高線彈簧鋼生產(chǎn)及其啟示

陳燕才 嚴(yán)開勇 胡念慈 張雪榮 張?zhí)谜?/p>

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

國內(nèi)某先進(jìn)高速線材生產(chǎn)線于1999年3月投產(chǎn)，主要設(shè)備從美國摩根公司引進(jìn)，是具有20世紀(jì)90年代國際先進(jìn)水平的全線連續(xù)無扭軋制線材軋機(jī)[1]。該產(chǎn)線單線無扭連續(xù)生產(chǎn)，最大軋制速度120m/s。采用控軋控冷工藝，通過對冷卻水箱水量和斯太爾摩線冷卻速度的控制可獲得產(chǎn)品所期望的組織和性能。精軋機(jī)組和減定徑機(jī)組后分別設(shè)置了影像探傷儀和測徑儀，產(chǎn)品尺寸精度可達(dá) 0.1mm。目前年生產(chǎn)量約57萬噸。產(chǎn)品規(guī)格Φ5.0～Φ26.0mm。主要品種有簾線鋼、彈簧鋼、冷鐓鋼、橋梁纜索用鍍鋅鋼絲、高碳鋼和焊接用鋼等。線材原料采用高爐鐵水和優(yōu)質(zhì)廢鋼，經(jīng)過轉(zhuǎn)爐或電爐及精煉工序的純凈鋼冶煉技術(shù)生產(chǎn)， 確保鋼質(zhì)純凈。鋼坯精整線對鋼坯表面存在缺陷進(jìn)行清理，確保鋼坯表面質(zhì)量。2008年5月電爐大方坯連鑄投產(chǎn)，坯料質(zhì)量大幅度改善，進(jìn)一步提升了線材實(shí)物質(zhì)量。

該高線生產(chǎn)的汽車用彈簧鋼、簾線鋼、冷鐓鋼以及橋梁纜索用鍍鋅鋼絲在國內(nèi)知名企業(yè)和重大工程中獲得廣泛應(yīng)用，在國產(chǎn)同類產(chǎn)品中口碑頗佳。

1 產(chǎn)線相關(guān)性能指標(biāo)及實(shí)際生產(chǎn)情況

該產(chǎn)線設(shè)計(jì)的產(chǎn)品范圍涵蓋普碳鋼到簾線鋼、彈簧鋼等各類品種(見表1)。在達(dá)產(chǎn)之后，即較快實(shí)現(xiàn)了各類產(chǎn)品的生產(chǎn)比例，隨著生產(chǎn)工藝的日臻成熟，近年來其高端線材產(chǎn)品的比例得到大幅提升(見表2)。該產(chǎn)線的主要生產(chǎn)工藝設(shè)備參數(shù)見表3。隨著工藝技術(shù)的成熟和裝備的改造更新，該產(chǎn)線已成為現(xiàn)今國內(nèi)裝備齊全、工藝完善、高端產(chǎn)品最具競爭力的高速線材生產(chǎn)線之一。

2 產(chǎn)線生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)

該產(chǎn)線在國內(nèi)率先采用8機(jī)架精軋加4架減定徑機(jī)的工藝布置，隨著生產(chǎn)中工藝路線的不斷完善和裝備的不斷改進(jìn)，該產(chǎn)線具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢：

2.1 “8+4”精軋加減定徑機(jī)組工藝

1)簡化軋機(jī)孔型系統(tǒng)，減少換輥次數(shù)，提高軋機(jī)利用率，生產(chǎn)率提高5%以上；

2)實(shí)現(xiàn)了精密軋制，保證了產(chǎn)品尺寸精度(均可達(dá)0.1mm)；

3)實(shí)現(xiàn)了一定規(guī)格的自由尺寸軋制，增加了產(chǎn)品規(guī)格，滿足了客戶的特殊需求；

4)在精軋區(qū)實(shí)現(xiàn)了低溫高速溫控軋制，保證了產(chǎn)品尤其是高碳優(yōu)線的質(zhì)量。

2.2 在線尺寸精度及缺陷檢測

1)在精軋機(jī)組后設(shè)置1臺渦流探傷儀(后升級為影像探傷儀)，動態(tài)連續(xù)地檢查線材表面，并判斷線材表面缺陷，在線反饋軋件表面質(zhì)量。體積小，精度高，對0.004mm的缺陷均可探到。

