钢材在线热处理技术

钢材在线热处理技术

张坤

南钢宽厚板厂 江苏南京 211500

摘要：由于机械产品终端用户不断提出的高要求以及产品制造企业和热处理加工企业间的激烈竞争， 近代热处理的生产技术有了飞速发展。基于这种情况， 热处理技术在原材料领域被定位为产品及装备制造的一项重要的基础技术，其重要性已人们广泛的认可。热处理包括有淬火、回火、退火、时效处理、表面硬化处理等工艺， 各种处理所得到的材料性能不同， 那也是热处理的奥妙之处。

关键词：钢材；热处理；在线

近年,在线热处理技术受到普遍重视。这是因为在线热处理利用轧制余热对钢材进行热处理,可以省去离线热处理必须的二次加热,因而节省能源,简化操作,缩短了产品的交货期。同时,在线热处理可以利用材料热轧过程中积累的应变硬化,在有些情况下可得到比离线热处理更优良的产品性能和质量。钢材在轧制过程中的直接热处理技术发展迅速, 并在生产中得到应用显示强大的生命力。利用轧制余热在作业线上进行直接势处理不仅能省略二次加工中的热处理工序,在处理和固溶处理等; 还具有提高钢材性能、节约合金元素和缩短生产周期等优越性。

一、钢板的在线热处理

管线钢就是适合在线热处理的钢种, 这是因为: 一方面炼钢技术水平的快速提高, 能够对杂质元素硫、磷等低含量稳定控制, 对合金成分铌、矾、钛、镍、铬、钼等窄成分精确控制;另一方面板带轧制设备的力能参数大幅度提高。国内、国际正在开发、使用的HTP钢, 强度达到了X80 级别。钢板直接淬火及回火工艺也是一种在线热处理工艺, 在较厚钢板的生产中逐渐应用。该工艺的特点是钢板经过精轧机轧制后直接进入热处理设备进行相应的热处理。由于钢板经过精轧机轧制后直接进入在线热处理设备, 省去了常规工艺所需的钢板冷却、重新加热过程, 可以节省大量能源, 减少了热处理工艺时间, 相应提高了热处理设备能力, 同时也减少了合金元素引起的硬化现象。同时由于热处理设备为在线布置, 也减少了钢板传输时间。在线热处理工艺具有上述特点, 而且热处理效果与常规工艺相比没有差别[1] ，对用于制造压力容器的低合金高强度结构用中厚钢板SPV490 在线热处理的工艺技术研究。SPV490 钢板须具有足够的强度、良好的韧性和成型性、低的焊接裂纹敏感性和碳当量以及优越的抗腐蚀能力。研究了SPV490 钢经过两阶段控轧后在线直接淬火、回火工艺参数对其组织和力学性能的影响规律, 得出合理的在线直接淬火、回火工艺参数。直接淬火是指在热轧终了钢材组织完全奥氏体化时, 直接经过在线热处理使钢材产生马氏体相变, 即奥氏体转变为马氏体的工艺。与传统的离线淬火相比, 省去了再加热奥氏体化过程、简化了工艺、降低了能耗, 更重要的是改善组织、提高性能。

二、型材的在线热处理

1、特钢生产线的在线热处理。轧件出口采用在线热处理所必须的工艺技术，研究说明: 将离线布置的热处理工艺( 软化退火、正火、消除应力退火、球化退火、固溶退火和再结晶退火等) , 利用轧制余热在线进行热处理, 生产成本明显降低而仍可提供高质量的产品。某些高合金钢, 如马氏体不锈钢、高速钢、莱氏体工具钢的热处理需要有长的保温时间, 轧制以后, 就要进行缓慢冷却, 即在有限的时限内, 进行轧件的后续运送和堆垛, 直至最终热处理完成。如果含有在线热处理工序的特殊钢轧线, 应考虑各个钢种的基本要求。奥氏体不锈钢: 是轧制后直接水淬火或是在加热炉内停留一段时间后直接水淬火, 取决于钢种和最终产品的晶粒度; 水淬火防止Cr 的碳化物在晶界上沉积, 因而使最终产品具有抗腐蚀能力, 固溶退火后水淬, 可以在线将仍处于高温的轧件加入位于精轧机组旁的相配的加热炉内。铁素体不锈钢: 快速冷却后, 需要离线再结晶退火, 再结晶退火后需要空气淬火或水淬火, 可以在线将仍处于高温的轧件加入配套的加热炉内。马氏体不锈钢: 轧制后很缓慢冷却, 防止自回火后离线热处理的脆性开裂; 在线软化退火, 可以在线将仍处于高温的轧件加入配套的加热炉内。工具钢和高速钢: 轧制后很缓慢冷却, 防止自回火后离线热处理的脆性开裂, 由于完成热处理周期需要很长的时间, 不能进行在线软化退火。轴承钢: 轧制后缓慢冷却, 为后续离线热处理准备金相结构, 采用低温精轧工艺, 在线将仍处于高温的轧件加入配套的加热炉内, 进行在线球化退火。

