（材料加工工程专业论文）400mpa级超级钢热轧带肋钢筋的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 4 0 0 m p a 级超级钢热轧带肋钢筋的研究 摘要 本文结合国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目“新代钢铁材料的重大基础 研究一轧制过程中实现晶粒细化的基础研究”和国家高技术研究发展计划f 十五 8 6 3 ) 课题“5 0 0 m p a 碳素钢先进工业化制造技术”，对q 2 3 5 钢轧制后组织演变规 律和精轧阶段工艺参数对产品组织性能的影响进行了研究。确定出鞍钢线材厂用 q 2 3 5 坯料生产4 0 0 m p a 级超级钢热轧带肋钢筋时坯料的成分体系和生产工艺。论 文的主要内容包括： l 通过热模拟实验对q 2 3 5 钢冷却过程中组织演变进行了基础研究。 在g l e e b l e l 5 0 0 热模拟实验机上进行了q 2 3 5 钢热模拟实验。采用热膨胀法测 定了试验钢a 小a 。3 和a 。3 温度；利用单道次压缩实验，测定试验钢的应力一应 变曲线，根据应力一应变曲线建立试验钢的变形抗力模型，研究变形过程的动态 再结晶过程；通过双道次压缩实验，研究试验钢变形后奥氏体静态再结晶行为及 其对组织的影响；采用热膨胀法建立试验钢的动态c c t 曲线：通过热模拟实验对 轧件吐丝后在斯太尔摩冷却线上的冷却工艺进行了模拟与优化。以上研究为工业 试验和工装设备改造提供了基本的工艺参数。 2 对精轧机组温升做理论计算并校核粗轧机组轧机能力。 为获得较低的终轧温度，需从加热、轧制等各个环节研究切实可行的降温措 施。针对生产4 0 0 m p a 级超级钢热轧带肋钢筋时低温轧制的需要，对粗轧设备进 行了校核，校核结果表明粗轧第三机架轧机能力不足。欲降低轧件入精轧温度， 使精轧阶段处于奥氏体未再结晶区，需充分利用中轧机组潜力，即在7 # 飞剪之 后增加5 # 水箱。 通过实测和理论计算，研究了精轧阶段轧件温升规律以及轧制速度、延伸系 数和冷却速度对温升的影响 3 通过工业试验研究了4 0 0 m p a 级超级钢热轧带肋钢筋的轧制工艺并进行了 批量生产。 利用热模拟和温升计算结果，研究了各种工艺措施在工业生产中应用的可行 性和可能存在问题，并在鞍钢线材厂进行了八次工业轧制实验。内容包括：烧钢 i i 东北大学硕士学位论文摘要 温度降低( 5 0 1 0 0 。c ) 对钢筋组织与力学性能影响；智能烧钢大幅降温( 1 0 0 2 0 0 c ) 对粗轧机和精轧机负荷的影响及其对钢筋最终组织和性能的影响；精轧 机架间通水冷却效果及其对钢筋组织与力学性能影响；增加5 # 水箱对粗轧减负 及精轧降温的影响：综合喷雾冷却、5 # 水箱和精轧机架间通水等各种冷却措旌 可生产出钢筋的组织和力学性能。以上措施为完善工艺制度和合理调整化学成分 指明了方向。 在前几次工业试验的基础上，利用控轧控冷工艺结合调整坯料化学成分，在 鞍钢线材厂生产出了质量稳定、性能优异的4 0 0 m p a 级超级钢热轧带肋钢筋i 4 0 0 吨，取得了显著的经济效益。 关键词：q 2 3 5 钢4 0 0 m p a 级超级钢热轧带肋钢筋斯太尔摩冷却温升控制 轧制与控制冷却 i i i 东北大学硕士学位论文 a b s tr a c t r e s e a r c h0 1 1s u p e rs t e e lo fh o tr o l l e dr i b b e db a r a b s t r a c t t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o nw a sc a r r i e do u tc o m b i n e dw i t ht h e9 7 3p r o j e c to f t h em a j o rb a s i cr e s e a r c hf o rn e wg e n e r a t i o ns t e e lm a t e r i a l s a n dt h e8 6 3p r o j e c to f t h ea d v a n c e di n d u s t r i a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo f5 0 0 m p ac a r b o ns t e e l t h e q 2 3 5 s t e e l sm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nl a wa f t e r r o l l i n g a n dt h ei n f l u e n c eo f t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r o ff i n i s h r o l l i n g o nm i c r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ew e r ei n v e s t i g a t e d t h e b i l l e t