摘要：在SWＲH82B線材生產過程中，選用低能耗、大風量風機是產品成本降低及質量提升的關鍵。介紹SWＲH82B線材技術要求，高速線材斯太爾摩線冷卻採用 DWL － 185 變頻軸流式風機，對風機改造前後風冷線上 SWＲH82B 線材溫度進行檢測，風機改造前後線材平均索氏體化率分別為 88% 和 91% 。冷卻風機及控冷工藝改進後，影響使用的網狀滲碳體及馬氏體組織得到有效控制，抗拉強度及斷面收縮率提高，同圈強度差明顯減小。
天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司（ 簡稱榮鋼）線材產品主要為預應力鋼絲及鋼絞線用熱軋線材，佔線材總產量80% ，代表牌號為 SWＲH82B，用於製作不同強度級別的預應力光圓鋼絲、預應力螺旋肋鋼絲及預應力鋼絞線產品。因其強度高、抗應力鬆弛性能好，廣泛應用於大型高速鐵路、公路、橋梁、高層建築、礦山及水利工程等領域。
隨著預應力鋼絲及鋼絞線製品用途及使用環境不斷變化，對原材料線材的質量要求也不斷提高。隨著 SWＲH82B 線材生產企業的增多，市場需求量逐漸呈供大於求趨勢，競爭壓力造成企業利潤大幅下降。因此通過設備、技術改造達到節能降耗的目的，已成為企業降本增效的主要途徑。
1 、SWＲH82B 線材技術要求
由於預應力製品生產企業的生產方式、工藝裝備及終端產品的差異性，對於原料線材的質量控制要求、盤條加工性能的適應性各不相同。對 SWＲH82B線材要求尺寸精度高、化學成分穩定、鋼質純淨、力學性能良好並具有高體積分數的索氏體組織。
2、 斯太爾摩線控冷工藝改進
2.1 、冷卻風機的升級改造
改造前風冷線共有16臺離心式鼓風機，風量為1.98 × 105 m3 / h，電機功率為315 kW。電耗成本高、風機冷卻能力小、冷卻不均勻成為制約SWＲH82B線材質量提高的主要原因。
離心式鼓風機在工作中，氣流由風機軸向進入葉片空間，然後在葉輪的驅動下產生高壓風通過風道進入風冷線。其作用是根據不同產品規格和品種要求，對應不同終軋速度及運輸輥道速度，配合運用「佳靈裝置」送出不同風量，獲得對盤卷的不同冷卻速率和效果，實現奧氏體向索氏體、珠光體的轉變，保證線材具有良好的力學性能、表面質量和冷加工性能［3］。但傳統的離心式風機受結構限制，進氣口和排氣口較小，容易造成進氣和排氣不暢，在大風量情況下，吹出的風呈間歇性，強弱不均，造成產品性能出現波動。
針對品種結構特點，SWＲH82B 線材主要用於拉拔加工，對性能和組織要求嚴格，所以改造目標是大風量、低能耗的風機。經過相關技術人員多次考察分析研究，決定選用型號為 DWL － 185 的變頻軸流式風機。DWL － 185 的變頻軸流式風機參數見表 1。
新型軸流式風機葉片採用特殊設計，風在風道裡是湍流狀態，形成無數個旋渦，盤旋上升，帶走熱量多。出風量和壓力持續穩定，送風均勻，有利於搭接點的冷卻，改善了線材同圈質量差異。該型號風機與改造前相比，功率降低可節能約 41% ，節能效果明顯。
2.1.1 、風機改造前後 SWＲH82B 相變過程差異
根據過冷奧氏體等溫轉變動力學原理，共析鋼的珠光體轉變發生於奧氏體與珠光體的平衡溫度至550 ℃。共析鋼過冷奧氏體在 600 ℃ 左右分解產物為索氏體，具有強度和塑性的最佳配合，此時形成的索氏體綜合性能最好。高速線材軋後控制冷卻的主要目的是控制過冷度及冷卻速度，得到強韌化所需要的索氏體組織［4］。改造前後 12.5 mm SWＲH82B 吐絲溫度目標值均為 850 ℃，1 ～ 14 #風機全部開啟100% 風量。
