CN101374628A - 用于无头热轧的高碳钢的接合方法和用于该方法的设备 - Google Patents

Abstract

公开一种无头热轧材料的剪切－接合方法，通过在用于高碳钢的无头热轧过程中控制用于热轧材料的接合条件，使得热轧材料在精轧过程中穿过而没有带材断裂；以及公开用于该方法的无头热压车间。剪切－接合方法包括：在热轧车间通过适于在前金属棒材的尾部和后金属棒材的头部重叠后将金属棒材接合在一起的接合器，剪切－接合高碳钢金属棒材，使得接合的金属棒材的接合表面被形成为在金属棒材的厚度方向上倾斜，该棒材以重量百分比计包括0.30％至1.20％的C、不可避免的杂质以及剩余百分比的Fe，或者包括包含Cr、Ni、Mo、V、Ti、W、B、Nb和Sb中至少一种的0.15％至1.5％的C、不可避免的杂质以及剩余百分比的Fe。

Description

用于无头热轧的高碳钢的接合方法和用于该方法的设备

技术领域

本发明涉及一种用于以实现无头热轧的方式在热轧过程中接合热轧材料的方法，具体而言，涉及一种剪切-接合的方法，该方法能够通过控制在无头热轧过程中的接合条件，使得高碳钢在精轧过程中穿过(threading)而不产生带材断裂，以及涉及用于该方法的无头热轧车间。

背景技术

在与制造热轧金属棒材相关的技术领域中，根据无头精轧用扩大产品的可用尺寸来提高产量和质量是非常有价值的。

在该无头热轧领域中，金属棒材接合技术是非常重要的。金属棒材接合技术是一种用于将前热轧材料的尾部和后热轧材料(在下文中都称为“金属棒材”)的头部接合的技术。

在粗轧机和精轧机之间实现在热轧过程中的金属棒材接合。当金属棒材在粗轧机处理之后被顺序接合时，能够在精轧过程中不断地轧制金属棒材。

因此，对于无头精轧，需要将高速行进的金属棒材接合。对于该种接合，已经提出了多种技术。

已知的技术分为熔融接合法和固相接合法。

当使用熔融接合法接合金属棒材时，存在缺点：由于熔融接头的温度高于该熔融接头周围的金属棒材部分，因此出现熔融接头的软化，以致该熔融点与金属棒材的基底金属相比呈现出降低的接合强度。

对于通常称为固相接合法的技术，在日本特开平9-17411公报(在下文称为“411发明”)中公开了一种金属棒材接合方法。

411发明是一种用于接合金属棒材的技术，该技术通过将前金属棒材的尾部与后金属棒材的头部重叠，同时剪切重叠的两个金属棒材，并且将在剪切过程中形成的金属棒材的两个剪切面接合，在该接合中使得剪切面彼此接触。

当411发明用于无头热轧车间中时，具有许多优点：由于使用了剪切过程来获得该接合，因此可以在短时间内简单地获得接合，并且由于所需的空间小，能够减少在精轧过程中出现的温度降低。

但是，411发明具有一个缺点，因为形成的接头的形状是不均匀的，并且在接合表面之间会产生表面氧化皮(sca1e)的夹杂物，因此该接头的接合强度会产生相当大的降低。

此外，当使用411发明接合金属棒材时，可能存在缺点：接合的表面会在其上和下横截面部分以及在相对的横向端部上，具有未接合部分或者弱接合部分。此外，在接合的表面之间的表面氧化皮的夹杂物会出现，以致会出现接合强度降低。

同时，因为高碳钢在常温下表现出高强度，所以它是一种可用于工具的钢。

由于可以获得诸如增加产量和薄度的许多优点，因此利用接合技术对此种高碳钢进行无头热轧。

但是，在此情况下，由于高碳钢非常脆，因此在进行无头热轧时有许多问题。

当利用焊接技术对这种高碳钢进行无头热轧时，由于会易于形成诸如高温裂纹和低温裂纹的各种焊接裂纹，因此需要进行预热和后热处理。因此，与高碳钢相关联，存在低焊接可加工性和增加的焊接作业难度的缺点。

而且，在例如感应加热法的熔融接合法用于高碳钢时，存在其中氧化皮作为缺陷残留在接头中的问题，由于氧化皮的熔点高于基底金属的熔点，以致在加热过程之后，难以随着进行的压制过程而迫使氧化皮朝向焊缝(bead)移动。