2)在精軋機(jī)組前和減定徑機(jī)組后分別設(shè)置1臺可移動小車式光學(xué)測徑儀ORBIS系統(tǒng)，測量精度±0.002mm，周向全方位動態(tài)旋轉(zhuǎn)地對線材成品進(jìn)行測量，并隨時(shí)反映成品的外徑和橢圓度，及時(shí)調(diào)整各軋機(jī)機(jī)組，提高成品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

表1 產(chǎn)線產(chǎn)品設(shè)計(jì)大綱 單位：t/a

表2 投產(chǎn)初期及近年產(chǎn)線部分鋼種線材產(chǎn)量

表3 產(chǎn)線主要工藝設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.3 控制軋制和STELMOR控制冷卻工藝

在預(yù)精軋機(jī)組和吐絲機(jī)間通過設(shè)立側(cè)/立式活套，多級摩根獨(dú)有的噴嘴結(jié)構(gòu)和布置的水冷段+恢復(fù)段的閉環(huán)反饋式水冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制軋制和控制冷卻，使軋件全長溫差控制在20℃內(nèi)，保證了產(chǎn)品性能質(zhì)量。

2.4 合理的導(dǎo)衛(wèi)型式結(jié)構(gòu)

軋機(jī)導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計(jì)為：橢圓軋件進(jìn)入下一機(jī)架時(shí)及精軋機(jī)組、減定徑機(jī)組入口處均配置滾動導(dǎo)衛(wèi)，其余斷面入口及各機(jī)架出口均配置滑動導(dǎo)衛(wèi)。同時(shí)輔以強(qiáng)有力的維護(hù)，有效降低了軋件表面缺陷。

2.5 STELMOR控制冷卻方式

閉環(huán)式水箱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了吐絲機(jī)出口溫度反饋實(shí)時(shí)控制水冷量，保證吐絲溫度控制在±10℃；帶有風(fēng)機(jī)、保溫罩及摩根“佳靈”裝置的STELMOR風(fēng)冷線，風(fēng)量分配可調(diào)可控，輸送機(jī)速度控制獨(dú)立方便，有效改善了盤條性能的均勻性。

此外，深入的潔凈鋼冶煉工藝研究和先進(jìn)齊全的冶煉裝備，為高端線材產(chǎn)品生產(chǎn)提供了優(yōu)質(zhì)的原料保證。

3 產(chǎn)線原料保障及其處理工藝

生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高端線材，應(yīng)十分重視高線原料生產(chǎn)工藝質(zhì)量。目前，該產(chǎn)線有轉(zhuǎn)爐模鑄和電爐連鑄兩種高線優(yōu)質(zhì)坯料生產(chǎn)工藝，并配有功能齊全的坯料預(yù)處理裝置，確保坯料進(jìn)入高線加熱爐前的組織性能和表面質(zhì)量，有效避免了線材產(chǎn)品的表面缺陷。

3.1 轉(zhuǎn)爐模鑄產(chǎn)線工藝流程

BF鐵水→鐵水預(yù)處理(脫Si、P、S) →LD-CB→爐外精煉(LF，RH，KIP，CAS) →鋼錠下注→熱送→均熱→Ф1300×2初軋機(jī)→熱火焰清理→ 大方坯→精整→入庫→6VH連軋→冷卻→超聲波探傷→磁粉探傷→砂輪修磨→入庫→線材軋制→盤條

