宫明龙-控制轧制课件第八课-3

1,第二篇控制轧制和控制冷却技术的应用,2,8控制轧制和控制冷却技术在钢板生产中的应用,控制轧制是属于形变热处理的一种形式。可以同时提高钢的强度、塑性和韧性，使之得到较高的综合力学性能。钢材的性能改善由以下三个组织因素决定：1）钢的组织细化；2）碳化物的弥散强化；3）获得多边形亚结构组织。控制轧制工艺的主要参数：钢的奥氏体化温度；轧制的温度制度；轧制的变形制度；每道次之间的停留时间；冷却制度。8.1控制轧制时坯料加热制度的选择要考虑钢的化学成分，对钢板性能的要求，加热炉的能力和轧钢设备的能力。在碳素钢和碳锰钢控制轧制时，板坯的加热温度通常为12001300。,3,8.1.1钢的化学成分与加热温度关系（1）低合金高强度钢和微合金化钢的原始奥氏体晶粒尺寸随板坯的加热温度的降低而细化。（2）轧前加热时钢内发生两个过程：碳化物的固溶和奥氏体晶粒长大。奥氏体晶粒大小与碳化物残留相颗粒固溶的程度有关，当碳化物质点全部固溶到奥氏体之后，奥氏体晶粒开始剧烈长大。（3）一般认为，在加热时碳化物的质点能阻止奥氏体晶界的移动，妨碍奥氏体晶粒的合并。8.1.2加热温度对钢板强度的影响（1）加热温度对含Nb钢的强度和塑性影响比较大。（2）提高加热温度对于不含Nb或V的C-Mn钢的抗拉强度和屈服强度影响不大。而加入Nb和V的同时加热温度的提高能明显提高钢的强度。（3）随着加热温度的提高，延伸稍有下降。,4,5,6,7,8.1.3加热温度钢板韧性的影响（1）将加热温度从1200降到1050促使钢的50纤维状断口转变温度相应降低。（2）对于不含Nb或V的钢降低加热温度对改善韧性效果不大。对于含Nb或Nb+V的钢则有显著改善效果。（3）降低加热温度和终轧温度改善了钢的抗脆性断裂的能力是与细化铁素体晶粒有关的，增加Nb和V的含量会引起晶粒的进一步细化。（4）随加热温度的提高，钢中的贝氏体含量增加。在含Mo钢中，加热到1150以上，形成上贝氏体，致使钢的韧性下降。（5）加热温度应控制在11001200，开轧温度为10501150。,8,9,8.2钢板和带钢控制轧制工艺特点控制轧制三个阶段：奥氏体再结晶温度范围轧制；奥氏体未再结晶温度范围轧制；奥氏体和铁素体（A+F)两相区温度范围轧制。,10,8.2.1奥氏体再结晶型控制轧制的特点（1）在奥氏体变形过程中和变形后自发产生奥氏体再结晶的区域中进行轧制，变形温度一般在1000以上。（2）碳素钢的再结晶临界变形量较小，对变形温度的依赖也小。而含Nb钢的再结晶临界变形量都很大，而且对变形温度的依赖也很大。变形温度降低，临界变形量加大。含Nb钢的变形温度越低则临界变形量增大的越多。（3）当轧制温度一定时，随原始奥氏体晶粒粗大而要求有较大的再结晶临界变形量。终轧温度越低则临界变形量越大。Nb钢表现的最为强烈。而碳素钢的再结晶临界变形量随温度的变化不大。（4）随道次变形量的加大，奥氏体再结晶后的晶粒细化。但是，当道次压下率达到50以上时，细化的趋势减小，最后晶粒尺寸达到一个极限值。（5）如果轧后停留时间加长则再结晶晶粒长大，形成粗大的奥氏体晶粒。,11,12,13,（6）在临界变形量以下，将发生部分再结晶或者由于应变诱发晶界迁移，而在奥氏体中出现少量特大晶粒，引起严重混晶现象。（7）在9501100轧制，变形量大于1520，奥氏体晶粒的均匀程度较好，随着轧制温度的降低，必须给以更大的变形量。8.2.2奥氏体未再结晶控制轧制的特点（1）奥氏体未再结晶区域的温度范围在950Ar3温度区间。