CN101020951A - 高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺及水冷器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金钢及其制造工艺领域，特别涉及一种高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺及水冷器。该工艺包括如下具体步骤：A.在冷却线上间隔安装4组水冷器，热轧管坯在V型冷却滚道上为水冷和空冷交替进行；B.控制管坯热轧的终轧温度，确保管坯进入水冷器前为单一奥氏体组织；C.保证热轧管坯进入第一组水冷器前的温度分别为850～910℃，从第四组水冷器的出水温度为560±20℃；D.管坯输送到冷床后，表面温度回升到650±30℃左右，然后空冷；E.管坯进行快速球化退火。本发明与现有技术相比具有最终可得到管材为细片状珠光体和索氏体组织，抑制钢中网状碳化物的析出，钢管表面不产生裂纹，缩短球化退火时间，同时具有高的接触疲劳寿命、高成材率的优点。

Description

高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺及水冷器
技术领域
本发明属于合金钢及其制造工艺领域，特别涉及一种高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺及水冷器。
背景技术
在现有技术中，高碳铬轴承钢的控轧、控冷工艺基本可分为三大类，第一类为高温轧制—控制冷却；第二类为高温轧制—控制冷却—等温轧制工艺；第三类为低温轧制工艺。轴承钢的等温轧制工艺必须保持轧件温度一定，因此需增加等温设备，并且轧机的功率和刚性也要求提高，因此在大生产中实践尚有一定的困难。低温控轧一般采用在800～850℃之间变形或将钢坯加热到900～1100℃，待钢坯冷却到720～800℃时再进行轧制，这些工艺都需要大功率、高刚度的轧机，在大量生产中实践困难更大。高温轧制—控制冷却的高碳铬轴承钢的控制冷却技术由于不需要变更现有轧机，在我国棒线材的生产中已经得到了比较广泛的应用，然而在高碳铬轴承钢管的生产中的应用和研究不够。
轴承钢的轧后快速冷却能否达到目的，冷却方法和冷却器的设置是一个重要的问题。特别对于钢管的各种冷却方式都要考虑防止冷却剂喷溅、倒流或管内蒸汽堵塞等问题，因为这些问题的出现必然导致冷却中不能达到目的或冷却不均。目前钢管冷却方式基本上分为二类：喷流冷却和水槽浸渍冷却二种方法，对于轴承钢的冷却，一般采用在线喷流冷却方法，因为轴承钢要采用间断式冷却，采用喷流冷却方法容易实现。喷流冷却方法是从喷嘴中射出高压冷却水冲击钢材表面带走钢材的热量进行冷却的方法，其装置较小，可直接安装在输送滚道上。喷流方法又可分为外面冷却、内面冷却和内外表面同时冷却三种，对于轴承钢的在线冷却普遍采用外面喷流的方式进行冷却，这种方式容易在线实现。
高碳铬轴承钢管传统的生产工艺为，将钢坯加热到1100～1200℃，整个轧制在奥氏体区内进行，定径后的终轧温度一般在950℃左右，轧后在冷床上空冷，得到的是不均匀的粗片状珠光体组织。并且由于热轧变形的影响，促使轴承钢的Arcm的温度升高，变形量越大，轧制温度越高则Arcm温度提高愈多。Arcm温度提高，表明碳化物在较高温度下即开始析出，轧后采用空冷则碳化物析出加快，析出量增多，形成严重的网状碳化物对轴承钢的球化组织和性能都有不利的影响。以前为解决网状碳化物的问题，采用终轧前待温的方法达到低温终轧，这大大降低了轧机的产量和恶化了生产环境。并且随后需要很长的球化退火时间，球化退火时间在20～22小时，不仅增加了生产成本，并且不能得到理想的球化退火组织，对轴承钢的性能都有不利的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种最终可得到管材为细片状珠光体和索氏体组织，并且抑制钢中网状碳化物的析出，钢管表面不产生裂纹，缩短球化退火时间，同时具有高的接触疲劳寿命、高成材率的高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺及水冷器。
根据上述目的，本发明的技术方案和工作原理为：
高碳铬轴承钢管坯由于其外径较大，壁厚比较薄，因此其冷却装置和工艺有较大的差异。下面就高碳铬轴承钢热轧管坯的快速冷却装置和工艺进行阐述。
为解决网状碳化物的析出和轧后得到比较细小和均匀的珠光体(索氏体)组织，采用二次热穿孔后进行轧后快速冷却工艺可以得到细片状珠光体和索氏体组织，并且抑制了网状碳化物的析出，有利于缩短球化退火时间和提高球化退火的质量和使用性能。
冷却工艺最好采用水冷—空冷交替进行，以达到温度和组织均匀的目的。轴承钢热轧管材快速冷却的工艺：轴承钢属于高碳铬钢，热轧后如果采取快速水冷，如果控制不当容易产生马氏体组织，形成表面裂纹，因此采用合适的冷却方式可以抑制网状碳化物的析出和得到比较细小、均匀的珠光体(索氏体)组织，以及保证钢管表面不产生裂纹。
