CN1289219C - 高硫、高硫磷易切削结构钢的热连轧生产方法 - Google Patents

Abstract

高硫(硫磷)易切削结构钢的热连轧生产方法，其特征是：通过控制钢坯加热、粗轧轧速、减面率及冷却水流量，将钢坯热连轧为棒、线材。(1)钢坯：热坯端面裂纹不能延伸到表面，进炉温度≮650℃；冷坯端面不能出现贯穿性裂纹，非贯穿性裂纹须封闭；(2)加热炉：气氛为中性，预热≤850℃，均热1140±20℃；热坯料，预加热≤10min，总加热≥50min；冷坯料，总加热≥90min；(3)热连轧：出炉钢坯须除清表面氧化铁皮；粗轧、中(精)轧机架的冷却水量8、4Bar；粗轧机组的轧速＜5m/s，减面率＜30%，首架粗轧机咬入速度0.4m/s；仅允许开启终轧机后的控冷水箱专用于快速过水的线材；轧后空冷。本发明生产1213等牌号钢，解决了Mn/S≤3的硫磷易切削结构钢热轧头部易开口等难题，生产效率高，质量稳定且成材率高。

Description

高硫、高硫磷易切削结构钢的热连轧生产方法

技术领域

本发明涉及冶金行业易切削结构钢的热加工轧制方法，尤其是指高硫(或硫磷复合)系易切削结构钢的热加工轧制方法。

背景技术

结构钢是常见的钢铁品种，主要是低合金结构钢、碳素结构钢。随着机械、设备制造工业的迅速发展，对结构钢的机加工易切削性能提出了更高要求(如在日本，零件在自动化生产线上的切削加工时间，每缩短1秒，即可节省1日元。)，也就是结构钢材料的易切削化(切削成本的成倍降低、产品质量大幅度提高和生产效率成倍提高)。为满足机械、设备制造工业的金属材料易切削化要求，以结构钢为基础的易切削钢(易切削结构钢)品种也日趋增加，目前易切削结构钢主要有含硫(磷)易切削结构钢、含铅易切削结构钢二类，由于铅污染的因素，含铅易切削钢呈现逐步减少和被取代的趋势；相反，随着材料科学和工艺技术的进步，环保型的、无铅的、含硫(磷)易切削结构钢的切削性能逐步接近或达到含铅易切削钢的水平，因此，含硫(磷)易切削结构钢受到了钢铁制造商(钢铁厂)、机械、设备制造工业商(钢铁用户单位)的欢迎，为机械制造业朝着高速化、精密化及自动化方向的发展提供了材料基础，其使用量也不断增加，应用范围不断扩大。

硫磷易切削结构钢，就是在结构钢中，添加适量S、P含量(一般来说，钢中的S元素，易产生硫化物夹杂，降低塑性和横向性能。钢中的P元素，提高固溶体强度，从而脆化铁素体；但是，适量的S、P含量，通过控制硫化物形态、S、P的均匀分布，对钢的机械性能影响并不大)，其目的在于大幅度提高钢材的机加工切削性能。硫磷易切削结构钢，在切削加工过程中具有较低的切削力及切削温度、易断屑、表面光洁度高和提高刀具的使用寿命等优点，被广泛应用于切削加工量大，切削加工自动化程度高的汽车、拖拉机、家电、仪器仪表、IT等制造业及机床等机加工行业中。在硫磷易切削结构钢中，人们把S含量≥0.04％、P含量≥0.04％的易切削结构钢，称之为硫磷易切削结构钢；把S含量≥0.08％、P含量≥0.04％的易切削结构钢，称之为高硫磷易切削结构钢；把S含量≥0.08％的易切削结构钢，称之为高硫易切削结构钢。

高硫(硫磷)易切削结构钢(高硫、高硫磷、硫磷易切削结构钢)中，添加的硫(S)、磷(P)含量较大，能大幅度提高钢材的机加工性能(受到机械、设备制造工业商的欢迎)，但却严重降低了钢材的热加工(轧制变形)性能，造成钢铁成材率较低，增加了生产成本(制约了钢铁制造商的扩大生产)。一般来说，钢中的Mn/S≮5，是硫、硫磷易切削结构钢的常规热加工(轧制变形)基本要求；Mn/S＝3，是硫、硫磷易切削结构钢热加工(轧制变形)的理论禁区。(这是因为：钢中的硫多以MnS、FeS的形式存在；理论上，当Mn/S＞3时，钢中的硫将全部与锰结合，形成MnS，当Mn/S＜3时，也就是说Mn含量较少，S含量较高时，溢出的S与Fe结合生成低熔点的FeS；而大多数含硫、硫磷的易切削结构钢成分设计的Mn/S≤5，一些高硫磷易切削结构钢，如美国牌号的1213、1215钢成分设计的Mn/S只有2.5～3.3；实际生产中，在有限的成分许可范围内，冶金工作者努力把成品钢材的Mn/S控制在3以上(极限为3.2或3.3，根据不同钢号，但限于钢材微观偏析的存在，微区内Mn/S≤3不可避免，也就是说FeS的存在无法回避；钢坯热加工轧制变形成钢材的过程中，若钢中存在大量的FeS，会引起钢材头部易开口、开裂，及缠辊、打滑等现象，造成钢坯报废，严重时损坏轧机。)

