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河北工业职业技术学院毕业论文第1页共14页控制轧制和控制冷却技术在高速线材生产中的应用摘要：介绍了线材控制轧制和控制冷却工艺的理论基础及其目的，控制轧制和控制冷却在高速线材生产过程中各个环节的应用特点及发展趋势，控制扎制和控制冷却技术是直接关系到产品力学性能及其均匀性的关键工艺。采用控制轧制和控制冷却技术增加了产品的附加值，同时实现了生产节能。在我国新建的高速线材车间得到了广泛的采用。关键词：高速线材；控制轧制控制冷却；理论基础；特点一、前言20世纪60年代以来，国外出现无扭轧制新技术使得线材轧机终轧速度大大提高，单盘卷重也随之增加，导致了卷线机与高速度轧制和大卷重无法相适应的矛盾。另外，由于轧制速度的提高，终轧温度高于1000℃，若仍在精轧后直接卷取，则出现氧化铁皮增多，晶粒粗大，机械性能不均匀等问题。为此开发出了控制轧制和控制冷却技术，可使线材轧后的冷却速度和进程因钢种、规格及最终产品性能不同而不同，减少氧化铁皮的生成，改善线材的机械性能和拉拔性能。高速线材控制轧制和控制冷却技术，也被称为在线热处理，是直接关系到最终产品力学性能及其均匀性的关键工艺。对提高线材的社会经济效益和促进金属制品生产发展，开拓线材使用的新领域起到良好的作用。二、线材控制轧制和控制冷却的目的线材热轧有两个目的：首先是热轧成形，满足尺寸、规格要求，达到轧机的生产能力；其次是控制钢材的组织和性能。前者是由轧机特点、产品的孔型系统、轧制工艺而决定的。而钢材的组织性能是通过钢的成分调整、控制轧制和控制冷却来达到的。线材控制轧制的工艺是选择合适的化学成分，控制加热温度、各阶段的河北工业职业技术学院毕业论文第2页共14页轧制温度及变形量，以获得所要求的组织和性能。线材的控制冷却是控制轧后各段的冷却温度及冷却速度，及不同的冷却方法，以得到所要求的组织和性能。三、线材控制轧制和控制冷却的理论基础（一）钢材的强化机理控制轧制的目的主要是提高钢材的强韧性。钢材的强化机理主要有：固溶强化、析出强化、位错强化及晶粒细化强化等。下面对各种强化分别做一简单介绍。1、固溶强化通过加入溶质元素使固溶体强度升高的现象称为固溶强化。其强化的金属学基础是由于运动的位错与溶质原子之间相互作用力加大的结果。2、位错强化根据位错理论表明，在生产条件下随着钢材晶内缺陷或晶格畸变程度的加强，钢的强度提高。位错密度随着变形程度增大而不断提高，特别是在未在结晶区轧制时或冷轧时效果更明显。奥氏体钢不同于铁素体钢或铁素体-珠光体钢，它的冷变形能力特别高。这是由于奥氏体变形导致位错密度增加较大而引起的。3、沉淀强化在普通低合金钢中经常加入微凉的铌、钒、钛等元素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，在轧制中或轧制后冷却时他们可以析出，起到第二相沉淀强化的作用。这种强化在低合金钢线材的控制轧制中是很重要的强化手段。第二相的沉淀强化过程也就是过饱和固溶体的分解过程。第二相引起的强化效果与析出的质点的平均直径成反比，与其析出体积百分数的平方根成正比。沉淀相的部位、形状对强度都有影响。4、晶界（细晶）强化在多晶体中位错的滑移除了要克服晶格阻力、滑移面上的杂质原子的阻力外，还要克服晶界的阻力。晶粒愈小，晶界就相对越多，晶界的阻力也就越大，线材的屈服强度越高。5、亚晶强化低温轧制时因动态、静态回复形成亚晶，亚晶的数量、大小与变形温度、河北工业职业技术学院毕业论文第3页共14页变形量有关。变形温度低、压下量大，则亚结晶数量多、细小、密度也高。亚晶本身是位错墙，亚晶细小位错密度也高。另外有些亚晶间的位错位向差稍大，也如同晶界一样阻止位错运动。6、相变强化钢经淬火转变成马氏体是使钢材强化的常用手段之一。马氏体能获得高强度和硬度是几种强化机制共同作用的结果。轧制变形对马氏体强化又复杂的影响。钢种珠光体类型组织的增加和渗碳体的增加也使钢的强度增加。