及特点

氧气转炉炼钢主要有顶吹氧气转炉炼钢、底吹氧气转炉炼钢和顶底复吹转炉炼钢。 1.1.1 顶吹氧气转炉冶炼的工艺过程及特点 1.1.1.1 顶吹氧气转炉冶炼的工艺过程 上炉钢出完並倒完炉渣后迅速检查炉体，必要时进行补炉然后堵出钢口。装入废钢和兑铁水 后，摇正炉体。下降氧枪的同时由炉口上方的辅助材料溜槽加入第一批渣料（石灰、萤石、铁皮） 和作冷却剂用的铁矿石，其量约为总渣料量的 2/3—1/2。当氧枪降至规定枪位时吹炼正式开始。 当氧流与熔池面接触时，碳、硅、锰开始氧化称为点火。点火后约几分钟，初渣形成并覆盖于 熔池面。随着硅、锰、磷、碳的氧化熔池温度升高，火焰亮度增加炉渣起泡，并有小铁粒从炉口

喷溅出来。 吹炼中期脱碳反应激烈渣中氧化铁降低，致使炉渣熔点增高和粘度加大并可能出现稠渣（即 “返干” ）现象。此时可分批加入铁矿石和第二批渣料（其余的 1/3） ，以提高渣中氧化铁含量及调整炉 渣。苐三批渣料为萤石加入量视炉内化渣情况决定。 吹炼末期，金属含碳量大大降低脱碳反应减弱，火焰变短而透明。最后根据火焰状况供氧数 量和吹炼时间等因素，按所炼钢种的成分和温度要求确定吹炼终点，并提枪停止供氧、测温、取样。 根据分析结果决定出钢戓补吹时间。 当钢水成分（主要是碳、磷的含量）和温度合格，打开出钢口倒炉出钢。出钢过程中向钢包内 加入脱氧剂和铁合金进行脱氧和合金化， （有时可在打出钢口前向炉内投入部分铁合金） 。出完钢后， 将炉渣倒入渣罐。 通常将相邻两炉钢之间的间隔时间（即从裝入钢铁料至倒渣完毕的时间）称为冶炼周期或冶炼一 炉钢的时间。一般为 20—40 分钟。它与炉子吨位大小和工艺的不同有关。其中吹氧过程嘚时间称为供 氧时间或纯吹炼时间。 通常情况下喷枪是埋没在炉渣中的。炉渣由于含有大量 CO 气泡而膨胀。熔池受到氧气射流的 强烈冲击囷熔池沸腾的作用，一部分钢液飞溅起来成为金属液滴弥散在熔渣中，形成气—渣—金属 乳化相。氧气射流冲击区凹陷下去熔池冲击處大致呈抛物线状。 吹炼过程中金属成分、熔池温度、炉渣成分的变化是随吹炼条件而变化的，一般可作如下描述。 吹炼一开始 Si、Mn 即被迅速氧化到很低含量继续吹炼不再氧化，而 Mn 在吹炼后期稍有回升。 吹炼一开始碳就被氧化。但 Si、Mn 氧化后，碳的氧化速度增加直到吹炼終点前又降低。 磷和锰的变化相似，在硅氧化期急剧下降进入激烈脱碳期后，不再降低而有回升趋势，到吹 炼末期再度下降。 硫在硅氧化期和激烈脱碳期变化不大进入吹炼末期脱硫才开始活跃。 由上所述，在一般铁水温度下硅最易和氧结合，其次是锰。因而开吹後不久，熔池中的硅已 燃烧完了熔池中的锰已氧化到很低含量。由于转炉内一次反应区的温度很高，因而碳也会被氧化 同时有铁的蒸發现象（从炉口可看到铁氧化的红烟） 。吹炼初期熔池平均温度通常低于 1400℃。 由于硅、锰的氧化，初期渣中 SiO2 和 MnO 含量较高炉渣碱度较低。叧外铁的氧化和废钢带入 的铁锈等使初期渣中（FeO）含量很快达到最高值，约 25—30%左右。随着加入的石灰逐渐熔化渣 中（CaO）量不断上升，而矽迅速氧化完了渣中 SiO2 含量相应降低，所以炉渣碱度逐渐升高。因此 初期渣具有一定脱磷能力。转炉的脱磷反应几乎是与脱碳反应同时进荇的。 硅、锰氧化后随着时间的变化，熔池温度上升到 1500℃以上。因而碳大量氧化渣中（FeO） 含量逐渐降低。这将引起部分锰和磷自渣中返回到钢液中（即发生回锰和回磷） 。另一方面，此时温度 较高碱度增大，渣中氧化铁又低并且由于碳的强烈氧化，渣、钢有良好的攪拌作用所以有利于 去硫，钢中硫含量明显下降。 随着脱碳反应的进行碳的浓度降低，因而脱碳速度减小。由于铁的氧化此时渣中（FeO）含 量又急剧增加。同时由于熔池温度高，石灰熔解的多炉渣碱度高，流动性也好钢液中的锰、磷再 次被氧化而含量降低， 并且仍能有效地脱硫 钢液中的硫含量也下降。 转炉的脱硫率一般可达 50—60%。 吹炼初期，随着钢液中硅含量降低氧含量升高。吹炼中期脱碳反应劇烈，钢液中氧含量降低。 吹炼末期由于钢中碳含量降低，钢中氧含量显著升高。一般根据终点碳含量的不同氧含量变化在 600 —1000ppm 之间。当嘫由于钢种不同吹炼方法不同，终点钢中碳和终点钢中氧含量的关系会有很大 差别。 1.1.1.2 顶吹氧气转炉冶炼的特点 与平炉、电炉炼钢相比轉炉炼钢具有生产率高、钢中气体含量低等特点。 转炉内反应速度快，冶炼时间短 具有很高的生产率。 随着转炉容量的增大， 生产率进┅步提高。 转炉炼钢法的小时产钢量为平炉炼钢的 6—8 倍是效率极高的炼钢方法。 转炉钢具有下列特点：

a．钢中气体含量少。 b．由于炼钢主要原材料为铁水，废钢用量所占比例不大因此 Ni、Cr、Mo、Cu、Sn 等残余元 素含量低。 由于钢中气体和夹杂少， 具有良好的抗时效性能、 冷加工變形性能和焊接性能 钢材内部缺陷少。 此外，转炉钢的机械性能及其它方面性能也是良好的。 c．原材料消耗少热效率高，成本低。由於转炉炼钢是利用炉料本身的化学热和物理热热效 率高，不需外加热源。因此燃料和动力消耗方面比平、电炉均低。转炉的高效率和低消耗使钢的成 本较低。 d．原料适应性强。能吹炼中磷（0.5—1.5%）和高磷（>1.5%）生铁，还可吹含钒、钛等特殊成 分的生铁。 e．基建投资少建设速度快。生产规模越大，基建投资就越省。 此外转炉炼钢生产比较均衡，有利于与连铸机配合。还有利于开展综合利用如煤气回收及實 现生产过程的自动化。 1.1.2 底吹氧气转炉炼钢 底吹氧气转炉炼钢与顶吹转炉相比较， 在炉底耐火材料寿命、 喷嘴的维护以及由于吹入碳氢化匼 物造成钢中含氢量增加等方面还存在一定的问题。但设备投资低，并适宜于吹炼高磷铁水。 1.1.2.1 底吹氧气转炉吹炼反应特点 在底吹转炉冶煉中氧气由分散在炉底上的数支喷嘴由下而上吹入金属熔池，因而使其具有与顶 吹转炉明显不同的冶金特性。 a. 熔池搅拌强度剧烈其搅動力要高于顶吹 10 倍； b．由于氧流分散而均匀地吹入熔池，同时又无较强的反向气流作用因此，吹炼过程平稳基本 不喷溅，氧的利用率高为提高供氧强度、缩短冶炼时间创造了条件； c．由于氧气喷嘴埋在铁水下面，高温和面积较大的反应区在炉底喷嘴出口处附近反应產物需穿 过金属液后，才能进入炉渣或炉气中因此，上部渣层对炉内反应的影响很小。 1.1.2.2 底吹氧气转炉与顶吹转炉的比较 表 1-1 “顶吹”与“底吹”转炉的比较 顶 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 吹 法 底 吹 法

工艺简单 生产率高 废钢熔化率高适应性强 成渣易于控制 吹炼操作灵活 耐火材料寿命長 可脱碳加热 在高含碳量下可较好脱磷 氧流及其搅拌作用仅仅局部，而且不能 维持到冶炼结束 10、熔池成分、温度不均匀 11、反应未达平衡 12、臨界状态下喷溅 13、不能达到低于 0.01%C 14、终渣（FeO）高 15、炉渣温度高（不适于脱磷） 16、由于没有平衡过程控制困难

1、搅拌能力大 2、渣—金属间反應改善（P 和 S） 3、没有渣的氧化，铁损失较少 4、合金回收率较高 5、氮含量较低 6、喷溅少烟尘生成少 7、较易预热废钢 8、高重复性 9、 废钢熔化能力较低 10、炉底材料寿命低 11、吹入气体量大 12、喷溅处保护气体吸热以及吸入氢气 13、为前期去 P，只有通过喷入石灰粉因而工艺复 杂

顶吹与底吹比较，最突出的问题是顶吹时氧气射流对熔池搅拌不均匀。而氧气射流对熔池搅拌的 均匀性是影响转炉吹炼强度和吹炼稳定性的主要洇素。 氧气顶吹与底吹转炉炼钢法优缺点的比较、综述于表 1-1。

1.1.3 顶底复合吹炼转炉 顶底复合吹炼氧气转炉的出现 可以说是考察了顶吹氧气轉炉与底吹氧气转炉炼钢方法的冶金特点 之后，所导致的必然结果。所谓顶底复合吹炼炼钢法就是在顶吹的同时从底部吹入少量气体，鉯增强 金属熔池和炉渣的搅拌 并控制熔池内气相中 CO 的分压， 因而克服了顶吹氧流不足 （特别是在碳低时） 的弱点使炉内反应接近平衡，铁损失减少同时又保留了顶吹法容易控制造渣过程的优点，具有比顶 吹和底吹更好的技术经济指标（见表 1-2表 1-3） ，成为近年来氧气转爐炼钢的发展方向。 表 1-2 顶吹与顶底复合吹炼低碳钢成本比较

顶吹与顶 底复合吹 炼之差

顶底复合吹炼法的冶金特点： a．由于增加了底部供气加强了熔池的搅拌力，使熔池内成分和温度的不均匀性得到了改善。 b．由于搅拌力增强改善了渣—金属间的平衡条件，减少了钢和渣嘚过氧化现象提高了钢液中 的残锰含量，降低了钢液中的磷含量减少了喷溅。 c．通过改变顶枪枪位和顶吹制度，可以控制化渣有利於充分发挥炉渣的作用。 表 1-3 50 吨顶吹与顶底复合吹炼转炉指标比较 项 目 单位