轉(zhuǎn)爐模鑄坯性能質(zhì)量由下述全流程的精細(xì)化、潔凈化處理予以保證：

3.1.1 優(yōu)質(zhì)鐵水及先進(jìn)的鐵水預(yù)處理手段

彈簧鋼生產(chǎn)的鐵水質(zhì)量保證包括：選用優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口礦石，配備齊全的鐵水預(yù)處理手段，采用高爐鐵水預(yù)脫Si，混鐵車脫P(yáng)、S，Mg粉深脫S裝置等，達(dá)到鐵水中 P≤ 0.020%，S≤ 0.005%的目標(biāo)，為煉鋼提供優(yōu)質(zhì)鐵水。

3.1.2 獨(dú)有的煉鋼、爐外精煉工藝技術(shù)[2]

探索形成的純凈鋼冶煉工藝，由于采用夾雜物無害化控制技術(shù)、高碳鋼偏析生產(chǎn)控制技術(shù)和精確的冶煉溫度波動控制，很好控制了C、S、H、O、N、P含量，配以功能齊全、高效的爐外精煉設(shè)備和技術(shù)(表4)，得到純凈度極高的鋼水。

表4 功能齊全的爐外精煉系統(tǒng)

3.1.3 合理的澆注系統(tǒng)

為保證鋼錠內(nèi)在和表面質(zhì)量，在合理優(yōu)化設(shè)計(jì)錠型的基礎(chǔ)上，采用Ar氣保護(hù)澆注工藝，保證初軋過程的大壓縮比開坯，以大幅改善入爐坯料的組織結(jié)構(gòu)。

3.1.4 靈活控制均熱方式

對鋼錠開坯前的均熱工藝，總結(jié)出了適應(yīng)不同鋼種的最優(yōu)均熱模式，采取靈活控制的均熱方式，有效避免了表面脫碳及減少氧化，提升了表面質(zhì)量。

3.1.5 先進(jìn)的開坯系統(tǒng)

產(chǎn)線彈簧鋼生產(chǎn)對模錠和大方坯料，配備大功率雙機(jī)架初軋機(jī)組，在線熱火焰清理裝置和六機(jī)架水平立式連軋機(jī)組，軋制出的優(yōu)質(zhì)坯料經(jīng)檢查清理后上高線軋制。

3.1.6 先進(jìn)高效的檢查清理手段

“一火”坯料進(jìn)高線加熱爐前首先進(jìn)行拋丸處理，經(jīng)高精度的超聲波探傷和 磁粉探傷后，必要時(shí)進(jìn)行砂輪修磨，最大限度減少了坯料內(nèi)在和表面缺陷。

3.2 電爐連鑄產(chǎn)線工藝流程

脫硫鐵水+廠內(nèi)優(yōu)質(zhì)返回廢鋼→EAF→LF→VD→CC→初軋→方坯精整→線材軋制→盤條。

3.2.1 功能齊全的電爐煉鋼和爐外精煉系統(tǒng)

該高線生產(chǎn)的電爐連鑄供料產(chǎn)線，其裝備等級高，功能完備(見表5)，有效保證了彈簧鋼生產(chǎn)的坯料質(zhì)量。

表5 高線坯料電爐冶煉設(shè)備

3.2.2 工藝指標(biāo)

電爐連鑄工藝生產(chǎn)的鋼水，雜質(zhì)元素含量顯著降低，其中P≤ 0.010%，S≤ 0.005%，O≤20ppm，N≤60ppm，達(dá)到了高潔凈鋼生產(chǎn)的要求。

4 產(chǎn)線彈簧鋼產(chǎn)品

轎車用氣門簧和懸架簧盤條鋼，要求有高的淬透性和良好的抗疲勞性和抗彈減性，同時(shí)還要求具有優(yōu)良的表面質(zhì)量，均勻細(xì)密的組織結(jié)構(gòu)等。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保要求的提升，車用彈簧對彈簧鋼盤條的化學(xué)成分、夾雜物的數(shù)量和形態(tài)分布、表面質(zhì)量、脫碳層控制、顯微組織及力學(xué)性能等要求越來越高，能否量產(chǎn)合格的彈簧鋼材是高線技術(shù)質(zhì)量的重要體現(xiàn)，也是其市場競爭力所在。

