CN1038431C - 用于生产大直径高强度热轧钢棒的方法 - Google Patents

Abstract

大直径高强度热轧钢棒的低合金钢具有0.6-0.9%的碳含量，具有层间距离为0.05-0.15微米的金相组织，钢棒直径至少为20毫米，抗拉强度至少为120公斤/毫米²，减面率至少为20%，这种钢棒是按这样的方法生产的：热轧钢棒以恒定的速度冷却，冷却速度是受到控制的，使珠光体转变在Tc到(Tc+40℃)温度范围内开始，这里Tc是一个临界温度，恒速冷却曲线与连续冷却转变曲线的珠光体转变开始曲线在这一点上相切，转变时的最高温度控制在(Tc+80℃)或以下。

Description

本发明是关于一种具有良好金相组织的大直径热轧钢棒及其生产方法，这种钢棒在其断面上具有很高的强度和良好的韧性，所采用的生产方法是控制珠光体转变温度。

在这以前，热轧钢棒一般都是用一个铅池进行所谓的铅浴冷却、用空气冷却或者用热水冷却，但是这些方法都有一些问题。比如说，在铅浴冷却方法中可以得到较高的强度，可是使用铅池会使工作环境变坏，也就是说有环境污染问题。空气冷却或热水冷却方法也有其缺点，因为这些冷却方法不可能象铅浴冷却时那样稳定和迅速，所以在低温时不可能加速相的转变。

另一方面，用淬火一回火方法也可以得到高强度钢棒，不过，这种所谓的回火马氏体钢在延迟破裂性能方面好象不如珠光体钢。因此，从可靠性的观点来说，有必要得到一种强度较高的珠光体钢。但是，对于大直径的钢棒，特别是直径大于20毫米的钢棒，它具有大量的热量，冷却较慢，使用一般常用的方法用空气冷却或热水冷却是不可能在低温度下影响珠光体的转变的。这就是说，转变温度要比小直径钢棒时高，所以，不添加大量的提高淬硬性的元素就很难得到超过120公斤/毫米²的抗拉强度。

要求高强度的高碳钢钢棒，比如预应力混凝土用的钢筋，从来就是用这样的工艺方法生产的即：钢坯加热、热轧、在冷床上以一定的速度冷却，比如用自然风冷、强迫风冷或喷水雾冷却，使奥氏体钢产生珠光体转变。

不过，当奥氏体的热轧钢棒在轧制以后马上进行冷却使之发生珠光体转变就会引起一个问题，即生产出来的钢棒韧性降低。作为表示韧性的指标，有一些关于延伸率、减面率以及韧性降低与减面率对应的各种数据。由于韧性，也就是减面率在经过一段很长的时效时间，如几百小时甚至更长一些以后是可以恢复的(虽然恢复得不完全)，所以如果所轧的钢棒允许放置这么长时间的话，这也算不上是一个大缺点，因为在生产厂一般都有一定的储存量，钢棒在使用以前总要放一段时间的，这是过去的情况。不过，目前情况有所不同了，钢种和形状规格等都已经多样化了，生产厂已不再可能做相应的储备，并且按照使用的情况不得不在得到完全的时效恢复韧性以前就把钢材投入市场。在这种情况下，钢棒的韧性会是不均匀的，并且有时候是有危险的，特别是当这些钢棒是承受很大拉力的时候。

这样，为了改善钢棒的韧性，就得考虑采取一种强化时效处理，不过这样生产出来的钢棒也有一个缺点，这就是屈服应力在抗断应力中所占比例小。通常，预应力混凝土用的钢筋所承受的应力是屈服应力的70-80％，因此希望钢棒具有较高的屈服应力。此外，上面所讲的这种钢棒还有一个缺点，那就是它的直度较差，不容易运送。

中碳或高碳钢热轧钢棒通常是这样生产的，即先将钢坯加热，接着用几道或者十几道轧制成最终的形状，在轧制以后将钢棒送到冷床上冷却，使奥氏体组织转变为珠光体组织，这样可以得到较高的抗拉强度。

中碳或高碳钢的性能是随所采取的热处理的条件变化的，以往的生产方法是在轧制结束之后马上冷却，钢坯在加热炉中加热时的温度分布影响到轧制中的和轧制后的轧件温度分布，因此使产品在纵向方向的机械性能受到了影响。即使在加热炉中加热的温度分布是均匀的，如果轧制过程出现了麻烦，生产作业线上有了停顿，所轧制的钢棒温度就会降低，结果也会使产品的机械性能在纵向方向不均匀。

