控制軋制課件(第七課)

1、7 鋼材控制冷卻理論基礎(chǔ) 7.1 鋼材水冷過程中的物理現(xiàn)象 7.1.1 水冷時(shí)的沸騰換熱現(xiàn)象 （1）四個(gè)換熱規(guī)律完全不同的區(qū)域：自然對流、核態(tài)沸騰、 過渡沸騰、穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。 （2）三種主要的水冷方法：噴水冷卻、連續(xù)水流冷卻、浸入 冷卻。 為了改善鋼材的組織狀態(tài)，提高鋼材性能，縮短熱軋鋼材的冷卻時(shí)間，提高軋機(jī)的生產(chǎn)能力。 qmax qmin tAQ v噴射冷卻：將水加壓由噴嘴噴出的時(shí)候，如果超過連續(xù)噴流的 流速時(shí)則水流發(fā)生破斷，形成液滴群沖擊被冷卻的鋼材表面。把 這種用液滴群冷卻的方法叫做噴射冷卻。該方法適合于一般冷卻 及各種用途的噴嘴。但是用同一噴嘴所能控制的冷卻能力范圍不 太寬，并且需要比

2、其它方法施加更高的壓力。 v霧化冷卻：用加壓空氣使水霧化，水和高壓高速氣流一起從噴 嘴噴出形成霧狀，這種冷卻方法叫做霧化冷卻。有兩種霧化冷卻 情況：用空氣加速水滴；用空氣使水滴微細(xì)化。 v層流冷卻：給以一定壓力的水從噴嘴噴出形成噴流，當(dāng)噴射的 出口速度比較低時(shí)，形成平滑的噴射噴流。這種平滑的層狀噴流 落到一定的距離時(shí)，由于水的加速度影響而破斷成液滴流，破壞 了層流狀態(tài)。采用這種層流噴流的冷卻方法叫做層流冷卻。噴流 可在一較長距離內(nèi)保持水的層流狀態(tài)，獲得很強(qiáng)的冷卻能力。所 以該方法一般在要求強(qiáng)冷時(shí)使用。目前鋼板生產(chǎn)中采用管層流和 板層流二種方式。 7.1.2 相變熱釋放現(xiàn)象 （1）鋼在冷卻過程中

3、由面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體組織向體心立方 結(jié)構(gòu)的鐵素體轉(zhuǎn)變，鋼發(fā)生體積膨脹，同時(shí)釋放出相變熱。 （2）相變熱釋放的溫度范圍和釋放的熱量主要受鋼的化學(xué)成分 和冷卻速度影響。 7.2 對流換熱系數(shù)及其確定方法 （1）鋼的換熱系數(shù)是表示冷卻能力的重要指標(biāo)。 （2）鋼材與冷卻介產(chǎn)生對流換熱，受到導(dǎo)熱規(guī)律和流體流動(dòng)規(guī) 律的支配，是一種復(fù)雜的熱傳遞過程。 （3）牛頓冷卻公式： （4）換熱系數(shù)的測定一般由水冷時(shí)的鋼材冷卻曲線求出，即所 謂非穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)方法，或者通過加熱使鋼材保持一定溫度，此即穩(wěn) 定冷卻實(shí)驗(yàn)方法。 tAQ 7.2 控制冷卻各階段的冷卻目的和冷卻方式的選擇 （1）重要目的之一是通過控制冷卻能夠在不降低

4、材料韌性的前提下 進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度。 （2）對于高碳鋼和高碳合金鋼控制冷卻的目的則是防止變形后的奧 氏體晶粒長大，降低以致阻止網(wǎng)狀碳化物的析出量和降低級別，減小 珠光體球團(tuán)尺寸，改善珠光體形貌和片層間距，從而改善鋼材的性能 。 （3）控制冷卻鋼材的性能取決于軋制條件和冷卻條件（開冷溫度、 冷卻速度、終冷溫度等）。 （4）一般把軋后控制冷卻過程分為一次冷卻、二次冷卻和三次冷卻 （空冷）。 一次冷卻是指從終軋溫度開始到變形奧氏體向鐵素體開始轉(zhuǎn)變溫度Ar3或二次碳化物開始析出溫度Arcm溫度范圍內(nèi)的冷卻 控制，即控制開始快冷溫度、冷卻速度和快冷終止溫度。目的是控制變形奧氏體的組織狀態(tài)，阻止奧氏體