控冷材的快速球化退火：控冷材得到细片状珠光体和索氏体组织比传统的热轧材所得到的粗片状珠光体组织要优越得多，因此可以采取快速球化退火工艺。热轧材控冷实际上是形变热处理，轧制时被破碎的晶粒在很大程度上由于快冷被固定下来，这时晶体内还存在大量亚结构以及位错等缺陷，索氏体或细片状珠光体组织中的碳化物片层细薄而密集，部分碳化物实际上呈弥散分布的颗粒状态，这种不平衡的组织结构，使基体内还存在大量过饱和的碳原子。所有这些因素对缩短球化退火时间都是很有利的。与空冷材相比，控冷材球化退火总时间一般可以缩短球化退火时间20～30％。
根据上述目的和工作原理，本发明具体的技术方案包括如下具体步骤：
A、在冷却线上间隔安装4组水冷器，热轧管坯在V型冷却滚道上为水冷和空冷交替进行，V型滚道线速度为0.32米/秒～1.48米/秒，水冷时间∶空冷时间＝1∶4～5；
B、控制管坯热轧的终轧温度，确保管坯进入水冷器1前为单一奥氏体组织，即可以控制钢坯在一次穿孔后的终轧温度为1140～1160℃，在二次穿孔后的终轧温度为950～1030℃，钢管锤头后温度为880～920℃；
C、保证热轧管坯进入第一组水冷器前的温度为850～910℃，从第四组水冷器的出水温度为560±20℃；
D、管坯输送到冷床后，钢材表面温度回升到650±30℃左右，可直接进入退火炉进行球化退火，退火炉能力不足可继续空冷。
E.管坯进行快速球化退火具体工艺为：管坯直接升温到790～810℃保温5～6小时后，以40～70℃/小时的冷却速度冷到740℃，再以10℃/小时的冷却速度冷到700℃，然后再以20～30℃/小时的冷却速度冷到650℃出炉空冷。球化退火时间为14～16小时。
所述的高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺所用的冷却装置包括：水冷器、测温系统和变速滚道。
所述的的高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺所用的水冷器由端面板1、内胆2、外套筒3、出水口小孔4和进水口5组成；其中内胆2直径为管材直径的1.5～2.5倍；外套筒3直径为内胆2内径的2倍，水为便于排水，冷器采用厚度为100mm～250mm的簿型结构；每个水冷器有四个进水口5，进水口5采用单独进水；出水口小孔4与轴线成60°角，以达到下部不积水，并形成一个均匀的水环。
另外，所述的水冷器的进水口5为双向切面进水，水流成高速环形旋转。
所述的测温系统采用远红外测温仪及相应微机系统，按进入冷却器前的钢管温度调节V型滚道速度。
所述的V型滚道有利于保证钢管管坯在水冷器的中心通过。通过调节电压而控制直流马达的速度，从而控制V型滚道的速度，V型滚道线速度调节范围为0.32米/秒～1.48米/秒。
本发明与现有技术相比具有最终可得到管材为细片状珠光体和索氏体组织，并且抑制钢中网状碳化物的析出，钢管表面不产生裂纹，缩短球化退火时间，同时具有高的接触疲劳寿命、高成材率的的优点。上述优点具体如下：
第一，通过上述冷却工艺得到细化的晶粒，细片状珠光体加索氏体组织，基本不出现网状碳化物，其网状碳化物的级别为1.0～2.0级，钢管表面不产生裂纹。
第二，可以进行快速球化退火，缩短球化退火时间20～30％。
第三，轴承钢热轧管材快速冷却可以提高钢材的韧性有利于冷拔工艺的进行，热轧后快冷材较热轧后雾冷材在冷拔过程中容易变形，并可减少断头和开裂，可提高成材率4％，还可减少拉拔过程中的一次中间退火。
第四，热轧后快速冷却材可以提高其接触疲劳寿命，其额定接触疲劳寿命L10较雾冷材提高40％～60％左右。
附图说明
图1为本发明冷却器的结构示意图，其中进水口5为单向进水。
图2为本发明冷却器的结构示意图，进水口5为双向进水。
上述附图中，1为端面、2为内胆、3为外套筒、4为出水口小孔、5为进水口，其中箭头为进水方向。
具体实施方式
实施例1：
某钢铁厂现场生产φ95mm×8mm管坯的生产情况
牌号：高碳铬轴承钢GCr15。
炉号：550/1692。
加热温度、穿孔终轧温度：加热温度：1130～1150℃，加热后的管坯送入φ76穿孔机组进行一次穿孔和二次穿孔，一次穿孔后的终轧温度为1140～1160℃和二次穿孔后的终轧温度为950～1030℃，钢管锤头后温度为880～920℃，然后由V型输送棍送入水冷器进行控冷工艺。
控制冷却工艺：冷却线上按一定间隔安装四组水冷器，滚道线速度为0.7米/秒，水冷和空冷便交替进行，水冷时间∶空冷时间＝1∶4。钢管管坯进入第一组水冷器前的钢材表面温度分别为850～910℃，出第一组水冷器后的表面温度为695±15℃，经过第二组水冷器后，温度降到655±15℃，到了第三组后为580±10℃，第四组后为560±20℃。钢管输送到冷床后，表面温度回升到650±30℃左右，可直接进入退火炉进行球化退火，如果退火炉能力不足可继续空冷。