本发明的概述

本发明的一个目的就是要生产出高强度、高韧性的直径大于20毫米的大直径钢棒，克服以往生产技术中所存在的上述缺点。

本发明的另一个目的是通过控制珠光体的转变温度来得到良好金相组织的大直径热轧钢棒。

本发明的另一个目的是提供一种生产高强度、高韧性大直径钢棒的方法，钢棒直径大于20毫米。

本发明的另一个目的是提供一种生产全长机械性能均匀的中碳或高碳钢钢棒的方法。

本发明还有一个目的，那就是提供一种能够得到稳定的良好韧性的高碳钢热轧钢棒的生产方法。

本发明的另一个目的是提供一种可以稳定地得到良好的直度和高屈服应力的高碳钢热轧钢棒的生产方法。

对于含碳量为0.5-0.9％，层间距离为0.05-0.15微米的金相组织的低合金钢热轧钢棒来说上述目的是可以达到的，这种高强度钢棒的直径至少为20毫米，抗拉强度至少为120公斤/毫米²，面缩率至少为20％，生产这种高强度大直径热轧钢棒的方法是：将热轧钢棒以一个恒定的速度进行冷却，其特征是对冷却进行控制，使珠光体在Tc到Tc+40℃这样的温度范围内开始转变，这里Tc是指一个临界温度，在这个温度下，恒速冷却曲线与珠光体开始转变曲线相接触；这个珠光体开始转变曲线是钢棒连续冷却转变曲线的一个，转变时的最高温度加以控制，不超过Tc+80℃。

下面参照附图来对本发明的原理和优点进行更详细的说明。

图1是按本发明的方法生产热轧钢棒的一个图解，图上表示钢棒的连续冷却转变曲线(即CCT曲线)，也就是说，图上示出了珠光体开始转变曲线Ps、珠光体转变结束曲线Pf以及按本发明的冷却曲线3，这里Tc是恒速冷却曲线与珠光体开始转变曲线Ps相切的一点，即临界温度。

图2所示是珠光体转变温度的控制范围(阴影部分)，在本发明的实例1中，对本发明的钢棒来说，这个临界温度Tc＝570℃，图上表明所得到的钢棒的抗拉强度(公斤/毫米²)。

图3是钢棒的横断面，表示测量珠光体层间距离的位置。

图4(a)和(b)所示分别表示在空气冷却和控制冷却条件下，珠光体的层间距离。

图5(a)、(b)、(c)和(d)所示是在空气冷却(以往生产技术)和控制冷却(本发明的方法)条件下，珠光体金相组织的显微照片。

图6的曲线表明抗拉强度与碳含量以及减面率与碳含量之间的关系。

图7所示是按照本发明进行控制冷却的一个实施例的示意图。

图8-图10所示是钢棒整个长度(60米)上的抗拉强度、减面率和延伸率，这些数据是从本发明的实例中取得的。

图11所示是按照以往的生产技术所生产的热轧钢棒，在其不同位置上的终轧温度，抗拉强度和减面率。

图12所示是抗拉强度和面缩率与终轧温度之间的关系。

图13所示是按照本发明的生产方法所得到热轧钢棒，在其不同位置上的终轧温度、抗拉强度和面缩率。

图14中的曲线表示钢棒经过自然时效和强化时效时，钢棒韧性(即面缩率)与时效时间的关系。

图15中的曲线表示，当钢棒冷却到室温、再加热并在不同温度下保温时，韧性(即面缩率)随时间的变化情况。

图16中的曲线表示，当钢棒在冷却过程中在不同温度下保温时，韧性(即面缩率)随时间变化的情况。

图17中的曲线表示，当钢棒冷却到室温时，在300℃保持40个小时，然后在冷却到室温的过程中施加一个相当于拉断强度之95％的拉力，或者不施加这一拉力时，钢棒的机械性能和直度的情况。

图18中的曲线表示，当钢棒热轧后进行冷却的过程中，在400℃温度下保温并且施加一个相当于拉断强度之95％的拉力时，或者不施加这一拉力时；钢棒的机械性能和直度的情况。

     对本发明的详细说明

发明者为解决上面所讲的问题做出了各种努力，最后成功地用控制珠光体转变温度的方法得到了金相组织非常好的高强度大直径的热轧钢棒，同时添加的合金元素保持尽可能少的程度。

于是，这种高强度的大直径热轧钢棒可以用这样的方法来生产，这种方法就是使热轧出来的钢棒以恒定的速度进行冷却，其特征是这种冷却要按这样的方式来控制，使其珠光体转变在Tc到(Tc+40℃)这一温度范围内开始，这里Tc是一个临界温度，恒速冷却曲线与连续冷却转变(CCT)曲线的珠光体开始转变曲线(Ps)在这一点上相切，在转变过程中的最高温度控制在Tc+80℃或更低一些。

图1所示是32毫米直径钢棒的连续冷却转变曲线的珠光体开始转变曲线(Ps)和珠光体转变结束曲线(Pf)的一例，钢棒的主要化学成分是：0.75％C，0.81％Si，1.21％Mn，0.8％Cr。除非特别说明，这里用的％都是指重量的百分数。

作为我们的研究结果，我们发现：当钢棒加热到奥氏体温度范围接着以恒定速度冷却时，按图1中曲线1所代表的恒速冷却并不能得到Tc，而由曲线2所代表的恒速冷却才能得到Tc。还发现这样的情况：当控制冷却时如果使钢棒的珠光体转变在Tc到(Tc+40)范围内开始，转变潜热的最高温度在Tc+80℃以下，那么就可以得到非常好的金相组织，抗拉强度至少为120公斤/毫米²，上述转变潜热是由于珠光体转变产生的。在图1中，按照本发明的冷却曲线3表示，而按照以往的空气冷却方法的曲线用4表示。

