钢材控制轧制及其冷却技术

芈月（辽宁科技大学材料成型及控制工程12级，1233010164）［摘要］改革开放以来，中国钢铁轧制技术取得了长足的进步。通过消化引进技术、自主集成和自主创新，中国已经跻身于轧制技术发达国家之列。针对线材，棒材，钢筋等的控制轧制和其冷却技术的研究，总结了中国钢铁轧制技术的总体发展情况和取得的有创新性的进展。同时指出，今后中国轧钢工作者要进一步加强的技术改造，突破制约钢铁轧制技术发展的关键和共性技术，大力开发节能减排、创新性和前沿性新技术、新装备，实现钢铁材料的减量化、节约型制造，推动钢铁工业的可持续发展。［关键词］轧钢技术;关键技术;控制冷却方式；线材;棒材;钢筋;减量化Abstract:Sincethereformandopeningup,China'sironandsteelrollingtechnologyhasmadeconsiderableprogress.Throughtheintroductionoftechnology,independentintegrationandindependentinnovation,Chinahasbecomeoneofthedevelopedcountriesintherollingtechnology.Inviewoftheresearchonthecontrolledrollingandcoolingtechnologyofwirerod,bar,bar,etc.,theoveralldevelopmentofChina'sironandsteelrollingtechnologyandtheprogressoftheinnovationaresummarized.AtthesametimepointedoutthatthefutureofChinesesteelrollingworkerstofurtherstrengthenthetechnologicaltransformation,breakingtheconstraintsofsteelrollingtechnologydevelopmentofkeyandcommontechnology,andvigorouslydevelopenergy-savingemissionreduction,innovationandcutting-edgenewtechnology,newequipment,toachievereductionofsteelmaterials,savingmanufacturing,andpromotethesustainabledevelopmentofironandsteelindustry.Keywords:Steelrollingtechnology;keytechnology;controlcoolingmode;wirerod;bar;bar;reduction1引言：控制轧制是在热轧过程中通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。控制冷却是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的［1。2线材控制轧制和控制冷却的机理线材的控轧控冷实质上是通过控制轧制工艺参数和轧后冷却参数来控制钢材的相变点和组织形态以生产出满足人们需要的钢种。2.1控制轧制机理热塑性变形过程中或变形之后的钢组织的再结晶在控制轧制中起决定作用，奥氏体晶粒的细化是控制轧制的基础。热变形从形变的角度考虑是降低变形抗力和提高钢的塑性变形能力。从组织控制的角度考虑是:完成钢的奥氏体组织的控制;在一定的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，性能就不同。奥氏体化条件不同、形变条件的不同，热变形过程中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热变形条件下钢的组织变化［2。2.2控制冷却机理高温终轧的线材，轧后处于奥氏体完全再结晶状态，应采用轧后快速冷却。因为如果轧后慢冷，则变形奥氏体晶粒将在冷却过程中长大，相变后得到粗大的铁素体组织。由于冷却缓慢，由奥氏体转变的珠光体粗大，片层间距加厚。这种组织的力学性能较低。对于低温终轧的线材，终轧时奥氏体处于未再结晶温度区域，由于变形影响Ar3温度提高，终轧后奥氏体很快就相变，形成铁素体。这种在高温下形成的铁素体长大速度很快。如果轧后采用慢冷，铁素体就有足够长大时间，到常温时就会形成较粗大的铁素体，从而降低了控制轧制细化晶粒的效果。轧后快冷实质上是控制轧制后细化了的变形奥氏体组织。经过快速冷却，相变组织相应变化，钢中析出物的大小、数量、析出部位发生变化，从而使钢材的强韧性得以提高。对于高碳钢和高

