盘条轧制的重要方面

关于盘条轧制的重要方面

线材是由钢坯热轧制成的通常为圆形截面的钢材。线材以其漫长的后续加工而闻名，它们在二级和三级加工单元中进行，直到生产出最终产品。此外，最终产品在许多情况下被用作各种工业领域的重要部件。

在过去几年中，线材生产的技术开发活动受到用户对其许多应用对线材质量的需求不断增长的推动，例如生产用于增强汽车轮胎的钢丝帘线（黄铜/青铜涂层胎圈钢丝和帘布钢丝）、高强度电缆、悬索桥和道路用镀锌钢丝、铁路道岔、弹簧钢丝、钢筋绞线、紧固件、焊条、预应力混凝土结构加固用棒材（PC -wire)、用于光伏产业切割硅片的锯线、音乐线等。

某线材轧机（图1）为满足二级和三级加工单元的要求，目前已通过引入在线热处理设备、开发小直径线材、控制以省去一定的二次加工工序、提高生产率、节约能源为目标的轧制。近年来，由于竞争日益激烈，为了在产品质量上建立更强的竞争力，尺寸精度和产品冶金质量的提高、设备的改进和运营效率的提高也变得非常重要。

图1线材轧机

对小型和大型不同等级线材的需求不断增长，这对线材生产商提出了挑战，即通过将高工厂生产力和优质成品的效率与极高的工艺灵活性相结合来提高新技术。能够根据轧制钢种的最终应用改变工艺路线并简化生产计划是目前线材轧机取得成功的最重要要求之一。

除轧机配置外，线材的工艺性能还取决于生产工艺、钢坯化学成分及其检验/制备、钢坯再加热和轧制温度优化。

钢坯和钢坯准备

非金属夹杂物 – 在大多数等级的线材中，非金属夹杂物的存在是极其有害的，因为可能会促进微观空腔或金属基体不连续性，从而导致线材在轧机轧制过程中断裂或在其进一步处理过程中。这些夹杂物（主要是氧化物、硅酸盐、硫化物和氮化物）可能来自钢铁生产本身的不同阶段（合金化、脱硫和脱磷），也可能有外源性，例如液体直接接触造成的磨损效应钢与耐火衬里的材料。除了与总量和分布有关的方面外，判断非金属夹杂物危险性的最重要指标是其形状和变形能力。铝酸盐是最有害的，因为它们的熔点高且不易变形，而球状硫化锰（主要在铸造阶段产生）在轧制过程中很容易碎裂成细长的韧性串，并在后续加工阶段进一步变形。

化学成分 – 化学成分是一个重要方面，因为化学成分决定了盘条的机械性能及其对特定应用的适用性。此外，除了化学成分外，确保特定钢种在单个炉次和不同炉次内的化学成分变化很小，这是确保线材轧制和深加工过程中的可靠性的基础。磷和硫等有害杂质的含量要求较低，因为这些杂质会在后续拉拔操作中严重影响线材的延展性。

隔离级别控制 – 控制起始坯料的偏析程度是确保从线材拉制的最终线材性能可靠的最重要方面之一。为了使线材具有足够的偏析水平，钢坯的连铸阶段对于生产具有柱状晶出现最少和等轴晶区域出现率最大的钢坯就变得很重要。任何树枝状偏析都可能导致形成偏析带，即使在轧制和拉拔之后仍然存在，从而限制了线材性能的可靠性。此外，即使是含碳量较高的盘条的微观偏析，也会导致盘条中心区域形成马氏体组织，增加断丝的风险。

延展性 – 线材的延展性及其在后续拉拔操作中的行为严格取决于氢和氮含量。因此，将钢中的氢、氮含量控制在可接受的范围内是非常重要的。

钢坯尺寸和钢坯调节 – 最合适的钢坯尺寸和所需表面质量的定义是一个备受争议的话题。钢坯调节是线材生产的另一个关键方面，因为它代表了铸造和轧制技术之间的联系。应规定钢坯质量检验规范，以确定铸态钢坯是否可以直接转移到轧机或对钢坯进行调节以控制产品拒收风险。方坯修整线的目标是一方面确保高表面光洁度，没有搭接和渗漏，一方面控制脱碳深度，另一方面最大限度地减少最终产品的废品率。