（二）提高钢材的韧性钢材的韧性取决于的成分与晶内缺陷（位错、缺位、晶界、缺口裂纹）组成的结构，而钢材的整个生产的工艺（包括炼钢、连铸、热轧或控冷、轧后冷却及热处理等）又决定了钢的组织结构不同。为了改善钢的韧性，就必须调整成分，控制相关的工艺参数，以达到所要求的组织结构和强韧性能的目的。下面是常用的提高钢材韧性的方法：1、控制钢的成分、气体和夹杂物加入铁中的合金元素对基体形成间隙式、置换式固溶体，或强化析出相对钢的强化有明显的效果。但由于合金含量的增加引起基体内缺陷的增加，从而降低了线材的塑形和韧性。钢中常含有硅、磷能提高钢的屈服强度，同时，脆性转变温度也提高。只有锰、镍几种元素除外。加入少量的钒、铌、钛、铝、锆等重要的控制元素。由于能细化晶粒，因而能在提高强度的同时又提高韧性。钢中的硫、磷元素对断裂韧性是有害的。碳是钢中的重要成分，碳量增加钢中珠光体增加，使50%FATT上升。因此在生产中为为提高钢的韧性往往采用在钢种允许的成分范围内降低碳含量，而通过增加锰含量来提高强度。钢中的气体主要是氢、氧、氮，夹杂物主要是氧化物和硫化物，氢和氮主要以溶解状态存在。氢可以引起白点和氢脆，应尽量降低其含量。氮与位错结合力较强，形成气团而阻止位错移动，使钢的韧性下降。当氮是固溶状态时危害更大。钢中的氧以氧化物形式存在，夹杂物含量越多韧性越低。2、通过控制轧制工艺参数提高钢材韧性控制轧制工艺参数是获得钢材所需形状、尺寸和改善钢材性能的重要的手段。通过控制热轧工艺参数细化晶粒、组织、控制取向，在提高强度的同河北工业职业技术学院毕业论文第4页共14页时提高其韧性。根据理论计算，韧性断裂强度σc为σc=（2Gγ/K）d-1/2式中G——钢的切边模量：γ——材料的表面能：K——常数：d——铁素体的晶粒直径。式中表明，钢的断裂强度与晶粒尺寸的（-/2）次方成正比，它与Hall-Petch强度关系类似。晶粒尺寸细小降低钢的脆性转变温度。轧后的冷却工艺也影响钢的组织、形貌、数量等，从而也影响钢的韧性。（三）线材在热轧过程中的组织变化钢在热轧时将发生奥氏体塑性变形、加工硬化、回复、再结晶、晶粒细化、再变形、再结晶等。随着轧件温度的降低，金属内产生奥氏体的部分再结晶或未再结晶，之后发生奥氏体相变（如向铁素体和珠光体的转变，或碳（氮）化物析出）的过程。1、在奥氏体完全再结晶区控制轧制的特点再结晶控制轧制是在奥氏体变形过程中和变形后自发产生奥氏体动态和静态再结晶的区域中进行轧制，变形温度一般在1000℃以上。要达到奥氏体完全再结晶必须要达到没到此的临界变形量和变形温度。对线材来说，孔型系统确定以后，各道次的变形量就已经一定，主要决定于各道次的轧制温度，因而称为线材的控温轧制。碳素钢的再结晶临界变形量较小，对变形温度的依赖也小。而含有微量元素铌、钒、钛的钢再结晶的临界变形量都很大。变形温度越低，临界变形量越大。原始奥氏体晶粒的大小对静态再结晶的临界变形量也有影响。当轧制温度一定时，随着原始奥氏体晶粒变得粗大而要求有较大的产生再结晶的变形量。在奥氏体再结晶区，道次变形量的加大使奥氏体再结晶后的晶粒细化。降低道次的轧制温度，奥氏体再结晶后都会得到较细的晶粒。在奥氏体再结晶区轧制时，如果再轧后或两道次之间停留时间加长，则再结晶晶粒长大，形成粗大的奥氏体组织。如果两道次之间间隙时间很短，河北工业职业技术学院毕业论文第5页共14页来不及发生再结晶，则两道次的变形量有累加作用。静态再结晶的数量将随着变形量、变形温度和轧后的停留时间而变化。轧制温度越高、变形量越大、轧后停留时间越长，则奥氏体的再结晶数量越多。2、在奥氏体部分再结晶区变形的特点在奥氏体部分再结晶区轧制时，由于轧制温度低、压下量小或轧后时间停留不足，变形奥氏体仅发生部分再结晶。这种组织结构的特点是：钢中同时存在有未再结晶和再结晶的混合组织，晶粒大小不同，如果在进行变形，则这一现象更加严重，造成严重混晶。这种奥氏体组织发生铁素体相变后仍将得到晶粒大小不同的混晶组织。再结晶的晶粒细小，相变时在晶界上析出的铁素体往往也比较细小。