珠光体开始转变的温度限制在Tc至(Tc+40℃)的范围内是因为，如果低于临界温度Tc，则不会发生珠光体的转变，却会转变为马氏体，如果温度高于(Tc+40℃)则不可能得到所要求的强度。由于珠光体转变引起的转变潜热的最高温度限制在Tc+80℃以下是因为，如果高于Tc+80℃就不可能得到此要求的强度，即使珠光体转变温度在Tc到(Tc+40℃)范围内也会由于所产生的热量而达不到要求的强度。

一般来说，结晶晶粒愈小，也就是说终轧温度愈低，则韧性愈好，可是晶粒愈小则淬硬性愈差。因此，如果珠光体在较高的温度下转变就难以同时得到高强度和高韧性。

不过，按照本发明的方法，对于直径为20毫米以上的热轧钢棒来说也能得到小于ASTMNo.8的结晶晶粒，通过强化冷却控制珠光体的转变温度，可以得到120公斤/毫米²甚至更高的强度以及20％或更高的减面率。

按照本发明的方法生产的热轧钢棒在断面上具有一种非常好的金相组织，珠光体的层间距离在0.05-0.15微米范围内。比如，用化学成分0.71％C，0.79％Si，1.25％Mn，0.78％Cr，0.009％P和0.013％S的钢轧制成直径为32毫米的钢棒，终轧温度为980℃，然后放在空气中让其产生珠光体转变，或者用水雾进行控制冷却，也就是用空气和水进行喷冷。在每一种情况下都用电子显微镜来测量珠光体的层间距离，在钢棒的表面部分(r/R＝0.9-1.0)、中间部分(r/R＝0.5-0.6)及中心部分(r/R＝0.0-0.10)各测量三个位置，如图3所示，(R＝16毫米)。测量的结果示于图4中。图4(a)所示是在空气中冷却的钢棒的珠光体层间距离而图4(b)所示是用本发明的控制冷却方法所得的结果。在空气中冷却的钢棒中，珠光体的层间距离是从表面向中心逐渐增加，中心部分的有些层间距离超过了0.2微米。在大直径的钢棒中，这种现象相当明显。这就是说，珠光体的转变是从钢棒表面附近的地方开始，逐渐向中心部分发展，因此中心部分的温度由于转变时产生的热量而高一些。结果，接近中心的转变是在较高的温度下进行，因而使珠光体的层间距离增大。相反，如果按照本发明的方法，在转变过程中用水雾进行控制冷却，虽然层间距离也有向中心部分逐惭增大的超势如图4(b)所示，但是这种增大是很小的，最大的层间距离不超过0.13微米，这要比空气冷却钢棒的情况小多了。

图5(a)-(d)所示是空冷和控制冷却的钢棒的典型电子显微照片(X5000)，图5(a)和(b分别表示在一般空冷技术条件下钢棒表面部分和中心部分的照片，而(c)和(d)分别表示按本发明的控制冷却方法时的情况，从这些照片中可以明显看出，在后一种情况下层间距离要小一些。般来说，抗拉强度和减面率随层间距离的减小而提高，所以在这一方面，按本发明的方法所生产的钢棒，不论中心部分还是周边部分，珠光体的层间距离最大也不超过0.13微米，因此具有较理想的金相组织。由于这种钢棒是用作预应力混凝土钢筋的，因此在其全长上具有均匀的强度是特别重要的，如果有局部的薄弱部分，就会在这里拉断。按本发明方法生产的钢棒在长度方向和断面上都具有均匀的组织，因此可以在整个长度上具有均匀的高强度。

按照本发明进行的温度控制，如前所述，是通过一系列的喷嘴将水或者空气和水形成的水雾，从热轧钢棒的周围均匀的喷射到其表面上，通过连续地或者间断地喷射水或水雾，同时又控制水量和/或空气量就可以得到一个适当的冷却速度，从而控制珠光体开始转变的温度。此外，在转变开始以后，还要通过喷水或喷水雾来控制转变潜热的最高温度。

如果把上述的控制冷却方法运用到结晶晶粒调整到ASTM No.8或者小于控制终轧温度所达到的晶粒大小的热轧钢棒上，就会得到强度高，减面率又大的钢棒。

在本发明的推荐实施例中，热轧钢棒是用一个或者两个辊子使其回转、向前运动和/或向前向后运动，以便使钢棒冷却均匀，在此同时用风吹或者喷水雾的办法来控制钢棒从950冷却到500℃。在热轧钢棒的圆周方向用均匀的风进行吹冷在950到500℃范围内控制钢棒的温度。当钢棒所含的热量较大时，就难以用吹风的办法来控制在上述温度范围内，因此最好是从圆周方向喷以均匀的水雾。不过，由于在整个过程中都用水雾喷冷是不经济的，所以可以在珠光体转变开始以前仍用吹风的办法冷却，而喷雾冷却只是用于要排除蓄热的情况下在950到500℃温度范围内来冷却热轧钢棒，就可以有效地达到均匀的控制冷却，如上面所讲的那样，在冷却过程中钢棒要进行回转或者向前运动。

