CN112404143A - 一种提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于控轧控冷技术领域,涉及一种钢材的控制冷却工艺,具体的说是一种提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法。钢坯经过加热、高速线材轧机轧制成材后,通过吐丝机吐丝成圈,随后通过斯太尔摩控冷线控制冷却;其中吐丝温度采用不高于850℃的较低温度;盘条在斯太尔摩控冷线上采用创新性组合冷却方案,其中在第一控冷阶段采用空冷,随后第二控冷阶段采用弱风冷,在第三控冷阶段采用缓冷,在第四控冷阶段采用水雾风机冷却,并在盘条集卷后采用风筒将盘条上残留水分吹干。该工艺有效的改善了热轧盘条氧化皮厚度及结构,既可以保证盘条在室外堆放条件下90天以内不出现机体明显锈蚀,又可以确保采用机械剥壳方式可将氧化皮去除干净。

Description

一种提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法
技术领域
本发明属于控轧控冷技术领域,涉及一种钢材的控制冷却工艺,具体的说是一种提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法。
背景技术
冷镦钢又称冷镦与冷挤压用钢,是指用冷镦和冷挤压加工方法制造螺栓、螺母、螺钉、铆钉等紧固件用钢,国内俗称铆螺钢。冷镦成型是在常温下利用金属塑性成形的加工工艺,采用冷镦工艺制造紧固件,不但效能高、质量好,而且用料省、成本低。但是冷镦工艺对原材料的质量要求较高,冷镦性能是冷镦钢的重要性能之一。冷镦钢应具备的主要性能是,具有良好的冷成形性;对于冷镦钢变形要具有尽可能小的阻力和可能高的变形能力。为此,一般要求冷镦钢的强度硬度应较低、屈强比应较低。同时,为避免在冷镦时表面开裂,要求钢材表面质量良好,同时钢材的表面脱碳要尽可能小。相关标准规定钢材应进行冷顶试验,要求试样冷顶锻后冷顶锻前高度之比为高级;1/4;较高级;1/3;普通级;1/2,一般标准规定为1/2。冷镦钢因冷成型性能良好,在机械加工行业用冷拔代替热轧材冷切削机加工,这种工艺的优点是在节约大量工时的同时,金属消耗可以降低10%~30%,而且产品尺寸精度高,表面光洁度好,生产率高,是已经兴起的较先进的机加工工艺。
目前我国紧固件行业产量规模已经达到800万吨/年,国内生产的紧固件强度级别主要分为4.8级~6.8级、8.8级、10.9级、12.9级及以上四个强度级别,其中8.8级紧固件为需求量较多、产品用途较为广泛的一个级别。为满足下游紧固件生产企业的需求,国内钢厂生产的主流冷镦钢盘条根据化学成分的不同可分类为低碳优质碳素结构钢、中碳优质碳素结构钢、低碳合金结构钢和中碳合金钢四类。冷镦钢行业一般将C含量低于0.25%的冷镦钢成为低碳冷镦钢,将C含量在0.25~0.45%之间的称为中碳冷镦钢。
基于冷镦钢低强度、高塑性的加工需求,钢铁行业在生产冷镦钢盘条时,轧后控冷工艺通常采用全程缓冷和控冷前期快速冷却随后缓冷两种工艺路线。在此工艺条件下,一方面盘条会在控冷过程中发生严重的氧化现象,形成较厚的氧化皮,并容易在盘条的装卸搬运过程中发生破裂而脱落,进而导致盘条机体暴露,发生严重的锈蚀现象;另一方面,现行工艺条件下,盘条氧化皮结构以FeO为主,其余由少量的Fe3O4和Fe2O3所组成,较厚的FeO保证了下游用户顺利的采用机械剥壳方式去除盘条氧化皮,以便于后续的拉拔和冷镦加工,但同时由于FeO结构相对Fe3O4较为疏松,导致盘条在室外储存过程中抗锈蚀能力不足,造成盘条严重锈蚀现象。我国紧固件产量大,需求的冷镦钢盘条量更大,冷镦钢盘条以室外露天存放为主,每年因室外露天存放而导致锈蚀报废的冷镦钢盘条数量巨大,给钢厂、流通商、加工厂带来了极大的经济损失,也造成了资源浪费。为解决上述问题,钢厂方面需要对冷镦钢盘条抗锈蚀能力进行改进,减少因室外露天存放而造成的盘条报废。