而未在结晶的晶粒拉长，晶粒没有细化，铁素体行核位置少，形成粗大的晶粒和针状组织，造成相边后组织不均匀，严重降低钢的强韧性。因此应尽量防止在奥氏体部分再结晶区轧制。或者通过改变轧制参数增加再结晶数量，也可以使其少发生再结晶，处在未再结晶区的上限。钢材轧制中应在部分再结晶区快速冷却到奥氏体未再结晶区，然后在进行奥氏体未再结晶区轧制。3、在奥氏体未再结晶区控制轧制的特点在奥氏体未再结晶区轧制时，在变形拉长的奥氏体晶粒内产生大量的变形带、位错和缺陷，晶界顺轧制方向拉长。奥氏体向铁素体相变时，铁素体不仅在晶界上形核，而且在晶界的变形带上形核，且晶粒细小，成点列状。再变形带上析出的铁素体晶核比晶界上析出的快而早，晶粒也细小。因此，在未再结晶区轧制既有可能得到均匀细小的铁素体晶粒，也有可能得到粗细不均的混晶铁素体晶粒。控制轧制工艺参数的关键在未再结晶区中得到均匀的变形带。未再结晶区的总变量小，得到的变形带就小，而且分布不均。在未再结晶区的总变形相同时，一道次压下率越大，晶内的变形带越容易产生，而且在整个组织中均匀产生。为了相变后保证获得均匀细小的铁素体晶粒，需要在未再结晶区保证其总压下率大于一定值，一般要大于45%。道次变形量要大于15%~20%。含有微合金元素的碳钢，在未再结晶区的总变量也都要大些。4、轧制工艺参数对奥氏体向铁素体转变温度Ar3的影响轧制工艺参数对奥氏体向铁素体转变温度Ar3的影响一般有两种情况：一是在奥氏体再结晶区变形后引起奥氏体晶粒的细化，从而影响Ar3；二是河北工业职业技术学院毕业论文第6页共14页奥氏体未再结晶区轧制后造成晶内变形带的产生和畸变能的增加，从而影响Ar3变化，也称为奥氏体形变诱导相变。（1）加热温度的影响钢坯的加热温度不同，直接影响原始奥氏体晶粒大小的不同。大量的实验结果表明：一般的加热规律是加热温度高，原始奥氏体晶粒粗大，变形量一定时，Ar3越低。（2）轧制温度的影响当钢坯加热温度和变形量一定时，随轧制温度的降低Ar3提高。当达到变形条件下相对应的相变温度时，就发生轧制时立即进行相变的情况。再降低轧制温度，则Ar3也下降。（3）压下量的影响总的规律是随着压下量的增大，Ar3提高。而随着轧制温度的提高，压下量的影响降低。相反，在低温轧制时，压下量增大则对Ar3温度的升高有明显作用，这是由于形变诱导相变的结果（4）轧后钢材冷却速度对Ar3的影响实验数据表明，随着钢材轧后冷却速度的加大，Ar3下降。这一影响规律与没有变形的试样是一样的。但是在同一冷却条件下，变形使Ar3提高，其影响是随着冷却速度的提高而增大。相变温度Ar3的变化对钢材的组织结构有明显的影响。在奥氏体再结晶区的变形引起相变温度的提高是由于奥氏体的细化，轧后快速冷却不仅不会产生魏氏组织，而且铁素体形核率的增加将使铁素体晶粒细化，并阻止铁素体晶粒的过分长大。在奥氏体未再结晶区的相变是变形诱导铁素体强制转变，使相变温度提高，C曲线左移。这种相变温度的提高不会使铁素体晶粒粗化。原因是轧制组织了相变，使铁素体形核率大大提高，形成大量微细的铁素体，而且铁素体所占体积分数增大，相应的珠光体数量减少，提高了钢的强韧性和塑形。5、铁素体的变形与组织变化的特点钢的轧制也可以在奥氏体和铁素体的两相区进行热轧，有的可以在铁素体、珠光体区进行温加工，以进一步提高钢的强度。铁素体变形时的动态软化方程是动态回复与动态多边形化，没有动态再结晶。即使在变形达到很大时，晶内的亚晶仍为等轴的，并且亚晶的尺寸在河北工业职业技术学院毕业论文第7页共14页应力稳定阶段一直保持不变。也就是说热加工过程中，铁素体的亚晶不断的产生，又不断的原地消失，位错的繁殖速度与消失速度保持平衡。铁素体再结晶后的晶粒大小与变形量大小的关系是：变形量增大，再结晶晶粒不断细化。当流变应力达到稳定值后，变形量对再结晶晶粒尺寸的影响适当减弱，直到不发生作用，再增加变形量也不能细化铁素体晶粒。使铁素体在更低的温度下轧制，铁素体加工硬化程度加大，晶内位错密度更高，亚晶数量增多，亚晶尺寸更细。除具有晶界强化和沉淀强化的机构外，亚