工匠人论坛 2020-12-10 三明
线棒材质量与加工性能稳定性与
一致性的冶金工艺问题
张家泉
北京科技大学钢铁冶金系
wechat：SteelManPeking
先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
线棒材生产常见质量问题？
1）表面或内部探伤（间断性）不合
2）力学性能一致性差
3）HRB400E钢筋等产品强度或屈强比（强屈比）不合问题
4）硬线、帘线拉拔或捻股断丝；
5）冷镦钢线材冷顶锻加工镦头开裂；
6）弹簧钢线材疲劳寿命问题；汽车阀门弹簧?
7）弹簧钢表面缺陷、脱碳等指标控制问题；
8）胀断连杆裂解性能不合问题；
9）预应力钢绞线拉拔断丝或性能不稳定问题；
10）曲轴等产品表面磁粉探伤磁痕问题（裂纹、夹杂、带状偏析等
非铁磁性介质造成的导磁率差异）等…….
总之，长线材通条性、加工性能和服役性能一致性、稳定性的
提升，涉及化学成分、冶炼、连铸铸态组织与热加工工艺、强度指
标、几何尺寸、表面质量、显微组织、盘卷、加工工艺等多方面的
科学设计与目标控制——扎实的金属材料学、冶金工艺学基础对错
综复杂的缺陷诊断与工艺调控十分重要！先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 提纲
一 引言
二 钢铁生产流程特点与发展
三 钢相变与组织—成分与冷却速率影响
四 拉伸强度与组织细化的若干概念问题
五 炼钢连铸与钢材初级成形问题
五 铸坯常见缺陷及其在轧材中的遗传性
六 棒线材加工常见缺陷问题讨论
七 小结与讨论先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 引言
1.钢材组织决定性能！——加工性能和服役性能
Cold drawing冷拔线材 wire
Ausforming变形热处理钢 steel
马氏体时效钢Marage steel
Low低合金高强度钢 alloy UHS steel
QT martensiticQT 马氏体钢 steel
Ferritic铁素体珠光体钢-pearlitic steel
IF 钢
Pure纯铁 iron
0 1000 2000 3000 4000 5000
强度, MPa
成分-工艺-组织-性能关系图
Imperfection –defects
组织缺陷/加工缺陷—短板！先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
2.钢种发展的特点—高强韧化与强塑性矛盾
钢材与钢种发展：service and processing driving
低合金铁素体基为主-高合金奥氏体基-中合金奥马/贝多相多尺度先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
3.钢材常见的源头缺陷或其遗传效应—残余有害元素、大
尺寸夹杂物、成分偏析/异常组织、缩孔/缩松与裂纹等
常见五大有害元素：O、N、H、S、P等
常见低熔点有害痕量元素：Cu、Pb、Sn、As等先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 钢铁生产流程特点与发展先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 板带与长材轧制先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 钢铁生产流程特点与发展
绿色环保-低成本高质量
—形式多样化
—过程紧凑化-铸、轧/锻复合
—高效化
—智能化
—个性化（针对用户特点和需要）先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST钢相变与组织—成分与冷却速率影响
按组织分类：铁素体钢、珠光体钢、奥氏体钢、
马氏体钢、贝氏体钢、双相钢、多相钢等
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 合金化对工艺与组织性能影响
1）合金化或合金含量增加均提高过冷奥氏体稳定性、降低临界
冷却速度；
2） 合金化共析点左移：铁素体含量下降、珠光体比例增加；
3） 合金化造成 A3温度提高或降低对加热奥氏体化程度或（终轧
）冷却先共析铁素体的影响；
4） 冷却速率提高（如冬季）、残余奥氏体或贝氏体含量增加，
屈强比增加；
5）同样碳当量碳钢屈强比小于合金钢
6) 晶粒尺度与Ti、Nb、V、（N含量）各种微合金化的作用
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 典型拉伸应力应变曲线机制
UTS
×
YU
YL
f
先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
铸/轧过程晶粒细化与组织细化内涵
先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 强化类型与合金元素的作用
C： 控制钢材强度、硬度的重
要元素，每1％[C]可增加抗拉
强度约980MPa。
Si：也是增大强度、硬度与弹
性极限的元素，每1％[Si]可增
加抗拉强度约98MPa。
Mn：增加淬透性，提高韧性，
降低S的危害等。
Al：细化钢材高温组织，控制
冷轧钢板退火织构。
Nb：细化高温奥氏体、强化钢
材组织，增加强度、韧性等。
V： 细化铁素体和珠光体、析
出强化钢材组织，增加强度、
韧性等。
Cr：增加强度、硬度、淬透性、
耐腐蚀性能。
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 炼钢工艺与钢材质量关联性