高硫(硫磷)易切削结构钢(Mn/S≤5、甚至Mn/S≤3)的热加工轧制(变形)一直是困扰轧钢工程师的难题(检索大量文献资料，国内未见Mn/S≤5的高硫磷易切削结构钢热连轧的相关技术报道，国外未见Mn/S≤3的高硫磷易切削结构钢热连轧的相关技术资料报道)。目前，国内高硫(硫磷)磷易切削结构钢的热加工轧制方法是：首先测定钢的热加工脆性区，然后避开脆性区轧制，其优点是能够钢坯热连轧，缺点是无法同时解决打滑和头部开裂的技术难题，一方面，坯成材率普遍较低(90％以下)，另一方面，要及时处理热加工轧制过程中的头部开口以及缠辊、打滑，造成热停工时间较长，生产效率低下。因此，我国年进口易切削钢(含高硫、硫磷磷易切削结构钢)约100万吨，国内年生产能力始终徘徊在2～3万吨。

发明内容

本发明开发一种高硫(硫磷)易切削结构钢的热连轧生产方法，通过钢坯的加热曲线控制，热连轧粗轧过程中的钢坯减面率、轧制速度，及轧制过程冷却水流量调节，将钢坯(连铸热坯料、连铸冷坯料、模铸冷坯料，直径或边长为90～220毫米的圆形、矩形和方形坯)热加工轧制(变形)为成品钢材(棒、线材，成品规格Φ5～Φ50mm)，基本解决了高硫磷易切削结构钢(Mn/S≤5，甚至是Mn/S≤3)轧制中出现的头部开口(硫磷质量成分不同的易切削结构钢热连轧时易造成红钢端面沿中心或呈对角线方向的撕裂)、引发连轧堆钢或缠辊、以及打滑的生产事故、技术难题，杜绝了轧制时的热停工(头部开口以及缠辊、打滑造成)现象，生产效率高，且钢材成材率高(95％以上)，满足了钢铁制造商(钢铁厂)的高硫(硫磷)易切削结构钢(Mn/S≤5，甚至是Mn/S＝2.5～3.3的高硫磷易切削结构钢)热连轧的正常生产要求。

本发明开发的高硫、高硫磷易切削结构钢的热连轧生产方法，其特征是：通过控制钢坯加热、粗轧机组的钢坯减面率、粗轧机组的轧制速度、轧制过程的冷却水流量调节，将直径或边长为90～220毫米的钢坯(连铸热坯料、连铸冷坯料、模铸冷坯料，)热连轧钢材(棒、线材，成品规格Φ5～Φ50mm)：

第一步，钢坯要求：

1、钢坯是连铸热坯料、连铸冷坯料、模铸冷坯料，形状是圆形、矩形和方形坯，规格是直径或边长为90～220毫米；

2、连铸热坯料(连铸红送坯)端面裂纹未延伸到坯料表面视为合格坯(在加热炉中，采用快速过预热段的快速加热方法，减缓坯料表面与心部温度梯度，进而延长坯芯凝固时间，利用坯芯的半凝固状态“堵塞”端面裂纹，减缓端面裂纹扩展倾向)，连铸热坯料进加热炉时的表面温度≮650℃；

3、冷坯料端面出现贯穿性裂纹，视为不合格坯(冷坯料端面若出现贯穿性裂纹，虽然可以将两端裂纹焊合，但成品后，低倍检验仍将出现流线)；冷坯料在进加热炉前必须检查2个端面的质量，发现非贯穿性裂纹时必须进行裂纹封闭作业(如电焊)；

