（材料加工工程专业论文）控轧控冷工艺研究及其在热轧螺纹钢生产中的应用.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着科学技术的发展，钢铁行业也在不断的进步，人们对钢材的需 求越来越多，对钢材的质量要求也越来越高。 螺纹钢为建筑工程中混凝土结构体广泛应用的钢材，在国民经济中 耗用量很大。但是几十年来，强度级别为3 3 5 m p a 的热轧2 0 m n s i ( 早期 为1 6 m n s i ) i i 级钢筋的生产和使用在我国居于绝对主导地位，约占8 0 以上。根据多年来的生产、使用实践证明，2 0 m n s i i i 级热轧钢筋，由于 规格尺寸的大小、生产季节的更迭、冷却速度的差异等不同，其力学性 能波动范围较大，性能有很多不足之处。 目前螺纹钢生产过程中采用的控制轧制和控制冷却是国内建筑钢筋 生产厂家用来提高钢筋强度级别，它是指在比常规轧制温度稍低的条件 下，采用强化压下和控制冷却等措施来提高热轧钢材的强度和韧性等综 合性能的一种轧制方法，它更广义得解释为从轧前的加热到最终轧制道 次结束为止的整个轧制过程实行最佳控制，以使钢材获得良好性能的轧 制方法，这种方法具有节约合金，简化工序，减少能耗，提高钢材强度， 改善钢材塑性和韧性等优点。 本论文是与生产实践相结合，一方面通过大量的实验研究得到理论 依据，另一方面利用通化钢铁集团公司小型连轧厂的实际生产条件，提 出一种切实可行的生产方案来提高2 0 m n s i 螺纹钢筋的强度级别。 论述了控制轧制和控制冷却工艺的发展现状：介绍了论文的背景及 主要研究内容；阐述了论文所采用的实验方法；通过现场取样和反复的 实验测得2 0 m n s i 的动态c c t 曲线；建立2 0 m n s i 变形抗力的数学模型； 进行不同的变形条件下试样组织性能的实验研究；同时利用有限元开发 出适合现场实际的温度场模拟软件，为设备的校核奠定基础；最后根据 理论研究结果做了大量的工业实验，实验结果表明，在设备允许的条件 下降低加热温度和轧制温度来提高钢筋的性能是可行的。提出轧后进行 控制冷却不但可以大幅度的提高钢筋强度，还能提高钢筋的级别，达到 i 钢筋等结论。 本论文的研究结果对现场生产有实际指导意义。 i i 东北大学硕士学位论文 摘要 关键词：控制轧制控制冷却钢筋强度韧性 i i i 查! ! 垄兰竺主兰竺丝查 垒! ! ! 竺! a b s t r a c t w i t ht h eu n i n t e r r u p t e dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt h es t e e li n d u s t r y ，m o r ea n d m o r ed e m a n d so nt h ep r o d u c t i o na n dq u a l i t yo ft h es t e e la r en e e d e dt ob em e t a sa w i d e l yu s e dc o n s t r u c t i o n a li r o n ，ag r e a tl o to f d e f o r m e ds t e e lb a r sa r ec o n s u m e dii n t h en a t i o n a l e c o n o m y i n t h e p a s s e d d e c a d e s ，2 0 m n s ii i ( f o r m e r l y 16 m n s i ) ， r e s i s t a n c eo fd e f o r m a t i o no fw h i c hi s3 3 5 m p a ，o c c u p i e dt h ea b s o l u t e l yp r i m a r yp l a c e i nt h ew h o l ed e f o r m e ds t e e lb a r sc o n s u m i n gm a r k e t ，m o r et h a n8 0 a c c o r d i n gt o s e v e r a l y e a r sp r o d u c ta n du s i n gp r a c t i c e ，t h e 2 0 m n s ii ih o tr o l l e db a rh a sm u c h d e f i c i e n c yi np r o p e r t i e s ，c a u s e db yd i f f e r e n td i m e n s i o n s ，s e a s o nc h a n g i n g ，d i f f e r e n t c o o l i n gv e l o c i t i e sa n ds oo n p r e s e n t l y ，c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n gd u r i n gd e f o r m e ds t e e lb a r sp r o d u c t i o n i st h eg e n e r a l l yw