該廠選擇較為通用的車用彈簧鋼種55SiCr開展研究，采用特殊的合成渣處理和脫氧劑處理技術(shù)，并結(jié)合其先進(jìn)的冶煉、軋制和表面質(zhì)量控制手段，在鋼質(zhì)純凈度、盤條夾雜物形態(tài)和數(shù)量、表面質(zhì)量等方面取得突破，該盤條拉拔制作的車用簧，疲勞壽命達(dá)千萬次量級，已應(yīng)用于各類中高檔轎車。目前，該產(chǎn)線生產(chǎn)的彈簧鋼盤條有55SiCr、50CrV、60Si2MnA等牌號(其成分指標(biāo)見表6)，其中，55SiCr彈簧鋼盤條經(jīng)拉拔、熱處理和卷簧處理后，主要用于制作汽車懸掛彈簧、氣門簧、離合器彈簧、摩托車減震簧等。

表6 彈簧鋼成分指標(biāo)

5 改進(jìn)與優(yōu)化

該高線彈簧鋼生產(chǎn)，是在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步研究、摸索、改進(jìn)、完善，進(jìn)而形成當(dāng)前原料上先進(jìn)的高潔凈鋼生產(chǎn)工藝和完備的坯料預(yù)處理工序，軋制工藝上優(yōu)化、成熟的流程，裝備水平的不斷完備和提升，操作維護(hù)的日益精細(xì)到位的格局，從而保證了彈簧鋼生產(chǎn)的品質(zhì)、質(zhì)量。

5.1 孔型持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)[3]

產(chǎn)線軋機(jī)開工初期，由于孔型不良而影響成材率的表面缺陷主要是折疊和耳子，以及由此產(chǎn)生的操作故障而引起的切廢和成品修剪量的增加。經(jīng)過反復(fù)現(xiàn)場跟蹤和孔型研究，對高速區(qū)孔型系列進(jìn)行了14次優(yōu)化改進(jìn)(見圖1)，大幅減少了耳子和折疊的發(fā)生，線材成品精度和表面質(zhì)量有了明顯提高(見圖2)。

圖1 機(jī)架孔型優(yōu)化過程

5.2 坯料檢驗(yàn)處理手段日臻完善

在穩(wěn)步提升鋼水成分、組織、性能的同時(shí)，為了改善表面質(zhì)量、提升彈簧鋼性能，對連鑄坯料檢驗(yàn)處理方面做了較大的投入和工藝改進(jìn)(見圖3)：新建大方坯連鑄機(jī)組；對模鑄坯、大方坯采用“二火材”加工工藝，增設(shè)熱火焰清理機(jī)；進(jìn)入高線加熱爐前，坯料經(jīng)全面的拋丸、超聲波探傷、磁粉探傷和砂輪修磨。這些工藝和設(shè)施有效保證了彈簧鋼表面質(zhì)量和性能。

圖2 線材優(yōu)化前后分規(guī)格成材率

6 對武鋼彈簧鋼生產(chǎn)的啟示

武鋼高線1996年投產(chǎn)后，經(jīng)過2006年的改造，除了加熱爐雙排裝料和中軋后雙線軋制的區(qū)別外，整體裝備水平與前述高線基本相當(dāng)(圖4)。武鋼高線的簾線鋼生產(chǎn)得到了市場的廣泛認(rèn)同，但彈簧鋼生產(chǎn)還有較多工作要做。對比兩條產(chǎn)線彈簧鋼生產(chǎn)的經(jīng)歷經(jīng)驗(yàn)，要提升彈簧鋼生產(chǎn)水平，武鋼必須在以下幾個(gè)方面開展深入細(xì)致的工作。