特点主要是在轧制过程中不发生奥氏体再结晶现象。（2）塑性变形使奥氏体晶粒拉长，在晶粒内形成变形带和碳氮化物的应变诱发沉淀。（3）随着变形量的加大，变形带的数量也增加，而且在晶体内分布得更加均匀，相变后的铁素体晶粒也更加均匀细小。（4）未再结晶区轧制导致钢的强度提高和韧性改善。（5）在拉长的奥氏体晶粒边界，滑移带等处优先析出碳化物颗粒。加大变形量使相变温度提高，促使多边形铁素体数量增加，珠光体数量相应减少。,14,8.2.3奥氏体和铁素体两相区控制轧制特点（1）在两相区变形后，由变形奥氏体转变成的铁素体为细小、等轴、不具备亚结构的铁素体晶粒和珠光体；（2）先析出铁素体晶粒经变形可以有以下三种情况产生：在双相区中以小变形量轧制，铁素体仅被拉长，而在晶内不形成亚结构（亚晶），形状变化不大。增大变形量，除使先析出铁素体被拉长外，晶粒内位错位错密度增加，产生回复，形成亚结构，位错密度下降，一般希望形成这样的铁素体，以得到高强度和韧性的综合性能。给以足够大的压下率时，先析出铁素体晶粒经变形后将发生铁素体再结晶，则形成等轴铁素体晶粒。一般在正常轧制条件下，是不易发生铁素体再结晶的。（3）如果钢中含有Nb、V、Ti微量元素，变形会促进这些元素的碳化物析出。,15,（4）经两相区轧制的钢材性能还与下列因素有关：在进入两相区轧制轧制之前的经历，即与前面的变形条件有关。一般来说，轧制温度稍低些，有利于提高钢板的强度。在提高钢的强韧性同时，钢材形成明显的织构，造成钢材的各向异性。（5）通过两相区轧制，改善钢材韧性不只是靠组织上使铁素体进一步细化，织构发达引起的层状撕裂也有一定作用。,16,17,18,5min,15min,35min,60min,19,20,21,8.2.4铁素体控制轧制的特点,所谓铁素体轧制是指轧件进入精轧机前，完成的相变，使精轧过程完全在铁素体范围内进行，粗轧仍在奥氏体状态下完成。通过精轧机和粗轧机之间的超快速冷却系统，使带钢温度在进入精轧机前降低到Ar3以下。与传统的奥氏体轧制工艺不同，铁素体轧制工艺将变形过程分成2个阶段：第一阶段在奥氏体区完成；第二阶段在铁素体区完成，如图所示。,在工业化生产的条件下，适合铁素体区轧制的典型品种有可直接应用的热轧薄带钢，软而有韧性的钢种，它可以替代传统的冷轧退火钢适用于直接退火，尤其是酸洗后热镀锌处理的薄带钢和超薄带钢用于直接退火的软热轧带钢。,22,铁素体轧制适用条件铁素体轧制工艺要求轧制温度控制在铁碳平衡相图的GS线以下，而对于不同的材料，变形阻力随温度降低而变化的规律是不同的，如图所示，只有碳含量小于0.04的钢种，在850900的温度范围内，屈服应力才会随温度的降低而降低，而对于碳含量高于0.04的钢种则会随温度的降低而升高，导致轧制压力升高，变形困难，无法确保轧制过程的稳定进行。铁素体轧制工艺适用于超低碳钢(C0.0150.0035，Mn0.3)和极低碳钢、无间隙原子钢(ULC、IF，C0.005，Mn0.2),23,铁素体轧制适用条件铁素体轧制工艺要求轧制温度控制在铁碳平衡相图的GS线以下，而对于不同的材料，变形阻力随温度降低而变化的规律是不同的，如图所示，只有碳含量小于0.04的钢种，在850900的温度范围内，屈服应力才会随温度的降低而降低，而对于碳含量高于0.04的钢种则会随温度的降低而升高，导致轧制压力升高，变形困难，无法确保轧制过程的稳定进行。