为了使钢棒在前后运动的同时又能够回转，最好的办法是配置回转用的辊子和前后运动用的辊子，并且在一定时间间隔时使辊子反转进行前后运动，也可以配置鼓形辊(中间细的辊子)，辊子平行并与钢棒中心线方向倾斜一个角度，每隔一定的一段时间使回转方向改变一次。

此外，在本发明中最好使用一个控制冷却系统用来确定具体的温度滞后，如上所述，这一系统包括一个计算装置，测定钢棒表面温度的装置以及冷却装置，这个冷却装置由一些分割的冷却单元组成。作为控制冷却标准的“时间—温度”是按照钢棒的直径、化学成分以及终轧温度计算得出的。在热轧以后的冷却开始到珠光体转变结束这个时间内，每隔一定的时间就测一次钢棒的表面温度。与上述的“时间—温度”标准进行对比，冷却系统即根据对比中的差别来进行相应的操作。

冷却装置是由一些分割的冷却单元组成，每个冷却单位的冷却能力可以单独控制。在分割的冷却区前面分别安装了测温的传感器，连续地测量钢棒的表面温度。将钢棒的化学成分、尺寸以及终轧温度等数据输入到计算装置中，以便事先得到一个冷却模型作为标准(如图7中的编号8所示)，把每个冷却单元中测得的钢棒温度与标准的冷却模型进行比较，然后按照这一温度差来控制冷却的能力。按照这样的控制冷却系统，钢棒经受到上面所讲的温度滞后，因此得到了稳定的质量和高强度。

参照图7，钢棒1借助于鼓形辊2而得到回转运动和向前的运动，辊子2与钢棒运行方向倾斜布置，钢棒通过一系列的分割的冷却单元3进行冷却，这些冷却单元是按照计算装置4的要求单独控制的。测温传感器5用来测量钢棒1的表面温度，这些测温计安设在各个冷却单元的前面，通过测温装置6进行连续的测温，每隔一段时间就把一个平均温度输入计算装置4以便进行冷却的控制。作为冷却用品介质，可以任意选用风吹、喷水和喷水雾。在图7中，一根钢棒是沿轴线方向移动的，但是，也可以并联移动。如上所述，通过控制冷却，可以得到质量均匀的钢棒，并实现珠光体的转变。

在图11中可以看到轧制终了以后钢棒温度的分布情况，以及冷却以后钢棒机械性能的分布情况，这里讲的热轧钢棒比方说是用断面为160×250毫米的高碳钢钢坯，经过12道次轧制成直径为32毫米、长度为60米的钢棒，接着在冷床上进行冷却，钢棒的化学成分为：0.75％C，0.81％Si，1.21％Mn，0.80％Cr。这就是说，轧制后钢棒温度的波动范围大约为90℃，至于冷却后钢棒的机械性能，对于温度较高的部分来说，抗拉强度较高而韧性(面缩率)却相反地降低了，对于温度较低的部分来说，抗拉强度较低而韧性(减面率)较高。对应于这样的温度分布，抗拉强度的波动大约为7公斤/毫米²，而减面率的波动大约为5％。这是因为，当终轧温度较低时，钢棒的奥氏体晶粒较细，因此韧性也相应得到改善，但是淬硬性却降低了，所以，当珠光体在较高的温度下转变就会降低强度。

按照我们研究的结果，对于上述钢棒来说，当终轧温度波动100℃时，钢棒的强度将变化大约8公斤/毫米²，而面缩率将变化大约5％，如图12所示。

这个实施例是按照我们的研究结果得出的，为了生产整个长度上具有均匀机械性能的中碳或高碳钢热轧钢棒而采取的生产方法，其特征是，在轧制过程中将所轧的轧件放到一个保温炉中进行保温，接着进行轧制，总的面缩率不小于10％。

适用于这一实施例的钢的化学成分是：0.3-0.9％C，0.25-2.0％Si，0.5-2.0％Mn，0.31.0％Cr，其余是Fe和其他不可避免的杂质。把这些钢加热到奥氏体稳定的温度，接着轧制和冷却，促使珠光体转变，从而得到高强度、高韧性的钢棒。冷却是采用上面所讲的控制冷却。

作为保温炉可以采用任何一种燃油的、烧煤气的和电加热的常用加热炉，不过，保温条件必须是在800到1000℃温度范围内，钢坯全长上的温度波动最多不超过60℃，因为如果温度低于800℃就有可能出现铁素体相，如果温度高于1000℃则奥氏体晶粒在珠光体转变以前会有所长大，从而使韧性降低。如果温度波动范围为60℃或更大一些，这种钢棒在其全长上的抗拉强度将会变化至少5公斤/毫米²，也就得不到均匀的机械性能。