a yt oi m p r o v et h ei n t e n s i t yr a n ko ft h eb a r ，w h i c hm e a n st h a tt h e r o l i i n gt e m p e r a t u r ei s ab i tl o w e rt h a nn o r m a lo n ea n dt h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s o ft h eh o tr o l l e ds t e e li s i m p r o v e db ym a n yt e c h n i q u e ，s u c ha sf o r c e dp r e s s u r ea n d c o n t r o l l e dc o o l i n g am o r eg e n e r a l i z e de x p l a i no f t h et e c h n o l o g yi st a k i n go p t i m i z e d c o n t r o lf r o mt h ep r e r o l l i n gh e a t i n gt ot h ef i n i s h e dr o l l i n gt oa c h i e v ep r o d u c to ff i n e p r o p e r t i e s t h et e c h n o l o g yh a ss u c ha d v a n t a g e sa se c o n o m i z i n ga l l o y ，s i m p l i f y i n g p r o c e s s ，d e c l i n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，i m p r o v i n gt h ei n t e n s i t y ，m a l l e a b i l i t y a n d p l a s t i c i t yo f t h eb a r i nt h i st h e s i s ，t h e o r e t i cf o u n d a t i o nw a so b t a i n e db yp l e n t ye x p e r i m e n tr e s e a r c h a n dap r a c t i c a lm e t h o dt o i m p r o v et h ei n t e n s i t yr a n ko f2 0 m n s id e f o r m e ds t e e lb a r w a sa d v a n c e db yc o m b i n i n gt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hr e s u l tw i t hp r o d u c i n gc o n d i t i o n o fc o n t i n u o u sr o l l i n gm i l lo ft o n g h u as t e e lg r o u p “ t h ep r e s e n ts t a t u so fc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n g ，t h eb a c k g r o u n da n dm a i n c o n t e n to ft h et h e s i s a n dt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o dw e r ei n t r o d u c e d t h em a t h e m a t i c m o d e lo f2 0 m n s ir e s i s t a n c et od e f o r m a t i o nw a ss e t b ym e a s u r e dc c tc u r v e so f s a m p l ea n de x p e r i m e n t s t u d yo f ft h es t r u c t u r ep r o p e r t yo ft h es a m p l eu n d e rd i f f e r e n t d e f o r m a t i o nc o n d i t o f fw a sc a r r i e do u ta n dt h es o f tt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l d w a sd e v e l o p e db yf e m ，w h i c ho f f e r e db a s e st o e q u i p m e n tc h e c k i n g b ya n a l y z i n g t h ei n d u s t r ye x p e r i m e n tg u i d e db yt h e o r e t i cr