管坯进行快速球化退火具体工艺为：管坯直接升温到790～810℃保温5～6小时后，以40～70℃/小时的冷却速度冷到740℃，再以10℃/小时的冷却速度冷到700℃，然后再以20～30℃/小时的冷却速度冷到650℃出炉空冷。球化退火时间为16小时。
上述的高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺所用的冷却装置包括：水冷器1、测温系统和变速滚道。
上述的水冷器由端面板1、内胆2、外套筒3、出水口小孔4和进水口5组成；内胆2的直径为φ200mm；外套筒3的直径为φ400mm，水冷器的厚度为110mm的簿型结构；每个水冷器有四个进水口5，考虑到水的重力作用，进水口5采用单独进水；出水口小孔5与轴线成60°角，以达到下部不积水，并形成一个均匀的水环。
上述的水冷器的进水口5还可为双向切面进水，水流成高速环形旋转。
上述的测温系统采用远红外测温仪及相应微机系统，按进入冷却器前的钢管温度调节滚道速度。
上述的V型滚道有利于保证钢管管坯在水冷器的中心通过。通过调节电压而控制直流马达的速度，从而控制V型滚道的速度，根据所轧制管坯的规格，滚道线速度调节到0.7米/秒。
管坯控制冷却后的效果：
得到细片状珠光体+索氏体组织以及局部不连续的薄片网状渗碳，网状碳化物级别为1～1.5级，较传统工艺可降低0.5～1.0级。具体情况见表1。
可以进行快速球化退火，退火时间从传统工艺的22小时可以缩短到17小时，大约缩短23％的时间。
接触疲劳寿命L10较传统工艺提高60％左右。
成材率提高4％左右。
表1φ95mm×8mm管坯试验结果
N o    V型滚道线速度m/s   水冷∶空冷时间比   一次穿孔后的终轧温度℃   二次穿孔后的终轧温度℃ 钢管锤头温度℃ 进第一水冷器温度℃   出第四组水冷器温度℃ 表面回升温度℃ 球化退火时间(小时) 轧后组织 平均网状级别 球化组织级别 退火硬度(HB) 接触疲劳寿命L10×107 成材率％
  1 0.7 1∶4   1150   1000   920     910     580     680 16 细片状珠光体+索氏体+少量网状碳化物   1～1.5   2.0     187     -   92.3
  2   1140   980   880     885     550     650   1～1.5   2.0     189     1.69   92.1
  3   1140   990   880     850     540     640   1～1.5   2.0     191     -   92.0
  4   1145   980   910     900     570     660   1～1.5   2.0     188     -   91.8
  5   1155   1020   920     920     580     680   1～1.5   2.0     189     -   91.7
  6   1140   960   880     860     550     650   1～1.5   2.0     189     1.70   92.1
7 传统工艺：热轧后冷床冷却→空冷 22   片状珠光体+网状碳化物 1.5～2 2.5 184 1.05 88
实施例2：
某钢铁厂现场生产φ86mm×6mm管坯的生产情况
牌号：高碳铬轴承钢GCr15。
炉号：550/1721。
加热温度、穿孔终轧温度：加热温度：1120～1140℃，加热后的管坯送入φ76穿孔机组进行一次穿孔和二次穿孔，一次穿孔后的终轧温度为1120～1150℃和二次穿孔后的终轧温度为920～1010℃，钢管锤头后温度为870～910℃，然后由V型输送棍送入水冷器进行控冷工艺。
控制冷却工艺：冷却线上按一定间隔安装四组水冷器，滚道线速度为0.85米/秒，水冷和空冷便交替进行，水冷时间∶空冷时间＝1∶4。。钢管管坯进入第一组水冷器前的钢材表面温度分别为850～900℃，出第一组水冷器后的表面温度为685±15℃，经过第二组水冷器后，温度降到645±15℃，到了第三组后为570±10℃，第四组后为550±20℃。钢管输送到冷床后，表面温度回升到650±30℃左右，可直接进入退火炉进行球化退火，如果退火炉能力不足可继续空冷。
E.管坯进行快速球化退火具体工艺为：管坯直接升温到790～810℃保温5～6小时后，以40～70℃/小时的冷却速度冷到740℃，再以10℃/小时的冷却速度冷到700℃，然后再以20～30℃/小时的冷却速度冷到650℃出炉空冷。球化退火时间为15小时。
上述的高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺所用的冷却装置包括：水冷器1、测温系统和变速滚道。