仅仅把钢棒置于保温炉内进行保温并不能完全消除温度滞后的作用，因此仅仅靠在保温炉内保温然后取出来就进行冷却是不能得到均匀机械性能的。所以，在本发明的实施例中，所要轧制的钢坯先在保温炉内保温，接着进行轧制，轧制时的总减面率至少为10％，在保温炉中使之均匀化的奥氏体结晶晶粒，在终轧温度下被轧制过程破碎以后，接着又恢复以便进行再结晶。结果，热轧钢棒的结晶组织得到了均匀化，从而使钢棒得到均匀的机械性能，钢棒与钢棒之间是均匀的，在每根钢棒上也是均匀的。

当轧制时的减面率小于10％时是不可能得到充分再结晶的，奥氏体结晶粒仍保持轧制时的延伸状态，因此，就不可能通过保温-轧制-再结晶的办法来控制奥氏体的晶粒大小，结果就会使抗拉强度和面缩率产生波动。与此相反，如果钢坯轧制时的减面率在10％以上，再结晶也进行得很完全，使钢棒整个长度上具有预定的奥氏体晶粒大小，那么其金相组织将是均匀的，从而可以达到本发明的目的，那就是在钢棒与钢棒之间以及每根钢棒本身都能得到均匀的机械性能。

按照本发明的实施例，如上面所详细讲过的那样，只要在轧制过程中比以往生产方法更好地将所要轧制的钢坯置于保温炉中进行保温，就能够得到在整个长度上具有均匀机械性能的中碳或高碳钢热轧钢棒。

在本发明的另一个实施例中，通过在开始轧制时或轧制过程中连续不断地测量钢棒的表面温度，测量在上述控制冷却以前的温度，然后把这些数据输入进去控制强化冷却，使钢棒整个长度上的温度分布不超过60℃(在预定的温度范围800到1000℃内)，并且以不小于10％的总面缩率进行轧制，这样就可以生产出在整个长度上具有均匀机械性能的、强度和韧性都非常好的中碳或高碳钢热轧钢棒。

适用于这一实施例的钢的化学成分是：0.5-0.9％C，0.25-2.0％Si，0.5-2.0％Mn，0.3-1.0％Cr，其余部分是Fe和不可避免的杂质。将这些钢加热到奥氏体稳定的温度，接着进行轧制和冷却，促使珠光体转变，从而得到高强度高韧性的钢棒。强化冷却是采用吹风或喷水雾的办法。

在本发明中，要得到高韧性的高碳钢钢棒，最好是使高碳钢钢棒在热轧以后进行珠光体转变，接着冷却到室温、加热并在100到500℃温度下保温3到50小时；或者是在轧制后的冷却过程中使钢棒冷却到100到500℃并在这个温度下保温，使钢棒经受一种强化时效处理。

发明者还发现，使热轧钢棒在控制冷却条件下进行珠光体转变，接着按照上面所讲的条件进行强化时效，也能够进一步提高钢棒的韧性。一般来说，过去一直认为只有把钢材冷却到室温然后再加热才能得到时效恢复作用，但是发明者经过研究发现，即使是在轧制后的冷却过程中使钢材在上面所讲的温度下保温也能够得到同样的时效恢复。

由于在这些方法中时效都是在比较低的温度下进行的，因此就有可能利用轧制和加热炉的废热来加热轧后的炉子或保温炉，从而可以取得节能的效果，同时包括轧制过程在内的生产过程都能以简化，或者作为一个连续生产过程来完成。在后面一种情况下，只需要保温，所以更容易节能。

适用于这一实施例的高碳钢的化学成分是：0.6-0.9％C，0.25-2.0％Si，0.5-2.0％Mn，0.3-1.0％Cr，其余部分是Fe和不可避免的杂质。

时效恢复的保温温度最好是在100到500℃，因为如果温度低于100℃，时效或恢复的效果不完全，还赶不上自然时效，如果温度高于500℃，则将会因为退火的作用而使强度降低。保温的时间最好是3到50小时，因为如果时间短于3小时就得不到充分的时效恢复，如果时间超过50小时则时效恢复已达到饱和状态，对韧性不会有更多的改善。

这一实施例是容易实现的，只需要在轧钢车间的冷却装置附近配置一座保温炉就行了，把冷却到室温的钢棒装进去，在适当的温度下保温，另外一个办法是，在冷却装置上配备一个测量钢棒温度的装置，当钢棒冷却到需要保温的温度时便将钢棒装入保温炉中。保温炉的加热温度比较低，最多是500℃，因此轧钢加热炉的度气就可以用作保温炉加热所需要的热源。

在本发明的另一个实施例中，可以用以下的办法生产屈服应力高、直度好的高碳钢钢棒，这种方法就是使热轧钢棒以恒定的速度冷却，其特征是使冷却过程按这样的方式进行：珠光体在Tc到(Tc+40℃)温度范围内开始转变，这里Tc是一个临界温度，恒速冷却曲线与钢棒连续冷却转变(CCT)曲线的珠光体转变曲线在这一点上相切，同时转变时的最高温度控制在(Tc+80℃)以下，在钢棒冷却到室温以后对其进行强化时效，或者是在冷却到室温的过程中进行时效，并且在强化时效过程中或强化时效以后和冷却到室温的时候，给钢棒加以一个抗拉应力，这个应力小于其拉断应力而大于其屈服应力。