e s u l t ，i tw a sf o u n dt h a ti tw a sap o s s i b l e w a y t oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fb a rb yr e d u c i n gt h eh e a t i n ga n dr o l l i n gt e m p e r a t u r e i v 东北大学硕士学位论文 a b s t t a c t u n d e re q u i p m e n tc a p a b i i i t y ，a n dc o n t r o l l e dc o o l i n ga f t e rr o l i i n gc a ni m p r o v et h eb a r i n t e n s i t yg r e a t l ya sw e l la st h er a n kt o i i il e v e l k e y w o r d s ：c o n t r o l l e dr o i l i n g ，c o n t r o l l e dc o o l i n g ，b a r ，i n t e n s i t y ，m a l l e a b i t l i y 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老师的指导下完成的。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，也不包含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做了明确的说明 并表示感谢。 本人签名： 日期：2 0 0 2 年7 月1 5 日 东北尢学硕士学位论文 l 绪论 1 1 文献综述 1 1 1 钢材生产发展概况 1 绪论 钢铁材料的生产使用是人类文明和社会进步的一个重要标志，现代钢铁工业 的建立与发展是一个国家技术进步和综合园力的重要体现。2 0 世纪初，我国开始 形成近代钢铁工业，1 9 4 9 1 年我国仅产钢1 5 8 万吨。改革开放以来，我国钢铁工 业取得重大进步，钢产量从1 9 7 8 年的3 1 7 8 万吨增长到1 9 9 5 年的9 5 3 5 万吨，到 1 9 9 6 年则己突破亿吨大关，是继美国、前苏联、欧共体、日本之后第5 个年产量 突破亿吨的国家，从1 9 9 6 年到2 0 0 1 年已连续5 年保持了世界第一产钢大国地位。 虽然现在我国已经是名副其实的钢铁大国，但还不是钢铁强国，在钢铁生产 领域中，还存在很多问题，我国的钢铁工业面临着严峻的挑战，尤其加入世界贸 易组织咀后，钢铁企业遇到了更大的困难。 尽管钢材生产面对着市场竞争和可持续发展的挑战，但在可以预见的2 1 世纪 未来年代里，钢铁仍然是全球的主要基础材料，尤其在我国，钢铁具有丰富的矿 产资源；钢铁生产能耗低；钢铁具有低廉的生产成本；钢铁具有优异的使用性能； 钢铁具有良好的加工性能；钢铁具有很大的市场；钢铁对经济发展、社会进步仍 有重大推动作用；钢铁已经达到先进材料要求；钢铁具有完备的理论基础和知识 体系；钢铁还具有巨大的发展潜力等等。所有这些优点都决定了研究钢铁材料的 价值。 1 1 1 1 1 轧钢 在钢铁工业生产中，轧钢工业的出现是观代工业革命的产物，虽然早在1 4 8 0 年著名意大利画家达芬奇就设计了轧机的草图，但真正推动轧钢机的工业应用 还是因为发明了蒸汽机。因此，轧钢工业和技术的发展历史也仅百余年。在一百 年来冶金工业的发展中，高效能的轧钢工业和技术使得轧钢始终是钢铁工业中钢 材成型的主要方式。由于轧钢过程是连续、可测和可控的高效变形过程，所以轧 钢技术的进步之大，在钢铁企业中始终名列前茅，如计算机的应用，连续化的实 东北大学硕士学位论文 现等。预计在高新技术改造钢铁传统产业中，信息化和智能化管理和控制的轧钢 厂将会很快出现。世界轧钢工业和技术进步集中体现在生产工艺流程的连续化和 紧凑化，过程控制实现轧材性能高品质化，品种规格多样化及控制和管理的计算 机化和信息化，即轧钢生产转向质量型和低成本型的轨道上。 i i i 2 小型钢 小型型钢生产是整个钢铁结构的有机组成部分，小型型钢在我国轧钢行业的 板、管、型、线各个领域中占有重要的地位，特别是小型棒材，线材具有我们自 己的国情，这一点与美国和日本是不同的。美国的线材仅占钢材产量的l ，主 要由于钢丝绳，预应力钢绞线等深加工。而我国的国情是，线材约占钢材的2 1 ， 建筑用钢筋和圆棒材约占2 6 ，也就是说，小型棒材，线材在我国全部钢材中占 的比例将近5 0 ，是钢铁行业的第一产品，市场覆盖面广，市场容量大，这是小 型型钢生产连续化的市场动力。 从小型型钢的市场需求来看，我国经济的高速持续增长，导致了对小型型钢 的大量需求。我国1 9 9 2 年生产的小型钢材占钢材总产量的2 6 2 2 ，1 9 9 3 年为 2 4 7 5 ，欧、美、日本等先进国家的小型型钢仅占钢材的6 一1 2 。从旺盛的市 场需求看，小型型钢仍是短缺产品。我国处于发展阶段，人民的消费结构与先进 国家有所不同，对小型型钢的需求大于其他钢材，可见，我国小型型钢在钢材中 的比例高于世界先进国家是很自然的。