钢板的热机械轧制.docx

钢板的热机械轧制莫德敏王怀宇(舞阳钢铁有限责任公司科技部)therm om echan ica l ro ll in g of p la tem o d em in an d w an g h u a iyu(sc ience and t ech no lo gy d ep a r tm en t o f w uyang iro n and s tee l co. l td)1前言在轧制过程中有更多的时间析出。 在相对低的终轧温度下奥氏体中的残余应力增加所引起的强度 增加能够抵消微合金析出量的增加, n b (c , n ) 通常出现在奥氏体中。轧后的冷却制度、化学成分和奥氏体状态决 定着最终的机械性能这是通过控制奥氏体转变 产物、位错密度、析出特性和组织来实现的。 对于组织和性能而言, 冷却速度和冷却终止温度是重要的工艺参数。与空冷相比, 快速冷却可以使更多 的铁素体晶粒成核并存在从而降低了晶粒大小和 显微组织的带状结构。 较高的冷却速度有助于等 轴铁素体和珠光体而增加显微组织中贝氏体的数 量这是通过在珠光体形成之前将未转变的奥氏 体温度降低到其b s 以下来实现的。如果奥氏体晶 粒细小和或在非再结晶温度区有足够的应变来 限制贝氏体尺寸, 那么所形成的贝氏体就能够在 不降低韧性的情况下使强度提高。对于一些钢板而言, 传统的热机械轧制工艺 已经被再结晶控制轧制和快速冷却组合所代替。 在这种情况下, 通过对细小晶粒再结晶奥氏体进 行快速冷却可获得细小晶粒组织。2 实际应用与其他热轧产品相比, 热机械轧制工艺所提 出的附加冶金要求需要进行更先进的工艺控制。 现代炼钢和连铸技术能够生产杂质含量少、化学 成分范围窄的洁净钢。 钢包炉和真空脱气装置对 于热机械轧制工艺生产的钢板是理想的处理工与普通的热轧相比, 热机械轧制工艺生产的钢板具有良好的强度、塑性和韧性组合。这是由于 热机械控制轧制在轧制状态下通过析出强化、位 错以及由贝氏体、马氏体或残余奥氏体来代替珠 光体以促使细小晶粒组织的形成。 化学成分和工 艺路线决定了强化机理。 下面对钢板生产中所采 用的热机械轧制工艺加以论述。对于热机械轧制工艺生产的厚钢板, 板坯的 再加热温度一般低于普通热轧中所采用的温度, 其目的在于提高韧性、表面质量和生产率。靠晶粒 细化和在整个工艺过程中改善晶粒尺寸的均匀性 以达最终的铁素体组织对韧性有促进作用。 通常 钢板粗轧阶段的冶金目的是为了给精轧阶段提供 细小、均匀的奥氏体晶粒。精轧的道次规程和温度范围能够控制奥氏体 中应变累积的数量以及奥氏体中微合金析出的驱 动力和成核位置密度。轧制时, 奥氏体晶粒尺寸分 布在应变累积初始时而且应变累积规模的减小会 通过最终铁素体组织的均匀性来影响韧性。 精轧 温度稍微低于 a r3 点在钢板表面附近形成相当大 的拉长铁素体晶粒而使韧性降低。 精轧状态对强 度的影响是复杂的, 且取决于化学成分。随着终轧 温度 (fr t ) 的降 低, 铁 素 体 晶 粒 细 化 强 度 增 加。 但如果进一步降低终轧温度, 铁素体成核位置密 度就会增大从而降低淬硬性, 使强度降低, 而在临 界范围内轧制又可能提高强度。与带材相比, 钢板第 2 期45莫德敏等: 钢板的热机械轧制艺, 可以使硫、氢、氮、磷、氧含量降低。如果需要还可以将硫含量降低到 1010- 6 以下。采用钙处理 可以提高钢的纯净度和板坯表面质量、防止形成 伸长的硫化物夹杂从而提高了钢板的冷变形能力 和抗氢致裂纹能力。 去除钢水中的氢可以减少高 强度热机械轧制工艺钢板所要求的长时间脱氢处 理。加入微合金化元素钛 ( 0. 015% ) 能够提高 板坯的表面质量并减少对板坯表面的火焰清理 量。 加入少量钛所形成的。 t in 析出物在板坯再 加热期间和再结晶以后以及焊接过程中能够稳定 细小奥氏体晶粒尺寸。 因此少量钛的加入是再结 晶控制轧制技术的关键部分, 而且这也有利于其 热机械轧制的钢种。