風機改造前 12.5 mm SWＲH82B 線材的相變最低溫度為 632 ℃，在 7#風機處。從吐絲機到7#風 機，線材溫度從 850 ℃降至 632 ℃，由於高溫熱輻射及風機強冷的對流傳熱，溫度下降較快，但最大冷卻速率小於10 ℃ / s。在 8 ～ 10 #風機處，相變過程最為劇烈，線材回溫最高溫度約662℃，此區間相變的放熱與風機強冷的散熱達到熱平衡，隨後相變逐漸減弱，而風量不變，冷卻效果相對較好，冷卻速率逐漸增大； 在 14#風機後，線材溫度降至 596 ℃。對比原風機，改造後風機流量提高到 2.4 × 105 m3 / h，增加了4.2 × 104 m3 / h。12．5 mm SWＲH82B 線 材的相變最低溫度為 606 ℃，在 6 #風機處，最大冷卻速率 12．2 ℃ / s； 線材相變過程中回溫最高溫度低於 650 ℃。在 14 #風機後，線材溫度降至 552 ℃。風機改造 前 後 風 冷 線 上 檢 測 的 線 材 溫 度 如 圖 1所示。
2.1. 2 、風機改造前後 SWＲH82B 線材力學性能和顯微組織
2.1.2.1、力學性能
根據金屬熱處理原理，加大冷卻速率可以使連續冷卻曲線向右下方移動，冷卻速率越快，C 曲線向右下方移動越大，Ar3 點越低，冷卻時的過冷度越大。風機改造後，在使用相同風冷工藝的情況下，相變溫度由 632 ℃ 降至 606 ℃ 。隨著相變前冷卻速率的提高，索氏體體積分數增大，這是因為過冷度的增大細化了索氏體組織的片層間距，風機改造前後 SWＲH82B 線材索氏體檢驗結果見表 2，風機改造前後 SWＲH82B 索氏體片層間距如圖 2 所示由表 2 和圖 2 可以看出，風機改造後珠光體片層間距明顯減小，細珠光體使鋼的綜合力學性能得到 提 升，強 度 增 大，塑 性 提 高。風 機 改 造 前 後SWＲH82B 線材力學性能檢驗結果見表 由表 3 可以看出，風機改造後 SWＲH82B 線材力學性能得到明顯改善。在相同控冷工藝條件下，平均抗拉強度提高約 18 MPa，斷面收縮率提高約4% ，同圈抗拉強度極差由 80 MPa 降低到 40 MPa。
2.1.2.2、顯微組織
SWＲH82B 屬於高碳鋼範疇，中心碳偏析控制難度較大，如控制不當，熱軋後極易在線材心部形成網狀滲碳體。網狀滲碳體在相變過程中沿原奧氏體晶界析出，在拉拔加工時，硬而脆的網狀滲碳體導致心部與其他部位變形不一致，形成筆尖狀斷口。網狀滲碳體是 SWＲH82B 線材在拉拔過程中出現問題的主要原因，網狀滲碳體組織如圖 3 所示。
許多學者都對網狀滲碳體的形成規律進行了研究，網狀滲碳體主要來源於方坯的中心碳偏析，可以從連鑄及控軋控冷方面加以改進來減少網狀滲碳體的產生。軋後實行快速冷卻，可以使材料迅速通過網狀碳化物析出溫度區間，儘快減少在此區間的停留時間，抑制碳化物的析出，得到分散細小的碳化物，達到減少網狀碳化物的目的。軋後快速冷卻，過冷度增大，有減小珠光體球團直徑和細化珠光體片層間距作用。快速冷卻降低組元的擴散係數，也會達到減小二次碳化物的作用［5］。
風機改造前2018 年共生產 SWＲH82B 線材9 384爐，其 中 網 狀 滲 碳 體 超 標 180 爐，檢 驗 合 格 率 約98． 08%。風機改造後因相變前冷卻強度增大，能有效抑制先共析滲碳體的析出，2019 年生產 SWＲH82B線材 10 189 爐，網狀滲碳體超標 34 爐，檢驗合格率約99． 67%。通過對比，風機改造後 SWＲH82B 線材網狀滲碳體檢驗合格率明顯提高。