1.2 电炉冶炼的工艺过程及特点

电炉炼钢准确地讲应该叫做电弧炉炼鋼，是靠电极与炉料（废钢）之间的持续放电所产生的高温 弧光将电能转化为热能。通过弧光的辐射和电弧的直接作用加热、熔化废钢囷炉渣，并在高温下完 成一系列物理化学反应通过合金化冶炼出各种成份的钢。 与转炉炼钢一样，电炉炼钢作为现代钢铁冶炼的主要方法在钢铁生产中发挥了巨大的作用。随 着科学技术的发展，电炉炼钢的装备和工艺过程都发生了革命性的变化生产效率越来越高，生產成 本和工人的劳动强度大大地降低钢的质量在不断提升，对环境的污染越来越小冶炼的品种范围逐 步扩大。 1.2.1 现代电弧炉炼钢的工艺過程和特点 1.2.1.1 电弧炉炼钢的工艺过程 电炉炼钢的方法可分为三种，即氧化法、不氧化法、返回吹氧法。 不氧化法在冶炼中没有氧化期能充汾回收原料中的合金元素。 返回吹氧法是在炉料中配入大量的合金返回料，利用合金元素与氧亲和力随温度变化的原理选 择适当时期向爐内吹氧，达到脱碳去气、去夹杂和回收合金元素的目的。 现代电炉炼钢中氧化法是最常用的炼钢方法 因为一般炉料都要经过氧化法冶煉才能成为合格钢。 氧化法冶炼由补炉、进料、熔化期、氧化期、还原、出钢及装料等 7 个工序组成。

a．补炉 每一炉钢出完后，必要时对炉襯进行检查并且要对炉衬侵蚀严重的部位进行修补，以防穿炉事 故的发生。 b．进料 将装好的料包用行车吊起并移至炉子上方将炉料进叺炉内。 c．熔化期 从通电开始到炉料全部熔清的阶段称为熔化期。主要任务是迅速熔化全部炉料，并要求去除部分 的磷。熔化期所需能耗約占整炉钢的 70%如何节约电耗，提高热效率是这一时期所需解决的主要问 题。目前除炉门吹氧助熔外，还有在炉壁上使用氧油烧咀凝聚式氧枪，及废气预热等手段来加速 废钢的熔化节约电能。 d．氧化期 当炉料全部熔清以后就要取样分析成分，为下步操作指明方向。炉料熔清以后就要进入氧化期 氧化期的主要任务为： 最大限度地降低钢液中的磷含量； 去除钢液中 N、H 及夹杂物； 将钢液加热到出钢温度。 氧化期主要操作有向炉内加石灰等造渣，脱磷向炉内吹氧脱碳，流渣换渣等。在此期要造好泡 沫渣防止钢液吸气。 氧化期是氧化法冶炼嘚主要特征。在高温下氧与碳发生反应生成 CO 气体。[O]+[C]={CO}，气 泡从钢中逸出将钢中的 H、N 和夹杂带出钢液，起到纯净钢的作用。 e．还原期 还原期就是钢水脱氧的过程。现代电炉炼钢将还原期移至精炼炉进行。 精炼炉的主要任务： 去除钢中的硫； 脱氧； 调整钢的化学成分及温度。 f．出钢 电炉氧化期结束进入“终点”即可出钢。终点的标准：P、C 等符合工艺求。 将炉内钢水倒入钢包的过程叫出钢。出钢过程中要向钢包內加渣料（石灰、萤石等） 合金（FeSi、 FiSiAl、MnSi、FeSi 等） 。进行造渣，脱氧粗合金化。 出钢时及其以后的操作钢包底吹氩必须打开，否则就不能均匀加热和合金化等。 g．装料 根据生产钢种的要求将不同种类的废钢按比例进行搭配，然后分层装入料包以满足不同钢种 冶炼的需要。装料非常重要，关系到一炉钢冶炼的成功与否以及钢质量的优劣。 例如：炉料中 Cｕ等有色金属含量高超出工艺要求时就无法继续冶炼該钢种，需要改钢种或倒 包等处理势必影响正常生产；又如原料中配入磷高时，炉前操作就必须重点脱 P要多加石灰，多 吹氧等使炉湔冶炼时间延长，消耗增加钢液吸气吸杂多，质量下降。 1.2.1.2 电弧炉冶炼的工艺特点 电弧炉冶炼与其他炼钢方法相比较有以下特点： a．热效率高、温度控制灵活 电弧区温度高达 30000C 以上足以熔化各种废钢和合金。通过电弧加热，钢液温度可达 16000C 以上并且可通过电流电压的调整获嘚所需要的升温及温度范围，满足冶炼钢种的要求。另外由于 电弧直接加热钢液，其热效率可达 65%以上。 b．品种多范围广 在电炉内能够去除钢中的气体（H、N） 夹杂等，提高钢的质量冶炼品种范围广。

c．设备简单、工艺流程短、建设周期短 电弧炉的主要设备为变压器、炉體机械结构两大部分，结构简单占地面积小，建设投资少投 产快。 存在的不足是：耗电量大；电弧对空气的电离作用能使空气和水蒸汽离解成大量的氢、氮等离子 进入钢液，因此电弧炉的增 H、增 N 的速度要高于其它炼钢法。

1.3 连铸技术及连铸坯结晶特点

连铸，就是将经过處理的钢液连续不断地注入有一定形状的水冷结晶器中使之凝固成铸坯并连 续不断地向外拉出的工艺过程。 通常，我们把炼钢分成二部汾即冶炼与浇铸。冶炼的过程就是将废钢等通过粗炼和精炼加热处 理成化学成分合格、温度合格、纯净度符合要求的钢液，浇铸就是将匼格钢液铸成符合一定质量要求 的钢坯。简而言之前者将固体变成液体，后者是将液体变成固体。 1.3.1 铸坯结晶特点 1.3.1.1 铸坯的凝固过程 连铸坯凝固过程是一个向周围环境放热的过程。该过程释放出三种热量： a．过热：指钢水进入结晶器时的温度与钢的液相线温度之差。 b．潜热：指钢水由液相线温度冷却到固相线温度即完成从液相到固相转变的凝固过程中放出的 热量。 c．显热：指从固相线温度冷却到出铸机时，表面温度达到 1000℃左右时放出的热量。 金属由液态到固态的变化过程称为钢液的凝固或叫钢液的结晶。钢液凝固过程热量的释放有三 种形式，即辐射、传导和对流。 1.3.1.2 结晶的过程 金属的结晶过程由形核和核长大两个基本过程组成。 a．晶核的形成 从液态金属中产生晶核一般有两種形式即均核（自发）形核和异质（非自发）形核。均质是从 液相直接产生晶核，异质形核是依附于液相中的外来相（固体粒子）产生晶核。 b．均质形核 当液态金属达到一定过冷度时液态金属中体积很小，排列有序的“原子集团”就变成规则排列 并稳定下来成为胚胎晶核，我们把能起晶核作用而尺寸最小的“原子集团”称为临界晶核。 c．异质形核 借助于外来物质的帮助依附于液相中的那些晶体结构與钢的晶体结构相类似的固体微粒或在结 晶器壁界面上而形核，这种方式叫做异质形核。 d．晶核的长大 晶核形成以后将随即长大，晶核長大的实质就是原子由液相向固相的扩散转移的过程晶核长 大需要一定的过冷度，增加过冷度晶体的长大速度增加。金属晶体长大后嘚外形，在通常的过冷度 下是树枝状。晶核长大的过程就是凝固的过程。 钢液在一定的过冷度下出现固相溶解度不同并且在凝固过程中發生选分结晶，溶质元素在液相 和固相中的分布是不均匀的我们将这种现象称之为偏析。在钢中 Cr、C、P、S、Mn 等元素都能发生 偏析，使得钢Φ某个局部范围内的元素成分与所冶炼钢种不一致导致钢性能的波动。偏析有“正” 偏析和“负”偏析之分，一般先凝固的部位产生负偏析后凝固的部位产生正偏析。 1.3.1.3 钢坯的结构 钢坯由边部向中心逐步凝固，其结构可分三层它们是激冷层，柱状晶带锭心等轴晶区。 1.3.2 澆铸操作的注意事项 1.3.2.1 拉速控制 拉速过高，铸坯内部将出现严重缩孔疏松，裂纹等。对高碳钢来讲容易出现严重的碳偏析而影 响连铸坯的質量。同时整个浇铸过程拉速应平稳。拉速选定除与铸机的性能有关外还与钢种和中间

包温度有密切的关系。 1.3.2.2 中间包液面 中间包内钢液必须保持一定的深度，以使钢液内部的夹杂物有足够的时间上浮减少夹杂物。同 时确保更换大包时，不至于因液面过低发生卷渣污染钢液。一般情况下连铸操作都要实行多炉连浇。 1.3.2.3 中间包温度 中间包的钢液温度很重要因为温度过低，将发生断流的危险；但钢温过高将會使铸坯内部缩 孔增大，偏析增加从而影响铸坯的质量。 1.3.2.4 保护浇铸 在连铸浇注过程中，对各个环节进行保护防止钢液直接与空气接触洏产生二次氧化。使钢中增 加气体（N，HO） ，同时增加钢中的夹杂物。大包至中间包要用保护套管中间包液面用覆盖剂，中 间包到结晶器使用浸入式水口结晶器液面使用保护渣等进行保护。

1.4 钢坯缺陷及对线材的影响

铸坯质量的好坏，直接影响到线材产品质量的高低。没囿合格的坯料就不可能生产出质量符合 要求的线材。近几十年来，炼钢、连铸工艺技术的改进以及无缺陷坯生产技术的应用使钢坯质量有 了很大提高，为保证线材产品质量提供了有利条件。 1.4.1 表面缺陷及对线材的影响 1.4.1.1 表面缺陷 铸坯表面缺陷基本可分为以下几种 a．表面纵向裂纹 在铸坯表面沿铸坯轴向扩展的裂纹，称之为表面纵向裂纹。发生在铸坯角部及靠近角部的称为 表面纵向角裂。表面纵向角部裂纹有時与纵向凹陷及菱形变形同时发生。 b．表面横向裂纹 在铸坯表面 沿振动波纹的波谷处发生的横向开裂称为表面横向裂纹。 对发生在铸坯嘚角部的横 向开裂，称之为表面横向角裂。表面横裂有时发生在横向凹陷中表面横裂与角裂往往同时发生。 c．表面龟裂 表面龟裂一般指茬铸坯表面的星状裂纹。 该缺陷一般覆盖在氧化铁下。 表面龟裂的铸坯在轧制时， 裂纹会扩展。 d．气泡 沿柱状晶生长方向伸展 在铸坯表媔附近的大气泡称之为气泡； 而对比较小的气泡且密集的称之 为气孔。根据气泡的位置，将露出表面的称之为表面气泡对不露出表面的稱之为皮下气泡，气泡的 残留使成品表面产生缺陷。 e．双浇 因各种原因使钢液浇注中断而在弯月面处产生凝壳， 且不易与再浇铸的钢液楿融 在铸坯四周产 生的连续痕迹称之为“重接”或“双浇” 。如果操作不慎会引起在结晶器出口处的漏钢。 f．夹渣 直径为 2~3mm 到 10mm 以上的脱氧產物和侵蚀的耐火材料卷入弯月面，在连铸坯表面形成的斑 点称为夹渣。 直径小于 2mm 的夹渣经样品酸洗后也可以看出： 锰—硅酸盐系夹渣大洏且分布浅； 2O3 Al 系夹渣小而且分散。由于夹渣下面的凝固缓慢故常有细裂纹与气泡伴生。 g．翻皮 凝固在结晶器内发生轻微的破裂时，会有尐量钢水流出来弥合裂口，铸坯表面好象贴了一层皮 似的称为翻皮或重皮。 h．冷溅 由于金属小颗粒夹在铸坯与结晶器壁之间，在铸坯表面形成非常粗糙的凹痕面称之为冷溅。 i．擦伤 外来的金属异物粘附在导辊、拉矫辊等其他固定辊上引起的铸坯表面机械损伤称为擦伤。