需要对再加热过程进行控制以提供冶金和热 均匀的板坯, 板坯的冶金状态在随后的过程中不 能校正, 会在成品板上造成平直度和残余应力问 题。 精确的炉温控制可以减少由氧化铁皮造成的 损失和保证良好的表面质量。 为了能够在精确的 控制温度条件下轧制和生产出精确尺寸的平直产 品, 必须采用轧制自动化系统精确计算坯料温度 和轧制力。另外, 必须认真控制受诸多轧制参数影 响的平直度。对于水冷钢板而言, 平直度控制是特 别重要的, 因为平直度缺陷可以使冷却强度变化 而造成机械性能和内部应力变化。当使用水冷时, 对表面氧化铁皮进行控制也很重要。 对于精确控 制水冷来说, 平均细小、对称、均匀的氧化层是必 需的。 它可以通过使用大功率的除鳞设备和轧制 过程中适当的除鳞时间来达到。 如果过程控制要 求水冷, 对顾客和生产者都有很大好处, 可以通过 减少氧化铁皮的形成提高表面质量; 加入少量微 合金元素来提高焊接性能并提高强度。此外, 与空 冷钢板相比, 允许更高的终轧温度和更低的控制 轧制压缩比。在厚板轧机上, 可将快速冷却设备用 于中间冷却以缩短晾钢时间, 而且把快速冷却和 再结晶控制轧制相结合可以完全省去低温轧制, 这特别有利于提高厚板的生产率。3 热机械轧制工艺的优点采用热机械轧制工艺生产的产品可以为顾客提供具有特殊性能且成本低廉的钢板而使顾客获 得好的经济效益。与常规钢板相比, 这种钢除强度高和韧性良好以外, 还具有良好的焊接性能、冷变形能力、抗应变时效和抗氢致裂纹性以及良好的 表面质量。对顾客来说, 可以降低加工成本或得到更轻、更安全或更耐用的高价值产品。在碳当量方 面, 热机械轧制工艺生产的钢板与常化处理的钢板相比, 在相同强度级别条件下, 由于碳当量和碳 含量较低, 就可以降低焊接成本。 例如, 可以完全 省去为避免出现氢致裂纹而进行的焊接预热, 而 且由修复焊接所引起的耽搁也少。 此外, 如果需要, 还可以加入少量微合金化元素以便能够采用 高 效单道次焊接技术 ( 例如单边埋弧焊、电渣焊等) , 而同时又能保持热影响区的良好韧性。 由于 硫含量及碳含量较低, 热机械轧制工艺生产的钢 板也非常适合采用激光焊接。 使用较高强度的热 机械轧制工艺生产的钢可以由于减小管壁厚度和 减少焊接量而使成本降低。 热机械工艺生产的钢 具有良好的冷变形性能和低的应变时效敏感性,有利于采用冷变形弯管以减少一些焊缝。 热机械 轧制工艺生产的钢种的应变时效所引起的冲击转变温度增加比常化钢种小得多, 这是由于应变对 转变温度的影响较小的原因 (见图)。图热机械轧制工艺生产钢板的夏比 v 型缺口冲击韧性: 实线如图所示; 其它各点表示 10% 应 变 加 上 150和 250时 效 和 在 600温 度 下 进行焊后热处理的不同组合4热机械轧制工艺生产的钢板宽厚板46第 9 卷热机械轧制工艺生产应用在包括生产海洋平台、桥梁和建筑物用钢上, 这种工艺也应用于生产 造船板上。在应用热机械工艺生产的结构钢方面, 海洋平台用钢板首先采用热机械轧制工艺, 目的在于降低焊接制造成本, 同时又保持高水平的结构完整性。如今, 已广泛使用屈服强度为 355m p a和 420m p a 的海洋平台钢, 并且逐渐关注屈服强 度为 460m p a 和 500m p a 的海洋平台钢。 在桥梁 和建 筑 方 面, 结 构 钢 s420m m l 和 s460m m l (en 101133) 也正被采用。 在造船方面, 热机械 轧制工艺生产的钢板的使用还相当有限。 但是由 于造船厂已开始寻求减轻重量和降低制造成本的 途径, 所以热机械轧制工艺生产的钢种已经倍受 造船厂的关注。 下面介绍一些海洋平台钢和造船 用钢的实际应用。屈服强度为 355m p a 的海洋平台钢的典型化学成分见表 1。 数据来自 4 000 t 厚度 10 60mm不同宽度和长度的钢板。 对于这些钢: 厚度小于25mm的 钢 板 经 热 机 械 轧 制 后 空 冷; 厚 度 大 于25mm 的钢板采用快速冷却。