在现有技术中较多研究了控冷工艺对热轧盘条氧化皮耐腐蚀性的影响,利用控制氧化皮的三相结构等方法来达到提高盘条抗锈蚀能力,但这些方案中并未认识到该氧化皮结构是否能保证下游用户采用机械剥壳方式将该氧化皮去除干净。因为有些控冷工艺虽然能保证抗锈蚀效果,但到下游用户使用时,难以完全机械剥壳除净,从而影响钢材表面质量。而有些虽然在下游使用时容易机械剥壳,但其耐腐蚀效果往往不一定理想。
因此如何做到在达到提高盘条抗锈蚀能力的同时保证下游用户采用机械剥壳方式将盘条氧化皮去除干净是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,采用该工艺方法可有效优化冷镦钢盘条氧化皮厚度和结构,并减少氧化皮的脱落,提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力,降低因室外露天存放而导致锈蚀报废现象,同时还能保证下游用户采用机械剥壳容易将氧化皮去除干净,提高钢材表面质量。
一种提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,工艺包括:加热炉加热、精轧机组轧制、mini机组轧制、吐丝、斯太尔摩控冷线控制冷却,步骤如下:
(1)钢坯通过加热炉加热,在不高于1100℃温度加热2~3小时;
进一步,优选的加热温度:加热一段700~800℃,加热二段900~1000℃,均热段1000~1100℃;加热时间方面,均热段实际加热时间不低于40分钟,空燃比方面控制在0.50~0.60。
(2)轧件进入精轧机组轧制,精轧机组轧制温度不高于900℃;
进一步,优选的轧制温度在880~900℃;
(3)精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格,mini机组轧制温度不高于900℃,终轧温度不高于980℃;
进一步,优选的轧制温度在880~900℃,终轧温度950~980℃;
(4)终轧后盘条通过吐丝机成圈,吐丝温度不高于850℃;
进一步,优选的吐丝温度在820~850℃;
(5)控制冷却分为四个阶段,其中在第一控冷阶段采用空冷冷却至不高于750℃,随后第二控冷阶段采用弱风冷冷却至不高于680℃,在第三控冷阶段采用缓冷冷却至不高于520℃,第四控冷阶段采用水雾风机冷却至常温。
进一步,优选的的冷却方式为:其中在第一控冷阶段采用空冷,控制以1~2℃/s的冷却速率将盘条冷却至730~750℃;随后第二控冷阶段采用弱风冷,控制以4~5℃/s的冷却速率将盘条冷却至660~680℃;在第三控冷阶段采用缓冷,控制以0.25~0.5℃/s的冷却速率将盘条冷却至500~520℃;第四控冷阶段采用水雾风机冷却,控制以15~17℃/s的冷却速率将盘条冷却至常温;随后在盘条集卷后采用风筒将盘条上残留水分吹干。
所述盘条成分范围为C:0.03~0.43%,Si:≤0.37%,Mn:0.20~0.80%,P≤0.030%,S≤0.030%,Cr:0.05~0.80%,Al:0.02~0.05%,其余为铁和不可避免的杂质。
下面对本发明的主要工艺控制过程对降低含铝合金结构钢盘条脱碳层深度的影响做详细叙述。
钢坯加热:采用断面160mm*160mm连铸方坯,通过蓄热式加热炉加热。
加热温度方面,加热一段700~800℃,加热二段900~1000℃,均热段1000~1100℃;加热时间方面,均热段实际加热时间不低于40分钟,空燃比方面控制在0.50~0.60。
粗中轧和预精轧机组轧制:加热后的钢坯进入粗中轧机组连轧,以保证粗中轧机组轧制过程轧件都处于充分奥氏体化的状态,以保证轧制过程顺利进行。粗中轧机组理想的轧制温度范围也在950~1000℃之间,但由于高线生产线粗中轧和预精轧机组都作为基础变形阶段,其控轧控冷手段较少,变形速率相对固定,对轧件的温升温降影响也相对稳定,故通过设置加热工艺来实现对粗中轧和预精轧机组的控制。