铁素体轧制工艺适用于超低碳钢(C0.0150.0035，Mn0.3)和极低碳钢、无间隙原子钢(ULC、IF，C0.005，Mn0.2),（2）铁素体轧制产品组织和性能特点采取铁素体轧制工艺可获得晶粒较大的铁素体组织，具有较低的屈服极限和强度极限、略低的r值。,24,（3）三种不同的铁素体控制轧制工艺,25,26,（4）温度制度和变形制度,（5）冷却制度,（6）其他制度,27,8.3中厚钢板控制轧制及控制冷却8.3.1钢中各元素在控制轧制中的作用（1）碳的作用，经过控制轧制，由于晶粒细化，含碳0.10钢的s值相当于普通轧制含碳0.20钢的s值（2）锰的作用，锰在控制轧制中是重要的元素，主要起细化晶粒作用，提高强度，增加韧性，锰能降低相变温度Ar3，由此导致：扩大了加工温度范围，增大奥氏体变形区的压下道次和变形量，充分细化奥氏体晶粒。由于铁原子在铁素体区比在奥氏体区中的自扩散系数大一个数量级，所以在温度相同的条件下，铁素体晶粒比奥氏体晶粒更容易长大，但因Ar3温度降低，使铁素体晶粒长大机会大为减少。锰增加1.5，Ar3温度下降100。,28,（3）硫的作用，S在钢中形成MnS后，尤其在低温轧制时，随轧制方向拉长延伸，使钢的各向异性加大，尤其对横向冲击韧性不利，严重时导致钢板分层。含S高时，抗H2S腐蚀能力大为下降。（4）磷的影响，磷作为有害元素，愈少愈好。（5）钼的作用，加入钼是为了进一步提高强度和要求较高的加工硬化率（6）镍、铬、铜的作用，可以提高钢的强度，镍高可以改善钢的韧性。（7）铝的作用，形成AlN可细化晶粒，固定N，可提高钢的韧性。,29,8.3.2不同类型中厚板轧机所采用的控制轧制工艺8.3.2.1四辊单机架中厚板轧机的控制轧制工艺高温再结晶型和未再结晶型两阶段的控制轧制工艺8.3.2.2双机架中厚板轧机的控制轧制工艺（1）二辊四辊式中厚板轧机的控制轧制工艺2800二辊四辊式中厚板轧机所采用的控制轧制工艺2350（2300）二辊四辊式双机架中厚板轧机所采用的控制轧制工艺（2）2350三辊四辊式双机架中厚板轧机所采用的控制轧制工艺（3）辊身长度在3000mm以上的四辊双机架宽厚板轧机的控制轧制工艺。,30,布置形式,有三种：（）单机架布置（）双机架布置（主要布置形式）（）半连续或连续式布置,31,单机架,单机架中厚板轧机，一个机架既是粗轧机，又是精轧机。采用单机架生产，只要按规程勤换辊，钢板表面质量是可以保证的。因此，有些新建厂因限于产量和投资，先采用单机架，预留第二架位置，将来扩建成双机架。,三辊劳特式轧机,二辊式轧机,四辊式轧机,淘汰,改造,单机架,32,双机架,双机架中厚钢板轧机呈纵列式布置，前一架为粗轧机，后一架为精轧机。优点：粗、精轧制道次分配合理、产量高；使进入精轧机的来料断面较均匀，质量好；粗轧可以独立生产，较灵活。,四辊式四辊式,二辊式四辊式,三辊式四辊式,组成型式,33,半连续或连续式,连续式中厚钢板轧机，用于大量生产薄而宽、品种单一的中厚板，不适合于多品种生产。因此，这种轧机未得到很快发展。,34,35,8.3.3中厚板的在线控制冷却8.3.3.1轧制过程中各道次得轧制温度的控制方法：三种，前后辊道，侧辊道、轧机之间的冷却装置8.3.3.2轧后的控制冷却轧后控制的目的2.对制冷设备的要求：均匀、应力小、足够的冷却能力，准确控制开冷、终冷温度、上下水流量调整范围大、短的冷却区长度、设备投资少，稳定。3.轧后控冷装置种类和特点冷却方式很多，1）.国外冷却装置特点2）.国内冷却装置特点3）.冷却系统4).