许多钢铁专家和经济学家认为：随着我国 产业结构的调整，从1 9 9 2 年下半年开始的对小型型钢需求热可能会有所降温，但 总的需求量还会稳定的增长，这种势头估计在我国可能会持续1 0 一1 5 年。 面对国内这样一个充满活力的小型型钢市场，为了适应我国连续生产技术的 发展，分析我国小型轧机的技术现状，应把加速小型化进展作为一个技术发展方 向，将其纳入我国钢铁结构优化的一项重要内容切实抓紧抓好。 有专家估计，到2 0 0 5 年全国钢材总产量将达到1 6 5 0 0 万吨，随着产业结构调 整，届时小型材和线材的产量比例会有所下降，绝对产量仍有上升，如果普通小 型材占钢材产量比例为2 4 2 ，年产量3 9 9 0 万吨，如果线材比例为2 0 0 4 ，年 产量为3 3 0 7 万吨，优质型材比例为5 - 2 ，年产量为8 5 8 万吨，从国民经济的发 展势头，西部大开发的力度以及筹备2 0 0 8 年奥运会的情况看，实际消费需求的刺 激很可能会使实际产量超过这些估计，经济发展造成小型型材和线材在数字上的 市场需求仍是强劲的。 1 1 1 3 螺纹钢 螺纹钢为建筑工程中混凝土结构体广泛应用的钢材，在国民经济中耗用量很 大，生产厂家很多，据粗略估计，我国每年用于混凝土结构件钢筋( 包括非预应 2 东北太学硕士学位论文 1 绪论 力钢筋和预应力钢筋) 总量超过2 5 0 0 万吨，约占钢材使用量的1 4 ，目前螺纹钢 生产过程中采用的控轧控冷是国内建筑钢筋生产厂家为提高钢筋强度级别，以按 国外先进标准生产供出口用钢筋采用的一种较为先进的工艺，它是指在比常规轧 制温度稍低的条件下，采用强化压下和控制冷却等措施来提高热轧钢材的强度和 韧性等综合性能的一种轧制方法，它更广义得解释为从轧前的加热到最终轧制道 次结束为止的整个轧制过程实行最佳控制，以使钢材获得良好性能的轧制方法， 这种方法具有节约合金，简化工序，减少能耗，提高钢材强度，改善钢材塑性和 韧性等优点。 1 1 2 我国钢筋的生产质量现状 在钢筋的生产中，合金元素对其性能有很大的影响。c 含量是决定钢的强度 和韧性的最主要元素，c 含量每增加o 0 1 ，可使钢的抗拉强度平均提高5 m p a 左 右，使屈服强度提高3m p a 左右。随着碳含量的增加，钢的强度提高，塑性、韧 性下降，可焊性也显著变坏。为此，对2 0 m n s i 钢的碳当量做了相应的控制，即 c + i 6 m n 0 5 ，以保证钢的可焊性；在保证碳当量的前提下，应尽量降低碳含量。 硅是钢的强化元素，它可显著提高钢的抗拉强度，较小地提高钢的屈服强度，而 塑性、韧性有所下降。硅含量过高会增加钢的冷脆性。锰在钢中可形成碳化物、 硫化物，但大部分进入铁素体中，强化铁索体，从而提高了钢的的屈服强度和抗 拉强度。实践证明，m n 含量每增加o 1 0 ，抗拉强度可提高1 0 m p a f 。增加m n 含量还可降低钢的脆性转变温度。但是m n 含量过高会使塑性、韧性下降，而且 可焊性变坏。这是因为m n 含量高会提高钢的淬透性并降低m s 点。通常对低台 金钢要求的性能是高强度、强韧性和良好的可焊性。获得这些性能的最好方法是 细化钢的晶粒，而加入微合金元素( t i 、v 、n b ) 便可达到此目的，并能有效地 克服钢筋规格产生的尺寸效应。钢中加入微合金元素t i 、v 、n b ，最大的作用是 提高钢的强度，改善缺口冲击韧性。但是，加入合金元素将提高生产成本不利于 市场竞争。 1 9 9 1 年，我国热轧带肋钢筋产量约为6 5 0 万吨，产量基本满足国家工程建设 的需要，但是，多年来我国每年均要进口一定数量的钢筋，虽然有少量出口，总 体上是进大于出的，另外，劣质钢筋的生产、销售、使用直未能根治，目前， 估计全国范围内此类钢筋生产企业仍有5 0 0 1 0 0 0 家，年产量达百万吨，其产品 的主要销售范围是中小城镇及农村。此外，尽管热轧带肋钢筋的产量及质量基本 满足了我国工程建设的需要，但是几十年来，强度级别为3 3 5 m p a 的热轧2 0 m n s i ( 早期为1 6 m n s i ) i i 级钢筋的生产和使用在我国居于绝对主导地位，约占8 0 3 东北大学硕士学位论文 以上，g b l 4 4 9 9 l 标准规定所有规格的2 0 m n s ii i 级钢筋屈服极限为3 3 5 m p a ，根 据多年来的生产、使用实践证明，2 0 m n s i i i 级热轧钢筋，由于规格尺寸的大小、 生产季节的更迭、冷却速度的差异等不同，其力学性能波动范围较大，性能有很 多不足之处【1 5 l ，3 7 0 m p a i 级钢筋是沿用前苏联的钢号，实际应用表明，2 5 m n s i i i i 级钢筋性能不稳定，焊接性不好，用量很少，1 9 8 3 年，微合金化m 级钢筋的开 发应用被列为国家重点科技攻关项目，该项目同时包括采用余热处理生产的 k 2 0 缸s i i 级钢筋。据统计，1 9 9 6 年全国钢筋总产量中，按级钢筋交货的均为 2 5 m n s i ，数量仅占1 5 ( 其中7 0 为2 0 m n s i ) 。1 9 9 4 1 9 9 8 年间，4 0 0 m p a i i i 级 钢筋国内用量只占生产总量的2 0 。 1 2 论文背景说明 我国已经加入世界贸易组织，国外会有很多钢材进入我国市场，这样就加大 了我国钢铁企业的竞争难度。