高强度线材制品迎来最佳发展时机

LIU1018

高强度线材制品迎来最佳发展时机

    编者按：通过对近年有关领域进出口钢丝绳性能差异的分析以及国内线材供应商的发展状况，结合目前市场对现有产品的深度要求，提出目前应该加强供应链之间的技术合作，共同攻关，提高我国线材制品的档次，特别是有条件的大型企业应结合产学研开发，在线材制品生产工艺理论基础上取得突破，进一步指导和推动我国线材制品的发展。
    1、问题的提出
    钢铁结构材料减重在近十几年中取得重大进展，主要体现在汽车、舰船用钢板，工程机械用结构钢以及建筑用钢筋等。结构材料减重的驱动力来自社会对各种装备的轻量化要求和材料的有效利用，减重的途径是在满足其他要求的条件下提高材料的强度。但对于金属制品（钢丝），特别是制绳用钢丝数十年来没有很大进展，主要是受冶金条件以及传统制绳工艺的限制，材料基本仍然沿用碳素钢或含锰钢。
    钢丝强度极限化近几年在发达国家已初露端倪，从钢帘线到切割钢丝，强度已逼近4500MPa，主要得益于冶金条件的改善和拉拔工艺的不断改进，在适量合金化的情况下，一般制绳钢丝强度突破4000MPa成为可能。2006年新版GB8918-2006《重要用途钢丝绳》与原来GB/T8918-1996《钢丝绳》相比，强度指标方面有重大改动，包括去掉原标准中拆股钢丝的1470MPa强度级别，增加1960MPa强度级别；而1670MPa和1870MPa两个级别的扭转和反复弯曲次数采用相邻较高级别（1770MPa和1960MPa）的扭转和反复弯曲次数，高品质材料应用档次下移已成为趋势。一些重大品种也面临客户提出的大幅度减径的压力，也是目前迫在眉睫要解决的技术性问题。
    金融危机的到来对钢铁行业有较大的冲击，将形成新一轮的技术竞争，开发高端产品也成为钢厂新一轮竞争的主要手段，线材作为钢铁产品中较小的品种在过去没有引起足够重视，但迫于竞争形势，钢厂已开始重视金属制品行业对材料性能的要求。淮钢2008年初新上RH脱气设备以及380mm×380mm大连铸坯，成为国内最具高端线材生产条件的厂家之一。
    2、减重对强度的要求
    在破断载荷不变的情况下，以10mm 6×7+IWS结构钢丝绳为例测算不同强度的减重及比例（见表1），钢丝绳最小破断载荷为67.1kN。
   