第二步，加热炉加热工艺：

1、分段式步进加热炉加热温度区域分四段：预热段、加热I段、加热II段、均热段；加热炉炉气控制为中性炉气氛(非氧化气氛)；

2、热坯料(连铸热坯料，也就是连铸坯热送)加热工艺：(A)坯料进步进加热炉前，应与前轧号之间预留20～35步空步(以利于预热段快速步进装置的使用，即热送红坯需要快速通过预热段)；(B)预热段温度750℃～850℃，加热时间5～10分钟(红坯进炉后应快速通过预热段进行加热，以减少坯料内外温差，延长坯料芯部凝固时间，加热段、均热段使钢坯温度均匀，芯部处于半凝固状态，从而在轧制过程中，若有头部开裂的先兆发生——端面中心裂纹，起“补充浇铸”的作用，进而避免了裂纹的扩张)；加热I段温度1050～1100℃，加热时间10～20分钟；加热II段温度1120～1160℃，加热时间10～20分钟；均热段温度1120～1160℃，保温时间10～20分钟；(C)总加热时间50～100分钟；(D)轧制故障需降温保温时，当炉底为充量直射式烧嘴时，必须注意避免因缺乏压力而引起的直焰上浮，造成浮焰固定燃烧于钢坯局部点面(引起钢坯局部过热，易造成钢坯纵向热应力的差异，进而在硫化物热脆性的共同作用下发生纵向劈裂)；

3、冷坯料(连铸冷坯料、模铸冷坯料)加热工艺：(A)预热段温度750℃～850℃，加热时间15～30分钟(减少钢坯内外温度梯度)；加热I段温度1050～1100℃，加热时间20～30分钟；加热II段温度1130～1180℃，加热时间20～30分钟(缓慢升温，减少热应力)；均热段温度1120～1160℃(均匀钢坯各部分温度)，保温时间20～30分钟；(B)总加热时间90～120分钟；(C)在保证加热温度和时间的前提下，按正常轧制节奏进行加热；

第三步，热连轧(热加工轧制变形)工艺：

1、加热后的钢坯(红坯)出炉后，须除清红坯表面的氧化铁皮(目的是防止轧件在咬入轧机后打滑及氧化铁皮压入轧材表面)，具体技术手段是高压水除鳞方法、火焰清理方法，以及其他有效去除表面氧化铁皮的方法；

2、钢坯热连轧时，轧机机架的冷却水控制：(A)在钢坯(轧件)咬入轧机后，开启冷却水进行冷却；(B)粗轧机组冷却水量开启到7～9Bar(Bar是流量压力单位，1Bar＝1kg/s·m³＝1公斤/秒·立方米)的常规压力直至第二支钢出加热炉时关闭，当第二支钢坯咬入后重新开启冷却水，该方法循环操作；除粗轧机组外的其他轧机(也就是中、精轧轧机机组)冷却水流量，应相应减小，调整为3～5Bar(防止轧材表面淬裂，当轧制速度≥12m/s时，冷却水量过大更易发生钢材表面淬裂；中轧机组、精轧机组的轧机轧制速度较大，精轧机组的轧机轧制速可高大30m/s以上)；

3、热连轧粗轧时，钢坯低速咬入粗轧机(可防止坯料端面变形后开裂)，粗轧机组的咬入速度0.2～5m/s，粗轧机组第一架粗轧机的咬入速度0.2～0.5m/s；粗轧单道次的减面率(钢坯横截面尺寸的相对变化)10～30％；

4、连轧机组对中间坯进行头、尾在线剪切时：粗轧机组的钢坯剪切长度300～400mm，端部缺陷未切清时，须由地面操作人员手动或指令主控台连切2次；中轧机组、精轧机组的钢坯剪切长度按在线剪机规定的上限控制，为100～150mm；

5、热连轧生产线的控冷水箱操作：棒材生产时，关闭全部控冷水箱；线材生产时，关闭连轧机组终轧机(最后一架精轧机)前的全部控冷水箱，仅允许开启终轧机、吐丝机之间的控冷水箱；

6、线材终轧后，开启控冷水箱，线材过水时间(终轧后线材穿过控冷水箱的时间)0.1～0.3秒(急速过水有利于成品表面氧化铁皮淬剥，同时有利于线材沿长度方向上的性能均匀)，且线材吐丝温度不得低于900℃；

7、成品钢材的轧后冷却：棒、线材轧后全部空冷。

和现有技术相比，本发明具有下列优点：

1、热连轧工艺新颖、合理，适用范围广；

2、同时解决了Mn/S≤5的高硫(硫磷)易切削结构钢的热加工轧制中钢坯头部开口、轧机咬入钢坯易打滑的技术难题，甚至使Mn/S＝2.5～3.3的高硫、高硫磷易切削结构钢的热连轧成为可能；