炼钢/精炼基本任务：高炉铁水脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；
升温、合金化、净化钢水（脱除气体N、H与夹杂物）
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ADVANCED CON-CAST钢中有害元素控制水平与进步
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 连铸初级成形与相变
液态金属
析 相
出 变
l
TiN
Tl
l ? δ ? (C,N) γ
AlN
A3
VN γ +
α A1
时效析 α
出
室
温
铸坯或产品
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ADVANCED CON-CAST 连铸坯形问题
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 铸坯铸态组织的意义
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 浇铸环节的常见不良现象
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 铸坯常见缺陷及其在轧材中的遗传性
1.钢坯中夹杂物及其危害
注：外来夹杂物还包括脱氧和合金化用铁合金带入
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
夹杂物与钢基体热膨胀与变形行为的差异—裂纹源
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
夹杂物（总氧和硫含量）对钢材服役性能的影响
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
对钢材中夹杂物含量类型尺寸控制要求日益精细
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
2.铸坯成分偏析—凝固过程必然现象
局部溶质再分配与微观偏析
（不同合金元素在钢中的分配系数、扩散系数与偏析倾向）
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
铸坯成分偏析对轧材的遗传与控制技术发展
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ADVANCED CON-CAST
例：枝晶偏析—网碳组织-线材拉拔性能
网状碳化物—拉拔脆断杯锥断口
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
3.钢坯组织缺陷—白亮带或框型缺陷
对铸态和轧材组织一致性的影响
（铁素体率或碳化物超标、淬透性差异与淬火变形等）
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
4.钢坯缩孔缩松缺陷—搭桥—影响轧材一致性控制
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
4.钢坯裂纹类型（表面裂纹-皮下裂纹-内裂纹）
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
5.钢坯加热脱碳-过烧-内外温差：轧材组织与均质性
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
5.热轧工艺：温度-道次压下量-速率-控冷
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST
线棒材生产常见质量问题简析
1）表面或内部探伤（间断性）不合
2）力学性能一致性差
3）HRB400E钢筋等产品强度或屈强比（强屈比）不合问题
4）硬线、帘线拉拔或捻股断丝；
5）冷镦钢线材冷顶锻加工镦头开裂；
6）弹簧钢线材疲劳寿命问题；汽车阀门弹簧?
7）弹簧钢表面缺陷、脱碳等指标控制问题；
8）胀断连杆裂解性能不合问题；
9）预应力钢绞线拉拔断丝或性能不稳定问题；
10）曲轴等产品表面磁粉探伤磁痕问题（裂纹、夹杂、带状偏析等非
铁磁性介质造成的导磁率差异）；
总之，长线材通条性、加工性能和服役性能一致性、稳定性的提
升，涉及化学成分、冶炼、连铸铸态组织与热加工工艺、强度指标、
几何尺寸、表面质量、显微组织、盘卷、加工工艺等多方面的科学设
计与目标控制。
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先进连铸技术梯队
ADVANCED CON-CAST 小结与讨论
高水平企业标志：钢材品种开发能力、钢材质量稳定性和
一致性控制水平、个性化低成本控制水平。
当前炼钢连铸环节钢质的整体控制技术和控制水平已经有
很大提高，针对用户深加工工艺特点和材料服役特殊要求
的个性化控制还远不够（尤其是成分偏析、残余元素、单
颗粒有害夹杂物等）。高品质钢开发与生产需要从两个源
头抓起：用户需求源头、和生产过程的原料与冶炼源头。
需要加强用-产-学-研协同创新。
当前可能不主要是技术与开发水平问题，更是精细化、专
业化生产管理与操作问题、上下游产业链和上下游工序之
间的协约精神、企业文化乃至社会工业文化问题！
进一步强化流程界面质量关联性控制、强化过程检测和
数据采集，基于大数据的全流程质量分析控制技术势在必行；
质量控制应强化未病先防、 既病防变，所谓“治未病”！
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