精轧机组轧制:粗中轧机组轧制后的轧件进行穿水冷却,轧件随后进入精轧机组轧制,控制进入精轧机组的温度在880~900℃。在880~900℃温度条件下,轧件处于完全奥氏体状态,拥有良好的塑性可以保证轧制过程顺利进行。
mini机组轧制:精轧后的轧件进入mini机组轧制为盘条成品规格,进入mini机组轧制温度控制在880~900℃,轧件处于完全奥氏体状态,拥有良好的塑性可以保证轧制过程顺利进行。mini机组的温度选取是和精轧机组一致的,因为精轧机组和mini机组之间有冷却水箱,因此通过精轧机组轧制后的轧件虽然会升温,但可被冷却下来,以保证进入mini组的温度和精轧机组的温度一致。
但终轧温度不能高于950℃,因为盘条终轧后不在发生轧制变形,如果温度过高会导致氧化皮大量生成,使盘条氧化皮厚度超过15μm,并且使盘条氧化皮中FeO比例过高,进而降低盘条耐锈蚀能力。通过mini机组的控轧有效的将终轧温度保证在920~950℃。
吐丝:终轧后盘条通过吐丝机成圈,通过水箱水冷将吐丝温度控制在820~850℃,为之后的控制冷却提供了有利条件。如果吐丝温度过高,盘条氧化皮的生成速度会大幅度增加,使盘条氧化皮厚度超过15μm,并且使盘条氧化皮中FeO比例过高;如果吐丝温度过低,盘条氧化皮厚度将小于10μm,难以同时满足耐侵蚀能力和下游使用时机械剥壳的效果。
控冷:控制冷却分为四个阶段,其中在第一控冷阶段采用空冷冷却至不高于750℃,随后第二控冷阶段采用弱风冷冷却至不高于680℃,在第三控冷阶段采用缓冷冷却至不高于520℃,第四控冷阶段采用水雾风机冷却至常温。
第一控冷阶段采用空冷,控制以1~2℃/s的冷却速率将盘条冷却至730~750℃。第一控冷阶段是为了在盘条表面生成5μm以上的FeO层,同时又保证盘条总氧化皮厚度不低于10μm,不高于15μm。
第二控冷阶段采用弱风冷,控制以4~5℃/s的冷却速率将盘条冷却至660~680℃。第二控冷阶段是为了快速降温,抑制FeO继续生成,同时将温度冷却至开始生成Fe3O4的温度,以便于提高Fe3O4所占比例。
第三控冷阶段采用缓冷,控制以0.25~0.5℃/s的冷却速率将盘条冷却至500~520℃。该控冷条件下,盘条生成的氧化皮以Fe3O4为主。
第四控冷阶段采用水雾风机冷却,控制以15~17℃/s的冷却速率将盘条冷却至常温,随后在盘条集卷后采用风筒将盘条上残留水分吹干。第四控冷阶段主要采用快速冷却将盘条迅速冷却至常温,以抑制Fe2O3的生成,将Fe2O3的厚度控制在≤0.02mm。Fe2O3在热轧盘条表面呈粉末状,当其厚度>0.02mm时,一方面难以通过机械剥壳的方式去除,会粘在盘条表面,影响拉拔前的润滑处理效果,进而使盘条在拉拔过程中因润滑不良产生拉拔断丝或者表面缺陷,无法满足后道加工要求。为了提高冷却速率因此采用水雾风机,否则在第四阶段的盘条温度条件下,冷却速率很难达到15~17℃/s。而采用水雾风机之后一定要使用风筒将盘条表面残留水分吹干,否则盘条表面的残留水分会导致盘条下线后短期就产生锈蚀,降低外观质量。
通过上述四个阶段的精准控冷工艺,得到的氧化皮要求为:总氧化皮厚度在12~15μm,其中FeO厚度不低于5μm,Fe3O4厚度占比在35%~50%之间,且Fe2O3厚度不高于2μm。在限定的氧化皮结构和厚度下,既可以保证盘条在室外堆放条件下90天以内不出现机体明显锈蚀,又可以确保采用后续机械剥壳方式将氧化皮去除干净。
本发明的优点:提供一种提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,采用精确的轧后控制冷却有效优化了冷镦钢盘条氧化皮厚度和结构,并减少氧化皮的脱落,提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力,降低因室外露天存放而导致的盘条锈蚀报废现象。该方法仅需在斯太尔摩控冷线的基础上进行小的改造,即可实现轧后控冷的精确控制和氧化皮的有效优化,可以在国内大多数高速线材生产线进行推广应用,预计每年可以减少钢厂、流通商、加工厂的冷镦钢盘条因室外露天存放而造成的盘条锈蚀损失10万吨左右,减少经济损失4000万元左右。
