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高强度热镀锌钢丝的生产工艺研究


一般说来,较高强度的制绳钢丝应选用较大直径的半成品钢丝来拉拔,但是由于受热镀锌设备的限制,目前热镀锌钢丝的最大直径在φ5.5mm左右,所以拉拔大直径、高强度镀锌钢丝需选用较高的含碳(锰)量(如80#、77B、82B等),強度再高时便选择用“中间镀锌”工艺生产的半成品钢丝来拉拔,因此高强度、大直径热镀锌钢丝(以下简称镀锌丝)的拉拔困难的问题便突显出来。

本文将从热镀锌钢丝的拉拔和镀锌工艺两个方面来研究其改进措施。

1 热镀锌钢丝拉拔工艺的改进

我们通过试验证实“小压下、多道次” 工艺是解决镀锌丝拉拔困难的有效途径。于是我们对本公司第六号拉丝机(LW1/600+7/550滑轮式 下称6#机)进行了改造:将平均部分压缩率qcp控制在15%左右,最大总压缩率为 Q总=76%,最大速度降为200m/min。改造后我们用它先后拉拔了φ2.80mm、φ2.75mm、φ2.45mm等高强度镀锌制绳钢丝,它们的原料分别是φ5.37mm(钢号77B,生产φ2.80mm、φ2.75mm)和φ5.35mm(钢号80#,生产φ2.45mm),φ5.37mm和φ5.35mm均为中间热镀锌的原料钢丝。从生产情况看,其拉拔性能和成品钢丝合格率,均较改造前有很大提高,说明设备改造取得了不错的效果。

值得一提的是,我们曾在5#机(也为LW1/600+7/550滑轮式,性能与改造前的6#机完全相同)上用中间镀锌的70#钢 φ5.4mm(其工艺流程为φ8.0 mm  12.1% φ7.5 mm △,49.5% φ5.33 mm 热镀锌 φ5.4 mm)拉φ2.6 mm制绳钢丝,遇到了很大的困难:八个小时只能拉四只工字轮(定尺4370 m),而且仅有两只轮子合格,被迫改在经过改造的6#机上进行,结果同一批甚至同一把原来无法拉拔的原料,都能在6#机上很顺利地进行拉拔,一个班能拉10个轮子(定尺也为4370m),同时合格率也提高到89.8%。其质量情况见表1。

                 表1  拉丝机改造前后钢丝拉拔情况比较表

 
 改造前(5#)
 改造后(6#)
 
样本数
 4
 98
 
平均拉力(KN)
 9.88
 9.64
 
平均扭转(次)
 15.25
 29.58
 
平均弯曲次数(次)
 14.00
 15.18
 
合格率(%)
 50
 89.8
 
拉拔工艺
 5.4 16.65% 4.93 24.28% 4.29 24.40% 3.73 21.73% 3.30 21.70% 2.92 20.72% 2.60(1)

 Q总=76.82%,qcp=21.62%
 5.4 20.00% 4.83 15.12% 4.45 15.94%

4.08 15.97% 3.74 14.91% 3.45 15.04%

3.18 15.11% 2.93 21.26% 2.60(2)

Q总=76.82%,qcp=16.70%                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    
 

由工艺(2)可见,由于设备限制,第一、八道的压缩比仍然较大,这肯定会对拉拔性能和钢丝力学性能有不利的影响,因此合格率仅为89.8%,如果拉拔道次再多一点,原料钢丝的质量再好一点,情况会更好!

这再次证明:“小压下、多道次”是解决大直径、高强度镀锌钢丝拉拔困难的有效途径。

2 高強度钢丝的热镀锌工艺研究

2.1锌-铁合金层对拉拔过程的影响

锌-铁合金是一种硬而脆的组织,它在钢丝拉拔时,常常会出現微裂纹,随着拉拔过程的

进行,微裂纹还会不断扩展,最终导致钢丝断裂,而且成品钢丝的力学性能也在很大程度上取决于它的组织結构和厚度,锌-铁合金层越厚, 影响越大,所以供再拉拔用的热镀锌钢丝必须要严格控制锌-铁合金层的厚度。