sc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dp r o d u c t i o n t e c h n o l o g yw e r ed e t e r m i n e dw h e np r o d u c i n g4 0 0 m p ag r a d es u p e r - s t e e lh o tr o l l e d r i b b e db a r u t i l i z i n gq 2 3 5 b i l l e t s t h em a i nw o r k sa l ei n v o l v e da sf o l l o w i n g ： 1 b a s i cr e s e a r c ho ft h em i c i o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fq 2 3 5s t e e l d u r i n gc o o l i n g p r o c e s sw a s c a r r i e do u tt h r o u g hh o ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h ch o ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fq 2 3 5s t e e lw e r ei n v e s t i g a t e du s i n gg l e e b l e 15 0 0 t h ee x p e r i m e n t a ls t e e l s a r 3 、a c 3a n da e 3w e r ed e t e r m i n e du t i l i z i n gt h e r m a l d i l a t i o n m e t h o d s u t i l i z i n gs i n g l ep a s sc o m p r e s s i o nt e s t ，e x p e r i m e n t a l s t e e l s s t r e s s s t r a i nc u r v e sw e r e d e t e r m i n e d a c c o r d i n g t os t r e s s s t r a i n c u r v e s ，t h e e x p e r i m e n t a ls t e e l s m o d e lo f r e s i s t a n c eo fd e f o r m a t i o nw a se s t a b l i s h e da n dd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o nd u r i n g d e f o r m a t i o nw a s i n v e s t i g a t e d t h e b e h a v i o ro fs t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o n a n di t si n f l u e n c eo n s a m p l e s m i c r o s t r u c t u r e w e r e i n v e s t i g a t e d t h r o u g h d o u b l e h i t c o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t s t h r o u g h h o td i l a t i o n m e t h o d s ， e x p e r i m e n t a ls t e e l s d y n a m i cc c t c u r v e sw e r ee s t a b l i s h e d t h ec o o l i n gp r o c e s so f s t e l m o r c o o l i n gs y s t e m w a ss i m u l a t e da n d o p t i m i z e dt h r o u g h h o ts i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s r e s e a r c hm e n t i o n e da b o v es u p p l i e sb a s i ct e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e rf o r i n d u s t r i a le x p e r i m e n t sa n dt h er e f o r m a t i o no f e q u i p m e n t s 2t h e o r e t i c a lt e m p e r a t u r er i s eo f f i n i s h i n gm i l lg r o u pw a sc a l c