钢材控制轧制和控制冷却技术

1、钢材控制轧制和控制冷却技术材料成型及控制工程宋昊霖学号34钢材控制轧制和控制冷却技术宋昊霖东北大学，材料成型及控制工程专业，学号34摘要: 近三十年以来，控制轧制和控制冷却技术在国外得到了迅速的发展，各国先后开展了多方面的理论研究和应用技术研究，并在轧钢生产中加以利用，明显的改善和提高了钢材的强韧性和使用性能，为了节约能耗、简化生产工艺和开发钢材新品种创造了有力条件。目前国内外大多数宽厚板厂均采用控制轧制和控制冷却工艺,生产具有高强度、高韧性、良好焊接性的优质钢板。控制轧制和控制冷却工艺的开发与理论研究进一步揭示了热变形过程中变形和冷却工艺参数与钢材的组织变化、相关规律以及钢材性能之间的内在关

2、系，充实和形成了钢材热变形条件下的物理冶金工程理论，为制定合理的热轧生产工艺提供理论依据。关键词:控制轧制，控制冷却Controlled rolling and controlled coolingSONG haolinLiaoning university of science and technology, Material forming and control engineering, Student id 34Abstract:For nearly 30 years, controlled rolling and controlled cooling technology obtai

3、ned the rapid development in foreign countries, and countries successively carried out various theoretical research and applied technology research, and tries to use in the production of steel rolling, the obvious improve and enhance the tenacity of steel and the use of performance, in order to save

4、 energy consumption, simplify production process and development of new steel varieties created favourable conditions. Most lenient plate factory at home and abroad adopt controlled rolling and controlled cooling technology, production has high strength, high toughness and good weldability of high q

5、ualified steel plate. Controlled rolling and controlled cooling technology development and theory research of further reveals that the thermal deformation in the process of deformation and cooling process parameters and the change of the organization of the steel, the relevant laws and the internal

6、relations between steel performance, enrich and formed steel thermal deformation under the condition of physical metallurgy engineering theory, to provide theoretical basis for reasonable hot-rolling process.Key Words：Controlled rolling and controlled cooling1引言20世纪之前，人们对金属显微组织已经有了一些早期研究和正确认识，已经观察到钢

7、中的铁素体、渗碳体、珠光体、马氏体等组织。20世纪20年代起开始有学者研究轧制温度和变形对材料组织性能的影响，这是人们对钢材组织性能控制的最初尝试，当时人们不仅已经能够使用金相显微镜来观察钢的组织形貌，而且还通过X射线衍射技术的使用加深了对金属微观组织结构的认识。 1980年OLAC层流层装置投产，控轧控冷在板带、棒线材等大面积应用，技术已成熟，理论进展发展迅速。2文献综述2.1控轧控冷技术的发展控制轧制 ( C- R) 和控制冷却 ( C- C) 技术的研究始于 1890年至二次世界大战期间的德国,当时科研人员对钢铁制品的热加工条件、材质及显微金相组织之间的关系进行了非系统的零散研究,只是定

8、性地揭示了热加工条件和材质间的关系。到了 20世纪 60年代初期, 在美国科研人员定性地解释了热轧后的钢材继续发生奥氏体再结晶的动力学变化后, 这才从理论上某种程度地解释了控制轧制技术。到了 20世纪 60年代末期, 科研人员通过试验发现, 添加微量元素铌 (Nb) 对提高单纯轧制钢材的强度有效。随后进一步的研究表明, 造成铌系钢材高强度的原因, 是由于微细铌碳氮化合物的铁素体析出相强化造成的。同期英国钢铁研究机构( British Iron and Steel research assocition) 对轧制钢材的显微结构和机械性能的定量关系、铌、钒(V) 的强化机理, 控制轧制原理等进行研

9、究, 证实了依靠物理冶金基础, 进行合理的合金成分的设计和轧制条件的设定, 便能达到所期望的钢材目标性能值和显微组织。到了 20世纪 70年代, 对钢材强度、低温韧性、焊接性能要求更高了, 而此时仅仅依靠传统的控制轧制技术远远不够。于是在奥氏体控制轧制的基础上, 还需要控制冷却速度来控制 相变本身, 于是开始了真正意义的控轧控冷技术的应用。2.2控制轧制的机理和特点控制轧制工艺是指钢坯在稳定的奥氏体区域（Ar3）或在亚稳定区域（Ar 3 Ar1）内进行轧制，然后空冷或控制冷却速度，以获得铁素体与珠光体组 织，某些情况下可获得贝氏体组织。现代控制轧制工艺应用了奥氏体的再结晶和未再结晶两方面的理论

10、，通过降低板坯的加热温度、控制变形量和终轧温度，充分利用固溶强化、沉淀强化、位错强化和晶粒细化机理，使钢板内部晶粒达到最大细化从而改变低温韧性，增加强度，提高焊接性能和成型性能。所以说，控制轧制工艺实际上是将形变与相变结合起来的一种综合强化工艺。 控制轧制一般有控温轧制和热机轧制两种。 在控温轧制中，为了获得所要求的目标值，必须在规定的温度范围内进行总变形。第一个负荷道次的开轧温度是事先通过出炉温度规定的。轧制的温度范围由规定的终轧温度决定。一般情况下，只有轧制过程在规定的时间内中断，并将轧件送到停歇场上进行冷却，这个终轧温度才能得到保证。在这种轧制方式中，轧制中断时的钢板厚度没有规定，轧制钢

