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控制轧制与控制冷却的发展及特点微合金化热机械控制工艺一.控制轧制与控制冷却钢的控制轧制与控制冷却控制轧制是以钢的化学成分调整或添加微合金元素Nb、V、Ti为基础，在热轧过程中对钢坯加热温度、开轧温度、变形量、终轧温度等工艺参数实行合理控制，以细化奥氏体和铁素体晶粒，并通过沉淀强化、位错亚结构强化充分发掘钢材内部潜力，提高钢材力学性能和使用性能。钢的控制轧制与控制冷却控制冷却是对轧后钢材的冷却工艺参数(开冷温度、终冷温度、冷却速度)合理控制，为钢材相变做好准备，并通过控制相变过程的冷却速度，以达到控制钢材组织状态、各种组织的组成比以及碳氮化物析出等，可以在降低合金元素含量或碳含量的条件下，进一步提高钢材的强度而不牺牲韧性，并且大幅度节约能耗。控制轧制与常规轧制的区别常规轧制的工艺特点:高温加热、高温开轧、高的终轧温度、低的卷取温度,即三高一低。控制轧制的工艺特点:再结晶区轧制、未再结晶区轧制和（+）两相区轧制。高温变形的应力-应变特征曲线真应变，εt＝常数ε＝常数图1.2动态再结晶时的应力－应变曲线特征图1.1动态回复时的应力－应变曲线特征高应变速率低应变速率。控制轧制三个阶段理论再结晶区轧制:通过再结晶过程的反复进行,达到细化奥氏体晶粒的目的.未再结晶区轧制:温度范围为950-Ar3;在形变奥氏体中,形成变形带、位错及孪晶,铁素体就在这些位置上形核,晶粒得到细化.(+)两相区轧制:奥氏体变形得到继续,在晶内形成变形带;相变后的铁素体在受压时,在晶粒内部形成亚结构,获得亚晶强化机制.前者相变成多边形晶粒,后者因回复变成内部有亚晶粒的铁素体组织.控制轧制三个阶段理论图1.3控制轧制过程中显微组织变化钢的轧后控制冷却一次冷却是指从终轧开始到变形奥氏体向铁素体或Fe3C开始转变的温度范围内控制其冷却参数.二次冷却的目的是控制钢材相变时的冷却温度和冷却速度以及停止控冷的温度.其终冷温度一般是控制到相变结束,c-Mn钢和含Nb钢冷却终了温度控制在600℃左右.轧后一次冷却和二次冷却对一些钢种可以连续进行.对于微合金化低碳钢轧后快速冷却,终止温度可以达到珠光体相变结束.三次冷却即空冷,在快冷中来不及析出的碳化物,在空冷中随着温度的降低,在铁素体中析出.控轧控冷的物理冶金基础奥氏体晶粒的细化:形变再结晶的驱动力.影响再结晶过程的因素:形变温度:形变温度越高越有利于再结晶过程的加速进行.形变量:实验表明,形变量的增大能明显提高再结晶的形核和长大速率.控轧控冷的物理冶金基础综合考虑以上两个因素,轧制过程中,若形变温度足够高和形变量足够大,则会发生动态再结晶,形变前的晶粒越细,形变温度越高,形变速率愈低,愈有利于动态再结晶.故通常的中厚板生产中,由于每道次的压下量有限,难以发生动态再结晶,而主要是静态再结晶过程,但应注意混晶现象.控轧控冷的物理冶金基础形变速率:提高形变速率将不利于动态再结晶的发生,但也有研究表明,提高形变速率将缩短动态再结晶时间.原始晶粒尺寸(D0):D0愈小愈有利于动态再结晶:D0减小,静态再结晶时间亦越短.控轧控冷的物理冶金基础钢中溶质原子及第二相粒子:在钢中适当添加Nb、Ti等微合金元素,通过溶质拖曳机制和析出钉扎机制,细化奥氏体晶粒.这种利用高温形变再结晶与微合金元素溶解-析出的相互作用使晶粒充分细化的机制便是控轧中控制奥氏体晶粒尺寸的主要的物理冶金基础.控轧控冷的物理冶金基础高温形变再结晶诸参数对再结晶晶粒尺寸的影响:对静态再结晶来讲，Drex主要与ε及D0有关，并有如下经验公式：Drex=CD00.57ε-1(C-Mn钢)Drex=C΄D00.57ε-0.57(Nb钢)式中C和C΄值大致分别为0.5和0.9(对于0.04%Nb)。控轧控冷的物理冶金基础铁素体晶粒的细化:铁素体晶粒的形核速率愈大，长大速率愈小，则晶粒愈细。