工艺技术_热轧板带钢制造工艺课件

板带轧制理论与工艺 主讲人邸洪双2011年3月 材料加工工程硕士研究生选修课 板带轧制过程的数学模拟 板带轧制厚度控制 板凸度和板平直度理论 涂镀层钢板的生产 绪论 主要内容 热轧板带钢制造工艺 冷轧板带钢制造工艺 电镀锌板带钢制造工艺 热浸镀锌板带钢制造工艺 中口径无缝钢管制造工艺 小口径无缝钢管制造工艺 UOE钢管制造工艺 中口径高频焊管制造工艺 小口径高频焊管制造工艺 螺旋焊管制造工艺 辊弯和冲弯钢管制造工艺 重轨及其制造工艺 重轨及其制造工艺 重轨及其制造工艺 H型钢 线材及其制造工艺 线材应用例 特殊钢棒材及其制造工艺 特殊钢棒材应用例 冷轧钢板生产技术发展概况 绪论 1我国冷轧钢板生产技术发展概况 冷轧生产技术发展的3个阶段 第一阶段 1978年以前 缓慢发展 代表设备 1962年鞍钢1700 1200单机架四辊可逆冷轧机第二阶段 1978 1998 稳步发展 计6套 代表设备 1978年武钢1700 1989年宝钢2030冷连轧第三阶段 1998年以后 快速发展 代表设备 宝钢5 9 套 2030 1420 1550 1800 1220 益昌 鞍钢3 5 套 1700 1900 3冷轧 1500硅钢 2130 武钢1 2 套 1700 2150 5机架6辊酸轧机组 ZR20 其它 济钢2套 本钢3套 唐钢2套 首钢2套 邯钢 马钢 冷轧钢板生产技术的发展过程 机架数 单机可逆 连轧 3 4 5 6机架轧辊数 2 4 6 HC UC 20 36 森吉米尔 轧制速度 100 3000m min 50m s 发展趋势 大型化 高速化 连续化 自动化 1我国冷轧钢板生产技术发展概况 1我国冷轧钢板生产技术发展概况 我国代表性冷连轧机组的类型 冷轧带钢主要产品 汽车用钢 IF BH CQ DQ 等深冲板高强钢板 DP 双相钢 CP 复相钢 TRIP钢电工用钢 取向 无取向 高牌号到中低牌号硅钢片建筑用板 热镀锌板 电镀锌板 彩涂板包装用板 镀锡板 有机涂层板不锈钢板 装饰板 厨房用钢 耐腐蚀钢板家电用钢 湿家电 洗衣机 洗碗机冷家电 电冰箱 空调器 厨房用具热家电 微波炉 电烤箱 1我国冷轧钢板生产技术发展概况 1我国冷轧钢板生产技术发展概况 2 钢板冷轧过程的特点 冷轧技术发展继续教育培训讲座 宽厚比大 板形控制难度大冷连轧最薄规格 0 15mm 最宽规格 2000mm宽厚比 10000保证板形良好的条件 比例凸度相等 冷轧要求最严格 2 钢板冷轧过程的特点 变形抗力大 厚度精度要求高 难度大轧制力大 轧机弹性变形大 要求机架刚度大轧辊弹性变形 压扁 弯曲 大 要求辊系刚度大轧辊热膨胀和磨损大采用润滑轧制减小摩擦对数学模型要求高 2 钢板冷轧过程的特点 带张力轧制 张应力t 0 3 S 张力作用 防止轧件跑偏改变轧件应力状态 降低轧制力控制板形作为AGC控制的一种手段 2 钢板冷轧过程的特点 4 工序多 工艺复杂 综合性强主要工序 焊接 酸洗 轧制 脱脂 退火 平整 剪切 矫直 镀层技术综合 冶金 机械 控制 计算机学科综合 力学 轧制力 张力 应力分析 化学 酸洗 脱脂 涂层 数学 模型 公式 算法 金属学 退火 织构 组织性能 物理学 摩擦 润滑 表面 其它 机械学 控制理论 人工智能 2 钢板冷轧过程的特点 产品要求高 2 钢板冷轧过程的特点 尺寸精度要求 2 5 m比载人航天高9个数量级 109 10亿倍 板形精度要求 5I 1I 10 5 表面精度要求 不允许有任何瑕疵 O5板 要求最严格的汽车面板 家具用板 经得起挑剔目光的考验 2 钢板冷轧过程的特点 轧辊的发展变化 小径化趋势小辊径的优点 减小接触区 减小轧制力 减小弹性变形 有利轧薄 2 钢板冷轧过程的特点 小辊径的优点 减小接触区 减小轧制力 减小弹性变形 有利轧薄 工作辊直径 510mm295mm200mm 4 3MN 6 4MN 13MN 2 冷轧过程特点 最小可轧厚度 最小可轧厚度理论 Tong Sacks理论 Ford Alexander理论 hmin 1 544 C0kR D 3000 通常可用到 D 1000 D 2000 轧薄规格要减小辊径采用支撑辊增加刚度带张力轧制情况不同 2 冷轧过程特点 小径化趋势 2辊轧机 冷轧很少采用4辊轧机 大量采用6辊轧机 近年来应用较多 有HC UC CVC多种类型6辊轧机基本特点 中间辊横移 工作辊横移 2 冷轧过程特点 小径化趋势 6辊轧机工作辊直径太小容易出现横向弯曲 需要侧向支撑偏8辊轧机 不适合可逆轧制Z high轧机 双向侧支撑 可以可逆轧制 偏8辊轧机 Z high轧机 2 冷轧过程特点 小径化趋势 12辊轧机和20辊轧机 辊径进一步减小20辊轧机广泛用于轧制难变形材 多辊轧机 森吉米尔轧机 常用于不锈钢 占世界96 硅钢 弹簧钢 游丝 全世界有500多套 主要参数辊径 1 5 90mm宽度 20 2200mm厚度 0 001mm速度 15m s 最大 异步轧制 上下辊采用不同的线速度优点 减小轧制力 有恒延伸效果 板形控制容易突破最小可轧厚度 90mm辊径轧制出0 005mm 钢 0 0035mm 铜 缺点 1 轧机震动 2 负荷分配不均 