钢材的控制轧制与控制冷却工艺

1、钢材的控制轧制与控制冷却工艺周小泉（材料成型及控制工程）【摘要】：通过轧制模拟实验研究方法，研究了在低温轧制和轧后快速冷却方式 下,20MnSi钢的组织和力学性能变化规律。研究结果表明：终轧温度和轧后的冷却 方式是影响20MnSi钢组织和力学性能的重要因素。在部分再结晶的下限和未再结 晶区轧制后空冷，铁素体晶粒在9.45-4.44 uma范围；轧后快速冷却可将铁素体晶 粒细化到W4.Oum。在850-750C终轧，结合快速冷却的变化规律,20MnSi的屈服 强度N480MPa；抗拉强度N670MPa；延伸率N30%。【关键词】：控制轧制；控轧冷却；组织；性能The controlled rol

2、ling and controlled cooling technology of the steelAbstract： By rolling simulation research method, research on low temperature fast cooling after rolling and rolling way, 20 mnsi steel structure and mechanical properties change rule. The results show that finishing temperature and cooling after rol

3、ling is affected 20 mnsi steel organization and mechanical properties of the important factors. In the part of the lower limit of recrystallization and recrystallization zone air cooling after rolling, ferrite grain size in the range 9.45 4.44 mu ma; Fast cooling after rolling can be ferrite grain r

4、efinement to 4 or less O microns. In 850-750 C finishing, combined with the changing rule of the rapid cooling, 20 mnsi yield strength 480 mpa or greater; Tensile strength of 670 mpa or higher; The elongation of 30% or higher Key Words： Controlled rolling； The controlled rolling cooling； organizatio

5、n； performance1引言控制轧制和控制冷却技术是近十多年来国内外新发展起来的轧钢 生产新技术，受到国际冶金界的重视。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应用，明显地改善和提高 了钢材的强韧性和使用性能，为节约能耗，简化生产工艺，开发钢材 新品种创造了有利条件。通过控制轧制和控制冷却新工艺的开发与基 本理论的研究，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、相变规律以及钢材性能之间的内在关系，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 艺提供了依据。所谓控制轧制和控制冷却（TMCP）是“奥氏体状态的控制和这种

6、 状态受到控制的奥氏体冷却过程的控制。其中，“奥氏体状态的控制” 指的是控制轧制，而“这种状态受到控制的奥氏体冷却过程的控制” 指的是控制冷却。控制轧制是TMCP技术的重要方面，其核心在于进行 控制冷却的组织准备，即获得硬化状态的奥氏体，以便在随后的奥氏 体向铁素体相变的过程中，形成大量的铁素体的核心，从而细化铁素 体的晶粒。日本JFE公司从1998年开始，开发了 Super-OLAC，即所谓 “超级控冷”。近年，JFE公司进一步开发了 Super-CR，即“超级控 轧”。2文献综述2.1控制轧制在热轧过程中通过对金属的加热制度、变形制度和温度制度的合 理控制，使塑性变形与固态相变结合以获得细

7、小的经理组织，使钢材 具有优异的综合力学性能（强度、韧性和焊接性能等）的轧制工艺。 2.2控制冷却控制轧后钢材的冷却速度以达到改善组织性能的目的。2.3控轧控冷理论2.3.1钢的强韧化（强化机制）（1）固溶强化：通过添加溶质元素（以点缺陷形式），使基体强化（改变化学成分）（2）位错强化：加工硬化是位错强化的外部表现（3）沉淀强化：低合金钢中加入微量Nb、V、Ti等元素，可形成碳化物、氮化物或碳氮化物，在轧制时或轧后冷却时，它仍析出第二相沉淀强化（4）晶界强化：晶粒越细小，晶界相对越多，晶界对为错的 运动的阻力越大。（5）亚晶强化（6）相变强化2.4钢的韧化2.4.1影响韧性的因素（1）成分一般

8、的，加入合金元素会使材料强度提高，但由于基体内缺陷增加，而会使塑性和韧性降低。（2）气体和夹杂物（3）加工工艺2.4.2强化机制对韧性的影响（1）固溶强化（2）位错强化。对塑性和韧性双重影响（3）沉淀强化（4）晶界强化：细小均匀的晶粒既可提高强度又可改善塑性和韧 性一一是控轧的基本目标。（5）相变强化2.4.3冷脆系数表示各强化机理和成分对强度和韧性的影响表示有提高脆性断裂的倾向2.5热变形时钢的奥氏体变形与再结晶2.5.1热变形时钢的再结晶高温A体区变形的钢，加工硬化与高温动态软化（动态回复和 动态再结晶）同时进行。2.5.2热变形间隙时间内A体再结晶（1）在道次间或加工后，A体区冷却时将发