上述的水冷器由端面板1、内胆2、外套筒3、出水口小孔4和进水口5组成；内胆2直径为200mm；外套简3直径为400mm，为便于排水水冷器采用厚度为100mm的簿型结构；每个水冷器有四个进水口5，考虑到水的重力作用，进水口5采用单独进水；出水口小孔4与轴线成60°角，以达到下部不积水，并形成一个均匀的水环。
上述的水冷器的进水口5为双向切面进水，水流成高速环形旋转。
上述的测温系统采用远红外测温仪及相应微机系统，按进入冷却器前的钢管温度调节滚道速度。
上述的V型滚道有利于保证钢管管坯在水冷器的中心通过。通过调节电压而控制直流马达的速度，从而控制V型滚道的速度，根据所轧制管坯的规格，滚道线速度调节到0.90米/秒。
管坯控制冷却后的效果：
得到细片状珠光体+索氏体组织以及局部不连续的簿片网状渗碳，网状碳化物级别为1～1.5级，较传统工艺可降低0.5～1.0级。具体情况见表2。
可以进行快速球化退火，退火时间从较传统工艺的20小时可以缩短到16小时，大约缩短20％时间。接触疲劳寿命L10较传统工艺提高40％左右。成材率提高4％左右。
表2φ86mm×6mm管坯试验结果
N o V型液道线速度m/s 水冷∶空冷时间比   一次穿孔后的终轧温度℃   二次穿孔后的终轧温度℃ 钢管锤头温度℃ 进第一水冷器温度℃ 出第四个水冷器温度℃ 表面回升温度℃ 球化退火时间小时 轧后组织 平均网状级别 球化组织级别 退火硬度(HB)   接触疲劳寿命L10×107 成村率％
    1 0.9 1∶4   1150   1000   910     900     580     670 15 细片状珠光体+索氏体+少量网状碳化物   1～1.5   2.0   190   1.70   92.3
    2   1150   980   890     885     550     650   1～1.5   2.0   185   -   92.2
    3   1140   950   880     850     540     640   1～1.5   2.0   191   -   91.9
    4   1160   1010   920     910     580     670   1～1.5   2.0   188   1.65   92.1
    5   1160   1010   920     910     580     680   1～1.5   2.0   189   -   91.7
    6   1140   950   880     860     540     640   1～1.5   2.0   186   -   91.5
7 传统工艺：热轧后冷床冷却→空冷 20 片状珠光体+网状碳化物 1.5～2 2.5 192 1.20 88.1

Claims (3)

1、一种高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺，其特征在于该工艺包括如下具体步骤：
A、在冷却线上间隔安装4组水冷器，热轧管坯在V型冷却滚道上为水冷和空冷交替进行，V型滚道线速度为0.32米/秒～1.48米/秒，水冷时间∶空冷时间＝1∶4～5；
B、控制管坯热轧的终轧温度，确保管坯进入水冷器1前为单一奥氏体组织，即可控制钢坯在一次穿孔后的终轧温度为1140～1160℃，在二次穿孔后的终轧温度为950～1030℃，钢管锤头后温度为880～920℃；
C、保证热轧管坯进入第一组水冷器前的温度为850～910℃，从第四组水冷器的出水温度为560±20℃；
D、管坯输送到冷床后，表面温度回升到650±30℃左右，可直接进入退火炉进行球化退火，退火炉能力不足可继续空冷；
E.管坯进行快速球化退火具体工艺为：管坯直接升温到790～810℃保温5～6小时后，以40～70℃/小时的冷却速度冷到740℃，再以10℃/小时的冷却速度冷到700℃，然后再以20～30℃/小时的冷却速度冷到650℃出炉空冷；球化退火时间为14～16小时。
2、根据权利要求1所述的的高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺所用的水冷器，其特征在于水冷器由端面板(1)、内胆(2)、外套筒(3)、出水口小孔(4)和进水口(5)组成；其中内胆(2)直径为管材直径的1.5～2.5倍；外套筒(3)直径为内胆(2)内径的2倍，水冷器采用厚度为100mm～250mm的簿型结构；每个水冷器有四个进水口(5)，进水口(5)采用单独进水；出水口小孔(4)与轴线成60°角。
3、根据权利要求2所述的高碳铬轴承钢管坯热轧后控制冷却工艺所用的水冷器，其特征在于水冷器的进水口(5)为双向切面进水，水流成高速环形旋转。
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