何力國，嚴(yán)進(jìn)寶，劉春穎，馬明明，張軍利

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照276806）

1 前 言

冷鐓鋼線材是生產(chǎn)緊固件、標(biāo)準(zhǔn)件的主要原料，如螺栓、螺母、螺釘、插銷以及汽車電氣設(shè)備專用件，是目前發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛的一種高效品種，市場需求量巨大［1］。SWRCH22A 盤條主要用于加工各類自攻螺釘，規(guī)格繁雜，根據(jù)基體連接件的不同，對強(qiáng)度、硬度有著不同的要求，對母材的性能提出了較高的要求，一方面要求良好的拉拔性能，以便加工各種規(guī)格的自攻螺釘，另外要求材料具有優(yōu)良的冷鐓性能，以適用于加工各種形狀的螺釘頭，同時還要求具備良好的熱處理性能。日照鋼鐵有限公司線材工場結(jié)合現(xiàn)有工裝情況以及下游客戶的技術(shù)需求，開發(fā)生產(chǎn)SWRCH22A盤條鋼軋。

2 SWRCH22A成分及性能設(shè)計

SWRCH22A 盤條市場上的主流規(guī)格為Φ6.5 mm，下游廠家根據(jù)最終產(chǎn)品的規(guī)格將母材拉拔至2.0～5.0 mm規(guī)格的鋼絲，退火后再對其進(jìn)行冷鐓、搓絲加工，后期還需經(jīng)過熱處理，對母材的塑性、韌性都有較高的要求。SWRCH22A 盤條的標(biāo)準(zhǔn)要求及設(shè)計要求見表1。

表1 SWRCH22A盤條的標(biāo)準(zhǔn)要求及成分設(shè)計（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

SWRCH22A 盤條力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計要求見表2。

表2 SWRCH22A盤條的標(biāo)準(zhǔn)要求及設(shè)計要求

冷鐓性能。生產(chǎn)時按1/2 高度進(jìn)行冷頂鍛試驗，要求鍛后表面無肉眼可見的裂紋。

組織檢驗。要求母材基體鐵素體（F）+珠光體（P），不得出現(xiàn)魏氏組織（W）、貝氏體（B）等異常組織，表面脫碳不得大于公稱直徑的1.0%。

表面質(zhì)量。要求截面不得有縮孔、分層及夾雜。盤條表面應(yīng)光滑，不得有裂紋、折疊、耳子、結(jié)疤、分層及夾雜等有害缺陷。

工藝流程：鐵水→混鐵爐→60 t轉(zhuǎn)爐→LF爐→連鑄（163×163 方坯）→鋼坯檢驗→加熱→粗軋→中軋→預(yù)精軋→精軋→吐絲→軌道式風(fēng)冷→集卷→取樣檢驗→打捆→稱重→入庫。

3 關(guān)鍵工藝的控制

3.1 煉鋼關(guān)鍵工藝參數(shù)控制

含鋁鋼可澆性、純凈度改善方向。小方坯生產(chǎn)含鋁鋼難度非常大，尤其是連鑄絮流的問題是開發(fā)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題。連鑄的絮流導(dǎo)致拉速不穩(wěn)定、連鑄停澆等事故，造成無法正常生產(chǎn)。第一次試制SWRCH22A鋼時因為連鑄絮流導(dǎo)致連鑄機(jī)非計劃停澆。通過對水口結(jié)瘤物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水口堵塞物為高熔點的CaO-MgO-Al2O3及CaO-CaSAl2O3復(fù)合夾雜，這兩類夾雜物的熔點都遠(yuǎn)高于SWRCH22A 的鋼水1 515 ℃的液相［2］，這樣的復(fù)合夾雜物在鋼液中為固相，很難上浮去除，留在鋼液中，影響鋼水的可澆性，產(chǎn)生水口結(jié)瘤。結(jié)瘤物成分見表3。