控冷装置的布置位置和特点，两种5）控冷对组织性能的影响,36,37,CQCommercialQuality普通级DQDrawingQuality冲压级DDQDeepDrawingQuality深冲级EDDQExtraDeepDrawingQuality超深冲级CSPCompactSripProduction紧凑式带钢生产IFInterstitialFree(Steel)无间隙原子(钢)LCLowCarbon低碳(钢)DSADynamicStrainAging动态应变老化MFSMeanFlowStress平均流动应力YSYieldStress屈服应力DRCDynamicRecovery动态回复DRXDynamicRecrystallization动态再结晶SRXStaticRecrystallization静态再结晶SRCStaticRecovery静态回复Ti-IFTiInterstitialFree(Steel)含钛无间隙原子(钢)Ti-NbIFTi-NbInterstitialFree(Steel)含钛铌无间隙原子(钢)ULCUltraLowCarbon(Steel)超低碳钢DSPDirectStripProduction带钢直接生产FTSRFlexibleThinSlabRolling灵活性薄板坯轧制C.C.TContinuousCoolingTransformation过冷奥氏体连续转变曲线T.T.TTimeTemperatureTransformation过冷奥氏体等温转变曲线SPSSStatisticalPackagefortheSocialScience社会科学统计软件包,38,39,40,（2）控制冷却对钢板组织性能的影响一般认为，控制轧制以后的快速冷却是增加钢板的强度，而不损害脆性转化温度。脆性转化温度取决于快速冷却以前的控制轧制效果。提高相当于终轧温度的开始快冷温度，则钢板的s和b值提高，50FATT温度提高，韧性变坏，层状断裂指数下降或保持一定。提高快速冷却的冷却速度使强度提高。快冷对脆性转变温度的影响是通过晶粒细化而实现的。快冷的停止温度决定了生产贝氏体的数量。强度随快冷停止温度降低而提高。在不降低钢板韧性而提高其强度的合适轧后快冷工艺是：快冷开始温度接近终轧温度，冷却速度为315/s，快冷停止温度为500600。,41,42,43,8.3.4控轧控冷工艺结合8.3.4.1控轧控冷工艺结合8.3.4.2控轧与在线淬火结合,44,45,8.3.3典型专用钢板所采用的控制轧制和控制冷却工艺8.3.3.1锅炉用中厚钢板的控制轧制和控制冷却工艺（1）终轧温度对锅炉钢板的组织和性能有明显影响，降低终轧温度，钢板的s上升，低温韧性有所改善（2）轧制温度低于900的总压下率增大，钢板的强度提高，低温韧性也得到改善，但常温冲击功有下降的趋势。（3）轧后钢板的冷却速度和快冷的停止温度对钢板性能也有明显影响。,46,汽包的作用主要有：1：是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环。2：内部有汽水分离装置和连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质。3：有一定水量，具有一定蓄热能力，缓和汽压的变化速度。4：汽包上有压力表、水位计、事故放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。