快辊负荷大 2 冷轧过程特点 不对称轧制 异径轧制 上下辊采用不同的辊径优点 减小接触弧长度 减小轧制力 2 冷轧过程特点 不对称轧制 3 冷连轧工艺及其新进展 现代冷轧带钢生产技术新进展讲座 冷连轧工艺流程 主导工艺环节 酸洗 轧制 退火 精整 涂层开卷 切头 焊接 活套 料仓 酸洗 清洗 退火 平整 分卷 包装 冷轧卷轧制 剪切 卷取退火 平整 横切 包装 冷轧板退火 焊接 镀锌 剪切 镀锌板 涂层 烘干 包装 彩涂板 3 冷连轧工艺及其新进展 5 冷轧产品开发 3 冷连轧工艺及其新进展 3 冷连轧工艺及其新进展 带钢冷轧发展的3个阶段 单机可逆轧制 连续式轧制 通常3 6个机架 全连续无头轧制 无头轧制CDCM 酸 轧联合机组 FIPL 酸 轧 退连续生产线 单机可逆轧制 缺点料头损失大生产效率低产量低 成本高 特点前后带卷筒 正反转轧制控制系统简单操作维护容易投资少 见效快 单卷连续式冷连轧机组 特征 成卷连续轧制 每架轧机只轧1道 生产效率较高缺点 每一卷要穿带 头尾出现尺寸偏差 影响生产 开卷机 八一钢厂采用 调试中遇到问题 无头轧制的冷连轧机组示意图 实现方法 前一卷的尾部与后一卷的头部焊接在一起优点 避免穿带 减少头尾偏差 生产高效率 CDCM 酸轧联合机组 ContinuousDiscalingContinuousMill 酸 轧 退联合机组 FIPL 示意图 典型机组 新日铁广畑厂 1987 美国Inlandsteel操作数据 设备利用率95 成材率96 9 年产量 108万吨能耗降低40 断带事故 0 1卷 月 鞍钢1780冷轧 鞍钢1500冷轧宝钢1550冷轧 宝钢1420冷轧 鞍钢1700冷轧 冷连轧机组四辊与六辊轧机的组合方式举例 3 Roll Unit FlashButtWelder PicklingTank CarrouselReel FlyingShear 工作辊 中间辊 支撑辊均可轧制中快速 自动换辊轧辊自动找正 开卷机矫平机闪光对焊机温度板卷处理操作 双CPC对中装置粗调CPC和精调CPC入口导向架3辊导向架提高对中精度 日立电机驱动伺服阀日立 索尼磁尺高响应性 20Hz 高精度 1 m 长寿命 2 5年 容易维护 4 3 2 1 OPTION DeliveryLooper POR Sidetrimmer 5 RollChanging 工作辊正负弯辊 横移中间辊横移与弯辊可实现大压下轧制良好板形控制功能出色的边部减薄控制 ScaleBreaker RoughCPC 深槽 浅槽 喷射式等多种方式有操作稳定和节能的特点 弯曲 大张力 延伸减少酸消耗 改善环境加快除鳞时间减小切边 改善板形 IntermediateLooper FineCPC EntryLooper 入口板卷处理 DUALCPCUNIT HYROP F 预除鳞 酸洗槽 UCM轧机 Bridle 采用转鼓式飞剪 缠绕式进料器 可进行高速穿带 适于稳定生产薄规格产品 卡塞尔双筒卷取机 三菱 日立冷轧新技术 切边剪和碎断剪 带AWC功能 实现自动宽度控制和高精度剪切 FINECPCUNIT SHEARWITHPINCHROLL TENSIONMETERROLL PASSDIRECTION DIRECTION No 1MILLSTAND THREEROLLUNIT ENTRYTHICKNESSGAUGE 3辊导向架 精调CPC 入口导向架 粗调CPC HITACHISpecialTechnology 双CPC对中装置 PASS PASS ENTRYSHEARWITHPINCHROLL Forstripdividing OPTIONAL 精调CPC 带钢侧弯补偿 MILLENTRYBRIDLEUNIT Forheavyreduction andstablerolling 粗调CPC 带钢对中控制 SIDEGUIDEUNIT Forstripthreading THREEROLLUNIT Tocontinuesteadyrolling bykeepingofstrip TENSIONMETERROLL Easystripthreadingand coolantdamming 双CPC对中系统 弯曲 张力预除鳞 1 TensionLevellerTypeScaleBreaker Stretching Bendingtype2 UltraHighTensionLeveller NarrowTrimmingScrapWidth3 Multi purposeScaleBreaker HighproductivityofHighCarbonMaterial Bending Anti camberingunit Stretchingunit Tension ExitBridle EntryBridle LevelingMill FlatSheet Elongation EdgeWave QuarterBuckle CenterWave 电机驱动伺服阀 带AWC的切边剪 带AWC的切边剪 Traversing Notching Turning Traversing Turning 常规切边剪 1 通过转动进行剪切宽度控制2 