11、板可以取消常规的正火处理。热机轧制是在规定的温度范围内按照所规定的压下量进行轧制，又分为两阶段轧制和三阶段轧制。在两阶段轧制中，轧制过程中断一次，并使轧件冷却到下一阶段所要求的轧制温度。在三阶段轧制中，轧制过程中断两次。轧制阶段是由该阶段中预先给定的厚度压下量和完成该厚度压下量时的温度范围决定的。由此产生了中间厚度和各阶段之间的轧制时间。控轧的目的是在热轧条件下，通过细化铁素体晶粒，生产出韧性好、强度高的钢材。例如，正常轧制工艺铁素体晶粒最好的情况是78级，直径大于20m，而控制轧制工艺得到的铁素体晶粒为12级，其直径为5m，这样细的晶粒是控制轧制最突出的优点。 控制轧制工艺还可以充分发挥微量

12、元素的作用，含有微量Nb、V、Ti等元素的普通低碳钢采用控制轧制工艺，能获得更好的综合性能。2.3控制冷却的工艺特点控制冷却的优点：1.节约能源、降低生产成本。利用轧后钢材余热，给予一定的冷却速度控制其相变过程，从而可以取代轧后正火处理和淬火加回火处理，节省了二次加热的能耗，减少了工序， 缩短了生产周期，从而减低了成本。2. 可以降低奥氏体相变温度，细化室温组织。轧后控制冷却能够降低奥氏体相变温度，对同一晶粒级别的奥氏体，低温相变后会使晶粒明显细化，使珠光体片层间隔明显变薄。例如，在800终轧的16Mn钢材，当轧后冷却温度从0.5/s提高到9.5/s时晶粒平均直径从12m细化到7.5m，s从3

13、60Pa增加到420Pa。3.可以降低钢的碳当量。采用轧后控制冷却工艺有可能减少钢中碳含量及合金元素加入量，达到降低碳当量的效果。低的碳当量有利于焊接性能、低温韧性和冷成型性能，这是当前各国所追求的大规模生产工业用钢材的最经济工艺路线。4. 道次间控制冷却可以减少待温时间，提高轧机的小时产量。在道次间采用控制冷却，可以精确地控制终轧温度，减少轧件停下来等待降温的时间。在控制轧制时，为了保证能在奥氏体未再结晶区轧制，一般均采用待温轧制的工艺，待温轧制延长轧制节奏，降低产量。为了少影响产量，采用多块钢坯循环交叉轧制的方法，虽然补救了一些，但需要增建离线旁路辊道及移送设备，增加了场地和设备。采用道次

14、间控制冷却，在保证冷却均匀的条件下，可以取消待温和循环轧制。从而提高产量。如生产3.0mm厚、1000mm宽热轧板卷时，开动连轧机架间的冷却装置可以使轧机小时产量从550t增加到720t。 2.4控制轧制工艺的优点和缺点控制轧制的优点如下： 1可以在提高钢材强度的同时提高钢材的低温韧性。 采用普通热轧生产工艺轧制16Mn钢中板，以18mm厚中板为例，其屈服强度s330MPa，-40的冲击韧性Ak431J，断口为95%纤维状断口。当钢中加入微量铌后，仍然采用普通热轧工艺生产时，当采用控制轧制工艺生产时，-40的Ak值会降低到78J以下，然而采用控制轧制工艺生产时。然而采用控制轧制工艺生产时-40

15、的Ak值可以达到728J以上。在通常热轧工艺下生产的低碳钢晶粒只达到78级，经过控制轧制工艺生产的低碳钢晶粒可以达到12级以上（按ASTM标准），通过细化晶粒同时达到提高强度和低温韧性是控轧工艺的最大优点。2.可以充分发挥铌、钒、钛等微量元素的作用。 在普通热轧生产中，钢中加入铌或钒后主要起沉淀强化作用，其结果使热轧钢材强度提高、韧性变差，因此不少钢材不得不进行正火处理后交货。当采用控制轧制工艺生产时，铌将产生显著的晶粒细化和一定程度的沉淀强化，使轧后的钢材的强度和韧性都得到了很大提高，铌含量至万分之几就很有效，钢中加入的钒，由于具有一定程度的沉淀强化的同时还具有较弱的晶粒细化作用，因此在提高

16、钢材强度的同时没有降低韧性的现象。加入钢种的钛虽然具有细化加热时原始晶粒的作用，但在普通轧制条件下钢中的钛不能发挥细化轧制变形过程中晶粒的作用，仍然得不到同时提高钢的强度和韧性的效果，当采用控制轧制工艺生产含钛钢时，才能使钢种的Ti（C,N）起沉淀强化和晶粒细化的双重作用，如有的文献中报导控制轧制生产的含钛钢的强度75%来自沉淀强化，25%来自晶粒细化。由于有中等程度的晶粒细化效果，钢的低温韧性提高。 控制轧制工艺的缺点：要求较低的轧制变形温度和一定的道次压下率，因此增大了轧制的负荷。此外由于要求较低的终轧制温度，大规格产品需要在轧制道次之间待温，降低轧机的生产率。为此世界各国开始对轧机进行技术改造，采用大负荷轧机，安装升降辊道，道次间中间冷却来减少轧制待温时间，提高轧机生产效率。2.5控制轧制、控制冷却工艺参数控制特点控制轧制和控制冷却的工艺参