u l a t e da n dm i l l s c a p a b i l i t yo fr o u g h i n g m i l lg r o u pw a st e s t e d i no r d e rt og e tl o w e rf i n i s h i n gt e m p e r a t u r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ei n f l u e n c e o fl o w h e a t i n g - u pt e m p e r a t u r ea n dr o l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e ro nf i n i s h i n gt e m p e r a t u r e ， z e r o l l i n gs h o u l db ea d o p t e d t op r o d u c e4 0 0 m p a g r a d es u p e r - s t e e lh o tr o l l e df i b b e db a r i v 东北大学硕士学位论文 a n di ti sn e c e s s a r yt oc h e c k r o u g h m i l l sc a p a b i l i t y c a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e c a p a b i l i t yo fn o t h r e ei si n s u f f i c i e n t i no r d e r t od e c r e a s ew o r k p i e c e st e m p e r a t u r ei n t h e e n t r y o ff i n i s h i n gt r a i na n de n a b l et h e f i n i s h i n gt e m p e r a t u r e t ob ea u s t e n i t e n o n r e c r y s t a l l i z a t i o nr a n g e ，m e d i u mm i l l sp o t e n t i a l i t ys h o u l db eh a r n e s s e df u l l y , t h a t i s a d d i n gn o 5w a t e rb l o c kb e f o r en o s e v e nf l y i n gs h e a r s t e m p e r a t u r er i s ei nt h e f i n i s h i n gt r a i na n dt h ei n f l u e n c eo fr o l l i n gs p e e d 、e l o n g a t i o nm o d u l u sa n dc o o l i n g v e l o c i t yw e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g h a c t u a lm e a s u r e m e n ta n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n 3t h e t e c h n o l o g yo fr o l l i n g4 0 0 m p as u p e r - s t e e lh o t r o l l e dr i b b e db a rw a ss t u d i e d t h r o u g hi n d u s t r i a le x p e r i m e n t sa n d ab a t c h p r o d u c t i o nw a sa c c o m p l i s h e d t h ef e a s i b i l i t ya n dp o s s i b i l i t yo fv a r i o u s t e c h n o l o g i c a l s c h e m e sa p p l y i n gt o i n d u s t r yw e r es t u d i e du t i l i z i n gh o ts i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i n gt e m p e r a t u r er i s e e i g h t i n d u s t f i ms c a l ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nr o dm i l lo f a n g a n g a sf o l l o w i n g ：t h e i n f l u e n c eo fd e c r e a s i n gs t a r tr o l l i n gt e m p e r a t u r e ( 5 0 - 1 0 0 * c ) o nb a r sm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d t h ei n f l u e n c eo f d e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e w i d e l yu t i l i z i n gi n t e l l e c t u a lh e a t i n gs y s t e mo nt h el o a do fr o u g ha n df i n i s h i n gm i l l s a n db a r sm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e d t h ec o o l i n g e f f e c t so f c o o l i n gs y s t e m b e t w e e n f i n i s h i n g s t a n d sa n di t si n f l u e n c eo nb a r s m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e w e r e i n v e s t i g a t e d t h e i n f l u e n c eo f i n s t a l l i n gn o f i v ew a t e rb l o c kb e f o r ei n t e r m e d i a t em i l lg r o u po nt h el o a do fr o u g h i n g m i l l g r o u pa n dd e c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r eo ff i n i s h i n gt r a i nw a ss t u d i e d u t i l i z i n g s p r a yc o o l i n g 、n o ，f i v ew a t e rb l o c ka n dc o o l i n gs y s t e mb e t w e e nf i n i s h i n gs t a n d st o p r o d u c e b a r sa n dt h eb a r s m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ew e r em e a s u r e d t h ew a y sm e n t i o n e da b o v ep u tf o r w a r dg u i d e sf o rb e t t e r i n gt h e t e c h n o l o g ya n d a d j u s t i n gc h e m i c a lc o m p o s i t i o np r o p e r l y u t i l i z i n g c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e d c o o l i n g c o m b i n e dw i t h a d j u s t i n g b i l l e t s c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，1 , 4 0 0t o n s4 0 0 m p as u p e r - s t e e lh o tr o l l e dr i b b e db a r w i t hs t a b l eq u a l i t ya n dg o o dp e r f o r m a n c ew e r ep r o d u c e di nr o dm i l lo f a n g a n ga n d s i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i tw a so b t a i n e d k e yw o r d s ：q 2 3 5s t e e l ，4 0 0 m p ag r a d es u p e r - s t e e l ，h o tr o l l e dr i b b e db a r , s t e l m o r c o o l i n g ，t e m p e r a t u r er i s e ，c o n t r o l l e dr o l l i n ga n d c o n t r o l l e dc o o l i n g v 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名 日期：2 0 0 4 年2 月1 7 日 东北大学硕士学位论文1 绪论 1 1 研究目的和意义 1 绪论 改革开放以来，我国的经济建设发展很快，尤其是2 0 世纪9 0 年代以来，随 着经济建设的发展，工程建设的投资逐年增加，对混凝土结构工程必需的主要钢 铁材料一带肋钢筋的需求量也在不断增长。 