表3 結(jié)瘤物成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

為了解決此問題，應(yīng)通過研究三元渣系相圖，才能更好地控制低熔點渣系，遏制住連鑄絮流的發(fā)生。含鋁鋼最佳的控制鋼中夾雜以及精煉渣系成分為12CaO·7Al2O3，所以應(yīng)從精煉渣系以及鋼中鈣的控制入手，控制鋼中的低熔點夾雜物。主要改善LF 爐精煉工藝控制：精煉渣料的加入和渣系的確定；精煉硅、硫含量的控制；鈣處理工藝［3］。

掃描電鏡能譜分析結(jié)果表明，中間包鋼水的夾雜物類型歸納為：第一爐主要是CaS，CaS與鋁酸鈣的復(fù)合夾雜物；第二爐主要是CaO·Al2O3，12CaO·7Al2O3。

夾雜物來源：1）CaS，不規(guī)則狀，為硫化物夾雜，熔點較高，是鈣處理Ca與MnS夾雜反應(yīng)的產(chǎn)物，數(shù)量很大。2）鋁酸鈣夾雜的成分主要是CaO·Al2O3、12CaO·7Al2O3、CaO·Al2O3與12CaO·7Al2O3的混合物，球狀或橢球狀，為鈣處理后的產(chǎn)物。其中以12CaO·7Al2O3夾雜以及CaO·Al2O3與12CaO·7Al2O3的混合物居多，尺寸大多在3 μm左右，是喂鈣鐵線后Al2O3夾雜變性希望得到的理想鈣處理產(chǎn)物，此類夾雜熔點低于煉鋼溫度，易于上浮排除；CaO·Al2O3熔點1 605 ℃，不易排除。

鋼中CaO 來源主要是［Ca］脫氧產(chǎn)物，反應(yīng)式為：［Ca］+［O］=（CaO）。

CaO與Al2O3反應(yīng)生成鋁酸鈣，反應(yīng)式為：

LF 爐中酸溶鋁的工藝控制。改善后關(guān)鍵工藝執(zhí)行情況。轉(zhuǎn)爐嚴(yán)格執(zhí)行高拉補吹操作，確保碳溫協(xié)調(diào)出鋼，出鋼參考溫度1 610～1 640 ℃，并根據(jù)出鋼口、包況、生產(chǎn)節(jié)奏等酌情調(diào)整，確保到LF 溫度為1 560～1 590 ℃。精煉時間（精煉工序開始加料通電化渣至出鋼過程）35～60 min，白渣時間≥6 min。精煉全程吹氬（嚴(yán)禁混入氮氣，生產(chǎn)前確保氮氣閥門全程關(guān)閉）。采用金屬鈣線，以減輕精煉過程鋼水的翻鋼（添加合金及碳粉除外）；出鋼后加入30 kg改質(zhì)劑；開澆前中間包充氬氣≥5 min，生產(chǎn)過程沖擊區(qū)全程吹氬（開澆時沖擊區(qū)、澆注點加鐵鈣線）。煉鋼過程控制見表4。

表4 轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝參數(shù)

改善后第一爐中包開澆液面≥420 mm，正常澆注中間包鋼水液面高度≥650 mm。結(jié)晶器電磁攪拌電流控制在240 A、頻率3 Hz。中間包鋼水表面加高堿度低碳覆蓋劑進(jìn)行保護(hù)。結(jié)晶器保護(hù)渣使用SWRCH22A 專用保護(hù)渣，要求添加保護(hù)渣時堅持勤加、少加、均勻的原則，嚴(yán)禁渣面發(fā)紅，保持黑渣狀態(tài)，液渣層保持在9～12 mm。使用塞棒中間包、結(jié)晶器+塞棒液面自動控制系統(tǒng)，使用擋渣墻并保證生產(chǎn)過程中不倒塌。大包長水口和浸入式水口使用鋁碳質(zhì)，大包長水口采用氬封、密封墊保護(hù)，使用Φ25鋁鋯碳質(zhì)水口，做好全程保護(hù)工作。連鑄過程控制工藝參數(shù)見表5。

