钢材控制轧制技术

钢材控制轧制技术何翁源沈阳工业大学材料成型及控制工程3839042123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。控制轧制工艺的开发与理论研究进一步揭示了热变形过程中变形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；变形；强度；韧性Abstract:Fornearly30years,controlledrollingandcontrolledcoolingtechnologyobtainedtherapiddevelopmentinforeigncountries,andcountriessuccessivelycarriedoutvarioustheoreticalresearchandappliedtechnologyresearch,andtriestouseintheproductionofsteelrolling,theobviousimproveandenhancethetenacityofsteelandtheuseofperformance,inordertosaveenergyconsumption,simplifyproductionprocessanddevelopmentofnewsteelvarietiescreatedfavourableconditions.Mostlenientplatefactoryathomeandabroadadoptcontrolrollingtechnology,productionhashighstrength,hightoughnessandgoodweldabilityofhighqualifiedsteelplate.Controlthedevelopmentofrollingtechnologyandtheoryresearchfurtherrevealsthatthethermaldeformationintheprocessofdeformationprocessparametersandthechangeoftheorganizationofthesteel,relatedlawsandtheinternalrelationbetweensteelperformance,enrichandformedsteelthermaldeformationundertheconditionofphysicalmetallurgyengineeringtheory,toprovidetheoreticalbasisforreasonablehot-rollingprocess.KeyWords:Controlrolling;Deformation;Strength;Toughness.1.引言控轧控冷技术的发展历史：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.控制轧制的阶段：2.1控制轧制的阶段划分通常将控制轧制分为3个阶段2.1.1再结晶型的控制轧制它是将钢加热到奥氏体化温度，然后进行塑性变形，在每道次的变形过程中或者在两道次之间发生动态或静态再结晶，并完成其再结晶过程。经过反复轧制和再结晶，使奥氏体晶粒细化，这为相变后生成细小的铁素体晶粒提供了先决条件。为了防止再结晶后奥氏体晶粒长大，要严格控制接近于终轧几道的压下量、轧制温度和轧制的间隙时间。终轧道次要在接近相变点的温度下进行。为防止相变前的奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒长大，特别需要控制轧后冷却速度。这种控制轧制适用于低碳优质钢和普通碳素钢及低合金高强度钢。2.1.2未再结晶型控制轧制它是钢加热到奥氏体化温度后，在奥氏体再结晶温度以下发生塑性变形，奥氏体变形后不发生再结晶（即不发生动态或静态再结晶）。因此，变形的奥氏体晶粒被拉长，晶粒内有大量变形带，相变过程中形核点多，相变后铁素体晶粒细化，对提高钢材的强度和韧性有重要作用。这种控制工艺适用于含有微量合金元素的低碳钢，如含铌、钛、钒的低碳钢。2.1.3两相区控制轧制它是加热到奥氏体化温度后，经过一定变形，然后冷却到奥氏体加铁素体两相区再继续进行塑性变形，并在Ar1温度以上结束轧制。实验表明：在两相区轧制过程中，可以发生铁素体的动态再结晶；当变形量中等时，铁素体只有中等回复而引起再结晶；当变形量较小时（15%-30%），回复程度减小。在两相区的高温区，铁素体易发生再结晶；在两相区的低温区只发生回复。经轧制的奥氏体相转变成细小的铁素体和珠光体。由于碳在两相区的奥氏体中富集，碳以细小的碳化物析出。因此，在两相区中只要温度、压下量选择适当，就可以得到细小的铁素体和珠光体混合物，从而提高钢材的强度和韧性。在实际轧制中，由于钢种、使用要求、设备能力等各不相同，各种控制轧制可以单独应用，也可以把两种或三种控制工艺配合在一起使用。3控制轧制的主要工艺参数控制轧制的主要工艺参数有:加热温度、加热时间、开轧温度、轧钢的变形量、精轧开轧温度、中间坯厚度和终轧温度。