RAL中厚板控轧控冷技术发展东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室概述-控冷的意义两个通俗说法:1水是最廉价的合金元素(可以用水替代合金元素来改变钢材的性能)2中国的多数中板轧机是世界上最干旱的轧机(目前我们还没有充分利用好水的作用)-川崎水岛:12000m3/h,迪林根:14000m3/h-宝钢2050:14000m3/h,1580:13000m3/hRAL1.1控轧控冷的必要性•用户要求:产品性能(强度、韧性、焊接性、冲击性能…)•决定性能的因素:组织结构(晶粒、析出、组织分数…)•决定组织的因素:成分和工艺(压下率、温度、冷却速度)-材料加工过程是冶金过程-柔性制造技术钢种成分加工工艺3加工工艺2加工工艺1组织特征3组织特征2组织特征1用户需求3用户需求2用户需求1RAL急需通过控轧控冷改变性能的钢种•管线钢:开发西部,西气东输工程•高级别船板•高强度工程机械用钢•抗震耐火钢(日本阪神大地震后提出)•新一代钢铁材料:超级钢1.1控轧控冷的必要性-产品开发RAL新一代钢铁材料:超级钢简介•思路:超洁净、超细晶、超均匀,实现强度翻番•国家重大基础研究项目(973),参与国际竞争(日、美、韩)•RAL承担通过轧制和冷却控制细化晶粒,提高性能•经过RAL实验室实验、宝钢现场实验、小批量生产•工艺改进:重新分配压下量,控制终轧温度,卷取温度•效果:Q235-屈服强度400MPa,抗拉强度510MPa延伸率28%,宽冷弯合格,晶粒尺寸:3.9微米1.1控轧控冷的必要性-产品开发RAL超级钢实验情况:Super-SS400•宝钢首批试制200吨,为一汽供货•投料冲压作发动机前置横梁4000件,成品率100%•2001年千吨级供货,2002年万吨级;•500MPa级超级钢研究工作已经取得良好进展;•预期效果:-第一步:通过控轧控冷,节省合金元素,降成本(200元/吨)-第二步:减小钢板厚度,减轻车重,降低油耗-第三步:改进车型设计,远景:3升车(宝钢参加国际行动)1.1控轧控冷的必要性-产品开发RAL1.1控轧控冷的必要性-产品开发1000℃,保温3min,900℃、20%变形+850℃、25%变形+770℃、67%变形道次间10℃/s冷却变形后7℃/s冷却25mm超级钢Super-SS400工业生产条件下显微组织晶粒3.9μ卷取温度450℃屈服强度400,抗拉强度500实验室实验结果工业生产结果RAL国外厚板控轧设备发展情况-淘汰第一代中板轧机,建设强力型轧机+板凸度控制功能*德国迪林根:10000kW×2,10000吨*瑞典SSAB:4000mm,10000kW×2,10000吨-特点各异的待温冷却工艺和装置*侧辊道*中间喷淋*交叉轧制工艺-强力型矫直机1概述-国外控制轧制技术发展情况RAL国外厚板控冷设备发展情况-控冷已经成为提高钢材性能的基本手段*TMCP率:住友鹿岛:52%,曼海姆:80%-很多公司形成了自己独特的技术*新日铁的CLC技术*川崎制铁的MACS技术*住友金属的DAC技术*欧洲:MACOS(曼海姆),ISC(蒂森),ADCO(法国)-DQ的研究和应用取得良好效果1概述-国外发展控制冷却设备情况RAL现代中厚板轧机外观RAL中厚板轧机侧视RAL轧制中的中厚板轧机RAL1概述-国外厚板轧机的控冷系统RAL—强力型轧机-济钢3500mm,7000吨,7000kW×2-首钢3500mm,7000吨,7000kW×2-鞍钢4300mm,8000吨,6000kW×2-宝钢5000mm,10000吨,10000kW×2—强力型矫直机-鞍钢3000mm-首钢2100吨1概述-国内轧机发展情况RAL对控轧控冷的重要作用已有认识很多厂家利用国内力量装备控轧控冷设备(强力轧机+ACC)-鞍钢,首钢,济钢,南钢,舞阳,新余……一些厂家在观望,有矛盾心情:-引进国外技术,价格昂贵,难以承受-使用国内技术,担心可靠性,承担责任……“狭路相逢勇者胜”,敢于抓住机遇,迈出第一步者,将在产品竞争中走在前面1概述-国内控制冷却设备发展情况RAL国内中厚板控轧控冷研究状况:-中厚板轧制及冷却过程温度场的FEM模拟-中厚板组织性能演变与控制的模拟研究-组织性能预报数学模型与软件开发-中厚板新钢种的开发(高强钢、耐火钢、桥梁钢...)