此外，在高碳钢的情况下，在基底金属中大量包含的碳在焊接过程中与大气反应，从而产生了CO或CO₂气体，该气体接着在焊接位置以气孔的形式存在。这些气孔的存在使得接头不仅在常温下，而且也在完成焊接过程之后的高温下显示出机械性能的降低。

由于上述问题，在很少的情况下对高碳钢采用无头热轧。

发明内容

技术问题

因此考虑到在常规情况下所产生的上述问题而做出了本发明，本发明的目的是提供一种使得无头热轧能够用于高碳钢的剪切-接合方法。

本发明的另一目的是：建立剪切-接合条件，该条件能够允许在金属棒材被接合之后形成的高碳钢的金属棒材的接头，足以承受在精轧过程中的精轧负载；以及确保抗拉特性，该抗拉特性能够允许该接头承受住在精轧机架之间所产生的拉力。

技术方案

一方面，本发明提供了一种用于无头热轧高碳钢材料的剪切-接合方法，包括：在热轧车间中通过一个适于在前金属棒材的尾部和后金属棒材的头部重叠之后将金属棒材接合在一起的接合器，剪切-接合高碳钢金属棒材，以使得接合的金属棒材的接合表面被形成为在金属棒材的厚度方向上倾斜，该高碳钢金属棒材以重量百分比计包括0.30％至1.20％的C、不可避免的杂质以及剩余百分比的Fe，或者包括包含Cr、Ni、Mo、V、Ti、W、B、Nb和Sb中至少的一种的0.15％至1.5％的C，不可避免的杂质以及剩余百分比的Fe。

可以在50MPa或更小的压力下将金属棒材的待接合的部分去氧化皮。

可以在表示接合器的上刀片和下刀片之间的重叠距离的搭接(1ap)在2mm至18mm的范围内的条件下，进行金属棒材的剪切-接合。

可以在表示在将接合器的上刀片和下刀片的总移动距离除以金属棒材的厚度之后所获得的值的行程比在1.3至1.7的范围内的条件下，进行金属棒材的剪切-接合。

可以在接合器的上刀片和下刀片同时在向上和向下的方向上移动，或者只有接合器的上刀片和下刀片中的一个移动的条件下，进行金属棒材剪切-接合。

另一方面，本发明提供了一种热轧车间，包括：粗轧机，该粗轧机用于将高碳钢板材粗轧以产生粗轧过的金属棒材，该高碳钢板材以重量百分比计包括0.30％至1.20％的C，不可避免的杂质以及剩余百分比的Fe，或者包括包含Cr、Ni、Mo、V、Ti、W、B、Nb和Sb中的至少一种的0.15％至1.5％的C、不可避免的杂质以及剩余百分比的Fe；带卷箱，用于将粗轧过的金属棒材以带卷的形式卷绕；去氧化皮设备，用于将从带卷箱的卷绕机上展开的金属棒材的待重叠的部分去氧化皮；包括一对剪切刀片的剪切-接合设备，用于将前金属棒材的尾部与后金属棒材的头部重叠，在夹紧重叠的部分的同时将该重叠的部分压向彼此，以将该重叠的部分剪切，从而将金属棒材剪切-接合；以及精轧机，用于将所得到的剪切-接合后的金属棒材精轧。

附图说明

图1是示出了根据本发明的实施方案的用于高碳钢的无头热轧车间的基本配置的视图；

图2是示出了由根据本发明的实施方案的接合器完全接合的金属棒材的视图；

图3是示出了根据本发明的实施方案的完全接合的金属棒材的状态的概念简图；

图4是示出了根据本发明的实施方案的在固相接合过程中的自由能的变化的概念简图；

图5是描绘了在根据本发明的实施方案的固相接合过程中的接合率和接合强度比之间的关系的图表；

图6是示出了根据本发明的实施方案的施加到接合表面的接合力的概念简图；

图7是示出了接合强度在边缘部分降低和形成裂纹的原因的概念简图；

图8是用于说明根据本发明影响接头性能的接合参数和接合参数之间的关系的框图；

图9是用于说明根据本发明的行程比和搭接的定义的概念简图；

图10示出了分别描绘了根据本发明的实施方案的去氧化皮温度和接合强度比之间的关系和去氧化皮温度和裂纹率之间的关系的图表；

图11示出了分别描绘了根据本发明的实施方案的去氧化皮压力和接合强度比之间的关系和去氧化皮压力和裂纹率之间的关系的图表；

图12是描绘了根据本发明的实施方案的接合温度和接合强度比之间的关系的图表；

图13是描绘了根据本发明的实施方案的搭接和接合强度比之间的关系的图表；

图14是描绘了根据本发明的实施方案的行程比和接合强度比之间的关系的图表；

图15示出了描绘根据本发明的实施方案在精轧过程中接头的穿过的实验结果的图表。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的优选实施方案。