附图说明
图1为实施例1生产的冷镦钢盘条氧化皮厚度及结构。
图2为实施例2生产的冷镦钢盘条氧化皮厚度及结构。
图3为对比例1生产的冷镦钢盘条氧化皮厚度及结构。
图4为对比例2生产的冷镦钢盘条氧化皮厚度及结构。
图5为对比例3生产的冷镦钢盘条氧化皮厚度及结构。
图6为对比例4生产的冷镦钢盘条氧化皮厚度及结构。
具体实施方式
以冷镦钢ML08Al盘条(Φ12.0mm)的生产为例说明:
ML08Al具体成分如下:
Wt,%
牌号 C Si Mn P S Al
ML08Al 0.05-0.10 ≤0.10 0.30-0.60 ≤0.035 ≤0.035 ≥0.020
生产工艺流程:蓄热式加热炉—粗中轧和预精轧机组—精轧机组—mini机组—吐丝机—打开保温罩空冷—风机弱风冷—关闭保温罩缓冷—水雾风机强风冷—打捆。其中未作限定的条件为常规条件,对盘条脱碳无影响。
实施例1
1、钢坯加热
钢坯成分C:0.06%,Si:0.02%,Mn:0.35%,P:0.021%,S:0.022%,Al:0.030%。
钢坯加热:采用断面160mm*160mm连铸方坯,通过蓄热式加热炉加热。
加热温度方面,加热一段720~780℃,加热二段910~990℃,均热段1005~1080℃;加热时间方面,均热段实际加热时间45分钟,空燃比方面控制在0.50~0.60。
2、控制轧制
粗中轧轧制温度960~990℃,预精轧轧制温度965~995℃,随后轧件进入精轧机组轧制,精轧机组轧制温度881~898℃,精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格Φ12.0mm,mini机组轧制温度883~891℃,终轧温度930~945℃。
3、吐丝
终轧后盘条通过吐丝机成圈,吐丝温度822~843℃。
4、控制冷却
开启第1~3个保温罩,将盘条空冷至733~746℃,实际冷却速率1.5℃/s;开启第4~5个保温罩及第4~5台风机,风机风量70%,将盘条弱风冷至665~670℃,实际冷却速率4.9℃/s;关闭第6~18个保温罩,将盘条缓冷至503~510℃,实际冷却速率0.45℃/s;开启第19~22个保温罩,开启两台水雾风机,风量100%,将盘条强风冷至常温,实际冷却速率16.8℃/s。
实施例2
1、钢坯加热
钢坯成分C:0.09%,Si:0.08%,Mn:0.55%,P:0.021%,S:0.022%,Al:0.030%。
钢坯加热:采用断面160mm*160mm连铸方坯,通过蓄热式加热炉加热。
加热温度方面,加热一段730~795℃,加热二段920~980℃,均热段1010~1095℃;加热时间方面,均热段实际加热时间50分钟,空燃比方面控制在0.50~0.60。
2、控制轧制
粗中轧轧制温度962~988℃,预精轧轧制温度961~993℃,随后轧件进入精轧机组轧制,精轧机组轧制温度882~895℃,精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格Φ12.0mm,mini机组轧制温度881~889℃,终轧温度933~946℃。
3、吐丝
终轧后盘条通过吐丝机成圈,吐丝温度823~840℃。
4、控制冷却
开启第1~3个保温罩,将盘条空冷至734~749℃,实际冷却速率1.5℃/s;开启第4~5个保温罩及第4~5台风机,风机风量50%,将盘条弱风冷至668~678℃,实际冷却速率4.6℃/s;关闭第6~18个保温罩,将盘条缓冷至510~518℃,实际冷却速率0.40℃/s;开启第19~22个保温罩,开启两台水雾风机,风量90%,将盘条强风冷至常温,实际冷却速率16.6℃/s。