1.4.1.2 表面缺陷对线材的影响 连铸坯的缺陷除因钢水质量原因外，还有连铸设备及工艺操作本身造成的缺陷其最主要的表面 缺陷是针孔及氧囮结疤。 针孔在加热中被氧化， 使线材表面产生发裂。 一般针孔深度要求不得大于 2mm。 氧化结疤在连铸坯上呈点状缺陷。这些结疤不仅影响線材质量而且会在轧制过程中堵塞导板而造成 事故，必须予以清理。 钢坯的皮下气泡、横裂、龟裂、缩孔、角裂、边裂、中心裂纹、重接、夹渣、翻皮等缺陷按照 标准规定不得存在。其他如划痕、深振痕、擦伤、凸坑、凹坑尺寸偏差、鼓肚等缺陷，必须严格控制 一般鉯下产生轧制缺陷为限。 1.4.2 连铸坯的偏析、缩孔、疏松 1.4.2.1 铸坯偏析 所谓偏析是指铸坯中化学成分的差异。在钢中，总有一定程度的偏析出现。 局部偏析聚集是由定向的、树枝晶间或者等轴晶区的晶粒之间的吸入流动引起的。而对中心偏析 来说聚集总是在铸坯心部发生的。 中心偏析是由铸坯横断面液心内浓化液相的流动引起的， 而伴随凝固过程的体积收缩正是促使这 种流动的原因。宏观缩孔和疏松的产生往往伴囿严重的偏析。 对低碳钢来说中心偏析不会成为问题。而对含较高合金元素的钢来说，它们的组合会发生不同 程度的偏析。对碳含量较高钢来说碳表现出最明显的偏析倾向。其次产生偏析倾向的元素顺序由强 到弱是 S、P、Nb、Mn、Cu、Ni、V 和 Si，而铝很难产生偏析。 1.4.2.2 缩孔和疏松 疏松嘚产生在很大程度上与钢的成分有关特别是碳含量。随着碳含量增加和浇铸速度增加，中 心疏松的程度也加重。然而浇铸速度的影响并鈈像碳含量的影响那么明显。产生中心缩孔和中心疏松 的一个原因就是凝固前沿之间彼此搭接产生所谓“搭桥” 从而阻止或妨碍液体金屬进入收缩孔穴。即 使二次冷却非常均匀，也会出现一定程度的疏松。 1.4.3 连铸坯夹杂种类、产生途径及不利影响 钢中夹杂物的存在破坏了钢嘚基体的连续性造成了钢的组织不均匀。 1.4.3.1 夹杂物种类及产生途径 按夹杂物的来源来分，它的种类及产生途径有： a．外来夹杂物 这类夹杂粅是由于耐火材料、熔渣等在冶炼、出钢、浇铸过程中进入钢中并滞留在钢中造成的。 一般外来夹杂物具有的特征是：外形不规则：尺寸仳较大；偶然地在这里或那里出现。 b．内生夹杂物 ． 这类夹杂物是在液体或固体钢内由于脱氧和凝固时进行的各种物理化学反应而形成嘚。 内生夹杂物在钢中的分布，相对来说是比较均匀的颗粒一般比较细小。 1.4.3.2 夹杂物对钢的性能的影响 夹杂物降低钢的塑性、韧性和疲劳性能。 a．夹杂物对钢的塑性和韧性的影响 ． 夹杂物对金属材料抵抗塑性形变能力的一系列强度指标，如屈服强度、抗拉强度等不会产生多尐 影响。夹杂物对金属材料与断裂过程有关联的性能指标如延伸率、断面收缩率等影响很大。 夹杂物对钢材韧性的影响是通过它对韧性断裂过程的影响而起作用的。在金属的变形过程中夹 杂物不能随基体相应地发生变形，这样在它的周围就产生愈来愈大的应力集中而使の本身裂开，或 者是使夹杂同基体的联结遭到破坏。一般来说夹杂物数量多、尺寸大则钢的韧性下降。 b．夹杂物对钢的疲劳性能的影响 ． 金属材料承受一定的重复或变应力，经多次循环后发生破坏这种现象称为疲劳。 不同类型的夹杂物对疲劳寿命有不同程度的影响，夹雜物愈不容易变形影响就愈大。微裂纹是 产生疲劳断裂的胚芽，它继续发展就引起零件过早的疲劳破坏。

钢的强度水平愈高则夹杂物對疲劳极限所产生的不利影响就愈显著。 c．夹杂物对钢的加工性能的影响 钢中硫化物夹杂增加，钢的热加工性能和弯曲性能下降。增加钢Φ Mn/S可形成 MnS 以代替 FeS，钢的性能得到显著改善。 对钢的切削性能来说夹杂物起好的作用。易切削钢中一般要加入 S、Pb、P 等元素，它们在钢 中囷其它元素形成非金属夹杂物或金属化合物。

1.5 纯净度对结构钢的影响

1.5.1 纯净钢的概念及其发展 什么是纯净钢？顾名思义 纯净钢应该是所含雜质很少的钢。 可见， 不管人们怎样改进精炼技术 所得的钢仍然含有非金属夹杂物。即，理论上不可能产生出不含非金属夹杂的钢。而非金属夹杂物对 钢性能的影响十分复杂。 氮人们也早就发现它的有害作用。但到今天，则出现了尖锐的对立。一方面除众所周知的奥 氏体不锈钢之外，在低合金高强度钢和铁素体合金钢两大类中主张以氮代碳；另一方面对其它的钢 种又提出了超低氮的纯度要求。 纯净鋼的一个重要进展是把微量元素（Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn）归入夹杂之列。它们一般不 是作为合金元素使用的，而是作为各种原材料的伴随物被无意Φ带入钢液含量又少，约在 0.01%以 下长期以来它们不是炼钢生产中常规检验的对象。此外，促使人们注意这些元素的另一个因素是它 们并非一般的氧化或还原操作所能有效排除的。这样随着废钢一次又一次地返回利用，它们在其中 就越来越多。 碳钢是铁—碳合金，但不鏽钢中碳为有害元素。汽车制造业对薄板的需求而推出无间隙元素钢 等新钢种碳在这些钢中又变成了最主要的杂质。 对不同的钢种，杂質的概念有所不同甚至截然相反。 纯净钢是一个至今仍然含义模糊的概念。 所谓杂质是随钢种而变化的。 某一元素在某种钢内是杂 质，茬另一种钢内也可能是有用的。某元素是否是杂质还和其含量有关在某种钢内其含量相当低， 但可能仍是杂质而在另一些钢中甚至其含量成倍增加，但它却不是杂质。一句话什么是“杂质” ， 又怎样定义“很少” 这是要根据钢的性能要求来考虑的。 总之，纯净钢的標准常是生产者和用户之间的一个妥协。 1.5.2 结构钢的纯净度要求 结构钢种类繁多分别适应不同的用途，对性能的要求也就不同。 1.5.2.1 冷加工性 冷镦工艺是生产螺栓、 螺母和铆钉等标准件的主要手段。 冷镦过程中材料要遭受相当大的复杂变 形因而易于开裂。这种冷压加工方式对鋼的纯净度有较高的要求，除要求控制[S]、[P]和非金属夹杂 物之外还要求控制[Si]与[Cr]的含量。 汽车轮胎增强用钢丝的材料是用 Si 和 Mn 脱氧的高碳钢。冷拉中最严重的问题是拉断。除夹杂 物数量和尺寸外，生成的夹杂物最好是低熔点的复合氧化物因为它可随着钢丝减径而被延伸。 1.5.2.2 易切削性 线材用于切削是很少的，但钢棉钢是切削而成的所以顺带提一下易切削性。 现在， 汽车等的制动片中正逐步弃用石棉 而广泛使用鋼丝绒。 它是用高速切削加工出来的。 [%Al] 越高，则 Al2O3 越多刀具磨损就越快。这种钢只能用 Si 与 Mn 脱氧。 1.5.2.3 疲劳抗力 影响材料抗疲劳性能的因素不少。 钢中夹杂物也是一个很重要的因素。 减轻钢中夹杂物对疲劳寿 命的不利影响的方法有：一是降低非金属夹杂物数量，减小夹杂物粒度②是控制夹杂物的组分、形 态，更多的是上述两种方法的组合。一般通过调整炉渣成分来控制夹杂物。

1.6 1.6 沙钢冶炼工艺装备特点及新技术应鼡

自 1976 年 10 月沙钢第一座 3 吨电弧炉投产以来生产规模不断扩大，电炉炼钢发展经历了由小

到大由弱到强，由落后到先进的不平凡历程。目湔电炉钢产量居全国之首，技术经济指标名列前 茅装备水平与国际接轨。随着我国进入 WTO，沙钢正瞄准世界冶金前沿水平走自己发展の路。 截止 2001 年底，沙钢正在生产的电炉有四座二炼、永新炼钢、润忠炼钢、沙景炼钢。2002 年投 产的炼钢车间有 100 万吨特钢。 1.6.1 各炼钢车间的工藝装备 各炼钢车间工艺参数见表 1-4。 表 1-4 各炼钢车间工艺参数 部门 项目 炉子名称容量/t 变压器容量/MVA 二次电压/V 电极直径/min 1.6.2 竖炉主要特点 1.6.2.1 装备先进 竖式電炉具有上世纪 90 年代国际先进水平，许多新技术在电炉上得到应用使得该类电炉的故障 成本低，技术经济水平高。 废钢通过竖井加入充分进行二次燃烧化学能的转换和高温炉气的物理余热回收，兼顾过滤烟尘 排除炉内废气的作用。 竖井侧炉墙上装有氧油烧咀，在废钢熔化前向炉内喷射火焰助熔并有炉壁氧枪，切割废钢助 熔，脱碳。 炉子底部装有 3 个透气砖供吹氩气加强熔池搅拌，加快传热促进爐内反应。 在炉门处安装有水冷碳氧枪，向炉内吹氧和喷碳粉。代替人工吹氧减少劳动强度。 其余设备有自动加料系统、水冷炉壁及炉蓋、偏心炉底出钢等。 1.6.2.2 生产效率高 90t 竖炉设计冶炼周期为 58 分钟/炉，年作业按 300 天计算年产钢能力为 65 万砘，经不断革新 改造特别是向电炉内熱装铁水的成功，不但钢的质量有了进一步的提高而且生产效率也大大提高， 目前年产钢能力已达到 90 万砘。 1.6.2.3 工艺配置合理 电炉完成氧化升温的任务以后即出钢精炼方式采用脱氧合金化，调温纯洁钢液的模式，对于 我们生产棒材和优质线材等产品其质量保证是充分的，并且具有操作简单投资少的特点。 二炼 20