2、棒材的在线热处理。棒材在轧后进行穿水冷却, 是提高棒材的强度, 节约合金元素的重要方法之一。棒材的温度变化过程是: 棒材经过最后一架轧机后, 进入湍流管进行淬火, 随后从棒材中心扩散到表面的热能使温度有所回升并使材料回火。该公司已开发出一种新淬火系统, 该系统使用的水流量比其它系统小, 但水压比其他系统高, 不仅减少了水的消耗, 而且能减少安装费。螺纹钢轧后穿水冷却, 利用轧件高温快速淬火以及轧件芯部的余热回火, 使轧件表面形成回火马氏体组织, 芯部则形成细粒铁素体和珠光体组织。从而提高钢材的综合机械性能, 可使钢筋的屈服强度提高150-200MPa。碳素钢Q235 钢材经穿水冷却后, 可将钢筋的强度标准提高2级, 达到螺纹钢标准。

三、线材的在线热处理

不锈钢线卷在线热处理有以下方式: 线材吐丝后散卷直接进行水淬处理; 卷取过程中直接进行水淬固溶处理; 热态线卷直接进入在线热处理炉进行热处理。由于采用吐丝后散卷水淬处理工艺无法控制产品的最终晶粒大小, 因此要尽可能地提高线材的吐丝温度, 以获得较大的晶粒尺寸, 同时避免水淬前碳化铬的析出。水淬固溶处理应快速进行, 以减少水淬过程中碳化铬的析出, 水淬冷却速率最佳范围为60℃/s一85℃/s, 最终冷却温度为150℃一250℃以下。吐丝后散卷水淬处理工艺路线也可作为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢线材强化离线热处理的一种预处理手段。上海宝钢集团特殊钢公司的不锈钢长型材轧线, 通过在线直接水淬线材的机械性能可达到性能。

在线热处理炉有两种形式: 辊底式隧道炉和转底式环型炉。两种形式的在线热处理炉都可以进行以下钢种的热处理: 奥氏体不锈钢线卷的固溶、奥氏体不锈阀门钢线卷的固溶、铁素体不锈钢线卷的再结晶退火、马氏体不锈钢线卷的软化退火、马氏体不锈阀门钢线卷的软化退火。采用辊底式隧道炉比较成功的典型生产线是意大利的Valbruna、宝钢集团特殊钢公司采用转底式环型炉[1]，科技大学学者对54SiCr6 和54SiCrV6 两种弹簧钢进行了在线感应调质处理, 并研究了回火温度、实验温度等对冲击韧性的影响,说明了54SiCr6 钢最佳回火温度为480℃, 54SiCrV6钢最佳回火温度为540℃, 钒的加入主要改善了钢的室温韧性。

某制铁所线材工厂应用线材轧制后的喷流水控制冷却技术, 进行直接淬火, 生产出了1500 N/mm2 级的高强度线材, 用作制造混凝土桩、杆的PC 钢棒。与通过再加热进行淬火的线材相比较, 这种直接淬火的线材强度波动小, 可获得较高的可靠性。最近进一步拓展了所开发的直接淬火线材的生产技术。再加以在线回火。实现了中碳钢和低合金钢线材的在线直接淬火、回火。

在传统方式的基础上, 已经开发出实用化的超快速冷却和再加热装置等新型在线热处理设备,因而可以涵盖从加速冷却的低冷速到直接淬火高冷速的全部冷速范围。各种控制方式的开始点和终止点可以依据需要控制, 冷却路径可以按照工艺要求灵活控制和调整,所以材料的相变可以处于工艺过程的精细掌控之中,这为钢铁材料的减量化生产和性能提高提供了极为广阔的空间。加强轧后柔性化在线热处理工艺、装备、技术、产品开发和利用已成为轧制技术发展的重要趋势。

参考文献：

[1] 李锦旗. ERW 钢管焊缝在线热处理工艺及其质量检验[J] . 焊管. 2016, 17( 1) : 4- 9

[2] 王国栋，刘晓华. 攀钢热处理钢轨生产的回顾与展望[J] . 四川冶金.2015, 27( 2) : 4- 9

[3] 史民权. 合金钢条型材的控制冷却和在线热处理[J] . 上海宝钢工程设计. 2016, 2: 43- 52