坯料再加热 – 为控制线材的质量，需要严格控制坯料的加热。再加热炉是为了保证钢坯表面质量、温度均匀性，避免过度均热，避免奥氏体晶粒尺寸增大。钢坯的表面质量取决于炉内氧化皮的形成。此外，较高的碳等级对脱碳具有敏感性。钢坯的脱碳是在钢坯加热的同时通过燃烧器控制来控制的。

对某些等级的线材（例如轮胎帘线等级）进行再加热时要考虑的最关键方面之一是限制由于轧机中的轧制时间导致的头到尾温度下降。在轧制较小直径的线材时，即使以最高速度轧制，所需的时间也更长。这意味着对于小直径（例如 5 毫米）线材，连轧机入口处的头到尾温降是最高的。这个问题可以通过适当控制再加热炉来限制，通过设置各个部分的加热模式，可以部分补偿钢坯尾部的自然温度损失。

轧机设备

轧机设备在线材的生产中起着非常重要的作用。轧机优化、操作灵活性和工艺可靠性发挥着重要作用。为了提高成品质量（在尺寸公差、机械性能和表面光洁度方面），还需要一个可靠且专用的自动化系统。现代轧机采用不同的自动化系统来控制厚度/截面、轧辊的角速度以及机架之间的张力和相关温度。已开发出特定的热机械工艺和自动化控制系统，以提高线材的工艺性能、公差和表面质量。

除垢剂 – 为了给轧机提供具有适当表面质量特征的钢坯，除了钢坯调节和再加热实践外，还需要除氧化皮。这是一个非常重要的要求。为了避免在随后的轧制阶段（轧入氧化皮）出现不可逆的表面缺陷，应确保表面完全清洁。出于这个原因，在很短的时间内（提高钢坯速度）在炉出口处通过高压除鳞机进行初级除垢，以避免有害的表面过冷。

轧机机架和剪板机 – 轧机机架代表轧制工艺的核心，其配置必须适合尺寸技术参数，例如钢种产品组合、轧制尺寸、最小和最大生产率、最小和最大轧制时间、所需的咬入速度、所需的剪板机配置、可用的上下游设施、介质可用性等。

很容易理解不合适的轧机配置会在多大程度上影响整个轧制过程。在当今环境下，对于一般线材轧机以及更广泛意义上的具有轧制特殊钢产品能力的线材轧机而言，就待加工的钢种而言，需要越来越多的工艺灵活性，滚动策略适用，尺寸变化速度快。随着时间的推移，这变得越来越严格。事实上，在现代线材轧机中，多股轧机的尺寸变化超过 250 次并不罕见。因此，减少尺寸变化时间和简化轧辊道次设计的可能性是当务之急。

要求除鳞机后的剪切机具有切削力，尤其是线材轧机采用低温轧制时。轧机机架应确保适当的刚度，具有较高的轴向和径向刚度，以支撑高滚动载荷。它们是为了确保快速更换并降低在鹅卵石情况下损坏软管的风险。

精磨块和减径轧机 – 滑块需要具有坚固的设计和重型结构，以承受高滚动载荷并传递高滚动扭矩。某些等级的线材对不适当的轧制温度非常敏感，这可能会受到轧制块限制的影响。此外，由于获得严格尺寸公差的可能性是大尺寸和小尺寸线材的另一个基本方面，因此需要在轧制块后设置异径定径机。

除了在运营成本、工厂效率和材料产量方面取得的收益，以及“单程系列”概念的应用（所有产品都在异径定径机上完成）之外，使用各种牌号线材的减径定径机主要体现在线材本身的质量上。造成这种情况的原因很多，包括 (i) 由于优化的轧制顺序和张力优化，可以在绝对值和沿线圈长度和不同线圈之间的可靠性/可重复性方面实现严格的尺寸公差， (ii) 小尺寸可以以优异的轧制速度生产，从而减少纯轧制时间和头对尾温度下降， (iii) 大尺寸具有更好的卷尾形状，因为定径块和环铺设之间的距离小头部和定径块后的水冷线较短，(iv) 未经处理（非水冷）棒材的长度较短，(v) 线材的内部质量得到保证，因为在减径过程中实现了适当的面积减少和定径机，(vi) 可以应用热机械处理以确保适当的晶粒尺寸控制，(vii) 增加断点处横截面的技术减少，(viii) 热分布更容易由于多级轧制和冷却顺序受到控制，因此避免了精加工块中的过度温度升高（图 2），（ix）可以实现最终技术性能的较低分布，（x）氧化皮外观得到显着改善，因为在最后一个轧制工序后减少必要的冷却，以及 (xi) 在碳等级较高的情况下，脱碳层沿线材周边更薄且分布更均匀。