,47,48,8.3.3典型专用钢板所采用的控制轧制和控制冷却工艺8.3.3.2压力容器用中厚钢板的控制轧制和控制冷却（1）容器钢板从合金成分上分为碳素钢板、低合金钢板和高合金钢板三大类。（2）碳素钢和低合金钢板以热轧或正火状态交货。（3）低温压力容器钢板一般是正火或调质状态交货。外压容器：当容器的内压力小于一个绝对大气压（约0.1MPa）时又称为真空容器内压容器：（按照设计压力p分）低压(L)容器0.1MPap1.6MPa中压(M)容器1.6MPap10.0MPa高压(H)容器10MPap100MPa超高压(U)容器p100MPa,49,50,51,52,8.3.3.3桥梁用中厚钢板的控制轧制和控制冷却工艺（1）桥梁钢板分为热轧碳素钢、低合金及耐大气腐蚀的结构钢。（2）为了提高桥梁钢板的强韧性应采用细化铁素体晶粒，降低珠光体数量的控制轧制和控制冷却工艺。（3）生产碳素钢板和低合金桥梁钢板的控制轧制工艺同生产碳锰系列容器钢板和锅炉钢板的轧制工艺相近。（4）轧制耐大气腐蚀的焊接结构钢也是采用再结晶型和未再结晶型的两阶段控制轧制工艺。8.3.3.4造船和海上采油平台用中厚钢板的控制轧制和控制冷却,53,54,55,8.4热连轧带钢的控制轧制和控制冷却8.4.1国内热连轧带钢轧制上控制轧制工艺的应用8.4.2国外热连轧带钢轧制上控制轧制工艺的应用8.4.3连轧宽带钢的控制冷却8.4.3.1机架间带钢的强制冷却8.4.3.2宽带钢连轧机轧后控制冷却8.4.3.3带钢卷的冷却条件对钢的性能影响,56,8.5薄板坯连铸连轧生产线上采用的控轧控冷工艺,57,58,59,60,61,薄板坯连铸连轧的新工艺,62,8.6控制轧制和控制冷却技术在双相钢板带生产中的应用8.6.1双相钢的组织、性能特点和生产方法8.6.1.1双相钢的组织形貌（1）碳素钢由铁素体和珠光体组成；高强度低合金钢由铁素体、沉淀析出相、贝氏体等组成；双相不锈钢是由奥氏体和铁素体组成。（2）特指的双相钢是由铁素体和约20左右的马氏体构成的高成型性的低合金高强度双相钢；由板条马氏体和5以下的残余奥氏体所构成的高强度高韧性结构钢；以及由马氏体和奥氏体或铁素体和奥氏体构成的双相不锈钢。8.6.1.2双相钢性能的特点在力学性能方面的特点有：（1）具有连续屈服的特点；（2）小的屈强比s/b。一般为0.5左右，而低合金高强度钢为0.8以上；（3）双相钢具有较大的加工硬化指数n值，一般为0.2左右，而低合金高强度钢为0.15左右；（4）具有较好的强度塑性组合。相同强度时，双相钢有较大延伸；,63,（5）较大的加工硬化能力，尤其在小变形阶段；（6）有比低合金高强度钢低的缺口敏感性；（7）双相钢的疲劳特性是和它的应力应变特性及高的加工硬化率紧密相关的。双相钢的疲劳寿命还受马氏体的体积分数，马氏体和铁素体的屈服强度比值，以及马氏体的形态和分布的影响；（8）双相钢的冲击韧性受第二相形貌的强烈影响。双相钢的冲击韧性高于热轧状态的低合金高强度钢的冲击韧性，并且有更低的脆性转变温度；（9）双相钢具有高的低温塑性。在工艺性能方面表现的特点：（1）具有良好的成型性，（2）焊接性和一般低碳钢相近；（3）耐蚀与低碳钢相近。,64,8.6.1.3生产双相钢的方法和种类（1）热处理双相钢采用热处理手段生产的双相钢称为热处理双相钢。这类钢是以热轧或冷轧带钢为原料，其初始组织一般是铁素体和珠光体。带钢经加热后进入奥氏体和铁素体两相区，然后控制其冷却速度使奥氏体转变成马氏体或其它低温相变产物。这种热处理所产生的组织叫做临界间双相钢(Intercriticaldualphase)简称“IDP“.