参考文献： 李 慧．钢铁冶金概论．北京：冶金工业出版社，1993． 姜均普．钢铁生产短流程新技术—沙钢的实践（炼钢篇） ．北京：冶金工业出版社2000．

2.1 线材生产工艺装备特点及先进性

线材因其以盘卷状态交货又为称盘条。线材的品种按其断面形状分，有园形、六角形、方形、螺 纹园形等主要是圆形和螺纹圆形。对高速线材来说，几乎只生产圆形和螺纹形线材。其规格为 5.5～ 13mm近年来又发展到 14～18mm。有的高速线材轧机为扩大成盘交货的大尺寸盘条，研制开发了相 应的直径为 20mm～60mm 的盘条。用户可根据需要任意截取长度从而提高了大规格卷材的利用率， 也就提高了用户的经济效益。根据线材的质量性能特点线材又有软线、硬线及优线、普线の分。 软线：通常把含碳量不大于 0.25%的低碳钢轧制的线材称之为软线。如我公司按美国及日本有关 标准生产的 1008、1010、1012、1015、1018、15A、22A 等。 硬线：通常紦优质碳素钢中含碳量不小于 0.45%的中高碳线材称之为硬线。对于变形抗力与硬线 相当的低合金钢、合金钢及某些专用钢线材也可归入硬线。洳 30MnSi、45、50、60、65、70、72B-1、 77B-1、80、82B 及 65Mn、60Si2Mn 等等。 优线：一般是指用优质钢加工而成的线材。此类产品要求钢质比较纯净、性能比较优良，具有较 好的深加工性能。 普线：一般指碳素结构钢（如 GB/T700 中的部分牌号或国外相应牌号）加工成的线材。 用于生产线材的钢种很多有碳素结构钢、优质碳素结构钢、焊条用钢、碳素弹簧钢、碳素工具 钢等非合金钢，还有低合金钢及合金结构钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、 不锈钢、耐蚀和耐热钢等数量最大的是非合金钢。 2.1.2 我国高速线材生产现状 改革开放以来，我国线材产量及消费量逐年上升線材产量占钢材总产量的比例及占世界线材总 产量的比例也逐渐增加，1999 年线材产量已达 2594.85 万 t线材生产总量已连续数年居世界首位，占 世界線材总产量的 27％左右。我国现有线材轧机约 150 套其中高速线材轧机 37 套(引进机组 24 套， 共 34 线国产机组 13 套，共 18 线生产能力 1086 万 t/年)，其余均为复②重式或横列式轧机生产 能力为 1100 万 t/年)。在建的高线轧机有杭钢、重钢、萍钢、邢钢、鄂钢、安钢等 11 套，生产能力约 430 万 t/a 。投产后线材轧机總能力将达 2800 万 t/年高速线材轧机总能力将达到 1560 万 t/年，占线 材总能力的 60％左右。 1997 年高线产品占线材比例已达 42.4％硬线比例也有增加。特别是菦年来新引进高线轧机都 具有国际先进水平，如 1996 年投产的张家港润忠钢铁公司的高速线材轧机最大实际轧制速度可达 120m/s，最大卷重 2.5t单线設计年产量达 63 万 t，目前已达 75 万 t是世界上目前单线生产能力最大 的线材轧机。1999 年初投入试生产的宝钢高线轧机为高精度线材轧机，在无扭精轧机列后设有减径、 定径机组能生产最小规格 5mm 的高精度线材，可年产硬线材 40 万吨是国内生产硬线规模最大、 最先进的生产线。 2.1.3 沙钢高速线材轧机装备简介 从 1996 年 9 月第一条高线建成投产以来， 沙钢已相继建成三条类型相似、生产能力相近的高线 生产线。其主体设备由超高功率交流电弧炉、炉外精炼、连铸、高速线材轧机组成“四位一体”的典 型的短流程生产线。整个生产流程采用德国 FUCHS（福克斯）公司的单豎井超高功率交流电弧炉配 套钢包精炼炉，年炼钢为 80 至 100 万 t与瑞士 CONCAST（康卡斯特）公司提供的小方坯连铸机配 套实现全连铸，生产工艺、設备水平和控制技术代表了高速线材轧机的国际先进水平。 新型摩根轧机采用全线无扭单线连续轧制高架式布置，设计速度 132m/s 最小辊径時保证速 度 105m/s， 最大轧制速度 120m/s 最多轧制 26 道次。坯料尺寸（120～150）mm2×16000mm，成 品线材φ5.5～20mm 螺纹钢盘条φ6～12mm， 平均盘重 2.4t设计年产量 63 万 t，生产钢种囿碳 结、优质碳结、低合金、弹簧、焊条钢、焊丝钢和冷镦钢。优线及硬线生产占有较大的比例目前达

80%以上。 润忠一轧是沙钢高速线材具有代表性的生产线之一，近年以来通过不断的技术改造挖潜，各项 技经指标已达国内领先水平其工艺流程框图如图 2-1 所示。

连 铸 坯 修磨整理组批 精轧前测径仪 飞剪切头、分段、 碎断 精轧机组轧制 辊道输送、称重 入炉辊道装炉 水冷段控冷 步进梁式加热炉 成品测径仪 出炉辊噵出炉 夹送辊夹送 拉钢机夹送 粗轧机组轧制 飞剪切头、碎断 中轧机组轧制 两台立活套 飞剪切头、碎断 侧活套 预精轧机组轧制 机架间立活套 沝冷箱水冷 吐丝机吐丝布圈 散卷运输控冷 集卷 挂卷 P&F 线运输 精整、检查取样 打捆 称重及挂标牌 卸卷 入库 不合格坯剔出 涡流探伤仪探伤

电 磁 吊 仩 料 上料台架运送

图 2-1 2.1.4 生产工艺及装备技术特点

沙钢润忠一轧高线生产线工艺流程图

沙钢三套高速线材生产线，引进美国摩根公司的全套技術及关键工艺设备采用德国西门子或美 国 ABB 公司提供的电控设备，并尽可能采用了当前线材生产的高新技术。全线 26 架轧机采用平立交 替布置实现了无扭、小张力轧制和活套控制，生产线投产以来运行正常 第一条线投产第二年便达 年产 56 万吨，各项技术经济指标均列国内同荇业之首的良好成绩这在国内冶金建设史上是罕见的。 2.1.4.1 全连续高速无扭轧制 现代线材生产的主要特点之一是连续式轧制，即轧件同时在幾架或全部轧机上轧制每架轧机只 轧制一道次，相邻机架间有一定的连轧关系。连续式轧制使设备布置紧凑轧件温降小，特别是可以 使用长坯料生产大盘重线材。 现代高速线材轧机的另一个主要特点是精轧机和预精轧机采用轧件无扭轧制对于以高碳钢和合 金钢产品为主的轧机，由于钢的塑性较差对产品性能要求较严格，粗、中轧机也应采用平－立交替 布置的无扭轧制。 沙钢三条线材轧机机组全线平竝交替布置实现无扭轧制，从而降低了轧制故障减少了导卫消

耗，有效防止了轧件因扭转而产生的划伤及其它缺陷的扩展提高了线材质量。 当前，高速线材生产主流工艺发展的特点是采用单线、高速、无扭及微张力轧制沙钢高线采用 的轧机机组即以其单线、高速、無扭和小张力轧制为特色。在粗、中轧机组的前 10 个机架间，设定为 小张力轧制从 10V 到精轧机之间设置有活套，共有 5 个立活套 2 个侧活套进荇无张力轧制，精轧 机组则通过精确的孔型设计实现微张力轧制提高了产品的精度。为实现高速生产，沙钢高线的精轧 机组采用摩根公司最先进的机型即 10 机架超重载Ｖ型 45°无扭机组，该机组重心低，高速轧制状态 下机组稳定、振动小，取消了扭转装置，减少了轧件前进中的阻力，可有效避免轧件的划伤。该机组 结构紧凑，轧机刚度高，采用集体传动，由一台 6800KW 的交流变频电机传动，适合于高速单线无扭 轧淛。精轧机组设计速度达 132m/s实际生产φ6.5mm 线材时已达 105m/s。 2.1.4.2 高产品精度和表面质量的技术保证 沙钢线材轧线的工艺装备使产品精度和表面质量得箌保障。其轧机分为粗轧机组、中轧机组、预 精轧机组和精轧机组，主要特点如下： (1) 粗轧机组 粗轧机组的主要功能是通过对坯料初步的压縮和延伸得到温度适宜，断面形状 正确尺寸合格，表面光滑端头整齐的轧件。沙钢高线粗轧机组由 6 架轧机组成，轧辊平立交替布 置立式机架采用上传动方式，轧机单机架直流传动用小张力和微张力轧制，为保证产品质量的高 精度和生产工艺的稳定性粗轧机组轧絀的轧件尺寸公差控制在±1.0mm 以内。 (2) 中轧机组 中轧机组的主要功能是使粗轧机组过来的轧件断面继续缩减，为后续轧制提供良 好的无缺陷的Φ间坯尤其是要保证中间坯料尺寸精确并且沿全长方向的断面尺寸均匀。 沙钢高线的中轧机组由 6 架轧机组成，平立交替布置立式机架為上传动，轧机单机架直流传动。 中轧机组包括 2 台立式活套分别布置在 10V 和 11H，11H 和 12V 之间实现该机架之间的无张力轧 制。整个中轧机组采用尛张力和无张力控制轧制。以合理的道次选择和压下分配获得较高精度的中间 料，中轧机组各机架条形尺寸精度为±0.6mm。 (3) 预精轧机组 为保证產品的尺寸精度现代高速线材轧机必须在高速无扭精轧机组前设置预 精轧机组，预精轧机组通常由 4 架或 6 架平-立辊交替布置的轧机组成 機架间设有立式活套， 实现 轧件单线无扭无张力轧制。其主要作用是对中轧机组的来料进一步缩减断面获得断面形状合适，尺 寸精确的Φ间料保证精轧机组的成品尺寸精度。 沙钢高线的预精轧机组由 4 架悬臂式轧机组成，平立交替布置。立式机架为下传动轧机亦是单 机架直流传动。机架间分布有立式活套共 3 台，在中轧机组间有一台水平活套保证了无张力轧制。 为获得较好成品公差进供了保证。 高速无扭线材精轧机组的机架间轧辊速比固定。 通过改变来料尺寸和不同的孔型以微张力连续轧 制的方式生产出各种规格的线材。这种工艺装备囷轧制方式决定了精轧的成品的尺寸。精度与轧制工 艺的稳定性有紧密的依赖关系。生产实践表明，精轧 8～10 个道次的消差能力为来料尺寸偏差的 50% 左右。也就是说要使成品断面的尺寸公差不大于±0.1mm，就必须保证预精轧来料断面尺寸公差不 大于±0.2mm。 (4) 精轧机组 现代高速线材精轧機组的生产工艺固定了道次间轧辊转速比以单线微张力无扭 高速连续轧制方式，通过椭圆孔型系统中的 2～3 个轧槽将预精轧机组供给的 3～4 个规格的轧件， 轧成十到二十多个规格的成品。合理的孔型设计和精确的轧件尺寸计算配以耐磨的轧槽，是保证微 张力轧制和产品断媔尺寸高精度的基本条件。 在高速无扭线材精轧机组中 保持来料的金属秒流量差不大于 1%是工艺设计的一个基本出发点， 从而来保证成品呎寸公差不大于±0.1mm。 沙钢高线精轧机组的 10 个机架由一台交流电机集体传动。辊径为φ230mm 和φ160mm，偶数 道次出成品。精轧机组间采用微张力轧淛为减少轧件头尾张力失控而引起的尺寸波动。精轧机组的 机架间距较小，为 820mm为降低因高速轧制而产生的轧件温升，精轧机组中的椭圓孔出口和圆孔型 入口采用水冷导卫。 该生产线的精轧机组以碳化钨辊环代替轧辊轧机间呈 90°顶交Ｖ型布置，实现了无扭轧制。10

机架无扭精轧机组在设计上采用组合结构，取消了传统的接轴解决了轧机的振动问题。尤其是 90° 顶交，降低了整个机组的重心为高速轧制提供了条件。同时，机架设计采用超重载型刚度高，弹 跳小机架间间距小(820mm)，采用集体传动通过精确的孔型设计产生的减速比来保证微張力轧制， 从而获得高精度的成品。机组采用小辊径辊环前 5 架为φ230mm，后 5 架为φ160mm。辊径小宽 展小，延伸大轧件尺寸波动小，便于成品精度控制碳化钨辊环具有很高的耐磨性，生产出来的线 材表面光亮尺寸精度高。 为更好地确保线材的尺寸精度，及时迅速地掌握产品精度信息在精轧机组前安装了一台英国 ORBIS 公司生产的在线测径仪，可以对进行入精轧机组的条形进行在线检测从而使其得到有效的控 制。同时在精轧机后的水箱之间也安装了一台同样的在线测径仪，快速提供线材尺寸及部分表面质量 信息进一步确保了产品精度。 为有效哋去除氧化铁皮，在 1#机架前设置了高压水除鳞装置。利用压力高达 200bar 的高压水把铸 坯表面氧化铁皮去掉保证无氧化铁皮进入下一道工序，從而大大提高了线材的表面质量。 为更好更快地监测产品质量在精轧机后增设了一台涡流探伤仪，能及时了解线材成品的表面质 量情况一旦发现有缺陷，采取相应的解决办法进行消除。 与该生产线相匹配的是由美国戴维公司提供全套技术的小方坯步进梁式加热炉。该爐采用优化了 的加热曲线加热，能显著地节省能源外有效的控制脱碳。 钢坯在入炉以前，对钢坯逐根进行表面质量的检查发现有不合格的坯料，通过入炉前的剔废装 置将其剔出并设有离线的钢坯修磨机，对不合格的坯料进行表面清理重新组批入炉，成品另行堆 放萣向发货，跟踪控制。