2.2影响锌-铁合金层厚度的主要因素

2.2.1钢基中含碳量的影响

碳是碳钢中主要的合金元素,含碳量越高,锌铁反应越剧烈,锌-铁合金层越厚,所以80#钢的锌-铁合金层就容易比70#钢的厚一些。然而同样是70#钢,如果不注意控制锌-铁合金层的厚度,也会给拉拔工序造成困难。上述70#钢φ5.4mm→φ2.6mm的拉拔困难就是一个绝好的例証:φ2.6mm制绳钢丝是我们的主打规格, 生产一直很顺利, 为什么在这次拉拔过程中,却出現了与拉拔80#钢、82B十分相似的困难局面呢?经化验(当时我们还没有金相设备)这批钢丝的锌层质量比过去的平均值低100g/m2,能造成钢丝上锌量减少的只有两种情况:降低镀锌速度或提高锌液温度, 这两种情况均会增加锌-铁合金层的厚度, 这就是给这次钢丝拉拔造成很大的困难根本原因。同时進一步说明即使是普通碳素钢,如果不注意控制锌-铁合金层的厚度,也会给拉拔工序造成严重的困难。

2.2.2钢基中含锰量的影响 

研究表明,含锰量很低时,随含锰量的变化,锌对钢基的浸蚀没有明显变化,含锰量较高时,会改变锌对铁最高浸蚀速度的临界温度:当ω(Mn)为0.4%时,其临界温度为490℃,而当ω(Mn)为1.4%时便降为450℃,77B、82B的含锰量均在0.6~0.9%之间,其最高浸蚀速度当在450~490℃之间发生,这正好是热镀锌的工艺温度范围(440~470℃),因此在相同的工艺条件下,77B和82B的锌-铁合金层要比70#、80#钢厚得多。

2.2.3 钢丝拉拔的影响

一般镀锌钢丝的工艺流程为:盘条→拉拔到直径D→热处理→热镀锌→成品钢丝拉拔,为了得到更高的强度,便将其改变为:盘条→热处理→拉拔到D1→热镀锌→成品钢丝拉拔,这个工艺现场称之谓中间镀锌,一般从盘条到D1的压缩比在30~50%左右,所以中间镀锌的镀前丝D1的強度要高一些。我们知道,钢丝在拉拔后其原子的间距增大了,其势能必然会增大,这种钢丝在热镀锌时更易被锌浸蚀,所以“中间镀锌”的钢丝的锌-铁合金层会厚一些,更难拉一些,如果在拉镀前丝D1时的拉拔速度过快,冷却又不好,情况会更糟。

2.2.4 钢丝直径的影响

由于直径较粗的钢丝的热容量较大,因此粗钢丝在热镀锌时除要升高锌温外还要降低车速,这样粗钢丝的在锌时间和出锌液后的冷却时间就要比细钢丝长一些,如不加強冷却措施,锌-铁合金层必然会厚一些。

所有导致锌-铁合金层增厚的因素都让大直径、高强度镀锌钢丝占全了。但是此前在热镀锌时一般只考慮钢丝直经的影响, 而对其余三项因素考虑不足, 甚至不予考虑,所以问题较多。

2.2.5在确定钢丝热镀锌工艺时应注意的几个问题

我们的镀锌线上马之后,在镀锌时考虑到上述诸因素,先后做了多次试验,想方设法防止锌-铁合金层过度增厚,逐渐积累了一些经验,取得了较好的效果,具体做法是:

1)千方百计缩短钢丝在锌时间;

2)根据钢种和钢丝直经选用合适的锌温;

3)加强出锌液后钢丝的冷却(水冷+风冷);

4)对中间镀锌的钢丝,在镀前丝拉拔时,严格控制拉拔速度和冷却水的温度,避免因镀前丝的韧性下降过多,影响镀后钢丝的拉拔。

按照上述措施生产的热镀锌原料钢丝,结合“小压下、多道次”工艺进行拉拔,无论是拉拔性能,还是产品合格率及力学性能均较前有很大提高,現任选二例拉拔结果列于表2:

           表2  按新思路生产的原料钢丝拉拔成品丝的拉拔效果表

  拉   拔   规  格
 5.4→2.6
 5.35→3.05
 
钢            号
 70#
 80#
 
总压缩率
 76.82%
 67.50%
 
样     本     数
 252
 112
 
总  重   量 (kg)
 45828.7
 20368.3
 
合  格   率 (%)
 98.41
 93.75
 
平 均 拉  力 (KN)
 10.02
 13.21
 
强          度 (MPa)
 1887
 1808
 
平  均  扭  转 (次)
 27.5
 26.5
 
平  均  弯  曲 (次)
 16.8
 14.7
 

   注:1.上述钢丝均在已改造的6#拉丝机上拉拔。

2. 其中φ5.4mm—φ2.6mm按上表工艺(2)拉拔。

3 两个设想

3.1 设法提高钢丝進锌液的温度

目前進锌液前钢丝的温度一般接近室温,因此在进锌液后,会出现锌在钢丝上结壳→升温→熔化→镀锌的过程, 这个过程用下图表示更直观。

 