对比例1
将实施例1步骤2控制轧制中终轧温度替换为960~1000℃,步骤3中吐丝温度替换成860~880℃,其他条件同实施例1。
对比例2
对比例2与实施例1的步骤4的控冷条件不同,其它操作与实施例1相同。
对比例2的具体控冷工艺为:开启全部保温罩,将吐丝后的盘条上控冷线自然冷却至510~518℃,盘条离开风冷线后继续空冷至常温。
对比例3
对比例3与实施例1的步骤4的控冷条件不同,其它操作与实施例1相同。
对比例3的具体控冷工艺为:关闭全部保温罩,将吐丝后的盘条上控冷线缓冷至550~600℃,盘条离开风冷线后继续空冷至常温。
对比例4
对比例4与实施例1的步骤4的控冷条件不同,其它操作与实施例1相同。
对比例4的具体控冷工艺为:开启保温罩,将吐丝后的盘条上控冷线,先开启第1~3个保温罩,开启前3台风机,风冷至700~750℃,随后关闭保温罩,将盘条缓冷至500~550℃,盘条离开风冷线后继续空冷至常温,其他条件同实施例1。
本发明实施例1、实施例2与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4热轧盘条采用光学显微镜观察并测量其氧化皮厚度及结构,检验结果如下表1:
表1
单位:μm
方案编号 总氧化皮厚度 FeO Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>占比,%
实施例1 12.50 5.74 5.01 1.75 40.08
实施例2 13.20 6.42 5.13 1.65 38.86
对比例1 15.51 11.95 3.56 0.00 22.95
对比例2 18.14 10.98 4.99 2.17 27.51
对比例3 23.64 18.50 5.14 0.00 21.74
对比例4 15.30 11.30 4.00 0.00 26.14
备注:实践证明,总氧化皮厚度在12~15μm,其中FeO厚度不低于5μm,Fe3O4厚度占比在35%~50%之间,且Fe2O3厚度不高于2μm时,冷镦钢盘条的耐锈蚀能力最好,且可以满足下游用户采用机械剥壳方式将氧化皮去除干净的需求。
本发明实施例1、实施例2与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4热轧盘条抗锈蚀试验,试验结果如下表2:
表2
单位:μm
方案编号 1#样品 2#样品 3#样品 平均深度
实施例1 6 6 8 6.7
实施例2 7 8 9 8
对比例1 12.5 16 14 14.2
对比例2 13 14 12 13
对比例3 11 16 20 15.7
对比例4 18 13 15 15.3
备注:试验方法,每种方案各取3支500mm长的盘条样品,放在室外露天环境下,不再进行人为干涉,90天后将样品氧化皮用人工方法(折弯+细砂纸打磨)去除后,采用光学显微镜观察和测量钢材机体锈蚀坑的深度。每支样品选择10处最深的锈蚀坑测量其深度,取平均值作为测量结果,锈蚀坑深度越小,则抗锈蚀能力越强。根据下游用户使用经验,锈蚀坑深度在10μm以内时,不属于机体明显锈蚀,也不会对表面质量造成不良影响。
从表2可知,实施例1、实施例2的锈蚀坑深度在10μm以内时,不属于机体明显锈蚀,而对比例1-4控冷工艺下得到的氧化皮耐锈蚀能力不如实施例1-2。
本发明实施例1、实施例2与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4热轧盘条机械剥壳去除氧化皮试验,试验结果如下表3:
表3
方案编号 是否有残留 残留程度
实施例1 无残留
实施例2 无残留
对比例1 大量残留
对比例2 以大量残留为主
对比例3 大量残留+部分个别残留
对比例4 大量残留