对于空冷钢板, 终轧温 度 为 820; 而 对 于 水 冷 钢 板, 终 轧 温 度 为770。以这种生产方式在整个厚度范围的钢板中 有可能保持低的碳当量和优良的焊接性 (c ev 0. 33% , p cm 0. 19% )。与正火钢板不同, 碳当量 随着钢板厚度的增加而减少。 这些钢板的典型机械性能见表 2。 夏比 v 型冲击功值是试样横向表 面和中心的单个值。焊后热处理温度 600, 保温4h , 仅仅稍微影响拉伸性能。 屈服应力降低大约10m p a, 抗拉强度降低 5m p a。5% 变形后在 250温度下时效一小时, 27j 的夏比 v型脆性转变温度 t 27j 仅增加 20, 达到-55。表 1 热机械轧制工艺生产的钢板的化学成分, (% )p cm 厚度 t, mmc ev cs i m npsn ia lc unn b t ic a热机械工艺生产的 355m p a 海洋平台钢的典型化学成分25 5050 600. 080. 080. 300. 301. 20 0. 01 0. 0030. 040. 02 0. 0150. 02 0. 0150. 300. 290. 160. 161. 10 0. 01 0. 003 0. 04 0. 04深海船坞 闸门容器钢 a b eq 43tm 的平均化学成分25 600. 080. 241. 50 0. 01 0. 002 0. 25 0. 0350. 038 0. 0130. 350. 17焊接试验用 s420g2+ m (p ren 10225)400. 070. 221. 33 0. 009 0. 004 0. 52 0. 030 0. 15 0. 004 0. 029 0. 015 0. 0020. 330. 16c ev = c + m n6+ (c r+ m o + v ) s+ (c u + n i) 15p cm = c + s i30+ (m n+ c r+ c u ) 20+ n i60+ m o 15+ v 10+ 5b表 2 表 1 中钢的机械性能- 40a kv , jr eh , m p ar eh rmt 27j , rm , m p a ( 横向, 单值) 4000 t 355m p a 海洋平台钢 ( 10 60mm 厚)最小值平均值 最大值360417480460499555a b5305846350. 750. 840. 9243tm 钢实际性能0. 800. 840. 90100246340 - 80 - 80- 75eq最小值平均值 最大值430490535180284380第 2 期47莫德敏等: 钢板的热机械轧制用 在 海 洋 平 台、深 海 船 坞 闸 门 的 造 船 用 钢a b eq 43tm 和其他钢种的化学成分和机械性 能数据见表 1 和表 2。 容器直径 37m , 高 200 余米, 用 热 机 械 轧 制 工 艺 生 产 需 用 屈 服 强 度355m p a 和 420m p a 的钢板 28 000t。这种容器主 要是大直径长管道, 垂直漂浮在海上, 通过抛锚线固定在海底, 在深水里形成油、气生产平台的基 础。 将钢板再加热到合适地低再加热温度后, 以770的终轧温 度 轧 制 钢 板, 并 以 58k s 的 速 度进行水冷。由于焊接性能的要求, 采用热机械工艺生产的 355m p a 和 420m p a 级别的钢板。 在早期的工程中, 使用 355m p a 的热机械轧制工艺生产的钢板, 对厚度 50mm 的钢板, 不需预热, 加 工成本比相同的正火钢板低得多。海洋平台钢的焊接性能非常好, 表 3 给出了40mm 厚 s420 钢板焊接试样的性能水平。焊接性 能试验是根据海洋平台标准 p ren 10225 附录 e和 f 进行的。 在夏比 v型冲击试验中, 熔合线处的焊缝金属 ( fl 2) 提供了最低的平均值。 表 3列出表面和中心线处最低平均值。低的碳含量、碳 当量、低硫含量配合少量钛的加入是良好韧性的 原因。