在本发明中，“高碳钢”是指以重量百分比计包括(在下文中，除非做出了特别的表示，％表示重量百分比)0.30％至1.20％的C、不可避免的杂质和剩余百分比的Fe的高碳钢，或者是指包括包含Cr、Ni、Mo、V、Ti、W、B、Nb和Sb中的至少一种的0.15％至1.5％的C、不可避免的杂质和剩余百分比的Fe的高碳钢。

同样，在本发明中，“剪切-接合”表示金属棒材的接合，其中由于当金属棒材在重叠状态下被在剪切过程中面向彼此定位的剪切刀片互相压到一起以形成剪切面，以致该剪切面在金属棒材的厚度方向上倾斜时产生剪压力，金属棒材根据出现在金属棒材的剪切面的塑性形变而被接合。

参照图1至4，将说明用于在剪切-接合高碳钢的同时进行高碳钢的无头热轧的热轧车间，以及使用该车间进行剪切-接合高碳钢的方法。

图1示出了根据本发明的实施方案的热轧车间的总配置。

参照图1，根据本发明的热轧车间主要包括粗轧机10、带卷箱20、接合设备30、以及包括多个辊子的精轧机40，这些设备从热轧车间的上游以此顺序布置。

根据用于高碳钢棒材的粗轧机10的粗轧运转所产生的高碳钢的金属棒材，被带卷箱20的卷绕机以带卷的形式卷绕。带卷箱20调整在粗轧机10内行进的金属棒材的速度和在精轧机40中行进的金属棒材的速度之间的差异。

从带卷箱20的卷绕机展开的后金属棒材60在其前端被切头剪(crop shear)剪切。在对金属棒60进行接合处，用去氧化皮设备81对剪切后的后金属棒材60在其表面进行去氧化皮。然后，后金属棒材60的前端与前金属棒材90的尾部在接合设备30的重叠单元80内重叠。在此情况下，如果需要，可以用切头剪剪切前金属棒材90的尾部。

用接合设备30的接合器100接合后金属棒材60的前端和前金属棒材90的尾部。然后用料头处理单元120切割在接头形成的料头。根据接合设备30的接合操作，具有无头结构的所得到的金属棒材110被喂送到精轧机40。

接合设备30是一种用于在前金属棒材90和后金属棒材60行进的条件下，接合前金属棒材90的后端和后金属棒材60的前端的设备。具体地，接合设备30是一种能够在短时间内实现剪切-接合的短周期接合设备。

为了将行进中的金属棒材剪切-接合，接合设备30是根据金属棒材的行进可移动的。因此，可以设置用于根据金属棒材的行进而移动接合设备30的装置。

例如，接合设备30的接合器100包括一对剪切刀片，该对剪切刀片通过在夹紧前金属棒材90和后金属棒材60的重叠部分的同时将重叠部分压向彼此来剪切该重叠部分，即剪切前金属棒材90的后端和后金属棒材60的前端。

将喂送到精轧机40的金属棒材110以连续的方式热轧通过多个辊子以使得它具有希望的厚度，然后将其用下卷绕机50卷绕。

在图1中，标记数字130和140指示了布置在带卷箱20和接合设备30的各自出口的校平器。标记数字150指示了布置在精轧机入口的切头剪。标记数字160表示了布置在校平器140和切头剪150之间的边缘加热器。标记数字170表示布置在边缘加热器160前方的棒材加热器。

校平器130和140、切头剪150、边缘加热器160和棒材加热器170可以根据待热轧的材料和热轧的条件来选择性地布置。虽然在图1中示出了这些装置的布置以及这些装置的安装或未安装，但它们的各种变体也是可能的。

对于邻接-接合的金属棒材，需要对前金属棒材90的后端和后金属棒材60的前端进行剪切的切头剪70。但是，当根据用于在重叠的状态下剪切金属棒材的过程来剪切-接合金属棒材时，不需要该切头剪70。因此，在此情况下可以省去切头剪70。

参照图2和3将详细描述根据本发明的接合器100和在剪切-接合过程中的高碳钢的金属棒材。

参照图2，根据本发明的接合器100主要包括上刀片组件120、下刀片组件130和用于可移动地支承该上和下刀片组件120和130的壳体110。

上刀片组件120包括具有整体结构的上刀片121、上夹具122和上支撑件123。下刀片组件130包括具有整体结构的下刀片131、下夹具132和下支撑件133。

上刀片组件120和下刀片组件130由壳体110的柱杆(未示出)引导，并且被支撑为使得它们在前金属棒材90和后金属棒材60的厚度方向上可移动。同样地，上刀片组件120和下刀片组件130被配置为它们通过连杆机构(未示出)相向移动或相互远离移动。