定位精度高 效率高 VERTICALBELTWRAPPER DELIVERYCOILCAR DRUMSHEAR DELIVERYTHICKNESSGAUGE PASS CAROUSEL卷取机 SHAPEMETER TENSIONMETERROLL SNUBBERROLL OUTBOARDBEARING FINALMILLSTAND No 1 No 2 酸洗目的 清除氧化铁皮 保证带钢表面质量酸洗方式 1960年前 硫酸酸洗 难回收 1960年后 盐酸酸洗 可再生利用 深槽酸洗 浅槽酸洗 推式酸洗 1990年后 湍流酸洗湍流酸洗要点 无槽 带钢在窄缝中运行 酸液运动方向与带钢相反 形成湍流 效率高 酸洗时间短 质量好 省电 事故处理容易 冷连轧工艺及其新进展 酸洗 酸洗分类 酸类按照一定的浓度 温度 速度 用化学的方法除去氧化铁皮 称为酸洗 酸洗定义 酸洗的分类 按酸的种类分 有硫酸酸洗 盐酸酸洗 硝酸酸洗 氢氟酸酸洗等 酸洗必须根据钢板的材质采用不同种类的酸 例如 用硫酸 盐酸酸洗炭素钢板 用硝酸加氢氟酸的混合酸酸洗不锈钢板等 按轧制工艺分 有钢坯酸洗 线材酸洗 锻材酸洗 板坯酸洗 钢板酸洗 带钢酸洗等 按钢材的化学成分分 有碳钢钢材酸洗 硅钢钢材酸洗 合金钢钢材酸洗 不锈钢钢材酸洗等 按酸洗设备类型分 有槽式酸洗 摆动式酸洗 连续式酸洗 半连续式酸洗 塔式酸洗等 按酸洗反应性质分 有化学酸洗 酸碱复合酸洗 电解酸洗 中性电解去鳞等 轧材表面的氧化铁皮 各种钢铁制品表面的氧化铁皮的组成及结构都不一样 材质的化学成分 如普碳钢及特殊钢 加热温度的高低 冷却速度的快慢以及加工方法 退火 淬火 等因素对氧化铁皮的生成都有明显的影响 一般最常见的碳钢的氧化铁皮在575 以下生成两层 外层为Fe2O3 内层为Fe3O4 如果在575 以上则生成三层 外层Fe2O3 中层Fe3O4 内层FeO 如果是合金钢 除上述三种氧化层外 还有合金元素的氧化物 如铸铁 硅钢 SiO2 不锈钢 Cr2O3 NiO 氧化铁皮的去除方法 机械法 机械法去除氧化铁皮的做法有 抛光法 滚磨法 高压水冲洗法 刷光法 喷 抛 丸法 喷砂法 破鳞法 化学法 采用酸 碱等化学物质与钢铁材料表面的铁鳞起化学反应而去掉氧化铁皮 化学物质一般均使用强酸 强碱如硫酸 盐酸 氢氟酸等 也有采用氢氧化钠的水溶液 如清洗硅钢表面的白膜 SiO2 还有采用熔融的氢氧化钠 例如用质量分数为80 的氢氧化钠 质量分数为20 的硝酸钠 在500 左右的高温下 达到改变钢铁材料的性质 如改变不锈钢表面的氧化铁皮的性质 以达到有利于酸洗的要求 电化学法 电化学法酸洗就是将浸入酸溶液中的钢铁制品 包括热轧带钢 的两边通过电极通上电流 以加速氧化铁皮的去除 中性电解法去鳞是采用无毒无害的中性盐作为电解液 如利用硫酸钠等方法 例如上海某冷轧带钢厂就是用质量分数为20 的硫酸钠溶液进行电解去鳞的 连续式酸洗机组的概述 从热轧厂运送来的热轧带钢卷 是在高温下进行轧制和卷取的 带钢表面在轧后和卷取后生成的氧化铁皮 能够很牢固地覆盖在带钢的表面上 并掩盖着带钢表面的缺陷 若将这些带着氧化铁皮的带钢直接送到冷轧机进行轧制的话 会造成如下影响 在大压下量的情况下 会将氧化铁皮压入带钢的基体 影响冷轧带钢的表面质量和加工性能 甚至造成废品 氧化铁皮破碎后进入冷却润滑轧辊的乳化液系统 会损坏循环设备 缩短乳化液的使用寿命 会损坏轧辊的表面 酸洗的任务 清除带钢表面的氧化铁皮切掉有缺陷部分的带钢 主要形式 半连续酸洗机组连续卧式酸洗机组连续塔式酸洗机组 半连续酸洗机组 半连续酸洗机组示意图 1 开卷机 矫直机 酸洗槽 清洗槽 烘干装置 圆盘剪 碎边剪 铡刀式间断机 张紧装置 卷取机 半连续酸洗机组也称推式 或推拉式 酸洗机组 其工艺操作过程是 钢卷经过开卷机开卷后 随之进入矫直机进行矫直 以保证带钢顺利地进入机组 被矫直的带钢与酸洗槽内的酸液发生化学反应而除去其表面的氧化铁皮 然后进入清洗槽 除去带钢自酸洗槽中带出的残酸 再经热风烘干装置及其表面烘干 最后经过剪边 切掉头尾舌头 进入卷取机进行卷取 半连续酸洗机组 半连续酸洗机组的头部一般没有铡刀式间断机 主要是因为热轧带钢的前端 舌头 能够很顺利地通过机组 但在每个酸槽内和酸槽之间安装有传动的拉料辊 拉料辊的辊缝可调 以便带钢头部能够较准确地被引入拉料辊 如果半连续酸洗机组同时酸洗两条以上带钢 那么在酸槽内还将设有带钢导向槽 以保证几条带钢在酸槽中平行的正常运行 优点 造价便宜 没有头部的剪切机 除鳞机或拉矫机 焊接机 活套车或活套坑 拉料辊的数目少 设备简化 大大地缩短了机组的长度 减少了占地面积 提高了机组的生产率 并简化了操作 品种灵活 缺点 不能并卷 不适用于采用小卷重板卷的冷轧厂 连续卧式酸洗机组 高生产率的连续卧式酸洗机组 1 带有弯曲辊 给料装置和五辊矫直机的开卷机 2 双铡刀剪 3 用于焊接前精确剪切头尾的铡刀剪 4 带光整的焊接机 5 拉料辊 6 拉矫机 7 张力装置 8 入口活套装置 9 酸洗槽 10 清洗槽 11 烘干装置 12 出口活套装置 13 张紧台架 14 圆盘碎边剪 15 涂油装置 16 剪切机 17 卷取机 特点 