图1 钢丝在锌锅中升温过程示意图

 图中:A点 钢丝進入锌液,随即将其周围的液态锌冷却成质量为m的锌壳附在钢丝上;

B点 经TAB(s) 后,锌壳和钢丝运行到B点时,其温度均升到锌的熔点419.5℃;

C点 经TBC(s) 后,锌壳在C点由419.5℃的固态锌熔化成419.5℃液态锌;

D点 经TCD(s) 后, 在D点钢丝的温度升至工艺镀锌温度(440~470℃);

E点 经TDE(s) 后,钢丝到达E点, 并在工艺温度下完成镀锌过程;

F点 钢丝在E奌出锌液后即开始冷却,到F点冷至室温。TEF(s) 的大小取决于水冷和风冷的强度(含流量和温度)、环境温度、以及钢丝的钢种和直径大小。

由图可见,如果设法把钢丝进锌液时的温度提高到镀锌工艺温度,则钢丝一进锌液即开始镀锌过程,这样就省略了升温、结壳、熔化的过程, 缩短了在锌时间(TAD=TAB+TBC+TCD   S), 生成锌-铁合金的时间就减少了,其厚度也必然减小。例如用远红外加热或工频加热等措施,使钢丝在进锌液前,就加热到工艺温度,这个目的便可实現(請注意:此法对湿式镀锌没有问题,对干式镀锌还要看试验结果才能确定:因为目前干式镀锌多採用NH4Cl作助镀剂, 其分解温度仅为337.8℃, 若提前把钢丝加热到工艺温度, 那么钢丝在进锌液前, NH4Cl就己分解, 这时镀出的钢丝如果锌层质量没问题,当然可以採用,否则应当在选用分解温度与工艺温度更接近的助镀剂,或者在採用其它合適的措施后再採用)。这样在镀粗钢丝时,就可既不升温,又不降速,而且在镀高碳、高锰钢丝时,反而可以提高一些速度,缩短钢丝的在锌时间,防止锌-铁合金层的过度长大。这样做的好处是:

1)由于镀粗钢丝时, 不用降速, 相对减少了粗钢丝的在锌时间;

2)由于镀粗钢丝的锌温不必再升高, 相对减缓了锌-铁合金的形成速度, 另外由于钢丝出锌锅时的温度相对较低, 冷却时间也就缩短了, 对防止锌-铁合金长大很有利。

3)对高碳、高锰钢丝,还可用提高车速(或缩短钢丝在锌锅内的长度)来缩短钢丝在锌时间,防止锌-铁合金长大。

3.2 积极研究人工时效工艺。

根据我们的经验,大直径、高碳量镀锌钢丝在放置一段时间之后,其拉拔性能会有较明显的改善,但是自然时效费时间、占厂房、压资金,如能设法进行人工时效, 便可缩短时效时间,为解决拉拔难提供另一条途径。

3.3  有条件时,采用轧制方法来加工这种帶脆性的钢丝,更为合适,因为轧制时工件处在三向压应力状态下,而在拉拔时工件所受的应力状态为两向压应力一向拉应力,所以轧制对脆性材料的变形更为有利。

4 结论

1)“小压下、多道次”拉拔工艺是解决高强度、大直径镀锌钢丝拉拔困难的有效途径;

2)锌-铁合金层过厚,是高强度、大直径镀锌钢丝拉拔困难的关键所在。因此设法减少锌-铁合金层的厚度,是解决拉拔困难的根本出路;

3)凡采用“中间镀锌”工艺的热镀锌钢丝,在拉拔镀前丝时应採取措施, 防止其強度过度增高,韌性过度降低;

4)在设计热镀锌工艺时,除应考虑其直径因素外,还要根据钢丝的化学成份(如含碳量、含锰量)以及镀前丝的压缩量等情况统筹安排,以防止锌-铁合金的过度增长。

5)提高钢丝進锌锅温度、研究人工时效工艺是解决拉拔困难的重要途径。

6)有条件时,採用轧制方法,来加工锌-铁合金层较厚的镀锌钢丝不失为明智之举。  


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