XXXX第五章控制轧制和控制冷却工艺讲义

共89页第1页第五章控制轧制和控制冷却工艺的选择与设计及其在轧制生产中的应用共89页第2页5.1控制轧制和控制冷却的基本内容及工艺参数设计5.1.1控制轧制工艺的主要内容根据钢材的化学成分、组织特点和对性能及质量的要求不同，制定各种钢材的控制轧制工包括的内容也不同，控制的参数及重点也各不相同，基本内容包括几个方面。坯料加热制度的选择原料有钢锭、连铸坯和钢坯三种。钢锭或坯料的加热制度与钢种和所采用的控制轧制工艺有密切关系；同时也与所采用的现有加热炉结构和特点有关。共89页第3页加热制度主要有：坯料的入炉温度加热速度最高加热温度保温时间坯料出炉温度坯料温度均匀性、氧化和脱碳程度的要求。坯料的最高加热温度的选择：应考虑原始奥氏体晶粒、晶拉均匀程度碳化物的溶解程度开轧温度和终轧温度的要求。共89页第4页生产经验采用控制轧制和控制冷却工艺的钢种有降低加热温度的趣势。控轧钢坯料的加热温度比普通热轧坯料的加热温度低50—100℃左右如果轧机的能力比较大，轧制压力和电机能力许可的话，加热温度可以进一步降低到l050℃左右。因为提高加热温度除了增加燃料消耗、金属消耗和缩短加热炉的使用寿命外，将促使原始奥氏体晶粒粗大，延长道次之间的待温时间，影响轧机的生产能力，降低轧机的产量特别注意不具备轧后冷却设备或冷却设备能力不足时，因加热温度高而造成的终轧温度过高将使钢组织粗大而不均匀，力学性能降低共89页第5页5.1.2选择和设计控制扎制工艺的类型根据轧钢车间的轧机布置、结构、道次分配、冷却设备的型式、特点和冷却能力按钢种的变形奥氏体再结晶曲线、变形奥氏体相变曲线图、相变产物组织状态、变形抗力曲线以及钢种的力学性能要求，选择以下工艺方案共89页第6页工艺方案第一种方案：完全再结晶型控制轧制工艺。全部变形在奥氏体再结晶区进行，终轧温度不低于奥氏体再结晶温度的上限（奥氏体再结晶的最低温度），道次变形量不低于奥氏体再结晶的临界变形量。第二种方案：完全再结晶型与未再结晶型配合的控制工艺。完全再结晶进行一定的变形，部分再结晶区进行待温或快速冷却，而在奥氏体的未再结晶区继续变形，并在未再结晶区结束轧制。共89页第7页工艺方案第三种方案：完全未再结晶型、未再结晶型和奥氏体与铁素体两相区轧制的三阶段控制轧制。在奥氏体再结晶区轧制一些道次，接近部分再结晶区时进行待温或快冷，进入未再结晶区温度后继续轧制，在奥氏体和铁素体两相区轧制一定道次，达到一定变形量后终止轧制。国内轧机条件：多采用第一种和第二种类型的控制轧制方案。设计控制轧制工艺类型要与设计控制冷却工艺相配合才能取得更好的强韧化效果．共89页第8页5.1.3控制轧制工艺参数的设计与确定控轧工艺类型确定之后，应进一步设计和确定所有的工艺参数。钢材类型不同，确定工艺参数内容不同。中厚板和热轧带钢生产的控制轧制工艺参数包括温度制度和变形制度的确定。温度制度参数为开轧限度、中间停轧待温时的温度范围、未再结晶区的开轧温度及终轧温度。变形制度包括按控制轧制类型(阶段)进行轧制道次和变形量的分配、每道变形量的确定、未再结晶区总变形量的确定以及根据钢种要求确定平整道次的压下量。对平整道次临界变形量比较敏感的钢种应给予足够的注意。不然，出于平整道次压下率确定不合适，引起晶粒严重不均，产生个别特大晶粒，造成混晶，导致性能下降。共89页第9页道次变形分配满足奥氏体再结晶区和未再结晶区临界变形量的要求，要考虑轧机设备能力及生产率的要求。压下量的分配一殷在奥氏体区采用大的道次变形量，以增加奥氏体的再结晶数量，细化晶粒。在未再结晶区在不发生部分再结晶的前提下，尽可能采用大的道次变形量，以增加形变带，为铁素体相变形核创造有利条件。在轧机能力比较小的条件下，采用在未再结晶区多道次、每道次小变形量并缩短中间停留时间的快轧控制方案，也取得较好的效果，而且不降低轧机产量。经验结论在未再结晶区大于45—50％的总变形率有利于铁素休晶粒细化。共89页第10页终轧温度的确定终轧温度必须按变形奥氏体的相变曲线来确定。