图 2 沿线材轧机长度方向的典型温度曲线（不带和带缩径机）

异径定径轧机的总减量远高于线材轧机所有产品组合的临界减量。因此，所有现代线材轧机都配备了这项技术。

高速剪 – 线材轧机通常在不同轧机位置配备高速剪切机。这些剪切机设计用于在轧机的最高速度下对线材进行头部和尾部修整，在现代轧机中，普通和加强水淬/自回火钢线材的最高速度可达每秒 130 米。高速剪板机的先进设计特点包括 (i) 装置紧凑，(ii) 单对刀架/单驱动设计，可通过同一对刀架进行剪裁和切碎操作，( iii) 先进的刀片锁定/定心系统，具有更快的刀片更换速度，(iv) 短行程电动转向器，(v) 减小偏角幅度（减少摩擦并最大限度地减少转向器和输送机的磨损），(vi) 更短的转向周期，提高操作同步性和效率，远远超过设计速度，(vii) 叶片宽度显着减小，(viii) 更窄的刀架导致更好的操作效率，以及 (viii) 导向元件上的摩擦更小，磨损率更低，噪音更小最高速度。

在线检测 – 标准做法是在轧制过程完成后检查冷态盘条。由于轧制速度的提高和客户对更高质量产品的需求，这种做法不再符合要求。因此，在线材轧机生产线材过程中，对新的工艺和质量控制技术提出了必要性。今天的总体趋势是在轧机本身对热产品进行测试。在线测试有两个优点，即（i）它可以及早发现生产问题，以便工厂操作员可以在更多损坏结果之前进行干预，以及（ii）它避免产生废料并防止将时间和精力花费在有缺陷的产品上在生产的后期。在线检测通常基于涡流。

循环铺设头 – 线材轧机循环铺设机头的一项正常任务是确保良好的线圈图案和较长的管道寿命。随着线材轧机精轧速度的提高（如在小尺寸轧制过程中），这种需求变得更加严格，因此需要新的技术解决方案和替代材料。

非常高的轧制速度（超过 100 m/s 至 130 m/s）意味着如果没有通过机械和自动化系统进行适当控制，则头端尤其是尾端形成问题。此外，随着这些提高的轧制速度，在冷却输送机中对中的环变得更加困难。由于热机械处理的完成，这些方面对于某些牌号来说是基础。

新一代的环形吐丝机转子，除了具有众所周知的转子支撑“油膜轴承”以实现无振动运行外，还具有先进的设计，特别是使用 3D 动-动力模拟进行研究，以提供运行稳定性并优化高精加工速度下的磨损率。环形铺设头管的渐弯形状的新设计和材料选择为线材提供了理想的路径，确保其在整个管长上与内壁保持恒定接触，从而导致磨损分布均匀。

可控冷却输送系统 – 目前，线材轧机冶金实践中最常见的一种是受控冷却输送系统。线材冷却工艺段称为两级水-空冷线（图3）。在这样的生产线上，轧制线材在离开线材单元的精轧机架后，首先通过特殊的喷嘴装置用水冷却，然后由冷却输送机上的环铺头铺设成卷圈后，由空气流动由鼓风机从底部向上吹到传送带上。

图 3 受控冷却输送系统

为了创造有效的金属冷却条件，控制冷却输送系统设备的设计特点正在不断改进。例如，在生产中碳和高碳钢轧制线材时，使用标准的“短”受控冷却输送线，对于低碳合金钢，包括用于焊接目的的复合合金钢，需要慢速冷却或延迟冷却方式，其中预先确定的“长”受控冷却输送线更有效和通用。

受控冷却输送系统的设计特点能够实现各种冷却轧制线材的模式。由于鼓风机向输送机供应空气，线材的加速冷却发生。如果冷却速度至少为每秒 15 摄氏度，则轧制线材的显微组织主要由珠光体组成。当线材在其进一步加工过程中受到高度冷塑性变形的情况下，珠光体钢的结构成分在横截面上的均匀分布尤其重要。珠光体组织是生产高变形高强度冷加工产品最有利的组织。