带钢连续地通过盛有酸溶液的酸洗槽 除去表面的氧化铁皮 前提 后一卷带钢的头部与前一卷带钢的尾部焊接起来 连续卧式酸洗机组的组成 原料准备段 上料 拆卷 破碎带钢表面的氧化铁皮 矫直 切头切尾 焊接 光整 酸洗工艺段 拉矫 酸洗 漂洗 烘干 酸洗成品段 剪边 涂油 卷取 卸卷 各段之间的衔接 活套 由于酸洗机组各段工作性质的特殊性和工作速度的不同 所以要将这3段紧密地联系起来 实际上是不可能的 为了保证各段工作的独立性 满足酸洗段的连续运行 特在机组的每两段之间各设立一个活套车 以储备一定数量的带钢 带钢的储量是不固定的 在准备带钢 上料 卸下带钢卷 卸料 及生产的期间内 储备量会增大或减少 中等生产率的连续卧式酸洗机组 连续塔式酸洗机组 1 开卷机 2 矫直机 3 剪切机 4 焊接机 5 送料辊 6 入口活套装置 7 塔架 8 酸洗塔 9 清洗装置 10 中和装置 11 烘干装置 12 出口活套装置 13 剪切机 14 涂油装置 15 卷取机 连续塔式酸洗机组 带钢连续在立式的塔中运行时 将热盐酸溶液喷射到带钢表面 除去带钢表面氧化铁皮的方法 带钢在塔内由下而上 然后再由上而下由下一个来回 或几个来回 形成所谓的单套或多套连续塔式酸洗 酸洗塔像一个竖井 由几个塔节组成 塔节用工程塑料或玻璃钢制成 塔顶上有塑料或玻璃钢盖 在单套塔中 为了使被酸洗的带钢能垂直运动 在塔的上部装有一个衬胶的导辊 下部有两个导辊 在塔的第3 5节上装有带孔的管道 酸液从孔内喷射到带钢表面上 塔的下部与用工程塑料或玻璃钢制成收集槽连在一起 酸液从带钢上流入槽内 在带钢的入口处或出口处 设有吹风装置 用以清扫带钢表面残酸或防止落下的酸液向塔外飞溅 塔内 由抽风机造成负压 以保证塔体具有良好的密封性能 不使酸雾外溢 连续塔式酸洗机组 在15 的盐酸溶液中酸洗时间与温度的关系曲线 喷射酸洗时间与溶液压力的关系曲线 温度70 浸泡酸洗 喷射酸洗 浸泡酸洗 0 1MPa压力的喷射酸洗 0 2MPa压力的喷射酸洗 塔式连续酸洗的缺点 设备维修不便 停车检修时间长 塔内带钢的对中比较复杂 带钢在塔内断代时 重新穿带比较困难 带钢在塔内运行时摆动较大 会损坏喷酸的喷嘴 带钢表面氧化铁皮 氧化铁皮是金属在加热 热处理或在热状态下进行加工时形成的一层附着在金属表面上的金属氧化物 由于金属的成分 表面温度 加热和冷却制度 周围介质含氧量等因素的不同 氧化铁皮的成分与结构也因之而异 一般来说 金属的化学性质越活泼 温度越高 金属的氧化速度就越快 氧化时间长则形成的氧化铁皮厚度就越大 铁是一种比较活泼的金属 各种铁的氧化物 结构也较为疏松 而钢材的轧制及铁制品的加工 多半都是在较高的温度下进行的 因此 加快了钢材的氧化速度 促进了钢材表面氧化铁皮的形成 由于热轧带钢的化学成分 轧制温度 轧制后的冷却速度及卷取温度的不同 所以带钢表面上所形成的氧化铁皮的结构 厚度 性质亦有所不同 具体地分析 研究这些特征 对于有效地清除氧化铁皮和控制氧化铁皮生成有利于清除的形式都是有利的 带钢表面氧化铁皮 1带钢表面氧化铁皮的形成 轧件经粗轧后沿辊道向精轧机组运行时 温度为1000 左右 这时在轧件表面上已生成了一层薄的氧化铁皮 但精轧机组前的二次除鳞装置可将其清除掉 在精轧过程中带钢在机架间暴露的时间极短 而且较大的压下量阻碍了表面上形成厚的氧化铁皮 而所形成的氧化胞膜立即被破坏并受到冷却水的冲洗 因此 可以说刚刚从精轧机组轧出的带钢 虽然有较高的温度 但带钢表面的氧化铁皮是极薄的 带钢在输出辊道上经过层流冷却后 在600 左右进行卷取 随后缓慢冷却 在此过程中 带钢表面被氧化而形成氧化铁皮 2氧化铁皮的组成和结构 带钢表面的氧化铁皮 由于钢的化学成分 轧制时带钢表面温度 加热温度 终轧温度 冷却制度 周围介质的含氧量的不同 因此 氧化铁皮的组成和结构也因之而异 热轧炭素结构钢的终轧温度一般控制在870 左右 且周围介质含有大量的氧气 随后又是相当快的冷却速度 所以其氧化铁皮一般都具有三层结构 钢铁表面的一层是富氏体 FeO和Fe3O4固溶体 在上面一层是Fe3O4 最上面一层是Fe2O3 带钢表面氧化铁皮 3影响带钢表面氧化铁皮的因素 终轧温度和速度的影响 铁的氧化过程是Fe FeO Fe3O4 Fe2O3 随着温度的升高 氧化速度逐渐增大 在600 800 的范围内 生成的氧化铁皮能够很好地阻碍铁及氧原子的扩散 因此氧化速度反而不再继续增大 当温度超过800 时 氧化铁皮阻碍扩散的能力将大大降低 因此 氧化速度又迅速增大 钢的氧化速度与温度的关系 由于温度升高 氧化速度加快 因此在单位时间内 带钢表面氧化铁皮的厚度随着温度的升高而增厚 同样 高的轧制速度可以减少钢在高温状态下与空气接触的时间 从而也就减少了氧化铁皮的厚度 因此 为了减小氧化铁皮的厚度 热轧带钢应在尽可能低的温度和尽可能高的轧制速度下进行轧制 带钢表面氧化铁皮 从氧化铁皮的结构上看 终轧温度在700 900 之间时 所形成的氧化铁皮含80 90 的FeO 10 20 的Fe3O4 在温度高于900 的条件下 氧化和氧化性气体较多时 铁将迅速被氧化 Fe3O4可以在高温下迅速形成 并开始在铁皮表面形成Fe2O3单独一层 