因为热变形的影响，变形奥氏体向铁素体或渗碳体转变的相变温度都有提高。如果采用两相区终轧的控轧工艺，要根据变形奥氏体的相变温度确定在两相区内的压下道次、总变形量和终轧温度，只有这样才能达到两相区控轧要求共89页第11页工艺优化根据各钢种的要求，提出的控制轧制工艺参数可以进一步进行工艺优化。优化参数：轧机的允许轧制压力，设备条件。优化后的控制轧制工艺参数既能满足控制轧制要求，又能满足轧机条件要求，充分发挥轧机能力，提高轧机产量，并为工艺参数的计算机控制提供了合理数据和控制程序。共89页第12页1）型钢生产中的控制轧制工艺参数温度制度生产型钢的孔型系统和尺寸基本确定例如改变加热温度、开轧和终轧温度等措施以实现控制轧制工艺。根据这一特点，型钢生产的控制冷却工艺的作用就十分重要了？通过控制冷却工艺参数可以达到改善钢材性能和开发新品种的目的。共89页第13页2）热轧钢管生产的控制轧制工艺参数温度制度和变形制度确定管坯的加热温度和各机组的变形温度和变形量。将控制轧制与控制冷却工艺相结合，特别是采用钢管形变热处理工艺以达到提高钢管性能，简化工艺过程和节省能源的目的。共89页第14页3）控轧、控冷钢化学成分的调整其他成分相同时，含0.1％C钢的经过控轧，因晶粒细化,σs相当于普通热轧含碳0.2%C钢的σs值。由于铁素体晶粒细化和珠光体数量相对减少，钢的韧性得到提高。改善不了钢的焊接性能。碳对钢的韧性和可焊性不利，为了改善钢的塑性和焊接性能，在控制轧制条件下，低碳钢、低合金钢和微合金化钢可以适当降低碳含量。其他成分也要作适当调整如MnPSSi等共89页第15页5.1.4控制冷却工艺设计根据钢材的产品种类、尺寸规格和形状的不同以及轧机特点和主设备布置的区别，控空冷却工艺各不相同，工艺设计的内容也有所差别。现就钢板、钢管和型钢的控制冷却工艺的设计分别介绍如下。共89页第16页1)钢板控制冷却工艺的设计(1)板带材的冷却方式主要根据以下选择冷却能力，冷却均匀程度，节省冷却介质(水、高压空气等)，节省动力，可控性好灵活可靠，对水质要求不高，容易维修保养，能够用计算机进行控制。冷却方式：层流冷却、喷射冷却、喷流冷却、喷雾冷却、水雾混合冷却、冷床上进行风冷、空冷（在空气中自然冷却）、压力淬火和辊式淬火法（主要是采用高压水冷却钢板，同时用压力淬火机或辊式淬火机的压住钢板以防止钢板变形）共89页第17页(2)水冷设备和系统设计按所选择的水冷方式对水冷设备进行设计。如果本车间已经具有控制冷却装置，则可以直接进行工艺参数设计。新设计的控制冷却系统主要包括以下各项的设计：水冷器的结构，数量及布置，水路系统，仪表和控制系统等。共89页第18页(3)控制冷却工艺参数设计根据控制冷却设备条件和钢板的组织性能要求，进一步选择和设计水冷工艺参数，其内容有：开始快冷温度，各水冷器的水压和水量，冷却时间，钢板移动速度，开启水冷器个数及顺序钢板表面的最高返红温度(决定于钢板表面的冷却最低温度)。根据钢板的控制冷却制度，设计控制冷却程序，以便控制各工艺参数，达到预测的钢板组织和性能。195.2板带钢控轧与控冷应用实例5.2.1北极管线用针状铁素体钢共89页第20页管线钢的发展历史60年代末70年代初，美国石油组织在API5LX和API5LS标准中提出了微合金控轧钢X56、X60、X65三种钢.这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为0.1-0.14%，在钢中加入≤0.2%的Nb、V、Ti等合金元素，并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。到1973年和1985年，API标准又相继增加了X70和X80钢，而后又开发了X100管线钢，碳含量降到0.01-0.04%，碳当量相应地降到0.35以下，真正出现了现代意义上的多元微合金化控轧控冷钢。共89页第21页共89页第22页特点利用细小的TiN来增加基体合金和焊缝的韧性，而降低了C、Mn和Mo来提高可焊性。