在以重叠的状态将后金属棒材60的前端220布置在前金属棒材90的后端210上方的条件下，将前金属棒材90和后金属棒材60引导入根据本发明的接合器100。

以上述方式彼此重叠的前金属棒材90的后端91和后金属棒材60的前端61的重叠部分，在上和下刀片的突出部124和134之间接合。即，上和下刀片的突出部124和134分别与前端61和后端91的表面形成接触。

同样地，上夹具122和下夹具132分别与后金属棒材60的前端61和前金属棒材90的后端91的重叠部分形成接触。在此处，上夹具122由上支撑件123液压支撑，而下夹具132由下支撑件133液压支撑。

当上刀片121和下刀片131分别在上述状态下剪切后金属棒材60和前金属棒材90时，后金属棒材60和前金属棒材90的剪切表面根据它们的塑性形变而被剪切-接合。因此，制造出具有整体结构的无头接合的金属棒材110。

当如上所述完成金属棒材的端部的剪切-接合时，切割自后金属棒材60的前端61的上料头和切割自前金属棒材90的后端91的下料头位于该无头金属棒材的接头处。而且，在接合金属棒材之后，收回上刀片121和下刀片131，一直到它们彼此间隔一定的距离。

利用图1示出的料头处理单元120去除根据金属棒材的剪切-接合所产生的上和下料头。将无头金属棒材110喂送到精轧机40。

当无头金属棒材的接头穿过精轧机40时，由于诸如弯曲力和拉力等的高压缩应力和外力在精轧过程中被施加到精轧机的机架之间的接头，它受到非常苛刻的工艺条件。

在此情况下，高碳钢的金属棒材的接头应该具有足以使得该接头穿过精轧机40而不破裂的接合强度。

在下文中，将详细描述当高碳钢的金属棒材在无头热轧过程中被剪切-接合时，用于控制接头的接合强度的接合工艺参数。

首先，参照图4，将在金属热力学方面描述用于两个金属棒材的固相接合过程。

固相接合过程可以被认为是一个将两个自由面成形为一个界面的过程。在此情况下，在固相过程中的自由能变化可以用热力学计算出，如以下表达式1所示：

γ_界面-2γ_自由面＝-1.7γ_自由面——(1)

如表达式1所示，由于界面能具有一个相当于自由面能的30％或更小值，所以可以用-1.7γ_自由面来表示自由能变化。由于γ_自由面是正值，因此总的能量变化是负值。这意味着两个表面根据自发反应，即无需外力而自发地接合到一起。

但是，在实际情况下，没有两个表面在大气中无需外力而自发地接合的机会。这是因为面上的不平整和氧化皮阻碍表面的接合，该表面可能会是金属棒材表面。

为了接合两个金属棒材，需要改变待接合的金属棒材的表面上的原子之间的引力。为了改变原子之间的引力，原子之间的距离应该以

(10^-8m)为单位。

但是，即使在对表面进行加工之后，在金属棒材的表面仍然存在不平整。为此，在两个金属棒材的表面上的原子之间的距离大于单位

。考虑到该事实，在整个固相接合过程中施加高压力(压缩力)。由于在常温下需要非常大的力，因此将金属棒材加热到高温。

虽然如上所述使用该高压，但是在金属棒材表面存在的或者在金属棒材的加热过程中在金属棒材表面产生的氧化皮仍然会使得接合程度降低。因此，为了确保接头的足够接合强度，需要在高碳钢的无头热轧过程中减少氧化皮的量。

当两个金属棒材按照常规固相接合法来接合时，在抑制氧化皮夹杂物的同时也许能够实现接合。当然，这是非常例外的情况。但是，因为在大约1,000℃的高温下进行金属棒材的热轧，所以即使在这种情况下，由于高温氧化，氧化皮仍然自然地产生在两个将要彼此重叠的金属棒材的表面上。即使进行去氧化皮来去除所产生的氧化皮，也会在去氧化皮之后立即在表面上再次产生氧化皮。