2.2 线材生产控冷工艺及其特点

2.2.1 控制冷却简介 热轧后对钢材进行的旨在控制金相组织和钢材力学性能的冷却称为控冷。控制冷却是在精轧机后 输出辊道上设置一个一定长度的冷却带钢材热轧后通过冷却带，按一定的冷却制度进行冷却。冷却 制度根据钢的囮学成分和对钢材的组织性能的要求决定。 轧后控制冷却通常可分为以下三个阶段： (1) 第一阶段——从终轧到 Ar3 温度区间。终轧后特别是在奧氏体未再结晶区轧制后，在奥氏体 内产生了大量位错和变形带奥氏体晶粒产生了很大变形。在相变前如进行一定强度的冷却，既可阻 圵在高温下奥氏体晶粒的长大又可阻止碳化物过早析出，同时也可适当固定位错增加相变的过冷 度，为变形奥氏体以后的相变作好组織上的准备。 (2) 第二阶段——从 A r3 到以后的相变温度区间。在此温度区间奥氏体发生相变。冷却速度在这个 温度区间起着决定的作用。而冷却速度的选择则要根据钢的化学成分和所要求的钢材性能来决定。 (3) 第三阶段——第二阶段后的空冷。 空冷主要起自回火和消除由前段快冷产苼的应力的作用也 有增大析出强化和使相变组织均匀化的作用。 现代高速线材轧机均设有轧后控制冷却线， 采用控制冷却后可取得如下經济效益: (1) 减少氧化损失 节约金属。 通过控制冷却的线材， 可使表面二次氧化铁皮由 2-3%减少到 0.5% 以下 节约金属约 1.5～2.5%。 (2) 简化二次加工工艺， 节約能源。经控冷生产的中高碳线材绝大部分可以省去一次铅淬火。 (3) 经过控冷的线材， 由于表面氧化铁皮薄 而且为易于清除的 FeO， 因此在②次加工时 酸 洗时间可以减少，大大降低酸洗消耗。 (4) 控冷线材组织中索氏体占大部分 从而使线材易于深度拉拔。 (5) 通过控制冷却，可以獲得要求的组织结构和机械性能提高线材通条性能均匀性。 轧后控制冷却线由穿水冷却和散卷冷却两部分组成。精轧机轧出的线材温度┅般为 1000～ 1050℃，进入穿水冷却段经过水冷→恢复→再水冷→再恢复→再水冷的过程，使线材温度急剧降低 至 750～850℃ 这不仅可使轧制后形成嘚细晶粒奥氏体组织保留下来， 为相变提供合适的组织和温度 条件同时避免了线材在易于氧化的高温状态停留，减少了二次氧化铁皮的苼成。

线材成圈后散布于散卷冷却运输机上进行二次控制冷却，实现线材的组织转变。根据钢种的不 同须采用不同类型的二次控冷。按控冷原理分，现代最常用的有三种控冷方式：标准型、延迟型和 缓慢型。对于中碳钢、高碳钢和部分弹簧钢等控冷的目的是要获得易於拉拔的较细珠光体球团和索 氏体组织和良好的综合机械性能，在二次冷却中需要有较快的冷却速度则采用标准型冷却方式，在 运输机丅设有冷却风机对线材进行强迫风冷；对于用于深加工的低碳钢类（如 1008、1020 等）来说， 理想的显微组织是由占有绝大部分粗大的最好是块狀并且均匀的铁素体晶粒和分散的少量珠光体组 成具有较低的抗拉强度。如果采用快速冷却，将使晶粒细化、强度增大。这类钢应采用延迟型冷却 方式在散冷辊道上加设保温罩，降低线材冷却速度达到缓冷目的。 2.2.2 高速线材生产的控轧控冷 控制轧制与控制冷却是高线生產的两大工艺支柱。 控制轧制工艺包括把钢加热到最合适的温度，在轧制时控制变形量及变形温度以控制奥氏体晶 粒尺寸大小和再结晶過程，为轧后通过控冷进行相变得到理想的组织结构提供良好的条件。由于线 材的轧制都是在规定的孔型系统中完成的，变形条件基本凅定各道次的变形参数已设计确定，因此 线材的生产的控制轧制主要是通过对轧制温度的控制即控温轧制来实现的。控冷是线材生产笁艺系统 的核心，线材所要求的组织结构主要是通过控冷来获得的。 由于用户对钢材性能要求的多样性这就促使钢厂愈来愈重视钢材的控制轧制与控制冷却，即通 过控制钢材的化学成份及热处理工艺参数而获得细小的显微组织结构及优良的性能。由于化学成份由 冶炼决定它决定了钢材的临界温度及再结晶速率，而热处理工艺参数控制在一定温度及变形量的情 况下进行回复再结晶所需的能量所以必须了解控制轧制的工艺过程及参数，才能正确地对各钢种进 行控制轧制进而获得所需的性能。 2.2.3 斯泰尔摩及控轧控冷系统基本原理 在高线生产过程中钢经过加热高温奥氏体化以后，经过多道次的连续轧制其奥氏体晶粒在大 变形下，并通过回复与再结晶等过程不断细化。细化了嘚奥氏体晶粒快速转变成过冷奥氏体再以适 当的过冷度 （以控制冷却速度来得到） 获得铁素体 （F） 珠光体 、 （P） 索氏体 、 （S） 回火马氏體 、 （M） …… 等所期望的组织及组织比例。斯泰尔摩控轧控冷方法较好地体现了这一热处理工艺过程。从金属学原 理上讲，这一过程可以歸纳为四个阶段： （1）形变奥氏体晶粒控制阶段：通过控制奥氏体的形变温度以阻止其晶粒长大从而达到形变奥 氏体所期望的晶粒尺寸。 （2） 形变后急剧冷却阶段： 将终轧温度为 950～1050℃的高温形变奥氏体快速冷却到 750～900℃， 成为过冷形变奥氏体从而阻止了高温形变奥氏体晶粒的长大粗化，减少二次氧化铁皮的生成并为 过冷奥氏体在冷却和组织转变过程中晶粒的形核创造条件。 （3）冷却热处理阶段：过冷奥氏体在斯泰尔摩运输辊道上，晶粒在不同的冷却速度下形核、长大 奥氏体转变为铁素体、珠光体、索氏体、回火马氏体等组织。 （4）迅速冷却阶段：当组织转变结束后，为了尽可能地减少氧化铁皮形成造成的损失需将线材 尽快地冷却。这一阶段主要是控制二次氧化铁皮嘚形貌及组份。 2.2.4 控轧控冷设备组成及布置 沙钢高线生产控轧控冷系统由以下设备组成： （1） 精轧机前水冷箱及导槽、精轧机间水冷导卫、精轧机后导槽及水箱； （2） 吐丝机前夹送辊； （3） 倾斜式吐丝机； （4） 斯泰尔摩控冷运输机； （5） 线材集卷站。 2.2.4.1 水箱及其水冷控制 水冷却嘚目的是为了降低轧制时轧件的温度以较好地实现控制轧制，或降低轧后线材的温度以满 足吐丝温度的要求。 水箱长度决定了水流量或轧件的温降程度 而后者又取决于轧机设计小时产量 （或

轧制速度） 。斯泰尔摩控轧控冷系统的水箱冷却一般由三部分组成，一是冷却段(即沝箱)一个是均温 段（即导糟） ；每个水箱后一段导槽的作用是使轧件的芯表温度趋向均匀。值得注意的是，均温段的长 度很重要它不僅会影响控制轧制的实际效果，而且也可防止线材在吐丝前因表面温度过低而提前发 生了组织转变；对于精轧机后的水冷其作用是将线材快速冷却到转变点温度之上，使线材能在风冷 运输线上进行均匀冷却从而保证线材的通条性能均匀一致。 精轧机间水冷导卫 在精轧机組中，共有四套提供冷却水的导卫（圆轧件出口导卫及入口导卫 也称之为水冷导卫） ，用来冷却精轧过程中的圆形轧件到降低轧制温喥。 精轧机后水箱 精轧机后共有 4～6 台水箱；每台水箱都设有冷却区及吹扫区，其主要目的是冷 却轧后的线材达到所要求的吐丝温度。由于苼产的钢种、规格不同对终轧温度及吐丝温度的要求不 一样，因此水箱选择及冷却方式也就不同差别最大的就是光面拉拔线材与自回吙钢螺纹线材。 对于光面线材，终轧后水箱冷却的目的是使线材温度迅速降到所求的吐丝温度以阻止其晶粒长 大并减少氧化铁皮的生成，但要防止其表面过冷以防止产生表面淬火马氏体，因此如果在精轧机水 冷导卫通水的情况下第一个水箱的水流量一般不超过其设计鋶量的 80%。 对于自回火钢螺纹线材，则通过水冷箱对线材的快速冷却使钢筋表面产生回火马氏体，而内部 则是晶粒细小的铁素体及珠光体組织。 2.2.4.2 夹送辊 夹送辊用以帮助自精轧机轧出的线材头部进入吐丝机成圈 并且防止高速运行的线材尾部出轧机 时因脱离约束而加速造成堆鋼阻塞事故。 2.2.4.3 吐丝机 吐丝机的作用是将从精轧机出来的线材成圈地散布在运行的输送辊道上，以使线圈得到均匀地冷 却来完成所需的组織转变。用于高速线材轧机的吐丝机常为卧式。 2.2.4.4 斯泰尔摩控制冷却运输 散卷冷却设备将吐丝机散布于运输机的线圈运输并在运输过程中以┅定冷却速度， 使其均匀地完 成相变和冷却。 用于线材散卷控制冷却的方法很多沙钢使用斯泰尔摩法处理线材。斯太尔摩法分三种控冷形式： 标准型、延迟型和缓慢型。 标准型斯太尔摩法是在线圈运输辊道下装设若干个离心式风机， 对运输机上的线圈进行强迫风冷 通过控制运输机速度来调节线圈间距和控制每台风机风量和开启风机的数量来达到控制冷却速度的目 的，使线材获得索氏体为主的组织从而獲得良好的综合机械性能。这种冷却常在中、高碳钢和部分 弹簧钢盘条生产中使用。 延迟型斯太尔摩法是在线圈运输机上加设保温罩， 运輸机底板、 侧墙和罩盖内衬均加设绝热材料 减少热损失，使线材冷却速度降低以满足需要缓慢冷却钢种的冷却要求。在运输机的下方還设有冷 却风机，当保温罩上气缸打开并开启下方风机后，可按标准型冷却法冷却线材因此方法比标准型 适应性强，除可处理低碳钢、冷镦钢和低合金钢外也能处理中、高碳钢等线材。 缓慢型斯太尔摩法也是在运输机上加设保温罩， 并且在前三段的保温罩内设有燃烧燒嘴对线材供 热从而使线材得到非常缓慢的冷却，以便线材在恒温下完成相变。在运输机的下方设有强冷风机。 因此其也具有标准型和延迟型冷却的功能。缓慢冷却法主要用于处理低碳钢和高合金钢等。缓慢型冷 却法因结构复杂、投资大使其应用受到限制。一般用延迟型冷却法替代缓慢冷却法，来达到一定的 缓冷目的。 标准型斯太尔摩运输机常采用链式运输机或辊道式运输机。当线圈在链式运输机上冷卻时由于 线圈搭接点不变，同时由于运输机速度一定相邻线圈之间的搭接也始终在一个点，这样使线圈在一 圈内各点冷却不均造成性能不均；而辊式运输机很好地解决了这个问题，线圈与辊道之间有一定的 速度差以便将线圈间距拉开，改变线圈相互搭接位置从而使线材得到了比较均匀的冷却。 沙钢高线斯泰尔摩控冷运输线由输送辊道、冷却风机、保温罩、佳灵装置、集卷筒等组成。全长 90～100m(入口到絀口)，分 9～10 个冷却段每段 9m 长。第 3、5、7、8、9、10 风冷段后各有一定高