近3 0 年来，我国钢筋混凝土结构一直使用热轧3 3 5 m p a i i 级钢筋，而欧、美 等国家主要采用微合金化技术，生产出强度高、综合性能好的4 0 0 、5 0 0 m p a 钢筋。 为了改变这一不合理的品种结构，前冶金部和国家科委将“4 0 0 m p a 热轧带肋钢 筋”即新i 级钢筋列为“六五”和“七五”国家科技攻关项目。新i 级钢筋与 传统的i i 级钢筋相比具有以下优点： ( 1 ) 强度高，安全储备大，经济效益显著 用于取代传统的i i 级钢筋在混凝土结构中可节约钢材1 4 。 ( 2 ) 机械性能好 新i i i 级钢筋显著改善了i i 级钢筋在力学性能方面的不足。 f 3 ) 焊接性能好 新i i i 级钢筋的碳当量低( 不高于0 5 4 ) ，焊接方便。 ( 4 ) 抗震性能良好 新i i i 级钢筋的强屈比超过1 2 5 ，有利于提高建筑结构的抗震性和安全性。 ( 5 ) 使用范围广，规格齐全。 由于新i 级钢筋具有以上优点，国家最近几年开始大力推广应用i i i 级钢筋。 2 0 0 2 年4 月1 日，建设部新制定的混凝土结构设计规范正式发布执行。该规 范中将4 0 0 m p a 热轧带肋钢筋作为混凝土结构中的主导钢筋，这标志着4 0 0 m p a 热轧带肋钢筋的推广应用工作进入了一个新的阶段。经过多年努力，i i i 级钢筋的 推广应用已经取得了一定成效。我国钢铁企业生产的4 0 0 m p a 热轧钢筋己广泛应 用在国内的高层办公室和商业大楼，民用住宅，水利、电力、交通等建设工程上， 如北京中国大剧院、东方广场、中银大厦等1 2 】。 国内已经有多家钢铁企业先后试制和生产了4 0 0 m p a 热轧带肋钢筋。目前， 生产4 0 0 m p a 级热轧带肋钢筋主要有两种工艺，即通过在2 0 m n s i 钢中加入微合金 东北大学硕士学位论文1 绪论 元素v ( 或b i b ) 和轧后余热相变强化两种方法口j 。国内大多数厂家生产的4 0 0 m p a 级钢筋采用的是第一种方法，这种方法由于在坯料中添加了微合金，不可避免的 提高了钢筋的生产成本。以2 0 m n s i v 为例，鞍钢线材厂2 0 m n s i v 钢坯价格为2 1 1 0 元吨，而q 2 3 5 一t 的价格为1 9 0 0 元吨。为了降低生产成本，提高经济效益，许 多厂家开始寻求采用q 2 3 5 钢原料来生产级钢筋。要实现这一目标，必须充分 利用钢的各种强化机制。 1 2 普通碳素钢的强化机制 钢的强化机制主要包括固溶强化、细晶强化、相变强化、析出强化和形变 强化 “。对于不同种类的钢，其强化方式各有不同，可以是单一的强化方式也可 以是多种强化方式的复合。用q 2 3 5 钢轧制新4 0 0 m p a 级热轧带肋钢筋时，主要考 虑的强化机制为固溶强化、细晶强化和相变强化。 1 2 1 固溶强化 固溶强化是指晶格内溶入异类原子而使金属强化的现象。固溶强化可看成是 很小的可变质点引起的强化【5 l 。溶质原子作为位错运动的障碍，会增加钢的塑性 变形抗力，可归纳为以下两方面： ( 1 ) 溶质原子引起晶格畸变，增加位错密度【6 】。 溶质原子引起晶格畸变的程度随溶解度、溶质原子与溶剂原子的差异及溶解 方式而不同。溶质原子溶于的数量愈多，则晶格畸变愈严重，强化效果愈明显， 这是普遍规律。当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原子直径之比小于o 5 9 时， 易于形成间隙固溶体。凡间隙固溶体都有一定的有限溶解度。而当溶质元素的原 子半径与溶剂元素的原子半径差别较小时，容易形成置换式固溶体，而且两者的 直径差别愈小，所形成的固溶体的溶解度愈大。当两者的原子半径接近、晶格类 型相同、电化学性质相似，有可能形成无限固溶体。总的说，形成间隙固溶体的 溶质元素( 如f e 中溶入c 、n 等) ，其强化作用大于形成置换固溶体的元素( 如f e 中溶入m n 、s i 等) 。对于有限圃溶体，溶质元素在溶剂金属中的饱和溶解度愈小， 其固溶强化作用愈大。 ( 2 ) 溶质原子与位错的交互作用，使位错处于稳定状态。 东北大学硕士学位论文1 绪论 溶质原子大都趋向于分布在位错的周围。在置换固溶体中，比溶剂原子小的 溶质原子往往扩散到刃型位错上方的受压部位；比溶剂原子大的溶质原子或间隙 固溶体中的溶质原子往往扩散到刃型位错下方的受拉部位。溶质原子的这种分 布，即形成了“柯氏气团”。柯氏气团的形成，使位错的能量降低，处于稳定状 态，对位错起到束缚作用。一般地说，间隙原子对位错地束缚作用更强，而且由 于间隙原子地扩散速度大，更容易形成柯氏气团，位错要挣脱柯氏气团地束缚而 运动，必须施加更大的外力，即表现出金属的变形抗力增加。 固溶强化使金属强度、硬度增加，塑性、韧性有所下降。若要保持较好的塑 性、韧性，应适当控制溶质元素的加入量。对于q 2 3 5 钢筋来说，钢中的c 虽然 对于提高钢筋的强度有显著的效果，但由于c 含量提高会降低钢筋的塑性和焊接 性，因此应该严格控制钢筋中的含碳量。相比形成间隙固溶体的c 元素，形成置 换固溶体的m n 和s i 虽然对于提高钢筋的强度没有c 明显，但当m n 和s i 元素 含量不多时，钢筋的韧性不但不会降低，反而会有所提高【7 j 。 