此外，由于金属棒材的材料在高温下表现出非常高的延展性，所以在将要重叠的表面上存在的氧化皮可能会被包含在所得到的接头内。此氧化皮夹杂物会使得接头强度降低。

在下文中，将参照图5描述当两个金属棒材按照如上所述的热轧过程接合时所形成的接头的接合率和接合强度比。

在图5中，直线表示当理论上假定当接头中不包含氧化皮时没有氧化皮间接合力时，接合率和接合强度比之间的关系。由于接合率和接合强度比的关系理论上是线性的，因此在上述理论情况下，当接合率出现增加时，接合强度比一定增加。在这里，接合率表示对应于在将完全接合的不包括氧化皮夹杂物的接头部分的长度除以接头的总长度所获得的值的百分比。这意味着这样的事实，当在接头中的氧化皮夹杂物增加时，接合率降低，以致接合强度比降低。

但是，在实际的热轧过程中，由于热轧过程的高温条件不可避免地产生氧化皮。而且，在氧化皮之间存在接合力，即使该接合力很小。因此，在此情况下的接合强度比稍大于理论情况的接合强度比。即，建立了如虚线所表示的关系。

现在，将描述用于控制当高碳钢的金属棒材按照无头热轧过程被剪切-接合时所形成的接头的接合强度的接合条件。

首先，将参照图6描述根据本发明的接合器100的剪切-接合操作。

如图6所示，用于按照剪切-接合过程来接合两个金属棒材的力，相当于根据上刀片121和下刀片131的压缩操作所产生的压缩负载的分力，即，相当于垂直于所要形成的接头的分力。此外，在按照剪切操作所产生的两个表面之间产生的摩擦力增大了接合力。

如图6的右部分所示，依靠这些力，朝向彼此施加相向的压力，由此形成接头。

接合力根据接合器100和工艺条件而变化。当此力不足时，接头不具有足够的接合强度。同时，设置在上和下刀片的突出部124和134起到防止金属棒材的金属材料流动的作用，以及起到能够稳定施加接合力的作用。

如图7所示，由于金属棒材的中间部分由周边所包裹，因此当从金属棒材的宽度方向上观察时，不存在与金属棒材的中间部分相关的问题。但是，当从金属棒材的宽度方向上观察时，每一金属棒材的相对端，即相对的横向端是没有被包裹的自由面状态。

如图7所示，由于金属棒材的处于自由面状态的相对的横向端向外分叉，因此倾斜地施加相向的力。

因此，在金属棒材的相对的横向端出现接合强度的降低。此外，如图7的右部分所示，在接合强度出现降低的金属棒材部分会发生部分氧化。这在随后的精轧过程中引起裂纹的形成。当形成的裂纹变得严重时，会发生带材断裂。

而且，接头的形状影响接合强度。当利用剪切-接合过程时，由于该接合过程的特性，在接头的上和下横截面部分会有未接合的部分。在此情况下，根据未接合部分的位置和尺寸会产生接合强度的变化。

如图8所示，考虑到上述描述，可以排列对于接头性能的影响的各种控制因素。

参照图8，可以看到，金属棒材的材料性能、工艺参数和接合器影响金属棒材的接头的性能，即影响该接头的接合强度。

但是，控制材料的性能和接合器是困难的。因此，在接合金属棒材的实际情况中，在接合条件的易控性和控制效果的保障性方面，控制工艺参数是有利的。

对于这些工艺参数，包括去氧化皮条件和接合条件。

去氧化皮条件适于在去氧化皮过程中控制温度和压力，以使得氧化皮夹杂物被抑制。另一方面，接合条件适于在金属棒材接合过程中控制温度、搭接、行程比，从而控制在接头处的接合力和接头的形状。

根据对于上述的五个工艺参数的适当控制，可以解决引起接合强度降低的氧化皮夹杂物和接合力不足的问题。而且，能够控制接头的形状。通过控制上述的工艺参数，也能够抑制金属棒材的接头强度的降低。

将参照图9描述行程比和搭接的定义，该行程比和搭接是与接合条件相关的工艺参数。

行程比表示将接合器100的上刀片121和下刀片131分别向上和向下所移动的总距离除以金属棒材的厚度所获的值。因此，当行程比增大时，接头厚度减小。

搭接表示上刀片121和下刀片131的重叠长度。但是，由于剪切刀片(上和下刀片)在它们之间形成一个特定角度，因此在剪切刀片的剪切操作之后，搭接会根据行程比变得稍微不同于设定值。因此，在金属棒材被剪切-接合处，搭接的测量会是几乎不可能的。因此，优选地，基于接合器的设定值来控制搭接。

