低温轧制技术交流课件.ppt

低温轧制技术交流 李祥才棒材研究所 2018 1 青岛特钢棒材生产线产品主要定位于碳素结构钢 合金结构钢 轴承钢 齿轮钢 弹簧钢 非调质钢等 典型钢种代表钢号如下 优质碳素结构钢20 45等合金结构钢35CrMo 42CrMo等齿轮钢40CrMoH 20CrMnTiH等非调质钢F40MnV等弹簧钢60Si2MnA 50CrVA等轴承钢GCr15等 低温轧制技术与传统控轧控冷技术的差异 低温轧制技术源于传统的控轧控冷工艺 这两者皆被称为TMCP技术 所谓TMCP技术就是在热轧过程中 在控制加热温度 轧制温度和压下量的控制轧制的基础上 再实施空冷或控制冷却及加速冷却的技术总称 通常人们提到TMCP 往往是指控温轧制和控制冷却 TMCP工艺可以节省能源 一方面低温加热节约了燃料消耗 另一方面在一定条件下简化了生产工序 另外 采用TMCP技术可以充分发挥微合金元素的作用 目前 TMCP技术已从传统的控轧控冷技术发展为低温轧制 快速冷却等适合现代生产发展需要的先进工艺技术 1 1控轧控冷工艺 控轧控冷技术从诞生到现在 己成为一种成熟的工艺 目前已经推广到棒线材的生产中 控轧控冷技术主要是通过控制加热温度 轧制温度 变形过程及冷却条件等工艺参数的改变 来提高产品的综合性能 一般情况下 在棒材生产过程中 控轧控冷技术主要是分为两部分 控制轧制和控制冷却 1 1 1控制轧制 控制轧制广义地解释为从轧前的加热到最终轧制道次为止的整个轧制过程的控制 即通过对热轧条件的全面最优化 人为地调整奥氏体的状态 使后续的冷却过程中相变为期望的细晶组织 以得到良好的强度和韧性的加工过程 棒材的控制轧制可以减少脱碳 控制晶粒尺寸 改善钢的冷变形性能 控制抗拉强度及显微组织 取消热处理 由于棒线材生产轧制工艺参数中的变形难以调整 轧辊孔型设计而定 所以大多数情况下 棒线材厂家通过对各个道次轧制温度的控制来达到控制轧制的目的 即控温轧制 控制轧制工艺可分为以下3个阶段 如图1所示 l 再结晶区变形 又称为I型控制轧制或常规轧制 轧制温度大于950 实际上通常轧制温度较高 在1000 以上 在以上温度区间轧制 晶粒细化有某一极限值 10 20 m 2 未再结晶区变形 又称为 型控制轧制或常化轧制 轧制温度为Ar3 950 在此区间轧制时可以获得细小均匀块状铁素体晶粒 5 10 m 3 a 两相区变形 又称为 型控制轧制或热机轧制 轧制温度小于Ar3 在此温度区间轧制可使强度提高 脆性转变温度降低 晶粒细化 3 5 m 1 1 2控制冷却 控制冷却是指轧件经过终轧后 利用改变冷却方式和冷却速度来控制钢材的组织结构和性能 其能够在不降低钢件韧性的前提下 进一步提高钢材的强度 实质是细化晶粒和相变强化 棒线材轧后的冷却方式分为自然冷却和控制冷却 一般情况下 棒线材轧后冷却可分为三个阶段 一次冷却 二次冷却 三次冷却 l 一次冷却是从终轧温度开始到奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3或二次碳化物开始析出温度Ac范围内的冷却 通过控制其开始快冷温度 冷却速度和快冷终止温度 来控制热变形后的奥氏体状态 为相变做组织上的准备 2 当热轧钢材经过一次冷却后 立即进入由奥氏体向铁素体或碳化物析出的相变阶段 在相变过程中控制相变冷却开始温度 冷却速度和停止冷却温度等参数 