形核速率，N过冷度，T图1.4铁素体形核速率与过冷度的关系控轧控冷的物理冶金基础实验证明，在γ→α相变温度范围内，形变温度愈低愈有利于铁素体晶粒的细化，因此，要尽可能降低γ→α相变开始温度Ar3。影响γ→α相变晶粒细化的主要因素:相变前奥氏体晶粒尺寸、形变量、轧后冷却速率和合金元素等。他们通过对铁素体形核和长大速率及Ar3的作用而影响铁素体晶粒的细化。控轧控冷的物理冶金基础奥氏体晶粒尺寸的影响表现为两方面:奥氏体晶粒的细化将增加其单位体积的有效界面积，从而能明显提高晶界形核位置的体积分数。随着奥氏体晶粒的细化，相变开始温度有所提高，不利于铁素体晶粒的细化。因此，工业生产中，应将奥氏体晶粒控制在适当的尺寸范围。控轧控冷的物理冶金基础相变前形变量的影响表现在三个方面:通过变形使奥氏体晶粒拉长，并在晶粒内产生形变带。α相变前的形变使奥氏体晶粒形变储能增加，从而使铁素体临界形核功降低，使形核率明显提高。相变前的形变能明显提高相变开始温度，这将不利于铁素体晶粒的细化。但足够大的形变量可使γ→α相变晶粒细化效应成倍增加。控轧控冷的物理冶金基础轧后冷却速率对γ→α相变及其细化晶粒的影响:研究表明,提高轧后冷却速度能明显降低Ar3，可抵消奥氏体晶粒细化及相变前形变给晶粒细化带来的不利影响，有力地增加了相变细化晶粒作用。虽然过冷度的增大，降低了铁素体晶粒的细化，但总体上对铁素体晶粒的细化有利，这要求在控轧实践中对冷却制度进行控制。控轧控冷的物理冶金基础(γ+α)两相区控轧及其强化效应分析:如果在γ→α相变过程中继续进行轧制，则一方面通过热变形在铁素体晶内引入大量位错及其亚结构。另一方面利用应变诱导使微合金元素碳氮化物在铁素体中弥散析出，从而能够提高钢中位错亚结构及析出强化作用。利用上述原理建立了包括（γ+α）两相区控轧的三阶段控制轧制技术，并在西欧和日本得到了广泛应用。微合金化传统的合金元素通过改变铁的结构来影响钢的性能。有些合金元素不改变铁的结构，而是与其中的碳和氮有很强的相互作用。常用的微合金化元素：Nb、V、Ti、B、Al、Zr、Ta等;能生成碳氮化物并有析出强化作用的只有Ti、Nb、V等。微合金化元素使钢强化的主要机理是晶粒细化和析出强化微合金化微合金化元素的特性：10-3-10-1%的低含量;与碳、氮和硫相互作用；基体中第二相沉淀；对组织和性能的巨大影响；通过加工工艺和热处理控制溶解和析出反应。微合金化Morrison等人认为Nb引起的强度升高是由于Hall－Petch式中σ0的增加。研究者最终明确了Nb的作用是由于固溶在钢中的Nb可以抑制奥氏体再结晶和晶粒长大，有助于产生微细的铁素体晶粒，并且Nb元素与C、N有极强的亲和力，容易形成细小弥散Nb（C、N），可以阻止晶界迁移，提高晶粒长大温度，从而达到细化效果。添加Nb后有利于钢中诱导相变的发生。微合金化由于会发生强烈的沉淀强化，因而会提高热轧产品的强度，但是，晶粒细化却是中等的。和强度等级相同的Nb钢相比，Ti钢的热轧产品的抗脆性断裂性能较低。Ti对于控制硫化物形状是有利的。高强度Ti钢的冷成型性能特别好，而且在纵向、横向和厚度方向上的性能均匀，故加入Ti是十分有利的。Ti含量较高的钢，其强化作用与Mn的含量有关。微合金化V可以提高钢的淬透性，溶入铁素体中有强化作用，可以形成稳定的碳化物，细化晶粒。V会产生中等强度的沉淀强化和比较弱的晶粒细化，而且是与他所占的百分数成比例的。N能加强V的作用。为了获得特别大的强化效果，利用V的沉淀强化和Nb的晶粒细化相结合的方法，可以得到织构较少的产品。微合金化表1微合金化元素的作用微合金元素热轧后析出强化正火后析出强化影响热轧过程中的再结晶正火时细化晶粒高温奥氏体化过程中细化晶粒影响热轧后的相变特性钒碳化钒氮化钒碳化钒—氮化钒——铌碳氮化铌—铌、碳氮化铌碳氮化铌—铌钛碳化钛——碳化钛氮化钛—微合金化钢钛微合金化不仅用于防止时效脆化和改善热影响区韧性,还用于双相钢提高铁素体强度和疲劳性能。