由于上述根据本发明的热轧车间和使用该车间的接合方法包括剪切-接合过程，因此它们可应用于由于高含量的碳而表现出弱物理性能的高碳钢的金属棒材。

而且，由于根据本发明的接合方法包括固相接合工艺，因此在热轧车间生产线上，无需提供单独的热源，而能够在金属棒材本身被加热用于热轧过程的温度范围内实现剪切-接合。因此，不需要进行金属棒材的预热和后热。也能够防止在金属棒材的接头处形成由于使用单独的热源所引起的裂纹。

此外，由于不同于常规的焊接方法，只使用了剪切力，因此存在能够从根本上防止在高碳钢接合过程中出现的问题，即氧化皮夹杂物和包括气孔等问题的技术效果。

因此，根据本发明的剪切-接合方法在无头热轧过程中接合高碳钢是非常有用的。特别地，只要适当地控制工艺参数，就能够确保在精轧过程中接头的理想的穿过稳定性。

当然，对于高碳钢，与其它种类的钢相比，需要严格控制工艺参数，因为与低碳钢的氧化皮相比，高碳钢的氧化皮表现出对于基底金属的高附着性。

发明的实施例

在下文中，考虑到上述事实，将通过实施例描述所控制的用于高碳钢的剪切-接合过程的工艺参数和工艺条件。

[实施例]

使用具有如下表1所述的组分的高碳钢金属棒材，对于在图1至3所示的无头热轧车间内用于剪切-接合金属棒材的工艺参数进行实验。

表1

图10至15示出的实验图表表示表1中所示的钢的平均实验值。使用这种平均实验值的原因是，通过实验方法表1所述的高碳钢组分表现出诸如接头效率(在下文详细描述)的接头性能的类似模式。

图10描绘了去氧化皮温度对于接头效率和接头的边缘裂纹率的影响。

在这里，接头效率可以用以下的表达式2表示：

接头效率＝金属棒材的接头部分的强度/金属棒材的基底金属部分的强度——(2)

而且，边缘裂纹率可以用以下的表达式3表示：

边缘裂纹率＝左和轻的裂纹长度总和/带卷(金属棒材)的宽度——(3)

参照图10，可以看到，当高碳钢的金属棒材被剪切-接合时，去氧化皮温度对于接头效率和边缘裂纹率的影响小。

还发现，当接头效率低时，在精轧过程中的第一和第二轧槽(pass)出现带材断裂，但是，当边缘裂纹率高时，带材断裂出现在精轧过程的后面的轧槽内。

图11描绘了去氧化皮压力对于接头效率和边缘裂纹率的影响。

参照图11，从对进行了精轧过程的接合后的金属棒材的穿过稳定性实验结果，可以看到，当接头效率是52％或更大时，实现了接合的金属棒材的精轧而没有引起金属棒材的接头断裂。可以在边缘裂纹率低于30％时实现穿过。

如图11所示，当去氧化皮压力增大时，被拖入接头的表面氧化皮减少，因此接头强度增大。而且，在金属棒材的相对的横向端处的未接合区域减小，因此边缘裂纹率降低。

但是，当去氧化皮压力过高时，喷雾的量增加。在此情况下，接头的温度被过分降低，因此难以确保随后的过程，即精轧过程所需要的温度。

此外，过大的去氧化皮压力引起金属棒材的基底金属的损害，该基底金属在高温强度方面表现出弱化。在此情况下，在所要接合的金属棒材部分的表面上形成严重的不平整，因此出现了接合能力的降低。

如从上述实验结果可见，优选地，当利用接合器剪切接合高碳钢时，将布置在接合器100的上游的去氧化皮设备81的去氧化皮压力控制为50MPa或更小。

优选的去氧化皮压力是50MPa或更小的原因在于，虽然由金属棒材的基底金属的损害所引起的接合能力的降低在35MPa或更大压力处开始，但是在最高达50MPa的去氧化皮压力处符合了穿过的标准。

而且，对于高碳钢，可以省去去氧化皮过程。这是因为即使当去氧化皮压力是0MPa时，也能够获得在精轧过程中实现穿过的接合强度和低边缘裂纹率。

图12描绘了在高碳钢的剪切-接合过程中根据接合温度的接合强度比。

如图12所示，对于高碳钢在剪切-接合过程中的接合温度对接合强度比具有很小的影响，并且也对边缘裂纹率具有很小的影响。

图13描绘了在高碳钢的剪切-接合过程中根据搭接的变化的接合强度比。

参照图13，可以看到，搭接和接头效率具有高斯分布形式的关系，即具有抛物线关系。

即，当搭接增加时，接头效率增加。因此，在2mm或更大的搭接时开始满足穿过标准(在下文描述)，在18mm或更大的搭接时穿过标准减小，并且在大于21mm的搭接时不满足穿过标准。