同时，我国申办奥运会的成功，西部大开发的进行， 我国的钢材市场中建筑用螺纹钢筋的需求量大量增加。从国际情况看，欧美等发 达国家对混凝土结构钢筋的性能要求较高，用量最多的是4 0 0 m p a 、5 0 0 m p a 级高 强可焊接钢筋，其实物强度，韧性比标准规定的还高，在美、英、德等国的钢筋 标准中没有i i 级钢筋，而在我国，热轧2 0 m n s i i i 级钢筋独霸天下，这与国外多年 来普遍采用4 0 0 m p a 钢筋并逐步向5 0 0 m p a 过渡的情况相比，差距是十分明显的。 作为现代轧钢工艺的一个发展方向控轧控冷工艺不但可以提高钢筋的性能，而且 可以减少能源的消耗，降低生产成本，在当前竞争激烈的市场环境下可以使企业 立于不败之地。 本论文就是建立在通化钢铁集团公司和东北大学签定的科研项目“热轧钢筋 控轧控冷新工艺开发及提高钢筋性能的研究”的基础上，就控轧控冷工艺对螺纹 钢筋组织性能的影响规律进行了大量的实验和理论研究，以期望得到合理的工艺 方案。 1 3 控制轧制和控制冷却工艺 4 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 1 控制轧制工艺发展历程 关于轧制温度和压下率对钢材室温性能和显微组织的影响，很久以前就有人 进行过研究。例如德国的斯塔特曼( 1 9 2 9 年) 和奥伯毫夫尔( 1 9 1 3 年) 做过锻造 实验。哈诺曼等人( 1 9 2 5 年) 也进行过很有历史意义的实验研究【3 7 】。他们用热轧 后再结晶的观点阐明了在y 区轧制时，随着轧制温度的降低，铁素体晶粒细化， 在更低温区的轧制时，铁素体晶粒粗大化等问题。哈诺曼等入的实验结果表明， 一般情况下，在高于a r 3 并接近的温度下s l $ j 时才能使晶粒细化。此外，只有最 终轧制道次才能决定铁素体晶粒的大小。基于这种观点的实验，直至最近才在实 验室和工厂大力地进行。 从第二次世界大战中全焊接结构船只发生脆性断裂事故以来，战后对造船用 厚钢板( 软钢) 及其他结构用钢有很高的断口韧性。所要求的断口韧性，通过增 加m n c 比，用脱氧镇静钢，采用强化处理等措旌得到保证是可能的。但比利时、 瑞典等各国的钢铁厂因当时没有热处理设备，故在工业生产上采用控制轧制代替 常化处理，这就确定了今日控制轧制方法的原始基础。 1 9 5 8 年明确了添加微量的n b 在控制状态下对提高钢的强度是有效的 z 3 , 2 s 。 进入六十年代后，含n b 高强度钢已广泛提供实际应用。六十年代中期，英国的 b i s r a 对控制轧制进行了一系列的研究。通过这些研究我们意识到，控$ , 1 5 l 制对 研究开发新的钢种是不可缺少的，同时认识到控制轧制机理方面进行探讨也是很 必要的。 六十年代后半期，人们越来越重视控制轧制基础理论( 即奥氏体再结晶行为) 的研究。六十年代末，人们也能从基础理论方面对低温总压下量的作用进行了合 理的说明，并逐步认识到未再结晶区域内轧制的重要性。 从七十年代以来，关于控制轧制及其基础理论方面的研究很多。不仅在奥氏 体再结晶区轧制，奥氏体未完全再结晶区轧制，奥氏体未再结晶区轧制以及奥氏 体再结晶行为，n b 、v 、t i 微量元素的作用等方面的研究越来越深入 2 扪，而且在 ( n + _ r ) 两相区的研究越来越多。 控$ j s l 制和控制冷却传入我国的时间不长。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 得了很大的成绩，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， 而且轧机能力又有限，导致了控制轧制与控制冷却技术在我国应用受到了限制。 但目前，我国的轧机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 5 东北大学硕士学位论文 1 绪论 发挥更大的潜力。为了节约能源和提高产品质量，采取控制轧制与控制冷却手段 见效很大，所以近年来对于控制轧制与控制冷却区工艺的研究也广泛起来。 目前，微合金化和控制轧制的实验仍处于高潮中，根据各国的研究动向分析， 关于控制轧制的研究大致包含以下几个方面： ( 1 ) 以两相区轧制为主的控制轧制技术和通过控制轧制之后的冷却速度来 控制相变组织，以获得进一步的强韧化的轧材是发展的两大趋势。 ( 2 ) 对于双相钢主要是依靠相变强化，因为它的强化理论不同于析出强化 和固溶强化，因而它的变形行为也不同于后两者。扩大实验范围，完善成分来研 制新的钢种，充分利用控轧热变形所造成的亚结构强化，开发经济合金钢。 ( 3 ) 控制轧制与控制冷却的新机制和控制轧制与控制冷却相结合的最佳工 艺的探索。 ( 4 ) 新的模拟的实验方法及测试技术研究。 1 3 g 控制轧制的工艺分类 控制轧制分为奥氏体再结晶区控制轧制( 又称为i 型控轧) ，奥氏体未再结晶 区控制轧制( 又称为i i 型控轧) 和( 十y ) 两相区控制轧制( 又称为i 型控轧) 【3 7 1 。在实际控制轧制中，一般采用上述几种方式的组合，即在奥氏体变形高温阶 段，通过奥氏体再结晶区控制轧制得到等轴细小的奥氏体再结晶晶粒；在奥氏体 未再结晶区变形得到“薄饼型”未再结晶晶粒，晶内出现高密度的形变孪晶和形 变带，从而增加了有效晶界面积；在( a + v ) 两相区变形时，一方面奥氏体晶粒 被拉长，另一方面已相变的铁素体晶粒内部出现皿结构。 