-轧制与冷却实验设备开发(鞍钢、酒泉、宝钢)-控冷设备开发研制(RAL+营口流体设备集团)*水幕装置,管层流装置(直管式,U型管式,气雾式)*快速响应阀(气动薄膜阀)*水处理系统(大流量反冲洗过滤器)1概述-国内发展情况RAL控轧控冷的基本原理中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座RAL2.1控轧控冷机理2.2控制轧制-轧制温度制度(加热、粗轧、精轧,待温)-轧制压下制度(粗轧、精轧压下量,方向)-液压弯辊等板凸度控制制度2.3控制冷却ACC-冷却模式,冷却温度制度2.4直接淬火DQ-淬火温度,回火制度(温度、时间)2控轧控冷的基本原理RAL控轧控冷工艺图示K2.1(DQ)(DQ)(ACC)RAL组织、成分、性能、TMCP条件的关系K2.24切变多边形铁素体RAL控轧控冷的组织变化K2.2RAL—加热温度(碳氮化物溶解,晶粒长大)—粗轧变形制度:粗轧压下量(变形深入,RCR)—精轧阶段轧制温度控制•进入未再结晶区•合理的精轧温度•待温制度的确定—精轧阶段轧制变形控制•未再结晶区总变形量•精轧道次压下量控轧控冷中工艺制度制订原则RAL三种控制轧制的策略、参数和机理轧制后奥氏体晶粒铁素体形核相变后控冷后形变硬化的铁素体RAL2.1控制轧制和控制冷却机理示意变形前奥氏体晶粒变形后晶粒被拉长铁素体形核相变完成冷却轧制RAL变形带与其上的析出T4.10变形带变形带上的析出RAL珠光体的不同形核地点T4.15变形工具钢a)晶界b)退火孪晶c)变形带d)晶内RAL奥氏体晶粒尺寸与铁素体晶粒尺寸的关系试样为7mm厚的空冷钢板空心符号:无变形实心符号:热变形后空冷RAL三种控制轧制的策略、参数和机理再结晶区控轧:•微合金钢950℃,普碳钢基本在再结晶区轧制•总变形量60%机理:•变形区内有动态恢复和动态再结晶•道次间歇期间完成再结晶•反复轧制-再结晶使晶粒变细•低温再结晶区晶粒细化明显。RAL三种控制轧制的策略、参数和机理未再结晶区控轧:•空冷或喷淋控制轧制温度到奥氏体未再结晶区•温度范围通常为Ar3~900(950)℃•总变形量大于一定数值(70%)•道次变形量大于一定的数值机理:•变形奥氏体晶粒被拉长•形成大量变形带、孪晶和位错•增加形核点,相变后细化晶粒RAL未再结晶区变形量与奥氏体晶界面积和变形带密度的关系T4.11含铌钢,Nb:0.03%低于30%:变形带密度增加缓慢高于30%:迅速增加RAL铁素体晶粒尺寸与奥氏体界面面积的关系T4.12奥氏体晶粒尺寸有效的奥氏体晶界面积铁素体晶粒尺寸变形量晶界变形带RAL为什么要低温轧制中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座RAL轧制温度对组织和力学性能的影响K2-30.18C-1.36Mn钢各道次压下量20%总计9道次轧制到20mm轧制温度变化范围200℃RAL热变形奥氏体的温度-压下量-再结晶图K2-13压下量/%压下量/%C-Mn钢轧制后1s水冷含铌钢轧制后3s水冷RAL900℃以下变形量与韧脆转变温度的关系K5-2钢板厚度-10mm2mm切口夏氏值横向RAL轧制温度对晶粒尺寸和性能的影响K2-4130℃50MPaRAL三种控制轧制的策略、参数和机理两相区控轧:•如需进一步的提高强度,可降低终轧温度~750℃•在奥氏体和铁素体两相区轧制机理:•奥氏体继续被拉长,晶粒内形成变形带及位错•在变形带及位错处形成新的等轴铁素体晶粒•先析出铁素体变形后内部形成亚晶,使强度提高RAL为什么进行两相区轧制中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座RALAr3以下压下量与力学性能关系实验室数据():0.17C-1.6Mn钢,1150℃加热,Ar3为730℃两相区轧制,利用铁素体的位错亚结构强化K2.7RAL两相区轧制对组织和性能的影响K6-2Nb钢在1070℃、1020℃进行62.5%的轧制,在850℃进行50%的轧制后,以710℃进行轧制。