表5 連鑄過程控制工藝參數(shù)

通轉(zhuǎn)爐采用高拉補吹工藝執(zhí)行，終點P 均值0.019%，P命中率82.86%；氬站溫度均值1 587 ℃，T（≥1 575 ℃）命中率94.29%；出鋼過程使用鋁錠對準(zhǔn)鋼流脫氧（100～110）×10-6/10 kg（鋁錠），配鋁按照70%回收率計算（0.011%/10 kg）。

電磁攪拌運行正常，中包無低液面澆注情況；正常爐次過熱度28～42 ℃、均值35 ℃；拉速（2.4 m/min）恒拉速，過程保護(hù)澆注良好。沒有發(fā)生絮流現(xiàn)象，成分控制較好，中包成分均在設(shè)計要求范圍內(nèi)。

3.2 軋鋼關(guān)鍵參數(shù)

SWRCH22A盤條后期需要多道次拉拔、冷鐓及熱處理，要求材料具有優(yōu)良的冷拔性能和冷鐓性能。軋鋼重點控制材料的顯微組織和表面質(zhì)量，確保母材組織為均勻的F+P組織，近表面無脫碳或輕微脫碳，外表面無裂紋、折疊、耳子、結(jié)疤等有害缺陷。

3.2.1 脫碳控制

SWRCH22A盤條母材脫碳具有遺傳性，完全脫碳層或較深的半脫碳層都嚴(yán)重影響自攻螺釘?shù)膹?qiáng)度和硬度，降低其疲勞壽命。鋼脫碳的現(xiàn)象是一個復(fù)雜的物理冶金過程，與鋼坯的氧化相似。影響鋼坯脫碳的最主要的影響因素為鋼種特性、加熱溫度、加熱時間和加熱爐爐內(nèi)氣氛［4-5］。結(jié)合工裝現(xiàn)狀，制定了有效控制手段，盤條脫碳層控制效果明顯。

解決線材脫碳問題要從鋼的氧化規(guī)律分析。鋼的高溫氧化動力學(xué)可用阿累尼烏斯公式進(jìn)行推算［6］：

式中：△W為單位面積氧化增加的質(zhì)量，kg；t為時間，s；n為反應(yīng)級數(shù)（一般取0.98）；K0為頻率因子；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度；Q2為氧化反應(yīng)激活能。

當(dāng)加熱時間越長，分子氧化的內(nèi)部能量越多，反應(yīng)激活能越大。線材的脫碳層深度與加熱時間和加熱溫度有直接的關(guān)系。加熱時間越長，脫碳層越深，在一定溫度內(nèi)溫度越高，脫碳越嚴(yán)重。鑒于此，在加熱時減少鋼坯裝入量，加大鋼坯間的距離，以盡量縮短在爐時間，爐內(nèi)高溫區(qū)停留時間控制在≤40 min，加熱溫度控制在1 020～1 070 ℃。另外盡量將加熱爐內(nèi)氣氛控制為還原性氣氛，并對加熱爐各段采用不同的空燃比。

3.2.2 SWRCH22A盤條CCT曲線研究

為了獲得良好的拉拔性能和冷鐓性能，必須保證SWRCH22A 盤條金相組織均勻，組織以等軸的鐵素體和片層狀珠光體為最佳；嚴(yán)禁索氏體、貝氏體、馬氏體的出現(xiàn)，盡量減少3 次滲碳體和魏氏組織的產(chǎn)生，以上組織都不利于冷鐓性能［7］。針對SWRCH22A盤條的連續(xù)冷卻，中南大學(xué)李紅英［8］研究了SWRCH22A 鋼過冷奧氏體的CCT 曲線，不同的冷速獲得的組織也不同（見圖1）：當(dāng)冷速為0.05 ℃/s 時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和珠光體，有些晶界上有三次滲碳體；冷速為0.5 ℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體、珠光體、索氏體、屈氏體和少量貝氏體；冷速為10 ℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體、少量索氏體、屈氏體和貝氏體；冷速為20 ℃/s時轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和貝氏體；冷速為75 ℃/s時轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和較明顯的桿粒狀貝氏體，沒產(chǎn)生馬氏體；直接水冷時轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為少量殘留奧氏體和板條狀馬氏體。