3、钢的成材率高(95％以上)；

4、杜绝了轧制时的热停工(头部开口以及缠辊、打滑造成)现象，生产成本低，生产效率高；

5、生产规格范围广。

具体实施方式

某钢铁公司轧钢分厂实施本发明专利，在预应力热连轧机组(32机架)，将高硫磷易切削结构钢(美国牌号：1108、1109、1110、1116、1117、1118、1119、1132、1137、1139、1140、1141、1144、1145、1146、1151、1211、1212、1213、1215；日本牌号：SUM11、SUM12、SUM21、SUM22、SUM23、SUM25、SUM31、SUM32、SUM41、SUM42、SUM43；中国牌号：Y12、Y15、Y20、Y30、Y35、Y75、Y40Mn；德国牌号：9S20、9SMn28、9SMn36、10S20、35S20、45S20、60S20等；以美国牌号：1213、1215为例)钢坯(连铸热坯料、连铸冷坯料、模铸冷坯料，直径或边长为90～220毫米；以160方、连铸热坯料为例)热连轧成品钢材(棒、线材，规格Φ5～50mm；以Φ10mm线材为例)：

第一步，钢坯要求：(1)热坯料(连铸红送坯)，端面裂纹不能延伸及到坯料表面，连铸热坯料进加热炉时的表面温度680～750℃(≮650℃)；(2)冷坯料(连铸冷坯料、模铸冷坯料)，端面不能出现贯穿性裂纹；冷坯料在进加热炉前必须检查2个端面的质量，发现裂纹时必须进行裂纹封闭作业(如电焊)；

第二步，加热炉加热工艺：(1)分段式步进加热炉加热温度区域分四段：预热段、加热I段、加热II段、均热段；加热炉炉气控制为中性炉气氛(非氧化气氛)；(2)热坯料加热工艺：(A)坯料进步进加热炉前，应与前轧号之间预留30步空步)；(B)预热段温度800-840℃，加热时间6～8分钟；加热I段温度1050～1070℃，加热时间16分钟；加热II段温度1120～1160℃，加热时间16分钟；均热段温度1120～1160℃，保温时间20分钟；(C)总加热时间60分钟(50～100分钟)；(D)轧制故障需降温保温时，炉底若为充量直射式烧嘴，必须注意避免因缺乏压力而引起的直焰上浮，造成浮焰固定燃烧于钢坯局部点面；

第三步，热连轧(热加工轧制变形)工艺：(1)加热后的钢坯(红坯实测坯温1140℃±20℃)出炉后，采用高压水除鳞方法除清红坯表面的氧化铁皮须(目的是防止轧件在咬入轧机后打滑及氧化铁皮压入轧材表面)，具体技术手段可以是、火焰清理方法，以及其他有效去除表面氧化铁皮的方法；(2)钢坯热连轧时，轧机机架的冷却水控制：(A)在钢坯(轧件)咬入轧机后，开启冷却水进行冷却；(B)粗轧机组冷却水量开启到8Bar的常规压力直至第二支钢出加热炉时关闭，当第二支钢坯咬入后重新开启冷却水，该方法循环操作；中、精轧轧机机组的冷却水流量，相应减小，调整为4Bar；(3)热连轧粗轧时，钢坯应低速咬入粗轧机，粗轧机组的咬入速度0.2～5m/s，粗轧机组第一架粗轧机的咬入速度0.4m/s；粗轧单道次的减面率(钢坯横截面尺寸的相对变化)10～30％；(4)连轧机组对中间坯进行头、尾在线剪机时：粗轧机组的钢坯剪切长度300mm，端部缺陷未切清时，须由地面操作人员手动或指令主控台连切2次；中轧机组、精轧机组的钢坯剪切长度按在线剪机规定的上限控制，一般为120mm；(5)热连轧生产线的控冷水箱操作：棒材生产时，关闭全部控冷水箱；线材生产时，关闭连轧机组终轧机(最后一架精轧机)前的全部控冷水箱，仅允许开启终轧机、吐丝机之间的控冷水箱；(6)线材终轧后，开启控冷水箱，线材过水时间0.16秒，吐丝温度1000℃(不低于900℃)；(7)成品钢材的轧后冷却：棒、线材轧后全部空冷。