对于碳含量较高的线材，从冶金学的角度来看，线材的主要目标是获得尽可能高的不可解析珠光体结构，从而最大限度地减少可解析珠光体和游离渗碳体或铁素体结构的存在。与完全珠光体微结构相比，先共析铁素体的存在决定了延展性的降低，因为在铁素体-珠光体界面处裂纹起始位置的可能性更高。出于这个原因，先共析铁素体的量必须尽可能地限制（1% 到 2%），以便机械性能通常可以通过定义层间拉伸依赖性的“Hall-Petch 关系”来描述间距。 Hall-Petch 关系表明，通过减小晶粒尺寸，材料的强度可以提高到其自身的理论强度。事实上，材料的强度随着晶粒尺寸的减小而继续增加，在强度达到峰值的 20 纳米到 30 纳米之间。

在轧机领域，线材生产的核心是冷却输送机中线材的温度控制。在这个区域，确实发生了钢的相变。根据尺寸和等级，控制冷却输送机中前 30 秒到 50 秒的处理对于获得最佳技术性能具有战略意义。

The control cooling conveyor by a proper selection of cooling regime accommodates production of all conventional grades of steel as well as special product grades with alternative cooling modes.它还优化了碳钢和合金钢牌号的加工，与减径机和定径机一起用于低温轧制和控制冷却，产生了非常好的性能和尺寸控制组合。

控制冷却输送机有助于在各种条件下进行加工，包括单个系统内的快速冷却和慢速冷却模式。这种能力使线材轧机能够生产范围广泛的普通碳钢和合金钢，以及不锈钢和其他特种钢。控制冷却输送机提高了线材的轧态性能，从而可以在直接可用的条件下生产更多牌号，并减少或消除球化退火等下游工序。

在线热机械处理 – 在当今的环境中，线材用户对产品的整体质量要求越来越高，对于特定的应用（例如轮胎帘子线），需要采用专门的工艺路线来确保所需的性能。在线热处理在线材轧机中的应用深刻地改变了特殊钢线材轧制的工艺尺寸方法。在线热处理同时结合了工艺灵活性，以增加最终产品的附加值，以及高生产率和材料产量，最大限度地降低生产成本和环境影响。

由于动态再结晶，线材轧机中的热机械处理细化了最终晶粒尺寸。结合最终的在线水冷和受控冷却输送系统上的卓越受控冷却，热机械处理在确定最终产品性能方面发挥着重要作用。这对于随后在下游加工过程中进行球化退火的低合金和中合金钢产品特别有利。强烈控制晶粒尺寸的能力还通过改变相变开始时间和温度来影响随后向硬质产品（如贝氏体和马氏体）的相变。因此，热机械处理可以最大限度地减少直接下游冷加工并减少退火时间。

受控冷却输送系统和低轧制温度的结合提供了降低某些关键等级线材的淬透性的能力。最终，这促进了铁素体的形成并延缓了向贝氏体和马氏体的演变。通过热机械处理实现的细化晶粒尺寸改善了热处理过程中的扩散，并可以减少热处理时间和温度。对于那些未经热处理的棒材，精制和复杂的结构增加了冷变形期间的拉伸拾取，产生了几个优点，例如（i）降低轧制拉伸强度，（ii）改善下游响应，以及（iii）增加工作淬透性。这些改进源于晶粒细化和微观结构控制。受控冷却输送系统对冷却过程的良好控制，加上线材淬透性的降低，使得该过程非常稳定，并减少了形成不需要的硬质相的机会。

工艺性能控制和规模优化控制系统 – 轧制温度的控制是实现恒定应变载荷、最佳尺寸公差、提高技术和冶金特性、改善产品均质性以及在质量和数量方面获得足够氧化皮性能的关键方面。

线材轧机通常在关键位置进行水冷以控制轧制和卷取温度，为棒材的自回火留出足够的时间，从而确保线材坯料入口处表面和芯部之间的温差最小。对于某些钢种，最佳条件通常由通常称为“正火轧制”的温度范围表示，由管理高压水冷却喷嘴的温度闭环系统进行精细控制。