近年来控制轧制作为热轧新技术越来越被人们所重视。在荷兰阿姆斯特丹举 行的“8 0 年代钢铁会议”上指出，在轧钢方面，8 0 年代主要集中在控制轧制、加 强冷却以及线、棒材的无头车l a j j 三项技术上。可见，控制轧制技术必将在理论和 应用方面得到迅猛的发展。 控n g l 制过去只是简单地理解为低温轧制，它是指在比常规轧制温度稍低的 条件下，采用强化压下和控制冷却等工艺措施来提高热轧钢材的强度和韧性等综 合性能的一种轧制方法。而现在更广泛地被理解为从轧前的加热到最终轧制道次 结束为止的整个轧制过程实行最佳控制，以使钢材获得良好性能的g l n 方法。在 有的文献中仍把对钢材轧后冷却的控制列入控制轧制范围内。但近几年来的许多 文献，把此二者分别称为控制轧制和控制冷却。不管怎样，此二者是紧密相连的， 往往把控制冷却作为控制轧制之后继续进行的工艺措施。 6 东北大学硕士学位论文 1 绪论 控制轧制技术一般都用在结构钢上。对结构钢的要求是：高强度，高韧性和 良好的焊接性能，可称为对结构钢要求的三要素。为使结构钢获得这些趋好的性 能，最好的方法是实施钢的晶粒细化。 1 3 2 1 奥氏体区控制轧制时组织和性能的变化 奥氏体再结晶区控制轧制的主要目的是通过对加热使粗化的初始奥氏体晶粒 反复进行轧制一再结晶使之细化，并从y a 相变后得到细小的a 晶粒。并且， 相交前的v 晶粒越细，相变后的c i 晶粒也越细，把相变前的y 晶粒直径和相变后 的n 晶粒直径之比称为转化比。当y 晶粒粗大时此比值远远大于1 ，即有一个y 晶粒可以产生几个n 晶粒。当相变前的y 晶粒细小时，该转换比接近于1 ，所以 在仅仅由于再结晶奥氏体晶粒微细化而引起铁素体晶粒细化方面存在一个极限。 y 再结晶区轧制是通过再结晶使y 晶粒细化，从这种意义上说它实际上是控制轧 制的准备阶段。y 再结晶区域通常是在约9 5 0 以上的温度范围。 热轧工艺条件下对钢材的组织和力学性能影响最大的是轧制温度。，在高温区 i ( 1 1 0 0 以上) ，奥氏体发生粗大再结晶，铁素体晶粒得不到细化。在中温区i i ( 1 0 5 0 ) ，奥氏体再结晶细化，相变后的铁素体也开始细化。再结晶温度以下 区( 9 5 0 g a r 3 ) ，奥氏体晶粒产生变形，由于这种变形形式的影响，在y 一相 变时铁素体晶粒细化。 1 3 2 2 奥氏体未再结晶区轧制时组织和性能的变化 在奥氏体未再结晶区进行控制轧制时，y 晶粒沿轧制方向伸长，在y 晶粒内 部产生变形带。此时不仅由于晶界面积的增加，提高了a 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a 晶粒的细化。y 未再结晶的 温度区间一般为9 5 0 a r 3 。 在未再结晶奥氏体区轧制时，奥氏体晶粒伸长，晶粒内产生形变带。此形变 带可引起到铁素体晶核生成的晶界面作用。关于形变带的本质尚不清楚，但从形 态上通常可观察到近似于条形直线，也有的其末端终止在晶内。 形变带的形成受到轧制条件的影响。随着变形量的增加，形变带的密度升高。 轧制温度很低时，温度对形变带密度影响不明显，但可以观察到变形的累计效果。 初期晶粒度、变形速度对形变带密度没有影响，晶粒越细，形变带的均匀性就越 大。 未再结晶温度以下进行加工可使y a 的相变点急剧升高。使相变点升高的 原因可认为是由于加工使扩散增加，奥氏体自由能和形核晶界面的面积增加以及 由于在晶界面附近加工而使界面本身的供核生成的能量增加的缘故。 7 东北大学硕士学位论文 l 绪论 奥氏体晶粒大小和变形量对铁索体晶粒细化有很大的影响。在y n 相变温 度区冷却时，奥氏体中铁素体相的形核率越大，则铁素体晶粒细化程度越大。铁 素体形核率与相变奥氏体晶界面积和形变带的数量有关。在低于再结晶温度区域 轧制时变形程度越高，奥氏体晶界面积和形变带数量越高。 当奥氏体为大晶粒时，又有变成魏氏组织和贝氏组织的倾向，因为在这种情 况下形成多边形铁素体晶核比较困难。细化原始奥氏体晶粒和加大再结晶温度以 下的变形量能减少针状产物的数量。 铁素体晶粒大小与有效晶间面积( 晶界总面积和形变带称为有效晶问面积) 相关。增加有效晶间面积引起铁素体晶粒细化，然而，当有效晶问面积一定时， 在低于再结晶温度以下增加变形量能更有效地细化晶粒。当晶间面积一定时，铁 素体相形核数随变形量加大而增加。增加形核率导致奥氏体的自由能提高并可能 形成亚结构。 未再结晶奥氏体区+ l s t j 时，随着变形量的增加，使奥氏体晶粒内形成的变形 带增多，为铁素体转变时提供了更多的形核点。当变形量增加时，促进晶粒细化， 对转变温度有很大的改善。而且随着变形量的增加，屈服强度和抗拉强度均增加， 屈服强度增加的尤其大些。所以对屈服比上现有规定的材料应注意选择变形量。 通过在奥氏体未再结晶区进行轧制，可有效地增加形变奥氏体的晶界和位错 孪晶等晶体缺陷，从而提高u 形核的有效晶界面积，进而提高a 的形核率，细化 d 晶粒 5 ，6 1 。 1 3 2 3 两相区控制轧制时组织和性能的变化 ( y + a ) 两相区控制轧制是广义控制轧制范畴的轧制方法。