9、生静态回复、静态再 结晶和亚动态再结晶。（2）各因素对A体平均晶粒尺寸的影响原始晶粒大小：原始晶粒越细，再结晶后晶粒也越细。变形量：在一定轧制温度下，变形后A体晶粒尺寸随变形 量增大而减小。但大压下率部分的晶粒细化效果减弱，60%压下率 甚 至于没有细化作用，其极限植为2040变形温度：晶粒大小是变形温度的弱函数，且取决于A体再 结晶情况。变形速度：与温度同样效果。变形后停留时间微量元素2.6再结晶区域图既会增加A体再结晶数量又会使再结晶A体晶粒长大。微合金元素在钢中以C和N化合物形式析出，起细化晶粒作用。溶于固溶体或分布在基体中小质点析出物都可阻止晶粒长大。但微合金元素有强烈抑制A体再结晶作

10、用，可使再结晶数量 减少、晶粒尺寸增大。（1）以变形量为横坐标，变形温度T 为纵坐标的图，依变形后组织是否再结晶分 三个区域：未再结晶区I 部分再结晶区II再结晶区III（2） 一道次轧后再结晶区域图10 20 30 40 506070 75压下*，栋图1在结晶区域10 20 30 40 506070 75压下*，栋图1在结晶区域I区：再结晶和未再结晶的晶粒混合物。I区：细小再结晶晶粒，晶粒大小随变形量增大而细化。图2 一道次轧后再结晶区域图80085090095010001050 100 图2 一道次轧后再结晶区域图80085090095010001050 100 IJ50轧制温度多道次轧制

11、3未来发展方向轧制压下控制和温度控制的协调控制是控制轧制的核心。对中厚 板而言，传统的控制轧制粗略分为两个大的阶段，即高温粗轧阶段， 主要是再结晶控轧，通过高温大压下促进奥氏体的动态再结晶，细化 奥氏体晶粒。而在低温精轧阶段进行的大压下，主要是实现奥氏体的 未再结晶控制轧制，目的在于实现奥氏体的硬化，为细晶化的铁素体 相变做准备。因此，精轧的开轧温度和轧前厚度是两个极重要的参数。 对于TMCP的主要钢种，例如含Nb的微合金钢，实际上是经历两个矛 盾的轧制过程，即高温的粗轧和低温的精轧。因此常常需要在粗轧和 精轧之间采用长时间的待温，严重的降低的控轧轧制和控制冷却的轧 制效率。JFE在2009年

12、投产了 Super-CR。其冷却装置不是单独设置的，而 是附属设置在轧钢机架上，可以在任何需要的轧制道次，在轧制钢材 的同时，进行钢材的快速冷却。所以该装置不需要特殊的安装空间和 额外的冷却时间，提高了控制轧制的冷却效率和空间利用率。同时， 由于冷却过程分配到各个道次上，所以可以与轧制过程的进行相配合， 进行轧制过程中的精细的冷却路径控制。针对不同的钢种，进行冷却 路径的控制有助于控制轧制过程的进一步优化，为钢材性能的改进提 供了新的空间。据JFE报道，由于采用这一措施，轧机的生产效率提高20%左右， 且提高了命中目标温度的精度，减少了钢板的温度波动，提高了控制 的稳定性。钢材生产的质量、产量

13、和交货期均有明显的改善。进一步， 超级控轧与原有的超级控冷相配合，可以实现轧制-冷却全程的冷却路 径控制，轧制过程和冷却过程的柔性大幅度提高，促进了变形性能优 良的建筑用TMCP高强钢开发和钢材表面氧化铁皮的控制。截止到发稿 时间，已经累计生产钢材80万t。机架式超快冷装置的一个辅助作用是实现板坯表面-芯部的差温 轧制。所谓差温轧制是轧制过程中边轧制，边快冷，温度来不及深入 到轧件内部，形成上下表面低温，板坯中间芯部维持原来的较高温度。 这样在轧制时，上下表面温度低于芯部，变形抗力大，不易变形，而 芯部温度高，容易变形。这就会促使变形深入到轧件芯部，有利于消 除芯部缺陷，提高芯部质量，同时减少

14、由于板坯表面变形引起的轧件 双鼓形缺陷，甚至边部折叠，提高成材率。机架式超快冷装置的另一个辅助作用是表面超细晶钢板的轧制生 产。据新日铁报道，该公司采用特殊的轧制方法，生产表面超细晶钢 板，可以得到极优良的抗裂纹敏感性，由于船舶的特殊部位，止裂性 能优良。利用上述的差温轧制轧制时，表面快冷，温度来不及深入到 轧件内部，上下表面低温属于低温控轧，而板坯中间仍维持原来的较 高温度轧制。这样会形成表面细晶化的钢板。据称，这种钢板有可能 会成为继耐油气腐蚀船用钢板之后的国外采用的另一个技术壁垒。我 们应尽速采取措施，未雨绸缪，加紧开发。参考文献1韩欢庆，葛启录,罗德兴，须磊，雷廷权；15钢在双相区控制轧制时的