碳合金钢轧制后控制冷却的机理则是防止变形后奥氏体晶粒长大，降低以致阻止网状碳化物的析出量和降低级别，减少珠光体球团尺寸,改善珠光体形貌和片层间距，从而改善钢材的性能［3。3线材控制轧制和控制冷却的方式及特点3.1控制轧制的方式及特点线材为了获得高强度、高韧性综合性能，可以采用不同的控制轧制工艺来达到。根据热扎过程中变形奥氏体的再结晶状态不同，相变机制不同，将其划分为四个阶段，图1描述了四个阶段的组织变化情况。未再结晶奥氏体区Ar3两相区Ari再结晶奥氏体晶粒未再结晶奥氏体晶粒含变形组织的奥氏体晶粒加速冷却再结晶奥氏体区„未再结晶奥氏体区Ar3两相区Ari再结晶奥氏体晶粒未再结晶奥氏体晶粒含变形组织的奥氏体晶粒加速冷却再结晶奥氏体区„时间第一阶段为再结晶奥氏体（Y）区域轧制（约950°C以上）。在高温

轧制后急速进行再结晶，此阶段将因加热而粗化的奥氏体晶粒经反复

轧制一再结晶进行细化，再结晶区轧制是通过再结晶进行奥氏体晶粒

的细化，此阶段中奥氏体的进一步细化较为困难，它是控制轧制的准

备阶段。第二阶段是未再结晶奥氏体区域轧制（约950°C〜Ar3之间）。随着轧制温度的下降，奥氏体再结晶被抑制，仍保持加工硬化状态。随着压下量的增加，奥氏体晶粒伸长，同时晶粒内有大量形变带和位错，这是控制轧制最重要的阶段。第三阶段是在（Y+a）两相区轧制（约Ar3以下）。在此区轧制时，未相变的奥氏体晶粒更加伸长，同时，晶粒内形成了形变带及位错，在这些部位形成新的等轴铁素体晶粒。先析出的铁素体晶粒由于塑性变形，在晶粒内部形成大量的位错，经回复形成亚晶结构。这些亚晶结构使钢的强度提高，韧脆转变温度降低。两相区轧制使相变后的组织更加细小，同时产生了位错强化及亚晶强化，从而进一步提高了钢的强度和韧性。第四阶段为轧后加速冷却。在特定温度区（500C〜600C）内增加冷却速度，使未相变的Y晶粒发生相变，变成微细的多边化晶粒。a晶粒更加细密，且内部包含亚晶粒，这种包含亚晶粒的混合组织可使强度增大［4。3.2控制冷却的方式线材轧后的冷却方式分为自然冷却和控制冷却。线材轧后控制冷却过程分为3个阶段：（1）一次冷却；（2）二次冷却；（3）三次冷却；用于高温钢材冷却有三类冷却方式，其常用的具体的冷却方法有：（1）喷水冷却（喷流冷却）水从压力喷嘴中以一定压力喷出水流，而水流为连续的，没有间断现象，但是呈紊流状态。这种采用水流破断以前的连续喷流的冷却方法叫做喷流冷却，或叫做高压喷水冷却。这种冷却方法穿透性好，在水膜比较后的时候采用。但这种冷却方法水的喷溅较大，所以水的利用率较差。喷射冷却将水加压由喷嘴喷出的时候，如果超过连续喷流的流速时则水流发生破断，形成液滴群冲击被冷却的钢材表面。这种用冷却方法叫做喷射冷却。该方法适合于一般冷却及各种用途的喷嘴。但是用同一喷嘴所能控制的冷却能力范围不太宽，并且需要比其他方法施加更高的压力。雾化冷却用加压空气使水雾化，水和高压高速气流一起从喷嘴喷出形成雾状，这种冷却方法叫做雾化冷却。此种冷却方法可以实现单独风冷、弱水冷、喷水冷，且冷却均比较均匀。但成本较高，噪音较大，雾气较多。还有层流冷却、浸水冷却、管内流水冷却等［5。4控制轧制、控制冷却在棒材中的应用由于连轧棒材生产线中，钢材是在规定的孔型系统中完成的，变形条件基本固定，不可能进行大范围的变形量调整，因此只能采用控制开轧温度来调整终轧温度的手段来改善变形钢筋的控制冷却又称为钢筋轧后余热处理或轧后余热淬火。