过去的控制轧 制是指：( 1 ) 通过y 再结晶区的轧制，使奥氏体晶粒细化；( 2 ) 通过y 未再结晶 区轧制，使奥氏体晶粒伸长和在其内部产生形变带，增加y n 转变时d 相的形核 位置、使a 细化的方法来改善钢材强韧性能的轧制方法。但在实际生产中往往需 要把轧制工艺性能和产品的使用性能要求或产品精度的要求，要求相的终轧温度 在( y + q ) 两相区温度区间；二是在y 区控轧时由于轧制温度低和加工诱发相 变使v a 相变温度上升，使轧制变为( y + n ) 两相区轧制。从这种意义上说， 两相区控制轧制也可以说是广义的控制轧制的一个阶段。此外，两相区控制轧制 与y 单相区轧制相比较，在钢材的强韧性能上也有很大的变化。采用两相区控制 轧制可使钢材的强度指标有很大的提高，低温韧性有更大的改善。 在a t 3 点以下的( y + a ) 两相区轧制时，未相变的y 晶粒更加拉长，在晶内 形成形变带。另一方面，已相变后的a 晶粒在受到压下时，于晶粒内形成亚结构。 8 东北大学硕士学位论文 l 绪论 在轧后的冷却过程中，前者发生相变形成多边形晶粒，而后者因回复变成内部含 有亚结构的n 晶粒。因此，两相区轧制材料的组织为大倾角晶粒的混合组织。 在两相区温度内当轧制温度一定时，随着压下率的增加a 晶粒发生如下的变 化； ( 1 1n 晶粒的形状基本不变，产生较均匀的位错； f 2 1n 晶粒伸长，晶粒内的位错密度仍然很高； ( 3 ) 伸长的晶粒进行回复，并开始形成亚晶，晶粒内的位错密度下降； ( 4 ) 形成清晰的亚晶粒，在亚晶粒内位错密度非常低；加工a 引起再结晶。 1 3 3 控制轧制的要素 1 3 3 i 微量合金元素的作用 在控制轧制工艺中，微合金元素( n b ，t i ，v 等) 得到了广泛的应用，控轧钢 中加入微量合金元素，其主要目的是为了与控制轧制相配合，最大程度的细化晶 粒，n b 、t i 、v 是最常用的细化晶粒的元素。它们能在钢中形成碳化物、氮化物 或碳氮化物，这些析出物的细小质点可以钉于乙晶界，具有强烈阻碍晶粒长大的作 用。以上三种元素的析出物对晶界的钉扎作用是依次降低的，在微合金钢中，复 合微合金化的作用大于单独加入某种元素的总和。 1 3 3 2 加热温度对轧制效果的影响 奥氏体晶粒尺寸的大小直接影响到轧后的晶粒大小，随着加热温度的升高， 奥氏体晶粒长大，在1 1 5 0 时，奥氏体晶粒较为均匀，超过1 1 8 0 ，由于晶界的 碳、氮化物完全固溶，对晶粒的阻碍作用消失，奥氏体晶粒开始急速长大，因而， 坯料的加热温度不超过1 1 8 0 c ”j ，降低加热温度，利用晶界铌、钒等的碳氮化物 对晶粒长大的抑制作用，取得细化晶粒的效果。而且降低加热温度可以缩短在高 温区轧后的停留时间，避免再结晶的奥氏体晶粒在高温区不断长大，而得到粗大 的晶粒组织，不利于韧性的改善。 1 3 3 3 变形量与低温韧性的关系 为了避免粗大奥氏体晶粒的出现，在高温区必须给予大的变形量，使变形晶 粒完全结晶，才能得到均匀的舆氏体。在奥氏体未结晶区( 9 5 0 c a t 3 ) 进行轧制， 变形晶粒不再进行再结晶，而是沿着轧制方向长大，形成大量滑移带和位错，合 金元素的碳化物优先从这些部位析出，而且主要沿着奥氏体晶界析出，可以阻止 晶粒长大，因而相变后的晶粒更细更均匀，铁素体含量增加。随着道次变形量和 9 东北大学硕士学位论文 l 绪论 此区间总变形量的加大，变形量的数量增加，分布更均匀，得到更理想的组织结 构，使钢的屈服强度增加、脆性转变温度降低，并且韧性特别是低温韧性得到明 显改善。 1 3 3 4 轧后控冷对组织的影响 控制轧制可以细化晶粒，改善钢的强度和韧性，但由于形变产生相变，使a t 3 温度升高，特别是未结晶区这种作用更为明显。导致铁素体在较高温度下析出， 轧后缓慢冷却，使晶粒长大，因此轧后要控制适当的冷却速度。控制轧后冷却速 度对铁素体晶粒尺寸和贝氏体含量有明显影响口2 1 ，可以增加强度，而不损害韧性 【9 】 1 。3 4 控制轧制的效应 控制轧制的效果主要是通过控制轧制工艺参数来改善钢材的组织结构，提高 钢材的强度和降低韧性一脆性转变温度。控制轧制的主要优点是： ( 1 ) 钢材的强度和低温韧性有较大幅度的改善。 ( 2 ) 改善钢的组织使铁索体晶粒细化，这是最有效的和经济的提高钢材综合性能 的内在因素，达到这一目的的好办法是控制轧制。 ( 3 ) 它可以使钢材的强韧性能同时得到提高。 ( 4 ) 节约能源和使生产工艺简化 采用控制轧制可以节省能源，其基本途径有二，一是降低钢坯的加热温度f 1 2 l ， 二是取消轧后的常化处理或淬火处理。实践证明，在轧钢厂采用钢坯低温加热其 燃料单耗的降低量大于低温轧制力单耗的上升量。在控制轧制中由于低温轧制在 结晶奥氏体细化，使钢材的屈服强度和韧性得到一定的提高。此外，采用控制轧 制技术，在一定条件下，可以取代一般热轧后常化处理或轧后淬火处理。这样， 既节约了燃料消耗，又简化了生产工序。 ( 5 ) 可以充分发挥微量合金元素的作用。 在普通低碳钢中加入微量n b 、v 、t i 等元素后，采用控制轧制工艺时，可以 使钢材有更好的综合性能。 1 3 5 控制冷却工艺 控制冷却是控制轧制后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。控 制冷却的重要目的之一是通过控制冷却能够在不降低材料韧性的前提下迸一步提 1 0 东北大学硕士学位论文1 绪论 高材料强度。