YS提高60MPa(30%);FATT降低70℃。第三阶段变形量/%200织构的反射强度RAL为什么需要强力轧机-低温大压下-中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座RAL不同钢种的变形抗力T6.10温度降低RAL变形抗力与含碳量的关系T6.6Si0.25%,Mn1.10%温度低于900℃时,由于碳含量引起的变形抗力发生明显变化。1000℃时,碳含量的变化对变形抗力不产生影响。附带说明:氮通过形成氮化钛和氮化铝等氮化物,细化晶粒而影响变形抗力温度降低RAL变形抗力与固溶合金元素含量的关系T6.7C0.10%,Si0.25%,Mn1.10%Mo-Si-Cr-Cu-Ni-Mn提高变形抗力RAL变形抗力与微合金元素含量的关系T6.8变形条件Tr-加热温度1250℃T1-第一阶段变形温度1050℃T2-第二阶段变形温度900℃Nb-Ti-V变形抗力增大RAL控轧控冷中轧制温度控制措施粗轧机架待温辊道精轧机架方案1粗轧机架喷淋冷却精轧机架方案2粗轧机架交叉轧制精轧机架方案3RAL实行大压下道次数减少后轧制负荷的增大Blue10板凸度、板形控制的作用RAL板形控制手段的作用•板形、板凸度控制手段是强力型轧机的必备手段•强力型轧机-实行大压下•与普通轧机相比,大轧制力造成板凸度增大•利用板形和板凸度调整手段,保证比例凸度达到设定要求•如果无板凸度调整手段,凸度无法保证,大压下形同虚设RAL比例凸度放松的效果hPhn力矩限制轧制力限制比例凸度恒定限制RAL板凸度控制手段-双锥度BUR最大改善30mmRAL板凸度调整手段-液压弯辊BURBWRBRALCVC轧机的凸度调整等效凸度横移距离RALPC轧机P的原理与特点Cr=Sθ-Sc=b2tan2θ2DwScSθDwb2tanθb2θ22DwCr=式中:b——带钢宽度θ——轧辊交叉角Dw——工作辊直径θbDw800700600500400300200100000.20.40.60.81.01.2Cr(um)θ(deg)RALHCW轧机BURWRSSRAL改造后轧制范围扩大Blue13RAL为什么要进行控制冷却中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座RAL2.3控制冷却-组织变化(细晶与相变强化)RAL再结晶区控轧未再结晶区控轧两相区控轧控制冷却3~5μm5~10μm10~20μm加热温度时间2.3控制冷却-晶粒细化和相变强化RALHSLA控制冷却的作用•对于添加微合金元素的钢,如果IAC的冷却速度为10℃/s时,与空冷相比,其强度可以增加50-100MPa;•IAC材的vTs基本由合金成分和控制轧制程度决定;•由空冷到12℃/s增加冷却速度时,组织变化的顺序为铁素体晶粒细化、珠光体带消失及其微细分散、珠光体消失和生成取代它的贝氏体;•IAC引起强化的因素有:1)铁素体晶粒细化;2)析出强化量增大;3)贝氏体的体积分数增大。其中前2相引起屈服点提高,抗拉强度决定于3)。微合金元素的添加使淬透性提高,从而增大特定冷却速度下的贝氏体量;•如果想提高韧性,重要点在于细化铁素体晶粒的同时,生产微细分散的贝氏体,为此必须优化加热温度或控制轧制条件,细化奥氏体的晶粒。RAL加速冷却对性能的影响K2-9对再结晶奥氏体进行水冷效果并不明显,对未再结晶奥氏体进行水冷,会产生明显的晶粒细化效果。利用10℃/s的冷却速度进行冷却,可以明显提高强度,韧性可以保持不变。使用的设备:OLAC(OnLineAcceleratedCooling),NKK冷却参数:开冷:760℃终冷:550℃钢种:Nb钢与Nb、