对轧制和卷取条件的任何不当控制非常敏感的钢种可能会导致严重的问题，影响最终的技术性能和随后的拉伸操作（例如珠光体集落的密度），或者仅仅是美学上的“红锈”方面。

线材生产过程中会生成两种氧化铁。其中一个是初级尺度，而第二个是次级尺度。初生氧化皮在钢坯表面轧制线材前的再加热炉中形成，并在除鳞机中去除。二次氧化皮是在盘条轧制过程中和铺设在控制冷却输送机上后形成的。线材二次氧化皮的结构由内层到外层由（i）方铁矿（FeO）、磁铁矿（Fe3O4）和赤铁矿（Fe2O3）三层组成。然而，对于某些钢种，由于赤铁矿含量低，基本上只存在两层。这种氧化皮的厚度与氧化的温度和时间呈非线性关系，即超过 900 摄氏度，尤其是在氧化的前 20 秒内，FeO 的生长较快，然后呈线性，而 Fe3O4 的厚度保持在大约持续的。此外，除了温度达到 650 摄氏度外，在所有温度下，氧化物的增厚速率都很高。在此之后，氧化速率减慢，氧化皮的厚度几乎保持不变或增长非常缓慢。因此，二次氧化皮的厚度很大程度上取决于控制冷却输送系统中的冷却方式。

根据紧固件行业的需要，氧化皮的质量和数量是通过适当的热处理来控制的一个重要方面。在线材的进一步加工过程中，使用机械或化学除垢。为了确保最佳的方晶石氧化皮，并便于在拉拔前通过机械除氧化皮去除氧化皮，高卷取温度（高于 900 摄氏度）是合适的，而较低的温度（约 850 摄氏度）用于促进化学除氧化皮，因为在这种情况下会形成薄而密的氧化皮，以减少金属损失和酸洗时间。总之，需要控制两个冷却阶段（轧制中/轧后强制水冷和冷却输送机加速冷却）的最佳综合工艺性能。

近年来，出于生产率、经济和环境原因，由于可用于机械去除氧化皮的改进技术，对适用于机械除氧化皮的线材的要求有所提高。对于某些应用，需要完美的无垢表面，因此需要使用化学除垢。

盘条的处理 – 由于线材线圈在大多数情况下是在未包装的情况下运输的，因此它们会受到生锈的影响。它们有时在运输前被露天存放，因此在运输时观察到水从捆中滴落的情况并不少见。这是一种热轧辊产品，经过进一步加工，可用于各种最终用途，例如制造钉子、栅栏用镀锌丝（包括铁丝网）、道路网和用于预应力混凝土的一些应用。

许多盘条的发货最终都注定要进行冷拔。在此过程中，电线被迫通过模具，从而减小其规格，并使其长度增加。正因为如此，电线中的扭结和缺口是不允许的，因为当被拉过模具时，电线可能会断裂。即使线材不是用于重拉，这些缺陷也是不可取的，例如在道路网的制造中，这些缺陷会出现在成品中。应避免在运输过程中因堆放不当、捆扎带压碎和断裂而造成的捆解体，因为这会导致盘条松散，从而发展成盘条缠结、缠绕和扭曲。因此，部分线圈可能不得不被切断和报废。如果这不是最终的解决方案，根据线材的预期用途，线束中的缠绕和扭曲会导致生产线上的时间损失。

当盘条线圈被缠绕时，这表明盘条注定要用于制造更精细的产品，例如乐器用电线。特殊钢盘条线圈通常受到腐蚀和机械应力（例如划痕和弯曲）的保护，并且通常使用腐蚀保护（例如涂油或“蒸汽腐蚀抑制剂”纸）或薄膜涂层包装纸和塑料薄膜提供多层包装。

由于线材线圈对机械损伤很敏感，因此应小心处理。正确搬运和使用合适的搬运和吊装设备（例如横杆、C 形钩、线圈芯轴、织带吊索和链条吊索等）可以防止损坏。用力提起或放下线圈会导致变形，不利于进一步加工，因为线圈不能再适当地展开和进一步加工。

盘条应在具有足够强度和承载能力的床头板和侧壁（支柱）的车辆或铁路货车中运输。防滑材料也应放置在负载下和层间。由于所使用的搬运方法和车辆特性（负载分布），负载中的间隙通常是不可避免的，因此应根据预期的加速度通过直接固定（例如紧配合、环形绑扎）和/或摩擦固定来固定负载（例如绑扎）。