把握控制奥氏体晶粒度的合金设计新概念，如图5所示，在完全再结晶区，适合采取钒、钛微合金化的RCR工艺，在不发生再结晶区则应用铌微合金化的CCR工艺;微合金化钢图1.5不同变形条件对应的奥氏体组织示意图热机械控制工艺及其在轧钢中的应用TMCP概念:即控制轧制和控制冷却技术有机结合以控制组织转变，得到理想的强韧性匹配的产品。即在调整钢材化学成分的基础上，对轧制过程的温度制度、变形制度和轧后冷却制度进行有效控制;充分利用奥氏体的形变再结晶、应变累积效应及强制相变等细晶机制;显著改善钢材微观组织;从而达到提高钢材综合力学性能的目的。热机械控制工艺及其在轧钢中的应用TMCP工艺包括热机械轧制(TMR)、轧后加速冷却(AC，通常也称ACC)和轧后直接淬火－回火(DQ-T)工艺三大类。TMCP工艺分类如图6所示:热机械控制工艺及其在轧钢中的应用图1.6热机械控制工艺示意图热机械控制工艺及其在轧钢中的应用轧后空冷的热机械轧制（TMR）获得的一般是铁素体＋珠光体组织，ACC工艺后获得的是铁素体＋珠光体、铁素体＋贝氏体或铁素体＋回火贝氏体组织，DQ工艺后则可以得到马氏体组织。图7即是TMCP工艺与最终产品组织控制示意图。热机械控制工艺及其在轧钢中的应用图1.7TMCP工艺与最终组织热机械控制工艺及其在轧钢中的应用为更好发挥TMCP的作用，合金设计须与轧制工艺相结合：根据强度和韧度要求,确定组织类型和微观结构；根据钢厂的装备状况,确定钢的碳含量水平和控轧工艺的类型；根据强度-韧度的匹配,选择基础成分和微合金化方案；考虑微合金化元素不能完全脱溶及充分发挥碳氮化合物的作用,按10％～15％的过化学匹配设计。二.热轧板带1.前言我国现在是世界上的钢铁大国,连续几年钢产量居世界第一位。近几年来板带轧制发展最快.到目前为止，正式投产的宽带轧机20套。正在建设中的还有近20套，投产后宽带产量将近一亿吨。产品结构比例已进入世界先进行列装备水平也是世界一流的，如宽度控制：大立辊﹑定宽机厚度控制全液压AGC﹑板形控制的各种机型.例如:CVC、HC、PC、等，温度控制，热卷箱：保温罩、边部加热等等。控制系统：交交变频控制、PLC数值可控硅，等……。机组的布置形式：传统的：3/4连轧、半连轧、全连轧新型的：CSP机组、ASP机组因此就生产的装备水平和工艺水平均达到了世界先进行列。但我国产品质量还有待提高。例如：汽车板、电工钢等还与世界先进国家有一定的差距。原因是多方面，有冶炼的、轧制工艺的，总之，质量控制：包括厚度、板形、表面及内部质量还有待于进一步努力，赶超世界先进水平。2.热轧过程中有关技术的简介：2.1热装、直接轧制工艺：坯料→加热→轧制→层流→卷取连铸坯与连轧的衔接关系：图2.1连铸与连轧的衔接模式特点：节能，提高产品质量2.2质量控制：控制轧制控制冷却的要点，微合金成分、控制变形温度、变形程度、变形速度、冷却速度。原理：钢热变形，有四种变形机制。动态再结晶、部分再结晶、未再结晶区、两相区轧制。图2.2微合金钢的控制轧制示意图图2.3动态回复时的应力－应变曲线图2.4动态再结晶时的应力－应变曲线2.2.1加热温度在可能条件下要降低，以达到节能目的，热能/电能=10/1。2.2.2粗轧：动态再结晶区,大压下量V=C时,增大。形核率高，可以细化。hHRhvdtd22.2.3精轧区：轧件温度控制部分再结晶区和未再结晶区，也有足够的压下，保证终轧温度控制在Ar3线上30℃左右，这样可以为进一步细化晶粒打基础。2.2.4冷却和卷取温度控制：卷取温度的高低对产品质量也是很大的，终轧温度通常900—870℃左右，到723℃还有一定温度发生相变。同时，研究表明，钢中的停止相变，C、N化物析出的停止温度为500—550℃。高温卷取后整卷带钢冷到此温度需要很少时间。所以控制卷取温度对提高质量是很重要的。2.3调宽轧制（AWC）和自由程序轧制（SFR）板带产品规格按用