1 2 2 细晶强化 细晶强化可以提高钢材强化而不恶化韧性，关于晶粒细化，国内外已经进行 了广泛的研究f 8 。1 2 】。细晶强化是指金属中因晶界增多而引起的强化现象，晶界是 晶粒间的过渡层，原子排列不规则，晶格产生严重畸变。当晶粒内的位错运动到 晶界附近处，受到晶界的阻碍，产生位错塞积，若要使变形继续增加，必须增加 外力。晶粒愈细，晶界所占比例愈大，位错运动的障碍愈多。此外，由于相邻晶 粒间存在位向差，各晶粒的滑移倾向不同，当一个晶粒产生塑性变形时，会受到 周围晶粒的牵制和阻碍，必须以弹性来与之协调，这种弹性变形便成为继续塑性 变形的阻力，促使多晶体塑性变形抗力增加。晶界的杂质原子较多，也对塑性变 形起障碍作用，增强了上述影响。 晶粒大小和屈服强度的关系可以根据h a l l - - p e t e h 公式确定： 仃。= o - o + k ，d 嘎 ( 1 1 ) 式中口s 代表屈服强度，oo 表示位错在晶粒内运动为克服内摩擦力所需的应 力，k ，为与材料有关的常数，d 代表晶粒直径。 细晶强化提高钢筋的强度还能提高金属的塑性和韧性，这是因为晶粒愈细， 一定体积内的晶粒数目愈多，同样的变形量由较多晶粒来承担，变形比较均匀， 东北大学硕士学位论文l 绪论 不致造成严重的应力集中，因而金属能产生较大塑性变形而不断裂，表现出具有 良好的塑性。由于细晶粒的晶界曲折多弯，有利于阻遏裂纹的传播，若裂纹要穿 越晶界需要消耗较多的能量，故韧性提高。通过细化晶粒，使金属的强度、硬度 和塑性、韧性全面提高，达到强韧化的目的，已经在生产中获得广泛的应用。缅 晶强化对于提高钢筋屈服强度的效果比较明显，但对钢筋抗拉强度影响不大，因 此对于强屈比要求比较严格的i 级钢筋来说，不能过于依赖细晶强化。 1 2 3 相变强化 q 2 3 5 钢热轧后加速冷却是提高钢筋力学性能的有效途径。与常规热轧相比， 其产品的室温组织将从较粗大的多边形铁素体+ 珠光体过渡为较细小的等轴状 铁素体+ 珠光体+ 少量贝氏体的组织。众所周知，铁素体、珠光体和贝氏体的强 度是不同的，按照由大到小的顺序排列为：贝氏体 珠光体 铁素体。所以如何控 制钢筋轧后冷却速度获得细小的铁素体，尽可能多的珠光体和贝氏体对于采用 q 2 3 5 钢轧制4 0 0 m p a 钢筋就显得非常重要。 合理的控轧控冷工艺可以在强化钢筋的同时又能保持较高的延伸率。在加速 冷却过程中起作用的主要是相变强化以及得到加强的铁素体晶粒细化。通过轧制 后的加速冷却，可以使未相交的奥氏体晶粒发生相变生成微细的等轴状铁素体晶 粒，使铁素体晶粒更加细密，且内部还可能包含亚晶粒。这种包含亚晶粒的混合 组织可以使强度增大。q 2 3 5 钢筋轧后经加速冷却，当终冷温度在适当范围内时， 将产生贝氏体组织，这种组织具有较高的显微硬度值和较大的体积百分数。贝氏 体的显微硬度值比珠光体和铁素体的显微硬度值高，这是因为贝氏体中位错密度 高，基体上又均匀分布弥散面细小的碳化物，同时在贝氏体相变时生成的状贝氏 体的百分含量也相当高，因此钢的整体强度增加。因此要充分利用钢筋轧制中的 细晶强化和相变强化机制，必须在轧制的时候采用控轧控冷工艺。 1 3 控轧控冷技术 单纯的控制轧制或控制冷却以及将二者组合在一起的技术目前多称为 t m c p ( 热机械控制处理工艺) 。控制轧制和控制冷却技术是二十世纪钢铁工业取得 的最重要成就之一。通过控制轧制和控制冷却，可以使钢材的强度和低温韧性有 东北大学硕士学位论文 较大改善，同时节省能源和使生产工艺简化，并充分发挥微合金元素作用【i ”。 控轧控冷技术是在控制轧制后，在奥氏体向铁素体相变的温度区域进行某种 程度的快速冷却，使相变组织比单纯控制轧制更加细微化，同时以此获得更高的 强度，它已经成为生产高性能高强钢不可缺少的技术。究其本质，是在“控制奥 氏体状态”的基础上，再对被控制的奥氏体进行相变的控制技术 i “。 控制轧制的技术起源于本世纪二十年代的欧洲，到了三十年代人们开始注意 钢铁的韧性并且在工程结构上应用，四十年代，战争对钢铁的大量需求刺激了钢 铁生产的发展和技术的进步；五十年代初，h a l l 、p e t c h 等人发现多晶f e 的强度 与晶粒直径平方根的倒数呈直线关系，这一理论上的突破，为提高钢材的强韧性 指名了方向，六十年代初期随着工业的发展，控制轧制的研究取得了重大的突破， 微合金化钢的控轧研究得到了进一步的发展，七十年代是控制轧制理论研究的全 盛时期，由于世界性的能源危机，促进了微合金化及控轧轧制技术的发展，特别 是七十年代中期，日本发展了( y + a ) 两相区轧制，提出了控制轧制三个阶段理 论，将控制轧制的工艺水平推倒了一个新的高峰，八十年代以来，控制轧制和控 制冷却不仅在机理方面，而且在控制轧制、控制冷却技术上取得了不少新成就。 控制轧制与控制冷却传入我国时间不长，可以说是从七十年代后期开始发展 起来的，在近二十年的时间里，我国在控制轧制与控制冷却的理论研究方面取得 了巨大的成绩，但由于各企业的设备陈旧，缺少必要的测试手段和辅助设备，而 且轧机的能力有限，导致了控制轧制与控制冷却技术在我国的应用受到限制。但 目前，我国的轧钢设备有了很大的改进，先进的设备在合理的理论指导下可以发 挥更大的潜力，为了节约能源和提高产品的质量，采取控制轧制与控制冷却手段 见效很大，所以今年来对于控制轧制与控制冷却工艺的研究也广泛起来。 