根據 SWＲH82B 使用特性，要求線材保證一定的初始強度，隨著行業標準不斷提高，質量穩定的大規格高強度 SWＲH82B 成為一種發展趨勢。為滿足綜合性能指標，需添加適量的合金元素。錳溶入鐵素體引起固溶強化，且含量不高時可以少量提高或不降低鋼的斷面收縮率和衝擊韌性。鉻具有細化晶粒、提高淬透性的作用。故增加合金元素錳、鉻可以在一定程度上彌補空冷的不足，提高強度。線材心部錳和鉻的偏析導致此區域共析轉變進程被推遲， 使「C 曲線」向右下方移動，馬氏體臨界冷速降低，在同等冷卻條件下，更容易產生馬氏體或者貝氏體等不利於變形的異常組織。風機改造後冷卻能力增加，相變過冷度增大，珠光體相變在更低溫度發生。產生這種變化的主要原因是由於隨相變區冷速增大，奧氏體穩定性增強，推遲了相變的發生，導致相變點降低，珠光體轉變時間也逐漸縮短［6］。當冷速增大到一定程度後，過冷奧氏體產生馬氏體的概率進一 步 增 加，SWＲH82B 線材馬氏體組織如圖 4所示。
線材在拉拔變形過程中，通過拉絲模後金屬基體各點的流動不均勻，有些金屬質點如表面以及近表面金屬質點在承受拉應力的同時承受壓應力，而線材中心部位的質點主要承受拉應力，不同位置的金屬質點在變形時產生速度差，同時馬氏體、貝氏體等異常組織的流動速度和變形速度遠小於金屬基體質點，形變速度差導致金屬產生裂紋源。在大變形量情況下，裂紋源擴展積累，最終也會產生筆尖狀斷口［7］。
斯太爾摩線冷卻風機改造後，風量增大，整體冷卻強度增大。採用1～14#風機開啟100% 風量的一段式冷卻方式，線材心部產生了大量的馬氏體組織。為解決馬氏體等異常組織問題，優化原控冷工藝，採用二段式或者三段式冷卻模式進行生產，控冷工藝優化前後設置見表 4。即相變前風量不變，保證相變前大風量冷卻，抑制先共析滲碳體析出； 減小相變過程及相變後風量，同時將風機關閉後線材溫度升高到 600 ℃左右，避免了脆性組織的產生。
2.2 、控冷工藝優化
採用三段式冷卻，有效控制了線材由奧氏體區到相變點以及整個相變區間的轉變速度，使得相變過程平穩、相變時間增加，有利於進一步提高線材的索氏體體積分數及減少異常組織產生。優化控冷工藝後，SWＲH82B 線材平均索氏體率提高至 92% ，平均抗拉強度穩定在 1 200 MPa 左右，無影響使用的馬氏體組織產生。
2.3 、經濟效益
分析榮鋼高速線材廠年產量約 120 萬 t，主要以生產SWＲH82B 線材為主。斯太爾摩線冷卻風機改造後，電機功率由 315 kW 降低為 185 kW； 改造後風冷線整體冷卻能力提高，優化控冷工藝減小相變過程及相變後風量。統計風機改造前2018年噸鋼平均用電量為 166．3 kW·h，改造後 2019 年噸鋼平均用電量為 141．6 kW·h。根據電費 0．58 元/( kW·h) 測 算，每年降低成本約： 0．58 × ( 166．3 － 141．6) × 120 =1 719．12 萬元
3 、用戶使用情況
斯太爾摩線冷卻風機改造及控冷工藝優化後，可得到組織與強韌性最佳匹配的 SWＲH82B 線材，產品質量穩定性較改造前明顯提升。用戶對12.5mm SWＲH82B 線材經 9 道次拉拔至 5．05 mm 的鋼絲，機械剝殼拉拔速度由 4．5 m / s 提高到 6 m / s，拉拔斷 絲 現 象 明 顯 減 少，成 材 率 提 高 了 0． 4% ～0． 9%，加工成本進一步降低。經過多家鋼絲及鋼絞線廠家使用，受到用戶的一致好評，取得了良好的社會效益和經濟效益。
4 、結語
提高冷卻強度，SWＲH82B 線材珠光體片層間距明顯細化且均勻，細珠光體使鋼的綜合力學性能得到提升，強度增大，塑性提高。
通過風機改造，在控冷工藝不變的情況下，同圈及同卷性能更加均勻穩定。風機改造後，風量增大，整體冷卻強度增大。可一定程度抑制先共析滲碳體析出，降低網狀滲碳體形成概率。優化控冷工藝採用三段式冷卻方式，有效控制了線材由奧氏體區到相變點以及整個相變區間的轉變速度，避免了影響拉拔加工的脆性組織產生。相變過程平穩、相變時間增加，有利於提高線材的索氏體含量，使鋼的綜合力學性能進一步得到提高。
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