当温度低于570 时 氧化铁皮由Fe3O4组成 表面上覆盖着一层很薄的Fe2O3 提高轧制速度可以减小氧化铁皮的厚度 然而 过高的轧制速度将使卷取温度迅速提高 并造成氧化铁皮中的富氏体转变为Fe3O4 给以后清除带钢表面上的氧化铁皮 酸洗 工作带来困难 因此 准确地控制轧制速度乃是有利于酸洗的重要因素 带钢表面氧化铁皮 一般来说 热轧带钢表面的氧化铁皮有三层 靠近基铁的内层为富氏体 中间层为Fe3O4 外层为Fe2O3 其中有利于酸洗的富氏体在575 以上是稳定的 在570 以下时富氏体中的FeO不稳定 并且按照4FeO Fe3O4 Fe分解 变成Fe3O4和Fe 当温度进一步降低到300 以下时 这种转变将趋近于零 如果氧化铁皮层在570 300 之间急速冷却的话 则富氏体层将来不及分解并在更低的温度下被固定下来 从而得到有利于酸洗的富氏体结构 B冷却速度的影响 缓冷时 铁皮中的富氏体层随着冷却速度降低二逐渐减少 因此 带钢在冷却区域冷却速度较慢时 铁皮中的富氏体层只有少量存在或完全没有 实际生产过程中 一般是轧后进入层流冷却区进行快冷 在喷水的情况下 氧化铁皮的厚度增加很快 因为氧化铁皮在水中要比在空气中形成的快 因此 在水蒸气气氛中停留的时间愈长 形成的氧化铁皮就愈多 而FeO的含量却减少 所以 准确地调节喷水段的冷却速度和尽可能地减少在水中的停留时间是非常重要的 带钢表面氧化铁皮 带钢的卷取温度在600 700 时 对氧化铁皮厚度的增加没有太明显的影响 但卷取温度提高 在带钢的边缘和头部会生成Fe3O4 进一步降低卷取温度对氧化铁皮的厚度没有明显影响 但是 带钢边缘和尾部出现Fe2O3的危险减小了 同时 富氏体向Fe3O4转化的程度也减小了 当卷取温度从700 降低到600 时 酸洗时间就缩短10 20 为了控制富氏体的转化 带钢应该在相当低温度下进行卷取 500 550 但这样将导致卷取前带钢水冷时间增加 从而引起氧化铁皮厚度的不均匀性增加 Fe3O4将增多 富氏体减少 因此 必须制定最佳的卷取温度 以减少带钢在冷却过程中富氏体的转化 防止氧化铁皮厚度明显增加 实践表明 在550 590 卷取时 带钢表面的氧化铁皮最薄 其中富氏体层较厚 富氏体分解最少 因而酸洗时间能够减少 C卷取温度的影响 带钢表面氧化铁皮 4带钢表面氧化铁皮的可酸洗性 影响热轧带钢可酸洗性的主要因素 氧化铁皮的附着强度 带钢的化学成分 机械变形的种类和程度 氧化铁皮的结构及厚度 表面污染 表面缺陷 酸洗剂的种类和成分以及酸洗时的工作条件等 在氧化铁皮中 富氏体只是靠近在钢板基体的表面上存在 而铁皮外层的Fe3O4和Fe2O3在酸溶液中是比较难溶解的 但由于铁皮层存在着裂缝和气孔 特别是通过破鳞和拉矫后 因此 酸溶液便能通过这些裂缝和气孔到达金属表面和富氏体层 随着金属铁和富氏体的溶解 便减少了铁皮与金属之间的附着力 并在酸溶液与金属铁反应过程中生成的氢气的作用下 氧化铁皮便从基体上脱落而沉到酸槽的底部 与此同时 难溶的Fe3O4及Fe2O3也被还原成容易溶解的FeO 从而使氧化铁皮从带钢表面上分离开来 影响酸洗性的另一个重要因素是氧化铁皮的致密度 富氏体具有天然的最大孔隙率 而Fe3O4层和Fe2O3层是致密的 它们会把铁皮中其他氧化层内的气孔全部堵死 从而阻碍了酸液的渗入 带钢在冷却过程中虽然会形成一些裂纹 但也不能保证酸液渗入氧化铁皮的深处 特别是现代化轧机生产的热轧带钢 铁皮的厚度是相当稳定的 其致密度是相当高的 因此 为了提高氧化铁皮的可酸洗性 采用破鳞设备增加裂纹仍然是十分必要的 酸洗原理与影响酸洗的因素 A酸洗原理 带钢表面的氧化铁皮 FeO Fe3O4和Fe2O3 都是不溶解于水的碱性氧化物 当把氧化铁皮浸泡在酸液里或者在其表面上喷洒酸液时 这些碱性氧化物就可与酸发生一系列化学反应 由于碳素钢和低合金钢钢材表面上的氧化铁皮具有疏松 多孔和裂纹的性质 加之氧化铁皮在酸洗机组上随同带钢一起经过矫直 拉矫 传送的反复弯曲 使这些孔隙裂缝进一步增加和扩大 所以 酸溶液在与氧化铁皮起化学反应的同时 亦通过裂缝和孔隙与钢板的基体发生反应 也就是说 在酸洗一开始就同时进行着三种氧化铁皮和金属铁与酸溶液之间的化学反应 所以 酸洗机理可以概括为以下三个方面 溶解作用 机械剥离作用 还原作用 酸洗原理与影响酸洗的因素 溶解作用 带钢表面氧化铁皮中各种铁的氧化物溶解于酸溶液内 生成可溶解于酸液的正铁及亚铁氯化物或硫酸盐 从而把氧化铁皮从带钢表面除去 这种作用称为溶解作用 在盐酸容易中酸洗时 Fe2O3 6HCl 2FeCl3 3H2O Fe3O4 8HCl 2FeCl3 FeCl2 4H2O FeO 2HCl FeCl2 H2O Fe2O3 3H2SO4 Fe2 SO4 3 3H2O Fe3O4 4H2SO4 Fe2 SO4 3 FeSO4 4H2O FeO H2SO4 FeSO4 H2O 在硫酸容易中酸洗时 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 在溶解反应中式 2 3 6 的反应速度最大 反应式 2 1 2 2 次之 而反应式 2 4 2 5 