降低Mn和Mo所带来的强度降低是用加V和运用严格的控制轧制来弥补。增加板坯中的细小TiN含量来提高韧性。共89页第23页利用细小的TiN控制轧制概要1）使板坯加热时的γ晶粒（此后称为γH）细化至ASTM4－7号，并使细小的TiN（不大于0.02μm）在板坯中弥散分布。其结果是借助于在再结晶区域轧制的效果，奥氏体晶粒（此后称为γR）显著地均匀细化，随后在非再结晶区轧制时拉长，轧后转变成均匀的细晶粒的显微组织。2）在再结晶区域轧制时，细小的TiN阻止再结晶的奥氏体晶粒长大，并加速它们的细化。3）利用细小的TiN的控制轧制操作一般可用于任何成分的钢。共89页第24页运用细小的TiN控制轧制的研究试验钢的化学成分注：加热条件：加热时间、保温时间：所有钢均为1小时，不论它们的化学成分如何。当保温时间在0和2小时之间，而加热温度不高于1150℃时，随保温时间增加，γ晶粒的长大不超过ASTMNo.5级。共89页第25页用细小的TiN细化γH为了达到使γH有效地细化，TiN的尺寸和含量最好不大于0.02μm和不少于0.004％。γH细化对γR的影响细小的TiN对γH的细化有显著的影响。。在再结晶区域轧制后对γ晶粒细化进行了试验。而不论γ晶粒尺寸的差别如何小，无TiN钢晶粒趋向较大的尺寸区间。共89页第26页结论加入细小的TiN使γH细化，有助于控制轧制钢的显微组织细化和韧性改善。这种工艺可用于任何化学成分的钢。例如在改善低C中Mn-Nb-V，低Mo钢的韧性也获得成功。采用这种工艺，新日本钢铁公司已建立了北极用厚壁X70级管线的大规模生产系统。共89页第27页5.2.2现代化宽厚板厂控制轧制和控制冷却技术近三十年以来,控制轧制和控制冷却技术在国外得到了迅速的发展,国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。共89页第28页控轧控冷技术的冶金学原理钢的强化机理及对韧性的影响钢的强化机理主要有:固溶、析出、位错、细晶(晶界强化、亚晶强化)、相变强化等.固溶强化,通过添加C,Mn,Si,Ni等合金元素来获得。通过添加Nb,V,Ti微合金元素及采用控制轧制工艺可实现细晶强化、析出强化、位错强化。在采用强化手段提高钢的强度的同时,还必须考虑到强化手段对钢韧性的影响共89页第29页获得细小铁素体晶粒的途径——三阶段控制轧制原理•奥氏体再结晶区域轧制(≥950℃)•在奥氏体再结晶区域轧制时,轧件在轧机变形区内发生动态回复和不完全再结晶。在两道次之间的间隙时间内,完成静态回复和静态再结晶。•加热后获得的奥氏体晶粒随着反复轧制——再结晶而逐渐变细。图中第Ⅰ阶段,由于轧件温度较高,奥氏体再结晶在短时间内完成且迅速长大,未见明显的晶粒细小。•随着轧制温度的降低,轧制道次的增多(即:再结晶次数的增多),在低温再结晶区域(图中第Ⅱ阶段)轧制时,晶粒细化效果明显，强化作用充分体现出来,相变后的组织为细小等轴的铁素体晶粒和珠光体组织共89页第30页奥氏体未再结晶区域轧制(950℃～Ar3)•在奥氏体未再结晶区域(图中第Ⅲ阶段)轧制时,由于轧后的奥氏体不产生再结晶,因此随着轧制道次的增加,变形奥氏体晶粒沿轧制方向逐渐拉长,且在变形奥氏体晶粒中形成大量的变形带和位错。变形奥氏体的晶界、变形带及位错等处是铁素体形核部位。随着变形量的增大,变形带数量增多,而且分布更均匀。另外奥氏体晶粒被拉长后,将阻碍铁素体晶粒的长大,因而相变后可获得更加细小的铁素体及珠光体组织。对于微合金钢而言,微合金元素的碳氮化合物在相变时,优先在奥氏体晶界、变形带、位错处析出,从而阻碍铁素体、珠光体晶粒的长大共89页第31页奥氏体和铁素体两相区轧制(Ar3)•在(γ+α)两相区(图中第Ⅳ阶段)高温区域轧制一定的道次,达到一定累积变形量,未相变的变形奥氏体由于变形而继续被拉长。同时晶粒内形成的变形带及位错,在这些部位形成新的等轴铁素体晶粒。而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,并经回复