另一种热处理工艺是将热轧或冷轧带钢加热到奥氏体化程度，转变成单一奥氏体组织，然后控制冷却速度，在冷却过程中先使奥氏体一部分发生铁素体转变，并控制残余奥氏体数量，再进行快冷，使残余奥氏体转变成马氏体，形成双相钢，这种钢称为奥氏体双相钢(Austenitedualphase)简称“ADP“.,65,8.6.1.3生产双相钢的方法和种类（2）热轧双相钢中温卷取型直接热轧双相钢其原理是适当加入Cr,Mo等元素合金化后，控轧后奥氏体在连续冷却过程中先析出一定数量铁素体，然后在介于AF和AB转变温度区间内，由于奥氏体的稳定化而存在一个“窗口”，即在AF相变过程中碳在奥氏体中富聚，而使残余下的奥氏体变得十分,稳定。并在“窗口”温度下进行卷取，即使在相当慢的冷却速度下，也不会发生AB相变，最后采用快冷，使AM相变，在室温下获得F+M组织。这种轧制方法需要选用合适成分和合理的控制轧制和控制冷却工艺制度、卷取温度在500-600左右，因而称为中温卷取型。如图所示.,66,67,8.6.1.3生产双相钢的方法和种类（2）热轧双相钢低温卷取型热轧双相钢这一工艺特点是:在热轧阶段采用控制轧制工艺，轧后在输出辊道上采用快速冷却，将热带钢迅速冷却到Ms温度以下，并进行卷取。控制轧制工艺的终轧温度应控制在Ar3附近，甚至可以降低到析出少量铁素体的A+F两相区以促进AF相变。但是，温度不能太低，以防止出现变形的铁素体组织。若终轧温度太高，铁素体晶粒粗大，而且也容易出现AB相变。卷取温度必须低于Ms点温度，一般在200以下，否则也容易出现AB相变，同时也容易出现铁素体的时效和马氏体的自回火。卷取温度太低，需要加大卷取能力，也会使板带的屈强比偏高和板形恶化。,68,8.6.2热轧双相钢的控制轧制和控制冷却8.6.2.1钢的成分对双相钢性能的影响（1）C主要是形成所需数量的马氏体和保证钢的强度。为了得到约20%的马氏体，在马氏体中的C0.35%0.45%，因而应使钢中C0.10%。随着钢中碳含量的降低，可加速铁素体的析出。热轧双相钢中C为0.04%-0.07%时最适宜。当钢中C0.07%而钢从区冷却时，可使铁素体最短孕育期向右移动，因此，减少多边形铁素体的数量，增加针状铁素体的数量，可使钢的强度增加，塑性降低。当钢中C0.04%而减少锰含量时，则可削弱钢的强度。（2）硅具有排碳作用，从而使铁素体纯净，并使碳向奥氏体中扩散。增加硅含量的更大效果在于改善强度塑性综合性能。使最佳终轧温度范围扩大，有利于对终轧温度的控制。（3）Mn的影响a)提高淬透性；b)对屈强比的变化有影响；c)可使最佳终轧温度范围降低。（4）Mo能强烈推迟珠光体转变。（5）Cr可以提高奥氏体的淬透性，还可使热轧双相钢的卷取温度范围加宽，并降低双相钢的屈服比。,69,70,71,72,8.6.2.2控轧控冷工艺参数对双相钢组织性能的影响（1）终轧温度的影响对于合金元素含量较高的Mn-Si-Cr-Mo热轧双相钢，终轧温度的变化对其性能没有明显影响。对于合金含量较少的C-Mn，C-Si-Mn热轧双相钢，终轧温度对其性能有明显影响。终轧温度不同还会影响双相钢中双相的性能和比例。（2）卷取温度的影响依钢中合金元素含量的不同，卷取温度的选择有两种类型：1）合金元素含量较高的钢，卷曲温度的选择：2）合金元素含量较低的热轧双相钢，卷取温度的选择：（3）终轧后冷却速度的影响冷却速度不能太快!对于合金含量较高的Mn-Si-Cr-Mo钢，终轧后在冷床上