近年来，东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室在控制轧制与控制 冷却方面进行了大量的研究工作【l 孓”l ，已经取得了很大的成效。 1 3 1 控制轧制 热轧过程中，在低温段通过强化轧制改善钢材强度和韧性的方法称为控制轧 制【训。控制轧制是一项人为地使奥氏体中尽可能大量地形成铁素体相变核地晶格 异变，并有效地将铁素体晶粒细化地技术，控制轧制技术的要点可具体归纳如下： ( 1 ) 尽可能降低加热温度，即将开始轧制前的奥氏体晶粒微细化。 ( 2 ) 使中间温度区的轧制道次程序最优化，通过反复再结晶使奥氏体晶粒细 东北大学硕士学位论文i 绪论 化。 ( 3 ) 加大奥氏体未再结晶区的累积压下量，增加奥氏体每单位体积的晶粒界 面积和变形带面积。 控制轧制可分为奥氏体再结晶控制轧制( 又称为i 型控制轧制) 、奥氏体未再 结晶区控制轧制( 又称为i i 型控制轧制) 和( y + n ) 两相区控制轧制【2 1 】。 ( 1 ) 奥氏体再结晶区控制轧制1 2 2 j 奥氏体再结晶区控制轧制的主要目的是通过对加热时粗化的初始y 晶粒反 复进行轧制一再结晶使之得到细化，从而使y a 相变后得到细小的a 晶粒。并 且，相变前的y 晶粒越细，相变后得到的c i 晶粒也变得越细。y 再结晶区轧制是 通过再结晶使y 晶粒细化，它实际上是控制轧制的准备阶段。y 再结晶区域通常 是在9 5 0 以上的温度范围。 ( 2 ) 奥氏体未再结晶区控制轧制 在奥氏体未再结晶区进行控制轧制时，y 晶粒沿轧制方向生长，在y 晶粒内 部产生形变带。此时不仅由于晶界面积的增加，提高了c i 的形核密度，而且也在 形变带上出现大量的a 晶核，这样就进一步促进了n 晶粒的细化。随未再结晶区 的总压下率的增加，伸长的y 晶粒尺寸变小，相变后的a 晶粒随着未再结晶区总 压下率的增加变细。y 未再结晶的温度区间一般为9 5 0 。c a r 3 t 2 3 1 。 ( 3 ) 两相区轧制 在a t 3 点以下的两相区轧制时，未相变的y 晶粒更加伸长，在晶内形成形变 带。另方面，已相变后的n 晶粒在受到压下时，于晶粒内形成亚结构。在轧后的 冷却过程中前者发生相变形成微细的多边形晶粒，而后者因回复变成内部含有亚 晶粒的a 晶粒。因此，两相区轧制材料的组织为大倾角晶粒和亚晶粒的混和组织。 1 3 2 控制冷却 控制冷却过程是通过控制轧后三个不同冷却阶段的工艺参数，来得到不同的 相变组织。这三个阶段分别称为一次冷却、二次冷却和三次冷却。一次冷却是指 终轧温度到a t 3 温度范围内的冷却，其目的是控制热变形后的奥氏体晶粒状态， 组织奥氏体晶粒长大和碳化物析出，固定由于变形引起的位错，增大过冷度，降 低相变温度，为y a 相变做准备，一次冷却的开冷温度越接近终轧温度，细化 奥氏体和增大有效晶界面积的效果越明显。二次冷却是指钢材经一次冷却后进入 由奥氏体向铁素体和碳化物析出的相交阶段。通过控制相变开始冷却温度，冷却 东北大学硕士学位论文 1 绪论 速度和终止温度等，可达到控制相变产物的目的。三次冷却或空冷是指对相变结 束到室温这一温度区间的冷却速度的控制【2 ”。根据实际经验，一次冷却过程对铁 素体晶粒细化虽然有一定效果，但是并不明显。在对未再结晶奥氏体进行控制冷 却即二次冷却时，会产生明显的铁索体晶粒细化效果。 在实际生产过程中中常常把控轧轧制的三个阶段和控制冷却联系在起进 行轧制，如图1 i 所示。 图i 1 控轧控冷工艺的四个阶段 f i 9 1 1f o u rp h a s e so f t h e c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n g 1 4 线材的控制轧制与控制冷却技术 1 4 1 线材的控制轧制 线材的变形过程是由孔型决定的，改变变形量较困难，而轧制过程中的温度 可以通过各种方法来控制，所以线材控制轧制的实现在很大程度上决定于不同变 形量下的温度控制，即控温轧制。 由于现代高速线材轧机的发展，控温轧制技术被引入工艺设计之中，采用控 温轧制的优点是减少脱碳，控制晶粒尺寸，改善钢的组织、性能及控制氧化铁皮 的生成量，在线材轧制过程中采用的变形制度，一般是粗轧在奥氏体再结晶区进 行，奥氏体再结晶区控制轧制可以为奥氏体未再结晶区以及应变诱导相变区的控 东北大学硕士学位论文1 绪论 制轧制做组织准备，对细化晶粒、提高性能一定的作用。对于低碳钢细化晶粒、 改善组织有更显著效果的，是温度较低的奥氏体未再结晶区控制轧制。因此处于 奥氏体相的未再结晶区的中轧和精轧对于控制轧制来讲是至关重要的阶段。通过 控制中轧和精轧阶段的轧制温度，可以得到具有大量变形带、孪晶的奥氏体未再 结晶晶粒，为相变后得到细小的铁素体晶粒提供基础。 对不同的钢种实现控温轧制，一般采用降低轧制温度的方法来保证对温度的 有效控制。 研究表明，线材# l 带j j 过程中只有总变形功6 7 用来使金属晶格扭曲，作为 弹性位能储存金属之中；而绝大部分的变形功则转化为热能进入轧件内部。所以 轧制时特别是精轧阶段变形热在轧制过程中起提高轧件温度的作用【2 5 】。现代高速 线材轧机由于轧制速度比较快，精轧阶段温升十分明显，以鞍钢线材厂为例，坯 料经精轧十组机架轧制后温度能提高1 5 0 左右，这对于线材的控温轧制来说是 十分不利的。