表 3表 1 中 s420g2+ m 钢的机械性能和焊接性能母材5kj mm焊接5kj m in焊接+ 模拟焊后厚度 tmm- 40, a kv(横向) , j- 10c tod- 40a kv- 10c todr eh ,m p arm ,m p a- 40a kv(横向) , j()()()ha z mm横向 , jha z mmflwmgcic scflwmgcic sc405085703122071071. 70 1. 631721262. 29 1. 03注: c tod = 裂纹顶端张开位移; fl = 熔合线; gc = 晶粒粗化区; ha z= 热影响区; ic sc = 临界的临界点以下的亚临界区;wm = 焊缝金属在造船 业 中 选 用 屈 服 强 度 500m p a 的 船 体钢, 就能使破冰船在正常的冬季作业时足够强固, 同时又足够轻以便在夏季能够用于管道和电缆的 铺设, 而传统的破冰船在夏季是闲置的。这一强度 级别的钢种, 钢板必须由淬火+ 回火或热机械轧 制工艺来生产。 后者的优点在于轧后无需进行附 加 的 热 处 理。 该 钢 种 的 机 械 性 能 以 dn v 标 准 n v e 500 级 别 钢 为 代 表: 其 屈 服 强 度 r eh 500m p a; 抗拉强度 r m 610 770m p a; 延伸率 a 5加热温度和低碳含量可以确保冲击韧性在一个良好的安全范围内。 所要求的强度级别通过应用相 对 低 的 终 轧 温 度 和 冷 却 终 止 温 度 ( 720和430) 以及高的冷却速率来达到。 在 1. 2 和 5.0kj mm 的电弧能条件下, 对 40mm 厚的钢板进 行焊接试验结果表明: 在焊缝金属区, 熔合线以 及整 个 热 影 响 区 均 能 达 到 上 述 韧 性 要 求。 在40mm 厚钢板上进行的控制热急变强度试验 表 明 , 当 使 用 干 燥 的 焊 条 时 , 即 使 电 弧 能 低 到1. 2kj mm 也不需要预热。16% ; -40夏比 v 型冲击韧性27j。用于制造破冰船的钢种, 由于油漆受冰磨损而脱落使焊缝暴露在海水中受海水侵蚀, 所以要 求在焊缝热影响区具有耐海水腐蚀性。 与大部分造船用钢种一样, 这种钢板也应能焊接并且不需 进行焊接预热。破冰船船体用钢板的机械性 能 符 合 上 述 要求。通过选用碳含量低 (0. 07% ) , 适当加入合金元 素 m n、s i、n i 和 c u 以及微合金化元素 n b 和 t i 来达到用目的。根据国际焊接学会 ( iiw ) 标准, 碳 当量仍低于 0. 43% , 平均值为 0. 40% 。 采用低再5热机械轧制工艺生产的钢板适合激光切割和焊接由于生产率高、切割质量好以及加工尺寸精确的优点, 所以近 10 多年来激光切割的应用急剧 增加。尽管许多类型的钢能够用激光进行切割, 但 是由于激光切割的质量对钢的表面质量十分敏 感, 因此热机械轧制工艺钢种十分适合激光切割。 尤其是为了防止激光束的分散, 表面氧化铁皮必 须细小、均匀、紧密附着, 热机械轧制工艺生产的宽厚板48第 9 卷钢则很容易满足这些条件, 例如通过采用相对低的轧制温度和快速冷却就可达到。 这种氧化铁皮 特性不但能够确保均匀的水冷和机械性能分布均 匀, 而且能够确保成功地进行冷矫直和低的内部应力。 没有内部应力的材料是提高激光切割生产率的一个前提条件, 因为在整个切割过程中, 激光 光束对工件必须保持精确地集中。 钢中硅含量很 低有利于高速切割。 热机械轧制工艺钢中硫含量 低也有利于高速切割。总的来说, 为了确保始终一 致的切割意味着必须注意生产和运送环节中的诸多细节。如果成功地做到这些方面, 在激光切割厚度极限附近激光切割钢板速度可以提高 20% 。表4 给出了为激光切割开发的一些钢。 除了在切割方面应用激光外, 人们日益关注使用激光进行焊接。 由于热轧产品适合激光焊接结构使用, 焊缝韧性是十分重要的。 最近对 620mm 厚对接和 t