在2mm至18mm的搭接范围内满足穿过标准的原因如下。

接合强度根据搭接的增加而增加的原因在于，搭接的增加引起接合线的角度的减小，该角度的减小引起剪切刀片的竖直应力的分力，即垂直于接合线的分力增大。当搭接高于一定值时，由于所需要的负载必须增加，所以出现了接合强度的减小。

因此，优选地，搭接的范围是2mm至18mm。

另一方面，虽然去氧化皮压力大大影响了边缘裂纹率，但是搭接对于边缘裂纹率的影响很小。这是因为，尽管随着搭接的增加出现接合力的增加，但是在边缘部分的接合力由于边缘部分在宽度方向上的分叉而降低，从而边缘部分发生氧化，因此受控的搭接的效果变得非常小。

随着剪切刀片的使用，它们的磨损增加，由此引起搭接变化。因此，在实际热轧工作线中的搭接测量是困难的。在此方面，在本发明中的搭接是指在接合器100中设定的值。

图14是一个描绘了在高碳钢的剪切-接合过程中根据行程比的金属棒材的断裂负载的曲线图。

参照图14，可以看到，接头的断裂负载随着行程比的增加逐渐增加，在1.30满足了穿过的标准，在1.45或更大基本表现出饱和，并且在1.65或更大再次降低。但是，在最高达1.70的行程比，接头的断裂负载仍然满足穿过的标准。

因此，优选地，在高碳钢的剪切-接合过程中接合器100的行程比是1.30至1.70。

在此情况下，可控制行程，以使得接合器100的上刀片和下刀片在向下和向上的方向上同时移动，以获得剪切-接合。替代地，可以通过只移动上和下刀片中的一个来获得剪切-接合。

与其它接合条件不同，行程比对接头的厚度有影响。即，当行程比增大时，接头的厚度减小。因此，能够在增加接合强度的同时减小负载。为此，研究了行程比和接头的断裂负载之间的关系。参照图14，可以看到，当行程比增大时，尽管接头的厚度减小，接头的断裂负载增大。这意味着接头效率随着行程比的增加而明显增大。

虽然随着行程比的增大也产生延伸的增加，但它对于边缘裂纹率的影响不大。断裂应力和断裂负载随着行程比的增大而增大的现象出现的原因在于，增大了接合力，并且在接头的上和下横截面的未接合部分的位置和形状随着行程比的增大而变化。

图15描绘了根据每一个在热轧车间内被剪切-接合后的实施例的在高碳钢的精轧机中的穿过实验的结果。参照图15，可以确定根据本发明的穿过标准。

图15描绘了分别具有表1中所述的组分的高碳钢材料的金属棒材的结果，该结果是在将每一组分的金属棒材剪切-接合以及将所得到的接合后的金属棒材在安装于热轧车间内的精轧机中轧制之后获得的。

通过将具有450mm宽的高碳钢的金属棒材剪切-接合以制备两组试样，将每一试样组侧焊以具有840mm至900mm的宽度，然后将具有与侧焊后的金属棒材具有相同厚度的棒材焊接到侧焊后的金属棒材的上游端和下游端以获得具有900mm长度的金属棒材，来制备被测试用于获得图15的曲线图所描绘的实验结果的试样。在将每一金属棒材在加热炉中加热，以及对该加热过的金属棒材进行精轧过程之后，获得实验结果。

如从实验结果可见，所有具有小于52％的接头效率的金属棒材在精轧过程中表现出带材断裂，而具有52％或更大的接头效率的金属棒材在精轧过程中成功地穿过。

如上所述的在精轧过程中成功地穿过的金属棒材表现出25％或更小的接头边缘裂纹率。

在行程比固定的条件下，即使在根据接合强度比来设定穿过标准时也是没有问题的。但是，当行程比变化时，接头的厚度变化。图15中的下方的曲线图描绘了考虑到上述现象所获得的结果。在该曲线图中的“接合负载比”可以用以下的表达式4来表示。穿过标准对应于31.5％的接合负载比。

接合负载比＝接头断裂负载/基底金属断裂负载——(4)

如从图15可见，在精轧步骤中的穿过标准意味着满足了在精轧过程中的接头效率和断裂负载而金属棒材没有断裂。

虽然已经描述了本发明的优选实施方案，但本发明并不限于在上述的用于高碳钢的无头热轧过程中在接头处的接合条件，而是可适用于在上述的用于高碳钢的无头热轧过程中执行剪切-接合所需要的各种接合方法。