就能控制相变过程 从而达到控制相变产物形态 结构的目的 这个过程称为二次冷却 3 三次冷却是指相变之后直到室温这一温度区间的冷却 一般钢材相变后多采用空冷 冷却均匀 形成铁素体和珠光体 在棒线材的生产过程中 轧后温度和冷却速度是棒材生产质量控制的关键 工艺上对棒材控制冷却提出的基本要求是能够严格控制轧件冷却过程中各阶段的冷却速度和相变温度 使棒线材产品既保证性能要求 又尽可能地减少氧化烧损 生产表明棒材以10 s的冷却速度进行冷却 强度可以明显提高 而韧性可以保持不变 1 2TMCP工艺过程中组织结构变化 随着科学技术的不断进步以及钢材在各个领域的广泛应用 人们对钢材的使用性能 诸如 力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能等 提出越来越高的要求 而要改进这些性能的实质是通过改变钢的显微组织和结构来实现 而棒材从控轧控冷工艺向低温轧制工艺的转变 也是通过显微组织和结构的变化来实现的 下面我们了解一下TMCP工艺过程中组织和结构的变化规律 1 2 1影响钢材性能的组织结构因素 钢材的性能是由组织决定的 而得到所需的组织不仅仅是通过控制轧制就可以实现 冶炼铸造工艺 包括合理的成分设计 正确控制成分 纯净度 铸坯质量 也是影响钢材组织的重要因素 以强韧性为例 钢材的强韧化机制包括 固溶强化 晶界强化和亚晶强化 相变强化 应变强化 位错强化 分散强化 沉淀强化 弥散强化 析出强化 2020 1 28 11 可编辑 1 2 2轧制过程中钢的组织变化 轧制过程可以认为是发生回复和再结晶的过程 从组织控制的角度考虑是 完成钢的奥氏体组织的控制 在奥氏体组织条件下进行形变 通过对形变条件的控制 实现对变形过程中组织的控制 为相变做组织准备 控制相变过程 以获得要求的组织和性能 不同的相变前的奥氏体组织 相变后组织就会不同 性能不同 奥氏体化条件不同 形变条件的不同 轧制中就会出现不同的动态回复过程 动态回复 动态再结晶 静态回复过程 静态回复 静态再结晶 而不同的回复过程会形成各种条件下钢的组织变化 所以控制轧制实质上就是通过对轧制条件 温度制度 变形制度 速度制度 的控制实现对钢材的组织和性能的控制 1 2 3冷却过程中钢的组织变化 冷却过程中钢的组织变化取决于形变条件和冷却条件 冷却条件包括 开始冷却温度 冷却速度和终止冷却温度 为了获得预期的理想组织 一般要求 从形变后就应对冷却进行控制 冷却控制必须与形变的条件结合 形变奥氏体在不同冷却条件下相变温度会发生改变 1 3低温轧制工艺1 3 1低温轧制 低温轧制目前有两种方式 一种低温轧制是降低加热炉加热温度 通常开轧温度约950 是一种能节省能源 细化晶粒 减少烧损和金属脱碳的有效方法 目前该技术正在推广和不断完善中 另一种低温轧制是在最终成品道次前的几架轧机对轧件进行控冷后 再进行轧制 在实际生产运用中 低温轧制主要是第二种形式的低温轧制 实现方式主要在精轧前进行控冷 在精轧机中进行低温轧制 这种轧制方式采用在粗 中 预精轧机组中与常规轧制工艺相同的轧制温度 使轧件进入最终轧制前是完全的再结晶组织 而在最后几道次对轧件的温度和变形量进行控制 以直接影响产品的最终组织 根据轧制钢种的不同 精轧可采用 型或 型轧制工艺 采用 型控制轧制工艺 即在奥氏体未再结晶区进行轧制 这种轧制有利于 晶粒的细化 采用 型轧制即 两相区轧制时 