圖1 SWRCH22A 鋼過冷奧氏體的CCT曲線［8］

通過對SWRCH22A 鋼CCT 曲線的研究，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備狀況，執(zhí)行低溫吐絲，緩冷的工藝。設(shè)定精軋機(jī)入口溫度≯950 ℃；具體吐絲溫度840～880 ℃。風(fēng)機(jī)全關(guān)，保溫罩全部關(guān)閉，1～6、7～8、9～10、11 各段輥道線速度見表6。過程控制良好，各工藝參數(shù)均在目標(biāo)值范圍內(nèi)。

表6 軋鋼溫度控制參數(shù)

4 成品檢驗

4.1 尺寸及表面檢驗

成品卷開軋前3 支逐支檢驗進(jìn)行表面和尺寸檢驗，正常軋制時，每爐第1支進(jìn)行檢測；每爐取樣2 支做拉伸性能，5 支冷鐓樣品檢驗1/2 冷鐓，隨機(jī)連續(xù)挑選9爐數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表7。

表7 表面尺寸及性能檢驗

本次生產(chǎn)的SWRCH22A 冷鐓鋼盤條尺寸均滿足B 級精度標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場酸洗表面無劃傷、折疊等不良缺陷。力學(xué)性能符合設(shè)計要求，斷面收縮率均＞60%；每爐取5支做1/2冷鐓及1/3冷鐓，表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，材料擁有良好的塑性和冷鐓性能。

4.2 顯微組織檢驗

本次生產(chǎn)的SWRCH22A 冷鐓鋼盤條顯微組織良好，以4851爐及4859爐金相組織為例，顯微組織均為F+P，晶粒度8.5級，以均勻、等軸的F+P為主，未出現(xiàn)魏氏組織、混晶等異常組織，邊部未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象，如圖2 所示。非金屬夾雜控制較好，僅發(fā)現(xiàn)少量的0.5級C類夾雜。

圖2 SWRCH22A冷鐓鋼盤條金相顯微組織

4.3 用戶使用情況

目前日鋼生產(chǎn)SWRCH22A 盤條已發(fā)往多家標(biāo)準(zhǔn)件廠制作自攻螺釘零件。通過全流程跟蹤本批材料的加工過程，拉絲、打頭、輾牙、熱處理等工藝流程均能滿足要求，后期的扭矩、淬透性、力學(xué)性能、硬度檢驗等指標(biāo)均滿足產(chǎn)品要求。

5 結(jié) 論

5.1 采用金屬鈣線鈣化處理提高了鈣的回收率，前期采用一次性添加鋁脫氧，充足的精煉時間和軟吹時間，確保了鋼水的純凈度；出鋼前加入專用高鋁改質(zhì)劑，調(diào)整渣料配比，造渣形成低熔點的七鋁十二鈣，有效減少了水口瘤渣的產(chǎn)生，解決了絮流問題。

5.2 低溫軋制和全程保溫罩罩蓋緩冷工藝，獲得了均勻良好的F+P組織，避免了魏氏組織和其他不利于冷鐓性能的組織出現(xiàn)，確保了優(yōu)良的冷鐓性能。

5.3 經(jīng)過多家標(biāo)準(zhǔn)件廠使用，未出現(xiàn)質(zhì)量問題，滿足了產(chǎn)品的需求，具備了批量生產(chǎn)SWRCH22A 盤條的能力，開發(fā)成功。