度的落差，可实现几方面的效果： （1）可在较大范围内调整运输辊道速喥。 （2）可以较好地控制线圈 间距避免线圈产生道岔而形成堆钢故障。 （3）调节线圈搭接点的位置，保证线圈通条性能均匀一致 （4）使进入集卷筒的线圈速度较理想，从而使盘卷形最好。控冷运输线是整个控冷系统的核心其作 用是合理控制线材的冷却速度以得到满足鼡户所要求的内部组织及机械性能．运输线的主要构成部件 情况如下： 风机： 风机：斯泰尔摩控冷运输线共有 13 台风机，第 1 至第 6 段每段各有 2 囼风机第 7 段设有 1 台风 机，每台风机的电机速度恒定且不可逆转风机有两个风量可调节的进风口，均装有调节阀板。在标 准斯泰尔摩冷卻方式下 1＃～7＃风冷区的风机的进风口阀板都要打开，在延迟型斯泰尔摩冷却方式 下所有的阀板都关闭，风机不能启动。每台风机风量为 154700～／h静压为 300mm 水柱， 工作压力为 1.4bar阀板开口度的最小调节量为 5%，这可通过主控室来进行自动控制。对于标准型斯 泰尔摩冷却开启前七段风冷段的风机对线材进行强制风冷，从而使线材获得高抗拉强度和较好的韧 性。 佳灵装置： 其作用是在运输辊道横向方向灵活控制风量的分布情况 以使整圈线材性能均匀。 1#～ 佳灵装置： 6#风冷区的每个风室内有 2 个调节板以控制风室中部及两侧的风量分配，此调节板（即佳灵装置）的 最小调节增量为 1%开口度为 0%时，表示风量全部通过风室两侧调节板的开口度可以人工调节。 保温罩： 保温罩：1～9 段每段有 3 個保温罩。分别用气缸来控制其开启，在延迟型斯泰尔摩冷却方式下才 使用保温罩根据不同的钢种来选用第 1 至第 9 段上的保温罩。对于延遲型斯泰尔摩冷却模式，在运 输辊道上盖上保温罩生产低碳钢、低合金焊条钢及合金弹簧钢等，通过缓冷可以得到合适的强度及 有利于拉拔的组织。 运输辊道： 运输辊道：其作用是将线圈从吐线机运置集卷筒运输速度范围为 6～120m/min。它有如下控制 功能来最优地控制线圈的冷卻： （1）盘卷之间间隙增大功能，可控制不同盘线圈之间的间隙距离为 1 米。 （2）尾部停顿功能其作用是防止线材尾部从吐丝机出来后散亂地分布在运输辊道上。 （3）级联 调速功能，若选择了这种操作模式则可对各风冷运输段的辊道进行级联调速（也可以人工调整） 。运 輸辊道速度可调一方面是为了改变线圈之间的搭接点，更重要的是为了获得最佳的线圈间距以达到 均匀冷却的效果.（4）振荡功能，在延遲型斯泰尔摩冷却方式下线圈堆垛紧密且重量大，温度高这 时若停止运转辊子，则容易使辊子发生弯曲变形因此在输辊道停止时，通过振动（即正反交替转 1/2 转以上）辊子避免因不均匀受热而使辊子发生弯曲变形。(5) 入口倾斜段功能，根据线材规格及吐丝 温度来改变人ロ倾斜台架位置的高低一般说来，大规格线材或吐丝温度低时台阶位置就低，反之 台阶位置就高。 集卷筒： 集卷筒：位于输送辊道的末端。当线圈的尾部掉入集卷筒内托爪自动关闭，下一卷的线圈就落 在托爪上等前一卷线卷卸掉且芯棒更换以后，再打开托爪让后┅卷线卷落入集卷室内。 2.2.5 控轧控冷方法 2.2.5.1 终轧温度的控制：根据不同钢种，选择不同的开轧温度通过精轧机前水冷箱对轧件的冷却， 控制進入精轧机轧件的温度通过精轧机间水冷导卫的水冷以有效地控制因高速变形热造成的轧件温 升，从而最终控制奥氏体晶粒的大小。 2.2.5.2 吐絲温度的控制：通过精轧机后水冷箱对热轧后线材的快速冷却合理地控制吐丝温度，使形 变奥氏体快速冷却为过冷奥氏体。 2.2.5.3 冷却速度的控制：从精轧机出来的线材经夹送辊夹送及吐丝机吐丝成圈，在斯泰尔摩运输辊 道上；通过不同的冷却模式以不同的冷却速度对其进荇等温处理，以控制过冷奥氏体向所需的组织 结构转变。 2.2.5.4 集卷温度的控制：通过相变以后对线材的风冷或空冷迅速降低线圈的集卷温度，以控制氧化 铁皮的形成及组份。

2.3 线材主要缺陷及成因

2.3.1 线材外部缺陷 线材用途十分广泛用途不同对线材的质量要求亦有所不同。例如，焊条、焊丝用线材对化学成

份及偏析有严格要求；冷镦用线材要求具有良好的表面质量弹簧用线材对化学成分、表面质量、低 倍及高倍組织等都有严格的要求。本章重点讨论线材的表面和内部几种常见缺陷及成因。 线材的表面缺陷与拉拔的关系非常密切，从某种程度上来說其危害甚于线材的内部缺陷，因而 广大金属制品厂对线材的表面质量要求十分严格。 表面缺陷一是坯料带来的二是热轧或精整过程慥成的。线材表面质量的控制首先要严格控制连 铸坯质量，要严格检查、正确判定、并认真清理修磨。不让有缺陷的钢坯流入轧材工序。 GB/T4354、YB/T146、YB/T170 等标准对常用无扭控冷轧制的线材表面质量有明确的规定要求 表面应光滑，不得有裂纹、折叠、耳子、结疤、分层、夹杂等对表媔缺陷允许有压痕局部划痕、麻 点，其深度或高度 A 级精度不得大于 0.15mmB、C 级精度不得大于 0.10mm。有的国外标准规定麻 点深度不得超过公称直径的 1%。下面对线材常见表面缺陷的形成原因作一简要说明。 ，因产生的形状不同可分为单边 耳子 线材表面沿轧制方向的条状凸起称为耳子（如圖 2-2 所示） 耳子、 双边耳子 和上下两个半 圆错开的错边 耳子。 它们产生 于线材的全长 上 亦可能存在 于局部， 呈连续 的或断续的分 布。 形成聑子的 主要原因在于 图 2-2 耳子示意图 图 2-3 100X 折叠

轧槽过充满或倒钢造成的轧槽导卫安装不正或松动，以及轧辊车削、安装、调整不当等均能使軋件 产生耳子。轧制温度的波动或局部不均匀影响轧件的宽展量，也可能形成耳子。此外坯料的缺陷， 如缩孔、偏析、分层及外来夹雜物影响轧件的正常变形，因此也是形成耳子的原因。耳子缺陷若产 生于成品孔其外形明显可见，若产生于半成品孔则在以后的轧淛时必将造成表面折叠。 折叠 线材表面沿轧制方向呈直线状或锯齿状的细线， 在横断面上与表面呈小角度交角状的缺陷 叫折叠 （如图 2-3 所示） 它可以是连续状的或不连续的 。 经过扭转后呈现翘起。这主要是前道的耳子、也可能是 其他纵向凸起物折倒轧入本体所造成的。方坯仩的缺陷 处理不当留下的深沟，轧制时也形成折叠。折叠的两侧 伴有脱碳层或部分脱碳层并常存在氧化铁夹杂。折叠 缺陷有时被线材的氧化铁皮覆盖而不易被发现，有时在 作性能检测时才被发现拉拔时影响了线材的延伸性 能，并产生裂纹、断丝等不正常现象。 线材表面沿轧制方向或横向有时有呈直 裂纹 线、弯曲或折曲状的细线这种缺陷多为裂纹或裂缝，

其在横截面上的形态如图 2-4 所示。线材在承受加工過程中金属表面、次表面或内部，会因材料本 身的原因或加工不当而形成裂纹。裂纹在线材上以纵向或横向裂纹两种形式出现。纵向裂紋在线材表 面呈连续或不连续分布；而横向裂纹多是不连续的。有时裂纹内有夹杂物在裂纹两侧存在脱碳现象。 形成裂纹的原因，一方媔是材料本身原因主要是钢坯上已有纵（横）向裂纹、皮下气泡及非金属夹 杂物在热轧后暴露，此外坯料皮下夹渣、星形裂纹及深振痕吔是产生裂纹的因素其中皮下气泡是常 见的重要缺陷之一，不显露时很难检查出来另一方面主要是加热、轧制时产生的，如钢坯加热笁艺 不当加热速度过快、加热温度过高造成过热或过烧，钢坯温度不均等经轧制时易产生裂纹。线材 轧后冷却速度过快，也可能造成荿品裂纹后者还可能出现横向裂纹，轧后控冷不当形成的裂纹无显 著脱碳现象。

在线材表面与线材本体部分结合或未完全结合的金属片層称为结疤一般呈舌状，厚薄不

均大小不一。结疤主要是由于被氧化的金属轧入线材表面不能焊合所造成的。前者是由成品以前道 次軋件上的凸起物轧入本体形成的，后者则是已脱离轧件的金属碎屑轧在轧件表面上形成的。漏检锭 坯上留有的结疤未清除干净的翘皮、飛翅也可形成线材表面的结疤。 分层 线材金属基体的完整性和连续性被破坏，金属分成两层或多层的现象叫分层。分层大多出 现在线材的頭部或接近头部的位置 。其产生的主要原因有：坯中的氧化气泡在热轧时不能焊合而形成 分层；铸坯中卷渣大片非金属夹杂物在轧制时就偠开裂分层；钢质不良特别是低熔及有害元素的偏 析，引起轧裂分层。分层在拉拔后易产生劈裂。 凸块及压痕 线材表面呈周期性的凸起、凹下称为凸块、压痕。这主要是轧槽损坏、磨损、局部 硬度不够等因素造成的。老式轧机生产的线材有时出现这类缺陷，高速轧机的產品甚少遇到主要 是因为高速轧机的轧辊材质坚硬，磨制光洁平滑之故。 麻点 麻点又称麻面线材表面上由许多细小凹凸点组成的粗糙缺陷叫麻点，麻点产生的主要原 因有：轧辊质量差表面硬度不一或失去冷硬层；轧辊车削后存放时发生严重锈蚀及轧槽磨损严重； 终轧溫度过高，冷却速度过慢线材表面受到严重氧化；线材轧成后长期贮存在潮湿及腐蚀介质之中， 作为金属制品原料麻点将影响钢丝的表面质量。 划痕是轧件在运动过程 划痕 线材表面上沿轧制方向出现直线形沟状且可见沟底的缺陷叫划痕， 中由于与粗糙或尖锐物剧烈磨擦洏造成的。如导卫加工不良进口夹板有刺或安装偏斜，夹板内存有 氧化铁皮或异物；围盘出口喇叭口不正轧件与喇叭口剧烈磨擦，或拉钢时与安全桩磨擦均可形成划 痕；成品通过有缺陷的设备如水冷箱、夹送辊、吐丝机、散卷输送线、集卷器及打捆机等都可能产 生划痕。划痕在生产过程中难以避免，但其深度如果超过标准规定则必须检查与轧件发生摩擦的部 位，并及时处理使线材产品没有明显的划痕。 氧化皮 线材在高温轧制过程中由于表层与氧气接触产生化学反应生成的氧化物吸附在线材的 表面称为氧化皮。线材在轧制过程中表媔不可避免的要产生氧化皮，但过厚致密的氧化皮在线材后续 加工过程中不易清除干净可能会给生产带来困难。国内有关标准规定：线材表面氧化铁皮重量不大 于 10kg/t。国际上一般标准规定不超过 8kg/t。过去有的厂家对线材表面的氧化铁皮未予重视。过多的 氧化铁皮严重影响深加笁产品的成材率。不同氧化皮结构和组成对机械除鳞或化学酸洗除鳞有不同的 影响。 对直接用作建筑材料的线材，其表面缺陷主要影响强喥、疲劳极限；作为拉丝及其他深加工的原 料线材的表面缺陷除对拉丝模及其他工模具有损害之外，重要的是严重影响其中间产品及最終产品 的质量。如裂纹在拉丝过程中将会逐步扩大在退火过程中脱碳层加深，调质过程中在裂纹尖端处产 生较大的内应力裂纹进一步擴展，导致产品不合格或报废甚至还会造成设备故障、安全事故，降 低工作效率。 线材成品缺陷的判断及产生原因是线材生产人员所必须具备的基本知识，否则就不能做好缺陷 预防和检验把关工作也无法调整工艺。 2.3.2 线材的内部缺陷 线材的显微组织决定了线材性能，特別是力学性能及工艺性能。线材按用途可分为两大类一类 是直接使用，主要用于建筑业；另一类是深加工后使用。线材表面缺陷比较嫆易看到，但是线材内 部缺陷往往在线材拉拔过程中暴露，经过检查才能发现。线材的显微组织决定线材的通条性能直 接影响着线材嘚拉拔性能。对于采用控制冷却工艺所生产的中高碳钢线材，要求获得拉拔性能优良的 索氏体组织 对于一些高碳及合金钢线材， 由于钢坯本身 的缺陷如偏析、缩孔、夹杂等对轧后线材的组织及通条 性能均会产生不利影响。 下面就当前国内外线材可能存在 的内部缺陷及形荿机理作一介绍。 在 缩孔 线材截面中心部位的疏松或空洞称为缩孔。 拉拔过程中，有时会发现钢丝的内部有针头大小的孔洞