因此，本领域普通技术人员应理解，不偏离在所附的权利要求书中所公开的本发明的范围和主旨，各种改型、添加和替代是可能的。

工业实用性

如从上述说明可知，根据本发明的用于对无头热轧高碳钢材料进行剪切-接合的方法，提供了能够根据一种以前没有采用过的剪切-接合过程将高碳钢的热轧材料接合并且因此实现高碳钢的热轧材料的无头热轧的技术效果。

根据本发明，当高碳钢的金属棒材被接合时存在这样的技术效果：即，金属棒材的接头能够足以承受在精轧过程中的精轧负载，并且剪切-接合条件确保了抗拉特性能够允许接头承受在精轧机架之间产生的拉力。

此外，当高碳钢的金属棒材被无头热轧时，本发明提供了这样的技术效果：能够提供即使在金属棒材已经被接合的情况下也能够在随后的精轧过程中执行无头热轧而没有带材断裂的工艺参数。

当应用了根据本发明的工艺参数范围时，即使金属棒材的材料是高碳钢，金属棒材的接头也会表现出优良的性能，例如，对于在精轧过程中所产生的高压缩负载以及在精轧机架之间所施加的拉伸负载的足够的耐久性。

因此，在精轧过程中可以实现无头热轧而没有带材断裂，即接头断裂。

Claims (10)

1.一种用于无头热轧高碳钢材料的剪切-接合方法，包括：

在热轧车间中通过一个适于在前金属棒材的尾部和后金属棒材的头部重叠之后将金属棒材接合在一起的接合器，剪切-接合高碳钢金属棒材，以使得接合的金属棒材的接合表面被形成为在金属棒材的厚度方向上倾斜，该高碳钢金属棒材以重量百分比计包括0.30％至1.20％的C、不可避免的杂质以及剩余百分比的Fe，或者包括包含Cr、Ni、Mo、V、Ti、W、B、Nb和Sb中的至少一种的0.15％至1.5％的C、不可避免的杂质以及剩余百分比的Fe。

2.根据权利要求1的剪切-接合方法，其中在50MPa或更小的压力下将金属棒材的待接合的部分去氧化皮。

3.根据权利要求1的剪切-接合方法，其中在表示接合器的上刀片和下刀片之间的重叠距离的搭接在2mm至18mm的范围内的条件下，进行金属棒材的剪切-接合。

4.根据权利要求1的剪切-接合方法，其中在表示在将接合器的上刀片和下刀片的总移动距离除以金属棒材的厚度之后所获得的值的行程比在1.3至1.7的范围内条件下，进行金属棒材的剪切-接合。

5.根据权利要求4的剪切-接合方法，其中在接合器的上刀片和下刀片同时在向上和向下的方向上移动的条件下，进行金属棒材剪切-接合。

6.根据权利要求4的剪切-接合方法，其中在只有接合器的上刀片和下刀片中的一个移动的条件下，进行金属棒材剪切-接合。

7.根据权利要求2的剪切-接合方法，其中在表示接合器的上刀片和下刀片之间的重叠距离的搭接在2mm至18mm的范围内的条件下，进行金属棒材的剪切-接合。

8.根据权利要求7的剪切-接合方法，其中在表示在将接合器的上刀片和下刀片的总移动距离除以金属棒材的厚度之后所获得的值的行程比在1.3至1.7的范围内条件下，进行金属棒材的剪切-接合。

9.根据权利要求2的剪切-接合方法，其中在表示在将接合器的上刀片和下刀片的总移动距离除以金属棒材的厚度之后所获得的值的行程比在1.3至1.7的范围内条件下，进行金属棒材的剪切-接合。

10.一种热轧车间，包括：

粗轧机，用于将高碳钢板材粗轧以产生粗轧过的金属棒材，该高碳钢板材以重量百分比计包括0.30％至1.20％的C、不可避免的杂质以及剩余百分比的Fe，或者包括包含Cr、Ni、Mo、V、Ti、W、B、Nb和Sb中的至少一种的0.15％至1.5％的C、不可避免的杂质以及剩余百分比的Fe；

带卷箱，用于将粗轧过的金属棒材以带卷的形式卷绕；

去氧化皮设备，用于将从带卷箱的卷绕机上展开的金属棒材的待重叠的部分去氧化皮；

包括一对剪切刀片的剪切-接合设备，用于将前金属棒材的尾部与后金属棒材的头部重叠，在夹紧重叠的部分的同时将该重叠的部分压向彼此，以将该重叠的部分剪切，从而将金属棒材剪切-接合；以及

精轧机，用于将所得到的剪切-接合后的金属棒材精轧。

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