可最终获得微小晶粒 由于PSM轧机的投入 在终轧前再进行一次低温轧制 750 950 经低温变形后 可得到均匀的细晶组织 有利于改善产品性能 在采用低温轧制工艺时 有几个问题需要注意 首先是低温轧制前轧件的均温 当采用低温轧制工艺时 一般在精轧机组前或减定径前装有冷却段 并留出一定的距离 以用于轧件在进入最后精轧道次或减定径时有一段均温过程 工艺要求进入精轧机和减定径最后轧制的轧件表面和芯部温差不得大于50 否则不能保证轧件组织的均匀性 其次是低温轧制变形率以及轧制道次安排 低温轧制过程中奥氏体组织是否发生再结晶 不仅取决于轧制温度 也取决于轧制变形率 一般只有在低温轧制最后2 4道次进行低温轧制才能产生均匀的晶粒尺寸 最后两道次的压下率为24 31 最后4道次的压下率为46 57 为宜 对于大尺寸的线棒材 可以空过上游的几个机架 只进行最后几个机架的精轧 用这种方法 需采用1或2个水冷段以达到适宜的低温轧制温度 此外 需考虑低温轧制的温度范围和适用范围 生产实践表明 大于 40mm的棒线材不适用于低温轧制 而从细化晶粒效果方面考虑 不同轧钢不同工艺中采用的轧制温度也不同 表1给出了不同钢种在不同轧制工艺中采用的温度范围 表1不同钢种低温精轧工艺温度范围 1 3 2轧后冷却 低温轧制轧后冷却通过缓慢冷却或保温处理 降低轧后轧件冷却速度 使未转变奥氏体有足够时间发生相变 从而获得所需的相变组织 在低温轧制形变诱导铁素体相变过程中 从铁素体中析出的碳往往并不能均匀地富集于未转变奥氏体中 而是在铁素体 铁素体界面和铁素体 奥氏体之间的界面前沿 界面处这些富碳奥氏体区在等温或缓冷过程中易析出短棒状或颗粒状渗碳体 由于能量趋低原理 这种短棒状渗碳体还会在随后的等温过程中熔断而逐渐球化 而未转变的奥氏体将转变为铁素体 珠光体 在随后的保温过程中 碳化物发生退化 甚至球化 研究表明当未转变奥氏体晶粒直径 3 m时 从奥氏体中可直接析出球状的渗碳体 这说明奥氏体晶粒的超细化有利于获得球状珠光体 图2给出了渗碳体由片状向粒状或球状转变示意图 图2片状碳化物溶断及球化 研究表明 由于形变诱发铁素体相变 中碳钢在略高于A3温度时形变就可获得约2 3 m的超细铁素体晶粒尺寸 在800 以上温度形变时 DIF量随形变温度降低而缓慢增加 在750 800 范围内 DIF量随形变温度降低而显著增加 在750 以下 DIF量超量析出 DIF体积分数显著增加 远远超过平衡铁素体体积分数值的54 随着DIF的提高 越来越多的碳原子被拒绝进入到铁素体晶界以及铁素体与未形变奥氏体界面 也就是说在低温及高应变条件下对钢进行形变 经过控制冷却后可获得合适的球化显微组织 1 4低温轧制工艺与传统控轧控冷工艺的区别 低温轧制与传统控轧控冷工艺有着明显的不同 1 传统的控轧控冷是在较高温度 900 950 下轧制 并且快速冷却 低温轧制则是在较低温度 600 800 下轧制 轧制结果产生超量铁素体 并且缓慢冷却 得到球化显微组织 2 低温轧制一方面可细化晶粒 另一方面 轧制温度越低会使先析出的碳化物最后形成球状或粒状碳化物 改善钢材组织性能 3 传统控轧控冷工艺是轧制形变之后进行静态相变 主要靠冷却出现过冷度而自行相变 低温轧制是在轧制过程中进行动态相变 主要靠大的轧制压下量提供相变激活能而诱导的动态铁素体相变 低温轧制的优点 减少加热能耗 减少氧化烧损 提高成材率