则很难进行 假如酸溶液能够很顺利地通过裂缝 孔隙由氧化铁皮的外层进入内层的话 那么内层FeO的溶解将对整个酸洗过程起着加速的作用 酸洗原理与影响酸洗的因素 机械剥离作用 带钢表面氧化铁皮中除铁的各种氧化物之外 还夹杂着部分的金属铁 如下图所示 而且氧化铁皮又具有多孔性 那么酸溶液就可以通过氧化铁皮的孔隙和裂缝与氧化铁皮中的铁或基体铁作用 并相应产生大量的氢气 由这部分氢气产生的膨胀压力 就可以把氧化铁皮从带钢表面上剥离下来 这种通过化学反应中产生氢气的膨胀压力把氧化铁皮剥离下来的作用 称为机械剥离作用 Fe 2HCl FeCl2 H2 Fe H2SO4 FeSO4 H2 2 8 2 7 金属铁在酸溶液中的溶解速度大于铁的各种氧化物的溶解速度 特别是铁在硫酸中的溶解速度远远大于铁的氧化物的溶解速度 所以机械剥离在酸洗过程中起着很大的作用 据有关资料介绍 盐酸酸洗时有33 的氧化铁皮是有机械剥离作用去除的 而在硫酸酸洗时 有高达78 的氧化铁皮是靠机械剥离作用去除的 酸洗原理与影响酸洗的因素 还原作用 在反应式 2 7 2 8 中 金属铁与酸发生作用时 首先产生氢原子 一部分氢原子相互结合成为氢分子 促使氧化铁皮剥离 另一部分氢原子靠其化学活泼性及很强的还原能力 将高价铁的氧化物和高价铁盐还原成易溶于酸溶液的低价铁氧化物及低价铁盐 Fe2O3 2 H 2FeO H2O Fe3O4 2 H 3FeO H2O FeCl3 H FeCl2 HCl Fe2O3 2 H 2FeO H2O Fe3O4 2 H 3FeO H2O Fe2 SO4 3 2 H 2FeSO4 H2SO4 在盐酸酸洗中的反应 在硫酸酸洗中的反应 酸洗技术发展1深槽酸洗2浅槽酸洗3湍流酸洗4注射型酸洗 酸洗技术发展1深槽酸洗2浅槽酸洗3湍流酸洗4注射型酸洗 1深槽酸洗槽深 1100mm垂度 700mm2浅槽酸洗槽深 600mm垂度 150mm3湍流酸洗槽深 200mm垂度 20mm4喷射型酸洗槽深 400mm垂度 50mm 节能环保新技术 喷射酸洗 三菱 日立开发优点 节省酸量减少酸洗时间提高酸洗效率已经应用多家 喷射酸洗 酸槽深 200mm 深槽酸洗 酸槽深 1100mm 浅槽酸洗 酸槽深 600mm 节能环保新技术 喷射酸洗 紊流浅槽酸洗 开发商 MDS特点 适用于低碳钢和硅钢原理 常规酸洗 化学反应 紊流酸洗 电化学反应优点 缩短酸洗时间 降低能耗 废气减少 节能环保新技术 机械除鳞 优点 避免酸污染和废酸处理 减少投资 可持续发展 ND法 高压水带铁砂喷向带钢表面 去除氧化铁皮开发 日本石川岛播磨开发用户 新日铁八燔厂 提高酸洗速度180 250m minAPO机组 铁粒磨料除鳞俄德联合开发 在切列波维茨应用 运行速度 90m min规模 年产50 60万吨 退火技术的进步 冷轧产生加工硬化 需要由退火来消除 产品的微观组织 与退火工艺制度相关常规罩式炉退火全氢保护罩式炉退火连续退火新型感应加热连续退火 钢的冷塑性变形 钢板在冷轧过程中 由于各种因素导致的不均匀变形 使得轧制时所施加的变形能有10 15 以弹性能的形式保留在钢板内部 致使钢板产生弹性畸变和变形内应力 内应力有如下3种类型 宏观内应力 即金属材料各部分变形不均匀造成的宏观范围内相互平衡的内应力 0 1 左右 显微应力 也称晶间应力 即晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀尔造成的在晶粒或亚晶粒之间保持平衡的内应力 1 2 晶格畸变内应力 即冷轧变形过程中金属内部的晶格发生畸变 原子在晶格中偏离其平衡位置而生产的内应力 该应力的作用范围很小 只在几百个到几千个原子范围内平衡 它使强度和硬度提高 使塑性和抗腐蚀能力下降 是内应力存在的主要形式 加工硬化 金属与合金经受冷塑性变形后 其组织 结构和力学性能发生明显的变化 在力学性能方面表现为强度 硬度提高 塑性 韧性下降 这种现象称为加工硬化 变形织构 钢板在冷轧变成过程中 随着变形程度的增加 各晶粒的取向大致趋于一致 这种由于变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织称为变形织构 钢的冷塑性变形 退火的种类 消除应力退火 也称去应力退火 发生回复过程 用以消除应力 防止开裂 再结晶退火 也称软化退火 发生再结晶过程 以提高塑性 恢复变形能力 使工件能进一步变形 研究冷变形金属的回复和再结晶的基本规律 可以了解和掌握两类退火过程发生的变化 控制和确定退火工艺规范 保证退火质量 使钢板获得所需要的使用性能 冷轧后的钢板加热时 其组织 性能 应力状态和变形储能均发生变化 随着温度的升高 晶粒形状和大小发生变化 由变形伸长晶粒逐渐变为等轴晶粒 之后晶粒尺寸逐渐增大 力学性能 强度 硬度 塑性 发生明显变化 某些物理性能 如电阻率 密度 也发生明显的变化 退火过程中发生的主要过程 第一阶段 回复第二阶段 再结晶第三阶段 晶粒长大 退火时组织性能的变化 加工硬化金属材料在加热时组织和性能的变化 再结晶退火时组织性能变化的条件 冷轧变形后钢板加热时发生回复 再结晶的变化 有两个方面的条件 即热力学条件和动力学条件 