备注:试验方法,在下游用户处跟踪机械剥壳后盘条表面是否有氧化皮残留,并根据用户使用经验,将残留程度分为无残留、个别残留和大量残留三类类记录。

Claims (9)

1.一种提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,其特征在于,工艺包括:加热炉加热、精轧机组轧制、mini机组轧制、吐丝、斯太尔摩控冷线冷却,步骤如下:
(1)钢坯通过加热炉加热,在不高于1100℃温度加热2~3小时;
(2)进入精轧机组轧制,精轧机组7轧制温度不高于900℃;
(3)精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格,mini机组轧制温度不高于900℃,终轧温度不高于980℃;
(4)终轧后盘条通过吐丝机成圈,吐丝温度不高于850℃;
(5)控制冷却分为四个阶段,其中在第一控冷阶段采用空冷冷却至不高于750℃,随后第二控冷阶段采用弱风冷冷却至不高于680℃,在第三控冷阶段采用缓冷冷却至不高于520℃,第四控冷阶段采用水雾风机冷却至常温。随后在盘条集卷后采用风筒将盘条上残留水分吹干。
2.根据权利要求1所述的提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,其特征在于:所述盘条化学成分按照质量百分数计为C:0.03~0.43%,Si:≤0.37%,Mn:0.20~0.80%,P≤0.030%,S≤0.030%,Cr:0.05~0.80%,Al:0.02~0.05%,其余为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,其特征在于:步骤(1)中所述加热温度分三段,温度分别是:加热一段700~800℃,加热二段900~1000℃,均热段1000~1100℃。
4.根据权利要求3所述的提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,其特征在于:加热时间方面,均热段实际加热时间不低于40分钟,空燃比方面控制在0.50~0.60。
5.根据权利要求1所述的提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,其特征在于:步骤(2)中所述精轧机组轧制温度在880~900℃。
6.根据权利要求1所述的提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,其特征在于:步骤(3)中所述mini机组轧制温度在880~900℃,终轧温度≤980℃。
7.根据权利要求1所述的提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,其特征在于:步骤(4)中所述吐丝温度在820~850℃。
8.根据权利要求1所述的提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,其特征在于:步骤(5)中所述控制冷却分为四个阶段,其中在第一控冷阶段采用空冷,控制以1~2℃/s的冷却速率将盘条冷却至730~750℃;随后第二控冷阶段采用弱风冷,控制以4~5℃/s的冷却速率将盘条冷却至660~680℃;在第三控冷阶段采用缓冷,控制以0.25~0.5℃/s的冷却速率将盘条冷却至500~520℃;第四控冷阶段采用水雾风机冷却,控制以15~17℃/s的冷却速率将盘条冷却至常温;随后在盘条集卷后采用风筒将盘条上残留水分吹干。
9.根据权利要求1所述的提高冷镦钢盘条耐锈蚀能力的控制冷却方法,其特征在于:控冷工艺结束后得到的氧化皮为:总氧化皮厚度在12~15μm,其中FeO厚度不低于5μm,Fe3O4厚度占比在35%~50%之间,且Fe2O3厚度不高于2μm。
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