3.1加热温度加热温度对Nb、V在奥氏体中的固溶量有很大的影响,在Nb、V能固溶的范围内尽量采用结晶终止温度。若再加热温度过高,则会使原始奥氏体晶粒粗化,从而使相变后的铁素体晶粒更粗大,不利于钢的韧性。另外,板坯在炉加热时间对管线钢的探伤合格率有一定的影响。低温加热,使高温奥氏体晶粒不致于粗化,从而改善韧性。若加热温度过低,将存在部分未溶微合金碳氮化物,由于颗粒大于1000,不可能产生抑制奥氏体再结晶的作用。适当提高再加热温度,使微合金元素的固溶量增加从而提高钢的强度和有效提高奥氏体的再3.2轧钢的变形量轧钢过程中存在再结晶区域、部分再结晶区域和未再结晶区域。为了细化铁素体晶粒,在γ再结晶区进行多道次大变形量(每道次变形量必须大于再结晶临界变形量)高温粗轧,通过形变/再结晶反复进行使奥氏体晶粒充分细化;同时还须保证粗轧结束时处于完全再结晶区,不能进入部分再结晶区,以免产生混晶组织。根据变形温度可知,此时变形处在部分再结晶区,奥氏体再结晶数量急剧增加。同时变形量的增加使晶粒变形加剧,晶粒因发生畸变增加了储存能,发生再结晶时形核的驱动力增加,促进了再结晶的发生,使奥氏体晶粒更加细小,并最终获得细小的铁素体晶粒。在γ未再结晶区精轧时必须保证较大的累积变形量,这样才可使奥氏体晶粒充分压扁,在拉长的奥氏体晶粒内产生高密度的形变孪晶和形变带,同时微合金元素的碳氮化物因应变诱导析出,从而为铁素体转变提供更多的有利形核位置。因此,在γ未再结晶区轧制时累积变形量越大,轧后铁素体晶粒的细化效果越好,改善钢综合性能的效果越显著。3.3中间坯厚度γ再结晶区轧制结束后板坯待温时的厚度称为中间坯厚度。适当增加中间坯厚度,可增大γ再结晶温度以下时的累积变形量(即精轧累积变形量),使变形奥氏体晶粒内部的形变能和形变缺陷增多,从而有利于提高相变驱动力,减少带状区域相变温度差,减小相变的不同时性,有利于铁素体均匀形核,最终使晶粒细化并减少带状组织,进一步改善钢的综合性能。适当地增加中厚板轧件的中间坯厚度,致使表层奥氏体组织在低温时发生大变形,加上机架间除鳞高压水冷却、轧件与传送辊、轧辊的接触导热可快速降低表层组织的温度,促使表层组织发生应变诱导相变,在适当条件下可实现表层组织的超细晶化。在轧制过程中轧件表层组织硬化使其变形抗力逐渐增大,有利于变形向心部渗透,从而细化表层以下材料的晶粒,进而实现内部组织的细晶化。4.控制轧制工艺的优点和缺点4.1控制轧制的优点如下：4.1.1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σs≤330MPa，-40℃的冲击韧性Ak≤431J，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℃的Ak值可以达到728J以上。在通常热轧工艺下生产的低碳钢α晶粒只达到7~8级，经过控制轧制工艺生产的低碳钢α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。4.1.2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γ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γ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。4.2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。5.提高控制轧制的途径和方法5.1交叉轧制各个轧制阶段都有一定的开轧温度和终轧温度。因此，各阶段之间都有一个.中间冷却待温的问题。中伪冷却时间的长短主要取决于轧件的中间厚度，中间厚度愈大，轧件在辊道上放置的时间就愈长。轧机只轧制一块板坯时，轧件的中间冷却待温会造成轧机产量较大的下降。如果在轧件中间冷却期间，让轧机轧制其它轧件，那显然会提高轧机的产量。根据鞍钢厚板厂轧制线条件和板坯的情况，提出三种交叉轧制方案。总之，采用交叉轧制，就在于充分地利用轧件的中间冷却时间，让轧机轧制另外的轧件，达到提高轧机产量的目的。5.2缩短中间冷却时间为了缩短轧件中间冷却时间，结合二期工程还要增设精轧机的条件，在粗轧机后设置一喷淋冷却装置，由于轧机后设置喷淋冷却装置，同样的待冷轧件，轧件在轧机前和轧机后的中间冷却时间会有所不同。据此，我们给出了两块钢板的两阶段交叉轧制方法。这种方法的要点是要使轧件在轧机前的中间冷却时间大于精轧时间。这种方法适合于较厚产品的生产，轧件在轧机后，可根据实际需要确定轧件的喷水时间，以保证轧制节奏协调，从而达到提高产量的目的。待将来安装精轧机后，实现多块钢板的控制轧制，喷淋冷却在缩短轧件中间冷却时间方面就会显示出其重要作用。提高终轧变形率，可使第二阶段轧件开轧厚度减小，达到提高产量的目的。在保证总压缩比的条件下，还可用较薄板坯，减小总的压下量，以便提高轧机的产量。6.结语制轧制技术是一种先进的、经济实惠的、可以是活运用的轧钢新技术。在只有单机架轧机，又没有热处理设备的中厚板生产厂家，如果能够运用得当，更能发挥其独特的作用。三种类型的控制轧制方