6.1 強(qiáng)化“研產(chǎn)銷”協(xié)同

組建高效有力的、由主管領(lǐng)導(dǎo)牽頭，包含冶煉、軋鋼工藝、鋼種研究、設(shè)備研發(fā)與管理及銷售人員參與的合作團(tuán)隊(duì)，形成濃厚的彈簧鋼生產(chǎn)攻關(guān)氣氛，對鋼種開發(fā)、成分組織研究，冶煉軋制工藝優(yōu)化，設(shè)備持續(xù)改進(jìn)，用戶需求信息和質(zhì)量問題跟蹤反饋和改進(jìn)研究等全過程協(xié)作，以期在一定時(shí)間內(nèi)有效解決影響彈簧鋼生產(chǎn)的重大突出技術(shù)和管理問題。

6.2 提升潔凈鋼生產(chǎn)水平

用戶反映的彈簧鋼制成品質(zhì)量問題主要表現(xiàn)為：鋼質(zhì)純凈度不夠，常有大顆粒難變形非金屬雜質(zhì)；表面全脫碳層難以完全避免；表面缺陷較多；芯部成分偏析和組織偏析較嚴(yán)重；質(zhì)量不穩(wěn)定等。這些問題集中體現(xiàn)在鋼種冶煉的工藝制度和操作管理上，必須投入相當(dāng)精力加以研究改進(jìn)。

圖3 彈簧鋼產(chǎn)品的坯料生產(chǎn)及預(yù)處理工藝

圖4 武鋼高線生產(chǎn)流程

此外，可以充分借用襄陽重材改造后的裝備優(yōu)勢，嘗試電爐加電渣重熔工藝生產(chǎn)潔凈鋼，以有效提升坯料組織性能結(jié)構(gòu)。

6.3 完善坯料預(yù)處理手段

提高、完善方坯修磨線工藝制度和利用率，開展“二火材”工藝研究并逐步提高其供料比例，強(qiáng)化預(yù)處理工藝紀(jì)律，加強(qiáng)坯料入爐的檢查檢驗(yàn)，杜絕缺陷坯料入爐。

6.4 實(shí)施設(shè)備改進(jìn)改造

對直接影響表面質(zhì)量的導(dǎo)衛(wèi)、導(dǎo)槽，吐絲機(jī)彎管、進(jìn)口小錐管，精軋機(jī)空過管，軋線轉(zhuǎn)彎部位設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)分析研究并予以改進(jìn)，以減少高速運(yùn)行軋件與設(shè)備的摩擦，降低表面擦傷、刮傷隱患。

6.5 規(guī)范操作、強(qiáng)化維護(hù)、提升管理

彈簧鋼軋制前，全面調(diào)校軋線裝備狀態(tài)，嚴(yán)格檢查軋線導(dǎo)衛(wèi)、軋輥(環(huán))；合理調(diào)整孔型和冷卻水量；認(rèn)真優(yōu)化控軋控冷工藝；嚴(yán)格取樣送檢紀(jì)律等等。

采取上述措施后，武鋼的彈簧鋼產(chǎn)品質(zhì)量將會得到明顯改進(jìn)。

7 結(jié)束語

在全面分析國內(nèi)某先進(jìn)高線性能指標(biāo)，彈簧鋼生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，彈簧鋼坯料質(zhì)量保證工藝，彈簧鋼產(chǎn)品主要品種性能及其工藝、設(shè)備改進(jìn)措施的基礎(chǔ)上，研究提出了提升武鋼彈簧鋼生產(chǎn)水平的多項(xiàng)技術(shù)、工藝和管理措施，對提升武鋼彈簧鋼產(chǎn)量和質(zhì)量具有很好的啟迪借鑒指導(dǎo)作用。

[1] 強(qiáng)十涌.高速軋機(jī)線材生產(chǎn)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[2] 楊霄.寶鋼高線軋機(jī)高速區(qū)孔型系列優(yōu)化研究[J]，寶鋼技術(shù)2004，(6)：35-38.

[3] 趙沛.爐外精煉及鐵水預(yù)處理實(shí)用技術(shù)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.