变化的热力学条件 一切过程的发生都遵循热力学条件 回复和再结晶也不例外 经受冷轧变形的金属 由于位错增殖 空位增加 以及弹性应力的存在 导致变形储能DE增高 变形金属的熵变DS不大 TDS项可以忽略不计 因而变形金属的吉不斯自由能 DG DH TDS DE 升高 金属处于热力学不稳定状态 有发生变化以降低能力的趋势 变形储能即成为发生回复和再结晶的驱动力 变化的动力学条件 热力学条件决定冷轧变形的金属在加热时有变化的趋势 但实际能否发生变化还受动力学条件的制约 变形金属加热时发生的变化通过空位移动和原子扩散进行 而原子扩散的能力以扩散系数D表示 扩散系数决定于温度 有D D0e Q RT的关系 式中D0为扩散常数 Q为扩散激活能 由上式可以看出 随温度升高 原子扩散能力增强 温度降低 扩散困难 因此 冷轧变形后 金属在室温或低温状态 尽管热力学不稳定 但由于原子不易扩散 变化过程非常缓慢 对一些高燃点的金属可以认为基本不发生变化 只有提高加热温度 增大原子的扩散能力 满足动力学条件 变化过程才能发生 退火时组织性能的变化 回复 回复过程的特征 冷轧钢板在较低温度下加热时发生回复过程 其特点如下 回复过程中组织不发生变化 仍保持变形状态伸长的晶粒 回复过程中使变形引起的宏观应力全部消除 微观应力大部分消除 回复过程中一般力学性能变化不大 强度 硬度仅稍有降低 塑性稍有提高 某些物理性能有较大变化 电阻率显著降低 密度增大 变形储能在回复阶段部分释放 回复时释放储能在总储能中所占比例不等 某些研究指出 在高纯金属中仅占3 但在某些合金中可至25 甚至高达70 回复过程机制 回复过程所发生的变化与其内部的结构变化有关 这些结构变化的形式取决于温度范围 因而回复可分为低温回复 中温回复和高温回复三段 冷轧过程中 由于位错的运动 会形成过饱和空位 低温回复过程中使得冷轧过程中形成的过饱和空位消失 以保持平衡浓度 使能量降低 位错的消失是由于空位与位错 晶界 间隙原子以及空位本身结合 交互作用的结果 空位与位错结合 引起位错的正攀移 使得空位消失 空位之间凝聚成空位片 崩塌转化为位错环 空位消失 间隙原子与空位结合使得空位消失 在晶界处空位消失引起疏松 正是由于空位的消失引起某些物理性能显著的变化 电阻率降低 密度增大 而对力学性能则不发生影响 在回复过程中 位错的运动 使得晶粒中原来杂乱分散的位错集中起来 相互结合并按某种规则排列起来 因而在变形晶粒中形成许多小晶粒 这些小晶粒之间的位向差很小 一般不大于10 彼此间以亚晶分开 内部结构接近完整状态 称为回复亚晶 在回复阶段 位错密度及亚结构尺寸无明显改变 因而金属的力学性能变化不大 回复 再结晶退火 再结晶过程的特征 冷变形金属加热时 继回复之后发生再结晶 连续加热时 低温下发生回复 超过一定温度 发生再结晶 一定温度下等温加热时 短时发生回复 长时间加热也发生再结晶 再结晶过程有如下特点 组织发生变化 由冷变形时的伸长晶粒变为新的等轴晶粒 力学性能发生急剧变化 强度 硬度急剧下降 塑性提高 恢复至变形前的状态 变形储能在再结晶过程中全部释放 结构畸变消除 位错密度降低 再结晶过程机制 再结晶过程中新晶粒的形成是通过生核和核心长大两个基本过程 首先在变形基体中形成无畸变的再结晶核心 然后核心在变形基体中扩张 最后变形基体消失 全部成为新晶粒 再结晶形核 再结晶形核不是在畸变最严重的高能区域 而是在邻接畸变严重区域的无畸变区或低畸变区形核 再结晶形核率是指单位时间 单位体积形成的再结晶核心数目 影响形核率的主要因素有 变形程度预先变形量愈大 再结晶形核率愈大 这是因为变形程度增大 位错密度增高 变形储能增加 因而单位体积畸变能的变化DEs也加大 由公式R 2g DEs可知 作为再结晶核心的临界尺寸减小 因而核心数目增多 金属纯度金属纯度低 杂质原子多 对形核率有两方面影响 一方面由于阻碍变形 使变形储能增大 增加形核率 另一方面 因杂质原子在晶界处偏聚 阻碍形核时晶界迁移以及杂质原子钉扎位错 阻碍位错攀移和亚晶长大 使再结晶核心不容易形成 而降低形核率 晶粒大小晶粒细小 增大变形阻力 相同变形量下 位错塞积 畸变区增多 变形储能增高 另外细晶晶界面积大 形核区域多 这两个因素均使形核率增大 温度再结晶温度升高 位错攀移容易 亚晶界容易迁移长大 亚晶也容易转动 聚合 发展成为再结晶核心 从而使形核率增大 再结晶退火 再结晶核心的长大 再结晶核心形成后 在变形基体中长大 实质是具有临界曲率半径的大角度界面 晶界或亚晶界 向变形基体迁移 消耗变形基体 直至再结晶晶粒相碰 变形基体全部消失为止 再结晶核心的长大速度用G表示 核心长大速度即界面迁移速度 可以导出如下关系式 式中 Ds为晶界处自扩散系数 l为界面宽度 K为玻尔兹曼常数 Es为单位摩尔的变形储能 再结晶退火 再结晶温度 再结晶温度包括开始再结晶速度和完成再结晶速度两个概念 开始再结晶温度是指变形晶粒中出现第一个新晶粒或观查到因凸出形核 晶界出现锯齿状边缘的温度 完成再结晶温度是冷变形金属接近全部 95 发生再结晶 形成等轴新晶粒尚未长大的温度 开始再结晶温度可以用下式估算 再结晶完成温度高于开始温度 可由试验具体确定 