目前，线材生产过程中采用的控温轧制措施主要有以下几个方面： ( 1 ) 降低钢坯出炉温度，从而降低钢坯的开轧温度。 ( 2 ) 在预精轧和精轧机组间加冷却水箱，控n s l , 件的入精轧温度。 ( 3 ) 在精轧机架间增加通水冷却，减少精轧阶段温升从而控制线材的终轧温 度1 2 6 】。 1 4 2 线材的控制冷却 线材轧后控制冷却的目的在于得到所需要的组织及性能，并尽量减少氧化铁 皮的生成量，i e l 式轧机由于产品终轧温度不高，盘重小，盘卷一般采用自然冷却， 对性能影响不大，而现代高速线材轧机的盘重已经大大增加。如果采用成卷自然 冷却的方法，冷却速度慢，高温停留时间长，晶粒极易粗大，造成产品质量恶化， 所以高速线材轧后必须采用快速冷却。 鞍钢线材厂采用的控制冷却设备为斯太尔摩控制冷却系统，该冷却系统包括 精轧前水箱、精轧机后水箱和出e l 导槽、斯太尔摩控冷运输机和集卷筒呼刀。精轧 前水箱用来冷却机组间轧件温度，以便控制轧制温度；精轧后水箱则用于控制进 入斯太尔摩运输机前轧件温度，精轧后水冷箱分为三部分，分别为1 、2 、3 # 水 箱，这些水箱对从精轧机出来的线材进行冷却，使之达到理想的吐丝温度。随钢 种范围和最终产品的不同要求，这个温度将有所变化。冷却水箱在设计的时候有 专门的冷却区段，使通过水箱的轧件均匀冷却，所需的水冷段长度由轧机生产速 东北大学硕士学位论文1 绪论 度和最高小时产量下所需的最大温降决定。 斯太尔摩冷却工艺具有以下优点：增加盘卷规格、获得均匀的显微组织、取 代空气淬火和铅浴淬火、提高了某些钢种的强度。采用斯太尔摩控制冷却工艺之 后，线材的盘重可由o 5 吨以下增到2 吨，取代了原来的空气淬火，降低了酸耗， 提高了卷筒的寿命，减少了氧化铁皮厚度。由于铁皮薄而轻，增加了产量，同时 线材各种特性指标的得到改善，同时减少了热处理的费用。斯太尔摩冷却设备是 目前线材各种冷却方法中应用最普遍、发展最成熟、最为稳妥可靠的一种控制冷 却法。 一般线材轧后控制冷却采用三个阶段，第一阶段要快速冷却到相变前转变温 度，也就是吐丝温度，第二阶段为相变过程，用控制冷却温度的途径实现，第三 阶段相变完毕，考虑固溶元素析出，采用慢冷【2 8 】。 相变区冷却速度决定奥氏体分解转变温度和时间，对最终形态起决定作用， 它的冷却速度取决于运输机的速度，风机的风量以及保温罩的开闭，低碳钢拉拔 用线材采用缓慢冷却( 即关闭保温罩的方法) 实现，最后是集卷温度，它主要取 决于相变结束温度及其后的冷却过程，一般低碳钢线材集卷温度在2 5 0 以下， 避免高温氧化和铁的分解弗改善劳动环境。 鞍钢线材厂钢筋轧后在l 3 # 水箱冷却过程中会发生少量的铁素体转变。钢 筋的相变过程主要处在斯太尔摩风冷线上，因而如何控制钢筋在斯太尔摩风冷线 上的冷却速度是改善钢筋金相组织的关键因素。 1 5 课题研究背景 本文是结合国家高技术研究发展计划重点项目( 十五8 6 3 ) ：“5 0 0 m p a 碳素钢 先进工业化制造技术”的一个子课题进行的。2 0 0 2 年1 0 月在省科技厅、鞍山市 科委协调指导下，东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室与鞍钢新轧钢 股份有限公司线材厂共同签订了技术开发合同书。合同规定双方共同承担 “4 0 0 m p a 级超级钢热轧带肋钢筋研究”项目。合同规定如下 2 9 】： ( 1 ) 在鞍钢新轧钢股份有限公司线材厂现有设备条件下，利用q 2 3 5 钢轧制 4 0 0 m p a 级热轧带肋钢筋。 一 ( 2 ) 钢筋仃，4 0 0 m p a ，f b 2 5 7 0 m p a ，磊o 1 4 ，。二1 2 5 vs ( 3 ) 冷弯性能：公称直径a ：6 1 2 m m ，a = 1 8 0 。，弯心直径d = 4 a 合格。 东北大学硕士学位论文i 绪论 ( 4 ) 钢筋成材率不小于9 5 ，产品性能合格率不小于9 9 。 ( 5 ) 合同完成时产量不低于1 0 0 0 吨。 与热带、中板、棒材超级钢相比，线材超级钢开发有以下难点： ( 1 ) 轧制温度需要严格进行控制，热带、中板、棒材轧制基本是降温轧制， 温度控制相对简单，而高速线材由于轧制速度特别是精轧阶段的轧制速度比较 快，轧件在轧制过程中会产生较大的温升，这就给线材的控温控制带来了很大的 难度。例如鞍钢线材厂轧制中6 5 m m 线材时，精轧机出口速度会达到7 5 m s ，精轧 阶段的温升能达到1 0 0 1 4 0 。这给抑制精轧区温升，改善冷却条件造成很大困 难。 ( 2 ) 建筑用带肋钢筋的强屈比要求必须大于1 2 5 ，防震用钢筋强屈比要求大 于l 3 5 。为了满足这个要求，用q 2 3 5 钢生产4 0 0 m p 级超级钢热轧带肋钢筋时， 不能过于依赖细晶强化，必须充分利用相变强化机制，控制轧后的冷却过程形成 尽量多的珠光体和贝氏体组织，这对于钢筋轧后冷却过程有严格的要求。要形成 贝氏体，钢筋轧后冷却速度需达到2 0 s 左右。但由于线材终轧速度太快，钢 筋吐丝前在l 3 # 水箱冷却时间甚短，此时钢筋温度还没达到珠光体和贝氏体转 变温度。所以，如何控制斯太尔摩风冷线的冷却强度，且保证冷却均匀，