按照这个实施例，我们发现在上面所讲的情况下，给刚刚热轧终了正在进行珠光体转变的钢棒施加一个应力，可以得到直度更好，屈服应力高的钢棒。

适用于这一实施例的高碳钢的化学成分是：0.5-0.9％C，0.25-2.0％Si，0.5-2.0％Mn，0.3-1.0％Cr，其余部分是Fe和不可避免的杂质。

强化时效是容易实现的，只需在轧钢车间的冷却装置附近设置一座保温炉，把冷却到室温的钢棒装进去并在适当的温度下保温，或者是在冷却装置上安设一个测量钢棒温度的装置，当钢棒冷却到保温温度时将其装入保温炉中。

在实现这一实施例时要在装炉和在保温炉中保温时用夹贝将钢棒的两端夹住，或者是在从保温炉中取出并冷却到室温的时候将其两端夹住，然后给钢棒施加以一个抗拉应力，这个应力小于拉断应力而大于屈服应力。所施加的应力无疑必须小于拉断应力，最好是比屈服应力高些以便提高钢棒的屈服应力，尽管低于屈服应力的应力会带来松弛方面的改进。

此外，当这一实施例在强化时效的过程中予以实现的时候，钢中的氢气的扩散加速了，从而还可以缩短时效的时间。

按照本发明的方法便可以用一种稳定的方式通过控制珠光体转变温度得到强度较高、韧性较好的大直径热轧钢棒，而不需要添加用来提高淬硬性的贵重元素。

下面给出一些实例来进一步说明本发明，但并不就此限制本发明。

实施例1

直径为32毫米，化学成分列在表1中的热轧钢棒从950℃以各种不同的冷却速度进行冷却，冷却速度用喷水或者喷水雾的办法不断调节，当冷却速度超过2.3℃/秒时，不产生珠光体转变而只有马氏体的转变，从570℃开始才在2.3℃/秒的冷却速度下产生珠光体的转变。

表1(见文后)

于是，对Tc＝570℃的上述钢棒进行抗拉强度(公斤/毫米²)试验，不断改变珠光体开始转变温度和珠光体转变时的最高温度，如表2所示，所得结果列在表2中及图2中，图2中的纵坐标是珠光体开始转变温度(℃)而横坐标是珠光体转变时的最高温度(℃)，图中以数字代表抗拉强度(公斤/毫米²)，阴影部分表示本发明的温度范围。

表2(见文后)

如果热轧钢棒以恒定的速度进行冷却，珠光体在Tc-(Tc+40℃)温度范围内开始转变，这里Tc是一个临界温度，恒速冷却曲线与钢棒的连续冷却转变(CCT)曲线的珠光体开始转变曲线在这一点上相切，珠光体转变时的最高温度控制在(Tc+80℃)以下，那么就可以得到抗拉强度至少为120公斤/毫米²的直径为20毫米的钢棒。

实施例2

化学成分列在表1中的直径32毫米的钢棒终轧温度在750到1050℃范围内变化，并且用喷水或喷水雾的办法进行强化冷却，使珠光体在590℃开始转变，而珠光体转变时的最高温度为640℃。

终轧温度与机械性能之间的关系列在表3中，平均数值8倍：

表3(见文后)

即使热轧钢棒的奥氏体晶粒小于ASTMNo.8，也可以得到面缩率为20％或更高，抗拉强度为120公斤/毫米²或更高的直径为20毫米或更大的钢棒。

实施例3

当钢的化学成分是：0.39-1.06％C，0.65-0.90％Si，1.10-1.30％Mn，0.65-0.95％Cr，其余为Fe和不可避免的杂质时，以终轧温度950℃将其轧成直径32毫米的钢棒，接着按本发明的方法进行控制冷却，对其抗拉强度和减面率进行试验，所得结果示于图6中，图中纵坐标表示抗拉强度(公斤/毫米²)和面缩率(％)而横坐标表示碳含量(％)。

抗拉强度随碳含量的增加而提高，但是当碳含量超过0.9％时，面缩率减小，抗拉强度也减小，弥散增加。

实施例4

将实例1中的钢棒(Tc＝570℃)进行热轧并经过控制冷却，珠光体开始转变温度和珠光体转变时的最高温度分别确定为600℃和630℃，钢棒以60转/分的速度回转，以80毫米/秒的速度前进，同时在950°到500℃温度范围内以40米/秒的速度进行均匀地吹风。这样得到的钢棒，其机械性能示于图8中。

从测得的结果可以明显看出，钢棒的整个长度(60米)上具有均匀的良好的机械性能，这是按照本发明进行控制冷却所得的结果。

实施例5

钢棒(Tc＝570℃)热轧后进行控制冷却，珠光体开始转变温度和珠光体转变时的最高温度分别确定为580℃和610℃，回转辊使钢棒以60转/分的速度回转，移送辊以50转/分的速度使钢棒在大约400毫米的距离内往返移动，从而使钢棒既回转又移动，同时在950到500℃温度范围内用蒸汽(1.2大气压)和空气(1.5大气压)的喷雾均匀地喷到钢棒上。这样得到的钢棒，其机械性能示于图9中。