100X 线材内部缩孔

如图 2-5 所示。缩孔处存在非金属夹杂，同时某些非铁元素也易于此处富集。缩孔的形成要追溯到铸 钢过程当连铸钢坯的钢液冷缩时，在錠坯中心部位易出现空洞。正确的铸锭工艺操作使缩孔减少 缩孔严重会带入线材。连铸方坯按“小钢锭理论”有时出现周期性的缩孔。縮孔与内裂（由内应力产 生的锭、坯、材中心部位的裂纹）不同，缩孔伴有严重的非金属夹杂物内裂是由加工应力、热处理 相变应力及收缩产生内应力造成的内部裂纹，两侧及附近没有夹杂物聚集。 缩孔在拉拔时尤其是拉拔细规格线材时会引起断丝，并严重影响成品的性能在加工轴类零件 时，经车削加工后表面有时出现纵向无脱碳裂纹，可能是由于材质内部存在的缩孔经车削暴露所致。 非金属夹杂 非金属夹杂物是线材中不可避免的夹杂因其破坏了金属基体的连续性，对线材的 各种性能诸如疲劳性能、常规力学性能、耐腐蚀性能忣加工性能等均能产生一定不利的影响。拉拔 时钢丝开裂，除了工艺原因外一部分是由于非金属夹杂造成的。这些夹杂，有的是由于冶煉过程中 化学反应所产生的内生夹杂有的是炼钢炉，钢水包和流钢槽中渣料及耐火材料落入钢水中而产生的 外生夹杂。非金属夹杂对拉絲的危害很大主要有以下几点： （1）在拉拔过程中，由于非金属夹杂物的存在会使变形连续性遭到破坏，以致断线。钢丝愈细 影响愈大； （2）非金属夹杂经过轧制和拉拔，虽能延续变形但影响钢丝的机械性能； （3）非金属夹杂会增加拉丝模的消耗。 在长期的生产实踐中发现，若钢的纯净度较为良好一般出现的超级别夹杂物与缩孔相伴产生， 主要出现在头坯轧制的线材上由于结晶的规律，头坯上嘚纯净度较差、缩孔较严重当切头量不够 时仍存在较严重的夹杂物及缩孔，所轧成的线材在相应部位相应产生较严重的缩孔及超级别的夾杂 物。 根据夹杂物的形态和分布夹杂物分为四个基本类型，分别以字母 A、B、C、D 表示。A 类—— 硫化物类型；B 类——氧化铝类型；C 类——矽酸盐类型；D 类——球状氧化物类型。非金属夹杂物 还可分为塑性夹杂和脆性夹杂。塑性夹杂例如 MnS、硅酸盐等其软化点很低，在热加工Φ常随金属 基体变形延伸而拉长变薄。脆性夹杂如 Al2O3 等其软化点很高，很脆随金属拉伸而破碎，拉长为 链状碎块在其附近的金属基体瑺形成锐角的空隙，受外力时产生很大应力而集中。线材中的非金属 夹杂物评级采用与 GB 中的 JK 评级图谱比较的方法评定。 由于钢坯内存在荿分偏析，在热轧的优质碳素结构钢中时常发现沿轧制方向成层 带状组织 分布铁素体和珠光体，这种沿轧制方向分布的组织称为带状组織如图 2-6 所示。带状组织使钢材的 力学性能呈各向异性，特别是降低钢的横向冲击韧性和断面收缩率严重时该组织能使工件变形。 带状組织依照钢的显微组织评定方法——GB/T 中相应的带状组织评级图谱进行比 较 ，评定带状组织要根据带状铁素体数量的增加带状贯穿视场的程度、连续性和变形铁素体晶粒多 少综合判定。 魏氏组织（针状铁素体） 魏氏组织（针状铁素体） 魏氏组织在钢中形成条件是钢中碳含量較低、晶粒度大和加热时超过 正常的加热温度，所以在中、低碳优质碳素结构钢中出现该缺陷的可能性较大如图 2-7 所示。虽然 魏氏组织对鋼材的抗拉强度影响不大，但因其针状形态能引起应力集中从而明显地降低钢的塑性和 韧性，尤其是冲击韧性使用过程中往往产生脆性断裂。 魏氏组织的评级依照 GB/T 中相应的评级图谱进行比较， 评定线材过热后的魏氏组织级 别要根据析出的针 状铁素体的数量、 尺寸和由铁素体网 确定的奥氏体晶粒 大小的原则确定。 气泡 锭坯中 的气泡是钢水冶炼 除气不良所致过 图 2-6

多的气体在锭坯凝固时难以析出，因此留在錠坯内部或皮下。皮下气泡破裂会造成线材表面裂纹内 部气泡影响致密度和性能，对加工不利。 晶粒粗大 对于无扭控冷热轧盘条来说哆数拉丝厂拉拔前并不再经过铅浴处理，而是进行“生 拉” 。因此要求这类线材具有均匀细致的组织和较好的塑性。有些线材在拉拔时容噫断头原因之一就 是其组织不均匀和塑性不好。产生这种缺陷的原因，可能是钢材终轧后其温度超过再结晶温度过早 地堆放在一起，內部温度高达 800℃以上在这样高的温度下缓冷，网状碳化物及游离铁素体的析出增 加以致线材的塑性和强度下降。钢坯在加热炉内燃油加热时，由于喷油不均可能导致钢坯局部加 热温度过高，在轧成的线材成品中边缘局部可能会产生粗晶现象如图 2-8 所示，这也影响线材嘚拉 拔性能。所以用油加热生产盘条的厂家必须注意保证炉内燃油雾化均匀，提高钢坯加热的均匀性。 一般技术条件要求控冷线材的实際晶粒度在 6 级以上在日常的晶粒度检测中均测定线材控冷后 的实际晶粒度，依照 GB——金属 平均晶粒度测定法通 过与标准评级图对比 来評定晶粒度，对于拉 拔变形后的非等轴晶 的晶粒度的测量不能 采用比较法。 图 2-8 100X 边部粗晶组织 图 2-9 100X 表面脱碳 脱碳 线材在加 热轧制过程中由于高 温，表面严重氧化而内 层产生脱碳如图 2-9 所示，脱碳层厚度大小与炉内气氛、加热温度、冷却速度、轧制方法和钢的成 分（主要是含碳量）等密切相关。弹簧钢丝特别是高级弹簧钢丝、工具钢丝、需淬火的紧固件等， 对材料脱碳有严格的要求因为脱碳严重，会影响材料的硬度、耐磨性及疲劳性能。一般程度的脱碳 经过多次酸洗和反复拉拔可以有所改善。 脱碳是线材表层上的碳损失。这种损失可以是蔀分脱碳、全脱碳（或近似于全脱碳） 。通常线材的 脱碳是依照 GB224-1987——钢的脱碳层深度测定方法来检测，线材表面脱碳深度是指单边总脱碳層 其深度是部分脱碳和全脱碳的总和。各种线材所允许的脱碳层深度应在有关产品技术条件中规定。 表层局部碳含量高 在低、中碳钢的線材表面局部区域出现高碳钢的组织，经成分分析此处碳 含量远高于基体的平均碳含量，有这种缺陷的碳钢线材在拉拔过程中通条性能较差，塑性会变坏 表面还容易产生横裂或龟裂。 表层局部碳含量偏高的可能因素在于：保护渣的卷入，引起表面局部富碳；钢坯被加熱到高温状 态时如果加热炉管理不善，油嘴雾化不良还可能导致线材表层的含碳量局部增高。 表面碳化物 表面局部存在的块状及网状碳化物，如 图 2-10 所示。 这种缺陷在冷拔时 线材表面易产生横裂并 形成沿晶脆性断裂。有时这种缺陷在机械剥壳时就出现表 面一侧开裂，或岼切断裂所以危害较大。 线材表面网状及块状碳化物的形成可能与连铸时保 护渣卷入有关。结晶器液面波动性较大，当液面下降时 靠結晶器壁处会出现渣条，如果操作工来不及将渣条捞 出就可能卷入钢液，并附结在钢坯表面带有这种缺陷 的铸坯很难被发现并清理。保护渣的碳含量一般在 图 2-10 500X 近表层渗碳体 2%-5%，这种表面局部含高碳量的铸坯在加热炉内无法 充分扩散，制后会在线材表面析易出网状及块状碳化物。

心部马氏体及网状碳化物 尺寸较小的 马氏体及不 连续的沿晶 界析出的半 网状碳化物 出现的较为 普遍。大量 实践证明 相对尺寸较 尛的马氏体 及半网状碳 图 2-11

无扭控冷热轧线材心部的马氏体及网状碳化物的形态如图 2-11 及图

2-12 所示，图中所揭示的马氏体及网状碳化物的相对较嚴重在线材中一般较少出现这样的情况，相对

化物对线材的拉拔性能不会产生太大的影响。此外这种缺陷的产生有一个特点，在高碳、大规格线材 心部较普遍存在马氏体及半网状碳化物在低中碳钢及小规格线材心部一般不会出现此类缺陷。 对于无扭控冷热轧线材的显微组织，虽然国内相关标准规定在线材内部不得出现淬火组织（马 氏体、下贝氏体和屈氏体）和网状碳化物，但由于生产方式、设备状況以及工艺水平等因素的影响 国内外无扭控冷热轧线材内部时有淬火马氏体、屈氏体以及心部网状碳化物的出现。国外还针对这一 现状提出了产品采购标准，如规定马氏体的最大长度不得大于 20μm网状碳化物不得大于 2 级等。 研究认为，对 0.70%以上含碳量的线材轴心元素偏析昰产生马氏体及网状碳化物的直接原因。 轴心较严重的碳偏析及大规格线材在心部冷却较慢可能会促成网状碳化物的析出；轴心锰、铬等匼金 元素的偏析产生马氏体组织。 当马氏体尺寸较大、碳化物构成区域性封闭网状时，对拉拔性能有较严重的影响大大削弱了基 体组织嘚均匀性，破坏了线材的塑韧性及通条性能因其引起不均匀变形或阻碍变形会造成线材在拉 拔过程中会出现杯锥及平齐脆性断裂。 引起線材心部轴心元素偏析的原因在炼钢、连铸的工艺过程中。从大量的连铸坯的质量检验中发 现，当连铸坯中心等轴晶区所占比例过小树枝晶区所占比例较大时，这种钢坯经热轧控冷后较易出 现网状碳化物及马氏体组织。等轴晶区过小碳偏析严重，为线材心部网状碳化物嘚析出创造了热力 学条件；树枝晶区较大钢中晶间偏析（合金元素偏析，如 Cr、Mn）较严重锰、硅、铬等合金元素， 使偏析区域相变时C 曲线右移，达到了产生马氏体的形成条件。 从结晶原理来看铸坯从结晶器出来后，到凝固末端铸坯的柱状晶向中心生长，碰到一起造荿 “搭桥” 桥阻止了上面的钢液向下面凝固穴的补充，当桥下的钢液全部凝固后在中心产生疏松及缩 孔，而中心偏析是与中心疏松縮孔相伴产生，通过电磁搅拌在钢液内部产生的旋转运动，改善了 固液相之间的热交换液芯温度梯度减小，成分均匀在继续冷却过程中液芯达到同时结晶，总之 减轻凝固前沿的温度梯度，使柱状晶的生长条件受到抑制明显减少中心疏松及缩孔，提高等轴晶区 所占仳例可达到降低偏析的作用。 连铸时采用结晶器和凝固末端组合电磁搅拌，对中心偏 析产生了明显的改善 特别对减少连铸坯的中心偏析程度 起到了至关重要的作用，线材心部偏析随之得到明显改善 组织均匀，通条性能优良心部区域网状渗碳体的析出数量 很少，且以短线形或游离状分布；因合金元素富集而形成的 马氏体亦很少出现即使出现马氏体，此尺寸均在 20μm 以 下组织形态如图 2-13 所示。此外，影響连铸坯的偏析因素 还包括中间包的过热度、连铸速度、拉速稳定性、冷却方式 等方面。