控制冷却钢材的性能取决于轧制条件和冷却条件。轧材之前的组织 状态取决于控制轧制工艺参数，而控制冷却的条件( 开冷温度、冷却速度、终冷 温度等) 对相变前的组织和相交后的相变产物、析出行为、组织状态都有影响。 因此为获得理想的控制冷却后的钢材性能，就要将控制轧制和控制冷却很好的结 合起来【2 ”。一般可把轧后控制冷却过程分为一次冷却，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，阻止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 过冷温度，降低相变温度，为y o 相变做准备，一次冷却的开始快冷温度越接近 终轧温度，细化奥氏体和增大有效晶界面积的效果就越明显。二次冷却是指从相 变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制。二次冷却的目的是控制钢材相变 时的冷却速度和终止控冷的温度，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。 1 。4 论文主要研究内容 控轧控冷工艺是一项节约合金、简化生产工艺、开发新品种、降低能耗的先 进技术，它能通过工艺手段充分挖掘钢材潜力，大幅度提高钢材的综合性能，给 企业和社会带来巨大的经济效益。 另外，从保护环境、节省能源、降低成本及提高结构安全性等方面来看，2 1 世纪向钢铁行业提出了钢材产品多样化和高级化的要求。为了满足这种要求就应 该在产、学、研等部门的共同努力下开发所需的钢材。从今后钢材与其他产品的 竞争来说，钢铁产业应该开发不仅在性能方面优于其他材料的钢材，在其生产成 本方面也要胜过其他材料的钢材。为此，钢铁产业需要开发出具有革命性的钢材 生产技术。 本次实验从通化钢铁集团公司小型连轧厂提取粗轧后的产品作为试样坯料， 进行热轧钢筋控轧控冷新工艺开发及提高钢筋力学性能的研究工作，主要研究内 容有以下几个方面： ( 1 ) 开展2 0 m n s i 变形奥氏体相变规律的研究，测定动态c c t 曲线； ( 2 ) 测绘热变形中的2 0 m n s i 钢的变形抗力曲线； ( 3 ) 开展热轧2 0 m n s i 钢筋的工艺参数( 加热温度、变形量、终轧温度及终 轧变形程度、轧后冷却工艺条件等) 与组织性能关系的研究； ( 4 ) 对采用低温轧制工艺时主要设备( 轧辊及电机) 进行校核； ( 5 ) 开发并制定合理的热轧2 0 m n s i 控轧控冷工艺制度； 东北大学硕士学位论文 l 绪论 ( 6 ) 对开发出的2 0 m n s i 钢筋控轧控冷工艺以巾2 2 螺纹钢为研究对象进行工 业性实验，将i i 级钢筋强度提高到i 级钢筋标准a 1 2 东北大学硕士学位论文 22 0 m n s i 热轧钢筋的组织性能实验研究 22 0 m n s i 热轧钢筋的组织性能实验研究 2 1 钢材在不同变形条件下的组织性能研究 从1 9 5 5 年开始生产热轧螺纹钢筋，经过几代演变，材质有a 5 镇静钢、1 6 m n 到2 0 m n s i ，至今已有5 0 年的生产历史了。前面综述中已经提到，我国建筑业使 用最多的是2 0 m n s i l i 级钢筋，约占8 0 以上。多年来的生产实践证明，用通常热 轧方法生产的2 0 m n s i 带肋钢筋，由于规格尺寸的大小，生产季节的更迭，轧后 冷却速度的不同，其力学性能波动范围较大1 1 1 如今，控轧控冷新工艺不仅在钢材奥氏体形变再结晶、强韧化机制方面，钢 的组织及使用性能方面进行了大量研究工作，而且在工业性试验和生产的应用也 取得了很大的进展。控轧控冷工艺已广泛应用于中厚板热轧卷，棒线材，型材及 管材的生产之中并开发出新钢种，获得明显经济效益。但是，通过一些资料分析， 国内外采用这种工艺，主要是着重于后部控制冷却( 控制冷却速度，冷却时间， 冷却温度等) ，来提高钢筋性能。而对于采用控制轧制工艺尚未得到广泛应用。本 课题的目的和意义就是系统展开热轧2 0 m n s i 钢筋轧制工艺参数( 轧制温度，变 形程度及轧后冷却制度等) 与钢材组织性能间关系的研究工作，制定合理工艺制 度并进行工业性试验，生产出合格的i i i 级钢筋( g b l 3 0 1 4 9 1 ) 。钢筋级别标准见 表2 1 。 表2 1 钢筋级别标准 旦望! ! ：! 璺型! 苎型型! ! 塑堡! ! 鱼苎塑! 竺 嚣篡等级代号= 径强主：。强茎麓篙 月牙 i ir l 3 3 58 - 2 5 2 5 4 03 3 55 1 0 4 9 01 6 肋ir l l 4 0 08 - 2 5 2 5 - 4 04 0 05 7 01 4 本实验利用g l e e b l e - 2 0 0 0 热模拟试验机，研究控轧工艺参数( 变形温度，变 形速度，变形程度) 对于2 0 m n s i 组织性能的影响，制定满足2 0 m n s i 力学性能要 求的优化的工艺制度，为实际生产提供工艺指导。 1 3 东北大学硕士学位论文 22 0 1 d n s i 热轧钢筋的组织性能实验研究 2 1 1 热模拟实验加热温度的确定 加热温度影响轧前的原始奥氏体晶粒大小，各道次的轧制温度及终轧温度影 响道次之间及终轧后的奥氏体再结晶程度及再结