实施本发明专利生产的1213、1215等牌号的高硫磷易切削结构钢(Mn/S≤3)，经数千吨连铸、模铸冷坯料热连轧，及连铸坯热送(一炉单独热送、三炉连浇并热送)进行连轧均获得成功(未发生一起因端部撕裂而造成的缠辊事故)。基本解决了高硫磷易切削结构钢热加工轧制中出现的头部开口、引发连轧堆钢或缠辊、以及打滑的生产事故、技术难题，杜绝了轧制时的热停工(头部开口以及缠辊、打滑造成)现象，生产效率高，且钢材成材率高(95％以上)，质量稳定，符合标准要求。满足了钢铁制造商(钢铁厂)规模生产Mn/S＝2.5～3.3的高硫磷易切削结构钢钢材的要求。

Claims (1)

1、高硫、高硫磷易切削结构钢的热连轧生产方法，其特征是：通过控制钢坯加热、粗轧机组的钢坯减面率、粗轧机组的轧制速度、轧制过程的冷却水流量调节，将直径或边长为90～220毫米的钢坯，热连轧为Φ5～Φ50mm规格的棒、线材成品钢材：

第一步，钢坯要求：

(1)钢坯是连铸热坯料、连铸冷坯料、模铸冷坯料，形状是圆形、矩形和方形坯，规格是直径或边长为90～220毫米；

(2)连铸热坯料端面裂纹未延伸到坯料表面，视为合格坯；连铸热坯料进加热炉时的表面温度≮650℃；

(3)冷坯料端面出现贯穿性裂纹，视为不合格坯；冷坯料在进加热炉前必须检查2个端面的质量，发现非贯穿性裂纹时必须进行裂纹封闭作业；裂纹封闭作业是电焊方式；

第二步，加热炉加热工艺：

(1)分段式步进加热炉加热温度区域分四段：预热段、加热I段、加热II段、均热段；加热炉炉气控制为非氧化气氛的中性炉气氛；

(2)连铸热坯料的加热工艺：(A)坯料进步进加热炉前，应与前轧号之间预留20～35步空步；(B)预热段温度750℃～850℃，加热时间5～10分钟；加热I段温度1050～1100℃，加热时间10～20分钟；加热II段温度1120～1160℃，加热时间10～20分钟；均热段温度1120～1160℃，保温时间10～20分钟；(C)总加热时间50～100分钟；(D)轧制故障需降温保温时，当炉底为充量直射式烧嘴时，必须注意避免因缺乏压力而引起的直焰上浮，造成浮焰固定燃烧于钢坯局部点面；

(3)连铸冷坯料、模铸冷坯料的加热工艺：(A)预热段温度750℃～850℃，加热时间15～30分钟；加热I段温度1050～1100℃，加热时间20～30分钟；加热II段温度1130～1180℃，加热时间20～30分钟；均热段温度1120～1160℃，保温时间20～30分钟；(B)总加热时间90～120分钟；(C)在保证加热温度和时间的前提下，按正常轧制节奏进行加热；

第三步，热连轧工艺：

(1)加热后的钢坯出炉后，须除清高温钢坯表面的氧化铁皮；除清高温钢坯表面氧化铁皮的具体技术手段是：高压水除鳞方法、火焰清理方法，以及其他有效去除表面氧化铁皮的方法；

(2)钢坯热连轧时，轧机机架的冷却水控制：(A)在钢坯咬入轧机后，开启冷却水进行冷却；(B)粗轧机组冷却水量开启到7～9Bar的常规压力，直至第二支钢出加热炉时关闭，当第二支钢坯咬入后重新开启冷却水，该方法循环操作；中轧、精轧轧机机组的冷却水流量，调整为3～5Bar；

(3)热连轧粗轧时，钢坯低速咬入粗轧机，粗轧机组的咬入速度0.2～5m/s，粗轧机组第一架粗轧机的咬入速度0.2～0.5m/s；粗轧单道次的减面率10～30％：

(4)连轧机组对中间坯进行头、尾在线剪切时：粗轧机组的钢坯剪切长度300～400mm，端部缺陷未切清时，须由地面操作人员手动或指令主控台连切2次；中轧机组、精轧机组的钢坯剪切长度按在线剪机规定的上限控制，为100～150mm；

(5)热连轧生产线的控冷水箱操作：棒材生产时，关闭全部控冷水箱；线材生产时，关闭连轧机组终轧机前的全部控冷水箱，仅允许开启终轧机、吐丝机之间的控冷水箱；

(6)线材终轧后，开启控冷水箱，线材过水时间0.1～0.3秒，且线材吐丝温度不得低于900℃；

(7)成品钢材的轧后冷却：棒、线材轧后全部空冷。