从测得的结果可以明显看出，钢棒整个长度(60米)上具有均匀的良好的机械性能，这是按照本发明进行控制冷却得到的结果。

实施例6

将实例1中的钢棒进行热轧，接着进行控制冷却，珠光体开始转变温度和珠光体转变时的最高温度分别确定为595℃和610℃，将钢棒送到一个回转—移送装置上，这里有鼓形辊，辊子平行与中心方向倾斜45°，辊子以50转/分的速度回转，每隔5秒钟使钢棒在大约400毫米的距离内往返移动一次，同时以40米/秒的速度进行均匀的吹风，使之从950℃冷却到珠光体开始转变温度，在这以后，将钢棒移送到另外一条平行布置的辊道上。在这里用水(1.2大气压)和空气(1.5大气压)的水雾进行均匀地喷雾，使钢棒从珠光体开始转变温度冷却到珠光体转变时的最高温度。这样得到的钢棒，其机械性能示于图10中。

从测得的结果可以明显看出，按照本发明进行控制冷却就可以得到在整个长度(60米)上具有均匀而良好的机械性能的钢棒。

实施例7

化学成分为0.75％C，0.81％Si，1.21％Mn和0.80％Cr的直径为115毫米的钢坯，加热到1200℃，然后轧制成直径为32毫米的钢棒，终轧温度为940℃，接着钢棒以6米/分的速度前进并以60转/分的速度回转，同时用喷水和空气的混合水雾进行控制冷却。采用这样的控制冷却，珠光体开始转变温度为590±5℃，而珠光体转变时的最高温度为640±6℃。

所得到的钢棒进行拉力试验，平均的抗拉强度为128.4公斤/毫米²，弥散为1.93公斤/毫米²。

实施例8

将实例7中的高碳钢钢坯经过12道次轧成直径为32毫米的钢棒，在此期间，有一座保温炉，炉温为950±10℃，在轧制终了以前两道时将所轧的轧件保温30分钟，接着在最后两道次中增加36％的轧制量然后冷却之。

轧制温度与钢棒的机械性能示于图13中。当所轧的轧件在保温炉中进行保温时，终轧温度就比较均匀，温差较小，即在25℃范围内，这样就可以得到在整个长度(60米)上具有均匀机械性能(抗拉强度和减面率)的钢棒，如图13所示。

如果在保温炉中保温15分钟再进行一次试验，可以得到在机械性能和其分布方面大体相同的结果。

实施例9

将实例7中的高碳钢钢坯经过12道次轧制成直径32毫米的钢棒，与此同时，配备了辐射高温计和强化冷却装置(喷嘴)，在轧制终了以前两道时将所轧的轧件在950±10℃下保温，接着在最后两道次中进行36％的轧制量，然后进行控制冷却。

当热轧钢棒以不同的冷却速度从950℃连续冷却时，冷却速度超过2.3℃/秒时不产生珠光体转变而只有马氏体的转变，从570℃开始才在2.3℃/秒的冷却速度下产生珠光体的转变。

将钢棒的临界温度确定为Tc＝570℃，钢棒用喷雾的办法进行控制冷却，使珠光体在590℃开始转变，珠光体转变时的最高温度为640℃。

终轧温度比较均匀，温度差较小，采用强化冷却所轧的轧件可以使终轧温度差别控制在20℃，这样的热轧钢棒再进行控制冷却，从而可以得到在整个长度(60米)上具有均匀而良好机械性能的钢棒。

实施例10

化学成分为0.75％C，0.81％Si，1.12％Mn和0.80％Cr的直径为32毫米的高碳钢钢棒在轧制以后要进行珠光体转变，接着冷却到室温。轧制和冷却以后的钢棒具有大约为6-7％的面缩率。

如果这些钢棒可以自然地存放一个时期或者是在保温炉内在200°和400℃温度下保温，那么随着时效时间的增长，韧性(面缩率)会有所变化，所得到的结果示于图14中。

从图14中可以看到，在钢棒允许在室温(20℃)下保持一段时间的情况下，自然时效进行得十分缓慢，即使经过大约一个月(700小时)以后仍然没有得到充分的时效恢复，韧性还是比较差。与此相反，当钢棒在200℃和400℃下进行强化时效时，钢棒的面缩率在经过大约10小时的时效后可以恢复到28至40％，经过大约50小时的时效后可以恢复到35至45％。

实施例11

化学成分列在表4中的直径为32毫米的热轧钢棒在轧制和冷却以后再在不同的温度下进行强化时效，然后测量韧性(面缩率)随时效时间的变化。

表4(见文后)

测得的结果示于图15中，图中的纵坐标表示减面率(％)而横坐标表示保温时间，即时效的时间。从图15可以明显看出，即使是在100℃温度下进行大约3小时的时效，钢棒的减面率可以提高大约1倍，在100到500℃温度下强化时效3到50小时可以使钢棒得到非常好的韧性。