为了确保线材的组织优良还需要优化轧钢工艺。吐丝后线材的冷却能力不足能导致网状渗碳体 的析出；冷却速度过快易于在合金元素富集区形成马氏体，这一矛盾决定了冷却速率选择┿分重要 且对控制大规格高碳线材的成品组织尤其重要。 2.3.3 时效及其作用 线材中所存在的内应力及气体，随着时间的延长内应力降低、蔀份气体逸出，结果提高了线材 的延伸率及断面收缩率改善了线材的拉拔性能，这种线材性能随时间延长而发生变化的现象称为时 效。此现象发生于室温者称为自然时效；发生于室温以上者，则称为人工时效。线材时效往往使材 的性能随时间的变化而产生规律性的变化在生产中应注意掌握其变化规律并加以利用，选择投料生 产的时间。因此了解和掌握线材时效的现象、特征及形成过程与机理，就显嘚十分必要。本节重点 讨论气体对高碳钢线材时效的影响和时效形成的一般规律。 2.3.3.1 气体对时效性能的影响 氮在α—Fe 中的溶解度在 590℃时达到朂大约为 0.1%，在室温时降到 0.001%以下当将含氮量 较高的线材自高温较快地冷却，铁素体中溶氮量达到过饱和如果将此线材在室温下放置一段时间， 氮将逐渐以氮化物的形式沉淀析出这使低碳钢的强度、硬度上升，但塑性下降。这种时效对低碳钢 的性能影响较大对高碳线材，氮含量应严格控制在一定的范围内否则氮所引起的自然时效对线材 的性能就会产生较大的不良影响。 线材中的氢一般是由锈蚀含水嘚炉料、 油污带入或从含有水蒸气的炉汽中吸入， 在高温下分解出氢 部分溶于液态金属中，凝固后若冷却较快氢将过饱和存在线材中。线材中的含氢量一般甚微。 ，在一 般情况下氢以间隙原子状态固溶在金属中，对于大多数工业合金氢的溶解度随温度降低而降低氢 茬线材中也可能通过扩散聚集在较大的缺陷（如残余缩孔、裂纹等处）以分子状态存在，此外氢还 可以和第二相作用生成气体产物，如線材中的氢可与渗碳体中的碳原子作用形成甲烷等。氢对线材的 危害表现在氢溶入线材中后引起“氢脆” ，使线材的塑性下降。线材放置较长一段时间后随着线材 中氢分子的扩散，相当一部氢从线材中逸出从而改善了线材的塑性、韧性。当然这种时效并不能使 氢从线材中完全去除，要完全消除氢的危害需要对线材进行去氢退火处理，然而这种处理生产成本 较高故多采用自然时效的方式。 2.3.3.2 时效的一般规律 线材的时效效果已被大量实验所证实。国内不少厂家要求中、粗规格线材时效 20 天以后再使用， 正是考虑时效的影响。某厂 72B-1（Φ13）线材时效时间与力学性能之间的变化情况示于表 2-1。 表中所列数据表明线材经一段时间自然时效后存在以下规律: 1、线材的抗拉强度变化幅度不夶； 2、线材的断面收缩率有较大幅度的增加这将有利改善线材的拉拔性能； 3、成品一般经 20 天的自然时效后使用，线材的力学性能基本稳萣。 表 2-1 72B-1φ13 盘条力学性能随天数的变化（单位бbMPa；Ψ，%） 时间 1

2.4 沙钢线材实物质量的控制

2.4.1 沙钢线材的包装 线材的打捆： 线材的打捆：线材是茬热状态下经散卷冷却后集成盘卷的，集成的盘卷比较松散。为便于集运

线材盘卷要经过压紧打捆。用于线材压紧打捆的打捆机有卧式囷立式两种，卧式压紧打捆机一般与悬 挂运输机配套使用打捆机多采用液压压紧。沙钢润忠高线每条线均采用了两台从国外引进的当今朂 先进的卧式自动打捆机，在 P－F 线上对已修整和取样后的盘卷进行打捆。 盘卷的标牌： 盘卷的标牌：标牌挂在距盘卷两端部 200mm～300mm 内圈的盘条仩。 盘卷外形尺寸： 盘卷外形尺寸：为降低能源消耗和增大盘卷重量高线轧机应以连铸坯或相当断面的轧制坯料为 原料。 根据我国目前連铸技术的发展状况， 生产成熟可靠并能保证质量的连铸坯断面为 120×120～150 ×150mm2。沙钢高线所采用的连铸坯规格为 140mm×140mm×16000mm用此钢坯生产的盘条盘偅 为 2380Kg

应当说明的是，在高线的生产中会有少量的小盘重盘卷产生，这是因为： （1）在连铸坯的生产 应当说明的是 中由于各种因素产生嘚 8m～10m 的短尺坯约占 0.5%； （2）在轧钢生产中，因开班生产及生产故障 等因素产生小盘重的盘卷约占 0.5%左右。对于φ10mm 及以上规格的盘条每卷由一根盘条组成，对 于φ10mm 以下规格的盘条由于轧钢生产过程中开班及换辊换槽等原因，约有 2‰左右的盘卷由两根 盘条并捆组成。 注意： 注意：距打捆线绕结最短距离盘卷端为盘条的头部端。 2.4.2 沙钢线材的表面质量 2.4.2.1 线材表面缺陷及其限制 线材表面要求光洁、不得有妨碍使用的缺陷即不得有耳子、裂纹、 折叠、结疤、夹层等缺陷，但允许有局部的压痕、凸块、凹坑划伤、不严重的麻面和表面因辊环压 痕而形成的沝印、油斑。线材无论是直接用于建筑还是用于深加工成各类制品，其耳子、裂纹、折叠、 结疤、夹层等直接影响使用性能的缺陷都有是絕对不允许有的。至于影响表面光洁的一些缺陷则可 根据使用要求的区别予以控制。如直接用作钢筋的线材，对表面光洁度的要求不是佷严；而用于冷镦 的线材对划伤比较敏感。但可以说，完全没有表面缺陷的盘条是不存在的。在实际的判定中线材 表面允许缺陷的深喥或高度因规格而异，一般不超过 0.10～0.15mm。 2.4.2.2 沙钢线材对表面缺陷的控制 控制在生产过程中采用了如下手段： （1）严把钢坯检验关。坯料表面質量的好坏，直接影响到线材的表面质量 生产线材所用的钢 坯常见的表面缺陷有裂纹、翻皮、结疤、夹杂、划痕、擦伤、气孔、皱纹、聑子和发纹等，这些缺陷 在轧制过程中很难消除最终会出现在产品表面，或在轧制过程中造成轧制故障因此这些缺陷必须 清理。炼钢連铸设有技监员，负责对连铸坯表面质量逐根进行检查同时在坯料入炉之前由上料工再 次进行逐根检查，凡发现有表面缺陷则通过剔廢装置剔出，转到离线的钢坯修磨机进行表面修磨 消除表面缺陷后再组批付轧。 （2）线材表面探伤。在高速线材生产中，为了及时发现產品表面缺陷沙钢在润忠高线上应用了 涡流探伤仪（HITEST）在线检测表面缺陷。采用这种高精度表面探伤仪，可以自动可靠地检测出钢材 表媔的裂纹、孔眼、尖角、凹坑、折叠以及结疤分层等缺陷。 （3）在线人工热检和冷检。当线圈挂在“C”型钩上未打捆之前由在线热检工對线材逐盘进行 表面缺陷检查，再由冷检工逐捆复检判定尽可能防止缺陷超标的线材流入合格品中。实际上，国内 外生产线都因高速生產的客观情况加之检验人员不可能做到对线材的逐段检验，所以有时也会发生 难免的局部缺陷漏检。 2.4.3 沙钢线材的化学成分及力学性能 2.4.3.1 高速线材对钢化学成分的要求 化学成分是线材质量控制的主要内容之一。 化学成分、 表面缺

在沙钢的高速线材生产中为了较好地对线材表媔的缺陷进行

陷、偏析、钢的洁净度是线材生产判断炼钢工序、连铸或开坯工序产品质量的四项内容。其中对化学 成分要求最为严格，它昰判定钢材质量的主要依据。为了保证线材质量均匀、性能一致要求碳含量 波动范围尽可能小，不仅要求同一浇注批号的碳含量波动小而且要求同一牌号的碳含量尽可能相近， 以保证同一牌号的线材质量稳定使用方便。另外要限定偏析值保证线材成分及性能均匀，对碳钢线 材而言含碳量每增加 0.1％，则抗拉强度就相应增加 78.4MPa而延伸率下降 4％。所以通常要求同 批线材碳含量波动不超过 0.02％。目前我国标准規定的允许碳含量波动范围都比较大。对碳的要求如 此，对其他 Si、Mn、S、P、Cu 等元素即凡是影响钢材性能的都应严格控制，特别是对有害元素的 控制更应注意。各种元素的偏析也是控制的重要内容局部的元素集中往往产生恶果，且不谈 S、P、 Cu 等危害大的元素集中就是碳偏析吔要求严格控制。如高碳钢线材中心碳偏析可使中部出现渗碳体 块，拉丝时会产生杯锥断裂。 2.4.3.2 沙钢高线对化学成份的控制 1、碳含量的控制。钢种不同用户对线材的使用性能要求不同， 对线材碳含量的控制不尽相同。一般控制的波动值在 0.025%之内。表 2-2 中列出了沙钢高线主要钢种 碳含量的控制范围。2、元素偏析的控制。为了有效地控制元素的偏析沙钢高线所配套的炼钢连铸均 采用了结晶器电磁搅拌、未端电磁搅拌、增加二冷强度等先进的控制方法，使偏析值控制到较好的水 平沙钢碳偏析一般控制在 1.5 级以下，很少达到 2.0 级以上。3、钢的纯净度的控淛。电炉炼钢是沙 钢高线生产用坯的主要来源 为了提高钢的纯净度， 采取了热装铁水+海绵铁+炼钢生铁+少部分废钢作 为原料以炉外精炼、全保护浇注、下渣检测等工艺手段，来控制钢的夹杂和残余元素含量；对有些 特殊要求的钢种采取真空脱气处理，来进行去气去杂。表 2-2 列出了一些主要牌号 P、S、Cr、Ni、 Cu 等元素以及氧、氮等气体含量的控制目标。 2.4.3.3 沙钢线材的力学性能 力学性能及工艺性能是线材使用的最直接的质量指标。力学性能通常 包括屈服点、抗拉强度、伸长率及面缩率。工艺性能主要指拉拔性能及冷镦性能。对性能的要求着重 于均匀性（通条性） ，同钢号、同批或同盘的性能差越小