该工艺是利用钢筋终轧后在奥氏体状态下直接进行表层淬火，随后由其心部传出余热进行自身回火，以提高塑性，改善韧性，使钢筋得到良好的综合性能。这种工艺简单生约能耗，改善操作环境，钢筋外形美观，条形平直，收到较大的经济效益，在国内外得到广泛的应用［讥4.1钢筋轧后控制冷却的方法及类型根据在快冷前变形奥氏体发生再结品的情况可以以分为两类：一类是变形的奥氏体己发生充分的冉结晶，变形对奥氏休错位、亚结构的影响已通过再结晶消除。形变热处理的效果己很小或者完全没有，这样就只有相变强化，而没有形变强化，强化效果较小。这样强化处理的钢筋，虽然综合力学性能略低,但其应力腐蚀稳定性较高。另一类是轧制后快冷前，变形的奥氏体尚未发生再结品，或者只发生了部分再结品，这样，就保留或部分保留变形对奥氏体的强化作用，形变热处理效果较大可以提高钢筋的综合力学性能，但应力腐蚀开裂倾向较大，这也可用分段淬火及淬火后自回火或加热回火来解决。由于钢筋的直径、钢的化学成分决定的淬透性、冷却速度和冷却温度不同，因此轧后淬火所得组织也不同。直径8.2mm的Q235钢，如冷却速度快和冷去速度低，可以在整个横截面上得到低碳马氏体，直径较大的钢筋。如直径大于12mm,很难沿整个截面上得到马氏体组织。一般表面层得到马氏体组织，通过自回火转变为回火马氏体。而心部得到索氏休、贝氏体及铁索休等⑺。这两种组织类型的钢筋，屈服强度都可以达到784Mpa以上，抗拉强度在980Mpa以下。但是，具有低温回火或未回火的低碳马氏体组织的钢筋在焊接时热影响区的组织和性能变化较大。而稳定性更大的索氏体组织的钢筋，在焊接时热影响区的组织和性能变化较小，从这一点看来，后者较好。按照冷却方式分为两种控制冷却方法：⑴轧后认即快冷工艺，在冷却介质中快冷到规定温度或快冷一定时间后就中断快冷，随后空冷进行自回火。(2)分段冷却工艺，先在强烈的冷却介质中并在很短时间内把表面层过冷到马氏体转变点以下，形成马氏体，立即中断快冷，空冷一点时间，使很薄的表而层中的马氏体回火到1A温度以下，形成回火索氏体，再进行二次快冷一段时间后中断快冷，之后再空冷，使心部得到索氏体、贝氏体及铁素体组织，称为二段冷却［引。5结语随着中国国民经济的发展和需求的增长，轧制技术也取得了长足的进步，通过消化引进技术、自主集成和科技创新,中国已经跻身于轧制技术发达国家之列。自主创新开发的新工艺、新技术、新装备、新产品，已经在为钢铁工业的发展和社会的进步以及人民的福祉发挥关键的作用。今天比以往任何时候都要突出现代轧制技术绿色化特征，着力围绕“高精度成形、高性能成性、减量化成分设计、减排放清洁工艺”开展创新研究，解决一批前沿、战略问题和关键、共性问题，推进我国轧制技术的发展，在世界轧制技术的发展中，留下中国人的印记将是我国轧制科技工作者长期、艰巨而光荣的任务［9］。今后，要进一步加强轧制企业的技术改造、突破制约钢铁轧制技术发展的关键和共性技术，大力开发前沿性新技术，节能减排、创新工艺和装备，实现钢铁材料的减量化、节约型制造，推动钢铁工业的可持续发展[10]〔参考文献〕孙正旭，李永强•我国热连轧带钢生产技术的进步[A].2006年全国带钢生产技术交流会[C].刘玠，鞍钢1700中薄板坯连铸连轧生产线(ASP)工程与生产实践[J].钢铁,2003,38(7):8.王启，董胜峰,葛新建•济钢1700mm中薄板坯连铸连轧生产实践[J].中国冶金,2007,17(6):13.殷瑞钰.薄板坯连铸-连轧的进步及其在中国的发展[A].2009年薄板坯连铸连轧国际研讨会(TSCR2009)[C].2009