实施例12

将实例11中的钢棒在不同的温度下进行强化时效，也就是在轧制和冷却过程中在一定温度下保温，然后测量韧性(面缩率)随时效时间的变化，测得的结果示于图16中。

实施例13

实例10中的高碳钢钢棒在热轧以后，用喷雾方法控制冷却，使钢棒产生珠光体转变，接着冷却到室温。在轧制和冷却以后，钢棒具有相当于拉断强度的85％的屈服应力。至于钢棒的直度，每米钢棒上的弯曲大约为4.8毫米。

这样的钢棒在轧制和冷却以后，装入300℃下的保温炉中保温40小时，并且立即在钢棒上施加一个相当于拉断强度的95％的拉力。然后测量钢棒的机械性，测得的结果示于图17中，在该图中同时示出了用以往技术不施加拉应力时的情况。

从图17可以看得很明显，本发明的钢棒与以往技术生产的钢棒在拉断强度方面并没有多大的区别，但是在本发明的情况下屈服应力明显地改善了，同时钢棒的弯曲得到纠正，从而得到了很好的直度。

实施例14

实例10中的高碳钢钢棒在热轧和冷却过程中达到400℃就在这个时候，将其装入具有同样温度的保温炉中，保温大约2小时。用实例13中的类似方式给钢棒施加一个相当于拉断强度的95％的拉力，并且使钢棒进行13个小时的强化时效，接着冷却到室温。然后测量钢棒的机械性能和直度，测得的结果示于图18中，在该图中同时示出了用以往技术不施加拉应力时的情况。

实施例15

将化学成分列在下面表5中的钢坯热轧成为直径32毫米的钢棒，终轧温度为950℃，按照本发明的方法进行控制冷却和强化时效，并且在钢棒上施加一个相当于拉断强度的95％的拉力，然后对钢棒进行拉力试验，测得的结果列在表6中。(表5、表6见文后)

        表1成分     C    Si    Mn    P     S    Cr(按重量％)0.75 0.81  1.21 0.010 0.004 0.80

                表2

No.	珠光体开始转变温度(℃)	珠光体转变时的最高温度(℃)	抗拉强度(公斤/毫米2)	备注
					123456789101112	573573574576583583594598603605614615	640661626583613659645613628672660627	125.6117.0137.7142.2136.9117.3127.4126.1123.3111.2109.8117.3	本发明-本发明本发明本发明-本发明本发明本发明---

                        表3

No.	终轧温度(℃)	奥氏体晶粒大小  抗拉强度(ASTM No.)    (公斤/毫米2)	面缩率(％)	备注
					1234567	10501000950900850800750	3.7          128.46.2          127.98.4          128.39.3          127.111.2         127.913.4         126.414.8         126.8	15.418.222.327.433.640.645.3	--本发明本发明本发明本发明本发明

            表4

化学成分        C    Si    Mn    P      S    Cr

(按重量％)    0.76  0.82  1.18  0.010 0.004 0.82

            表5化学成分(％)钢号    C       Si      Mn      Cr     Ni    MoA    0.74    0.80    1.20    0.40    -     -B    0.76    0 79    1.22    0.81    -     -C    0.75    0.79    0.20    0.80    0.30  -D    0.74    0.80    0.21    0.79    0.25  0.11E    0.76    0.81    0.23    0.81    0.50  0.20

         表6钢号 抗拉强度      屈服点     面缩率

  (公斤/毫米²)(公斤/毫米²) (％)

A    121.9        114.5      33.1

B    127.6        120.0      35.4

C    126.5        118.1      33.8

D    129.3        121.8      36.2

E    131.7        124.1      31.7

Claims (11)

1.一种用于生产大直径高强度热轧钢棒的方法，其中所述钢棒含有：0.6％-0.9％C，0.25％-2.0％Si，0.5％-2.0％Mn，0.3％-1.0％Cr，Fe余量及不可避免的杂质；所述钢棒具有至少20毫米的直径，所述方法包括下列步骤，以受控方法至少部分地喷水或喷水雾恒速冷却钢棒，使其珠光体转变开始于Tc至Tc+40℃范围，其中Tc是临界温度，在此处钢棒的恒速冷却曲线与连续冷却曲线Ps相切，转变的最高温度是Tc+80℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述热轧钢棒通过控制终轧温度获得小于ASTMNo8的晶粒度。

3.根据权利要求1或2所述方法，其特征是，在钢棒温度处于950℃至500℃区间至少进行部分喷水雾冷却。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征是，在钢棒温度处于950℃至500℃区间至少进行部分鼓风冷却。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征是，在珠光体转变开始之前对钢棒鼓风冷却，在珠光体转变开始之后对钢棒喷水雾冷却。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征是，在对钢棒冷却的同时使其轴向运动。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征是，在热轧和完成冷却之前的整个温度区间立即在钢棒上放置多个温度传感器，以此获得冷却模型。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征是，当把热轧钢棒置于800℃至1000℃的加热炉中加热轧制时，在整个钢棒长度范围的温度波动低于60℃。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征是，热轧钢棒被冷却到室温，随后再强化时效并保持在100℃至500℃温度区间3至50小时。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的方法，其特征是，热轧钢棒被冷却到100℃至500℃温度区间并在此温度下强化时效保持3至50小时。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征是，热轧钢棒经受强化时效后，对其施加一小于断裂强度大于屈服强度的拉力。

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