                 表1 10mm 6×7+IWS结构钢丝绳强度从1870MPa增加时的重量变化
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    钢丝绳强度MPa   钢丝绳破断拉力kN   钢丝绳直径mm   每百米重量kg   减轻重量百分比%
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       1870             67.10            10.00           38.70               0
       1960                               9.77           36.91            4.64
       2060                               9.53           35.11            9.27
       2160                               9.30           33.49           13.47
       2260                               9.09           32.01           17.30
       2460                               8.72           29.40           24.00
       2550                               8.56           28.37           26.70
       3000                               7.89           24.11           37.70
       3500                               7.31           20.67           46.60
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    由表1可知，将现有1870MPa钢丝绳强度提高到2460MPa，在同样钢丝绳破断拉力条件下，直径可从10mm减小到8.72mm，百米重量由38.7kg减少到29.4kg，减重24%。目前这种强度水平在一般企业中基本都能达到，但需要生产管理进一步的加强。
    从2500～3000MPa则对线材组织成分和拉拔性能提出一定要求，从目前成绳工装性能看，通过一定的改进可以尝试成绳。但强度提高会带来韧性损失，有可能对应用环境有选择性。3000MPa以上会出现成绳困难，一般只做高强钢丝使用。由于钢丝绳直径减少，相应运输、储藏、卷筒制造等成本相应下降，给社会带来连锁性效益。
    3、获得高强度钢丝的几种途径
    3.1增加碳含量或合金化
    一是提高碳含量，采用高牌号碳钢,在采用大压缩率来获得较高强度，在合适的拉拔条件下可使最终钢丝强度达到3500MPa以上。近些年实验研究采用超高碳钢，即含碳量在1%到1.2%的过共析钢提高强度，超高碳钢曾经长期被认为是一种脆性材料，而被排除在生产之外。但是近年来的研究证明，只要通过合适的热处理，改变超高碳钢中碳化物的分布状态，就可以获得兼有高强度（屈服强度1000MPa以上，抗拉强度1200MPa以上）与高韧塑性（伸长率10％~20%）的良好综合力学性能，是一种很有发展希望而又较少消耗稀缺合金元素的结构材料。从已公布的专利材料看，其抗张强度1300MPa（超过现有市场上高强度钢的强度水平而接近超高强度钢的强度水平），伸长率18.5%。
    二是合金化。目前普遍采用的是铬、钒合金化，或配以适当高含量的硅、锰含量。铬的加入使CCT曲线向右上移动可减少先共析铁素体含量增加索氏体含量，减小珠光体团尺寸和内部片层间距，可使线材强度提高100MPa。特别是铬的加入使索氏体化组织更为均匀。
    硅的加入曾被认为对韧性损害太大而未予引起重视，但近几年日本开发4000MPa高强度钢丝中含有0.9%硅含量，打破了传统的硅合金化概念。
    3.2提高压缩率。
    近年由于线材冶金质量的大幅度提高，使线材制品高压缩率成为可能，普通中碳钢压缩率可达到98%，目前国内沙钢线材压缩率也可达到95%左右。
    从强度增加趋势看，要想获得高强度，必须利用高碳当量和尽可能大的压缩率。
    但目前经验和数据仅限于压缩率90%以下，参考实际获得的数据，钢丝强度在压缩率超过90%以后，其强度增长规律发生变化，其增长速度随着压缩率的增加大幅度增加。因此，随着线材冶金质量的提高，大压缩率成材也成为可能，对线材大压缩率下的形变规律要重新认识和利用。
    3.3细化珠光体组织
    过去认为为保证拉拔过程顺利进行，热轧控冷或热处理后所获得珠光体组织不宜过粗也不宜过细，但随着对钢丝拉拔后强度要求越来越高，特别是合金化后的线材，其珠光体组织越来越细密，钢丝起始拉拔强度也越来越高，而工装模具也进行不断改造适应高加工硬化材料的拉拔。
    随着钢丝强度的增加，虽然没有进一步的数据，但由此趋势推测，拉拔力会有所增加，现有设备是否能够适用，需进一步测试，有可能其拉拔力要增加一倍。其次是最终压缩率控制精度，由前面分析可知在压缩率较高时，其波动对强度值的影响很大，必须要有精确的控制。
    4、国内产品与进口产品的差距
    从国外进口钢丝绳性能来看，其钢丝强度均高出标准1～2级，且性能比较均匀，疲劳寿命较高。通过对进口港口装卸用钢丝绳质量分析发现，同样是1770级别钢丝绳，国外平均达到1870或1960级别，由此可见高级别钢丝绳降低使用级别以保高使用寿命已成为趋势。
   
                       表2 国内一些钢厂线材成分波动情况与进口线材的比较
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        钢厂    钢号         C           Si          Mn           P            S
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    国内钢厂1   72A      0.70~0.72        0.21   0.51~0.53         0.014   0.006~0.012
    国内钢厂2   72A      0.69~0.75   0.17~0.24   0.37~0.51   0.003~0.015   0.003~0.010
    国内钢厂3   72A      0.70~0.74   0.20~0.24   0.48~0.51   0.006~0.012   0.006~0.014
    国内钢厂4   72A      0.71~0.74   0.17~0.20   0.49~0.53   0.002~0.013   0.005~0.013
    进口        KSC72A   0.73~0.74   0.21~0.22        0.51         0.011         0.006
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    早在2000年就提出关于大型煤矿用钢丝绳国产化问题。国产钢丝绳要解决好性能均匀、成分均匀、捻制均匀三大问题及结构设计问题，实现重要钢丝绳的国产化是可行的。从最近国内各钢厂线材检测结果看，虽然和进口线材仍有差距，但这种差距越来越体现在管理方面，而不是逾越不了的技术问题。如表2所示，国内钢厂线材碳含量虽然波动范围较大，但如果很好控制也能使其波动范围缩小，而磷、硫控制同样存在相同的问题，如硫含量个别炉次甚至低于进口钢材，进口线材的最突出特征就是均匀稳定。
    在夹杂物控制方面，近些年国内各钢厂通过对炼钢、连铸工艺的研究也取得长足的进步，特别是在气体控制、非金属夹杂物匹配方面取得一定进展，为生产高拉拔性能线材提供了基础。值得注意的是国外钢厂已经在近些年在中国申请有关夹杂物控制方面的专利，应引起高度重视，以免在生产高端线材方面引起法律纠纷。
    5、结语
    随着我国冶金行业的不断发展，生产技术水平得到很大的提高，利用国内线材生产高强度高端产品已有可能。钢厂要与线材深加工企业以及研究院所紧密结合，通过生产管理和控制，重点解决均匀性问题，深化大压缩率、细化索氏体工艺的研究，提高材料利用率对我国线材深加工行业有着十分重要的意义。