金属的再结晶温度不是一个严格确定的值 不仅因材料特性而异 而且取决于预先变形和退火时间等外部条件 再结晶退火 影响再结晶温度的因素 1 预先变形程度 变形程度增大 冷变形储能增加 使得再结晶形核率和长大速度都增大 再结晶容易发生 故再结晶温度降低 变形程度增大到一定程度 再结晶温度基本稳定 变化不大 2 杂质和微量元素 微量溶质原子 可以提高再结晶温度 材料愈纯 再结晶温度愈低 其原因是由于微量溶质原子与晶界和位错交互作用 钉扎晶界与位错 阻碍晶界迁移和位错的滑移与攀移 使再结晶形核 长大困难 再结晶不易发生 因而使再结晶温度升高 不同溶质原子对再结晶的影响是由于它们与位错及晶界间有不同的交互作用能 以及其在金属中不同扩散系数所致 再结晶退火 影响再结晶温度的因素 3 原始晶粒大小 原始晶粒大小影响再结晶温度 原始晶粒细小 则晶界增多 提供更多的有利生核区域 此外 细晶粒金属有更大的变形抗力 相同变形程度下 变形储能高 再结晶驱动力大 因此 细晶粒容易发生再结晶 使再结晶温度降低 4 退火时间 根据再结晶动力学特性 发生一定体积分量的再结晶所需时间与温度有如下关系 由上式可知 再结晶开始温度或完成温度均与保温时间有关 随退火时间增加 再结晶温度下降 再结晶退火 影响再结晶温度的因素 5 第二相粒子 金属中第二相粒子的存在即可促进基体金属的再结晶而降低再结晶温度 也可能阻碍再结晶而提高再结晶温度 第二相粒子的促进作用或阻碍作用 是由于在变形过程中 第二相粒子阻碍位错运动 引起位错塞积 增加位错密度和变形储能 是再结晶驱动力增大 但在加热再结晶退火时 第二相粒子的存在又会阻碍位错重排构成亚晶界并发展成大角度晶界的再结晶生核过程 和阻碍多角度晶界迁移的再结晶核心长大过程 当第二相粒子直径和间距都较大时 l mm d 0 3mm 后一影响次要 促进再结晶而降低再结晶温度 当第二相粒子直径和间距都很小时 l mm d 0 3mm 后一影响起主要作用 因而阻碍再结晶 提高再结晶温度 再结晶退火 再结晶后晶粒大小 再结晶完成后 变形的伸长晶粒消失 全部转变为等轴的新晶粒 再结晶后的晶粒大小取决于形核率和核心的长大速度 设取一单位体积的转变体积 其中晶粒的大小取决于单位体积中的晶粒数目n n由再结晶过程中的形核数目决定 式中 xr为再结晶实际转变体积分数 转变开始时xr 0 转变终了时xr 1 故 1 xr 可取平均值 因此有 经推导可以得到再结晶后的晶粒直径d为 式中 G为核心长大速度 C系数 当晶粒为球形 C 1 3 晶粒为立方形 C 1 15 再结晶退火 影响再结晶后晶粒大小的因素 预先变形程度与再结晶后晶粒大小的关心如右图所示 1 预先变形程度 当变形程度很小 不发生再结晶 保持原始晶粒大小 因变形量小 冷变形贮能很低 不能满足形核能量条件 在一定变形量下 冷变 在生产实践中要控制避开临界变形度以防止获得粗大晶粒 临界变形度还取决于退火温度 退火温度升高 临界变形度将减小 形贮能可以在局部满足形核能量条件 而形成少量的核心并长大 最后形成新的粗大的再结晶晶粒 这种刚刚开始得以发生再结晶并形成粗大晶粒的变形程度叫临界变形度 在临界变形度以上的区域 随变形量增加 变形贮能增大 引起形核率和长大速度增加 且形核率与长大速度的比值也随变形量增加 再结晶晶粒变得细小 再结晶退火 影响再结晶后晶粒大小的因素 再结晶后晶粒大小由决定 而形核率和长大速度都适合阿累尼乌斯方程 有以下关系 2 退火温度 一定变形量下 细晶粒比粗晶粒有较大的变形贮能 再结晶后得到细小的晶粒 和接近相同 因而预计在不同温度下将接近常数 故退火温度对晶粒大小只有教微弱的影响 3 原始晶粒大小 4 微量溶质原子 微量溶质原子存在提高变形抗力 使变形贮能增大使增大 并阻碍界面迁移 使G降低 因而 再结晶后得到较细晶粒 再结晶退火 连续退火机组的生产工艺 冷轧连续退火机组 连续退火工艺诞生于20世纪70年代 该工艺将冷轧后的电解清洗 罩式退火 钢卷冷却 平整和精整检查等5个单独的生产工序连接起来形成一条连续的生产机组 用立式的连续退火炉代替间歇式的罩式退火炉 实现连续化生产 简称CAPL 1 开卷机 2 张力平整机 3 19 剪切 4 焊接机 5 电解清洗 6 入口活套 7 预热段 8 加热段 9 均热段 10 缓冷段 11 急冷段 12 冷却段 13 最终冷却段 14 出口活套 15 平整机 16 剪边机 17 检查装置 18 涂油机 20 张力卷取机 连续退火生产的优点 带钢连续进入退火炉 因此退火后组织性能均匀 产品表面光洁 通过控制炉内张力 可以改善带钢板形 带钢平直度好 没有粘结和砂粒压入缺陷 钢材收得率高 且平整效率高 质量好 作业线将清洗 退火 平整 表面自动检查 涂油 重卷或剪切一次完成 减少了多次钢卷处理 减少许多因此而产生的废品 提高了收得率 生产过程简单合理 管理方便 生产出产品的时间由罩式退火的10天缩短为10min 交货迅速 生产过程中贮备料也可大大减少 车间布置紧凑 占地面积小 省掉许多辅助设备 建设费用降低 劳动定员大幅度减少 而且节省能源 连续退火机组的主要产品 普通级别的冲压成形冷轧薄板 深冲压和超深冲压成形的汽车用冷轧