5、晶粒的長大，阻止 碳化物析出，固定因變形而引起的位錯(cuò)，降低相變溫度，為相變做組織上的準(zhǔn)備。 二次冷卻是指從相變開始溫度到相變結(jié)束溫度范圍內(nèi)的冷卻控制 。二次冷卻的目的是控制鋼材相變時(shí)的冷卻速度和停止控冷的溫度 ，即控制相變過程，以保證鋼材快冷后得到所要求的金相組織和力 學(xué)性能。 三次冷卻 是指相變后至室溫范圍內(nèi)的冷卻。對于低碳鋼，冷卻速 度對組織沒有影響；對于含鈮鋼在空冷過程中發(fā)生碳氮化物析出， 對產(chǎn)生的貝氏體產(chǎn)生輕微的回火效果；對于高碳鋼或高碳合金鋼相 變后空冷時(shí)將使快冷來不及的過飽和碳化物繼續(xù)彌散析出。如相變 完成后仍采用快速冷卻工藝，就可以阻止碳化物析出，保持碳化物 固溶狀態(tài)，以達(dá)到固溶

6、強(qiáng)化的目的。 冷卻方法水流方式和冷卻能力應(yīng)用場合 噴水冷卻水流連續(xù)，呈紊流狀態(tài)，穿透性好， 噴濺嚴(yán)重。 中厚板軋后冷卻，鋼板淬火 噴射冷卻需施加大壓力，流速快，成液滴群， 冷卻調(diào)節(jié)范圍窄， 各種用途的噴嘴 霧化冷卻霧化水和高壓氣體同時(shí)噴出。系統(tǒng)復(fù) 雜，噪音大，車間霧氣大，但冷卻調(diào) 節(jié)能力寬 為了提高冷卻能力加速水滴； 控制冷卻能力，使水滴霧化， 不給予太大的動(dòng)能 層流冷卻出口速度低，形成平滑的噴射噴流， 冷卻能力強(qiáng)，主要用在鋼板生 產(chǎn)中 浸水冷卻直接浸入水中冷卻能力難以控制，冷卻不均 勻，從而引起組織不均勻 管內(nèi)流水 冷卻 水在管內(nèi)和平行板間流動(dòng)，鋼材在其 間通過進(jìn)行冷卻 冷卻均勻，用于線材，

7、棒材冷 卻中 7.3軋后快速冷卻對鋼材強(qiáng)韌性的影響 軋后快速冷卻實(shí)質(zhì)上是控制軋制后細(xì)化了的變形奧氏體組織經(jīng)過 快速冷卻，相變組織相應(yīng)變化，鋼中析出物的大小、數(shù)量、析出 部位發(fā)生變化，從而使鋼材的強(qiáng)韌性得以提高的。 7.3.1 軋后冷卻速度的影響 （1）Si-Mn鋼和Nb-V鋼在用4/s快冷時(shí)，帶狀組織消失，而且 鐵素體組織更細(xì)化。 （2）在10/s快冷時(shí)，Nb-V鋼中珠光體基本消除，生成細(xì)化的 貝氏體，形成F+B的雙相組織。但在Si-Mn鋼中貝氏體的生成量很 少，呈現(xiàn)出微細(xì)而分散的珠光體組織。 （3）軋后快冷的停止溫度太低，例如低于500，或者快冷速度 提高到15/s，均會使生成的貝氏體顯著增

8、加，強(qiáng)度增加的速度 變大，同時(shí)使鋼材的韌性惡化。 冷卻速度對共析鋼奧氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域(a)及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 (b)的影響 1-珠光體轉(zhuǎn)變開始線;2-珠光體轉(zhuǎn)變終了線3-珠光體轉(zhuǎn) 變終止線;4-馬氏體轉(zhuǎn)變開始線;5-馬氏體轉(zhuǎn)變終了線 圖 0.30%C鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線奧氏體 化溫度:930C;時(shí)間:30min 晶粒度與脆性轉(zhuǎn)化溫度的關(guān)系（Si-Mn） 1-軋制溫度1000C ；2-軋制溫度950C ； 3-軋制溫度850C 現(xiàn)象：（1）鐵素體晶粒 度與vTrs 關(guān)系。（2）在 相同的鐵素體晶粒度下， 降低終軋溫度可使韌性得 到改善。 7.3 .2顯微組織對控制冷卻材的強(qiáng)度和韌 性的影響 7.3.2.1

9、 鐵素體晶粒度的影響 7.3.2.2 貝氏體的影響 抗張強(qiáng)度隨貝氏體和（或）珠光 體的體積分?jǐn)?shù)的變化 貝氏體（+珠光體）的體積百分?jǐn)?shù)與 vTrs的關(guān)系，N-晶粒度 7.3.2.3 馬氏體的影響 馬氏體對沖擊性能的影響 生成10%的馬氏體可 使vTrs提高30。 因此，作為控制冷 卻材料，基本上不 應(yīng)使其生成馬氏體 。 7.3.2.4 混合組織的影響 7.3.3 冷卻開始和停止溫度對強(qiáng)度和韌性的影響 7.3.4 Nb、Ti含量的影響 （1）控冷材的vTs在各種鈮量條件下與控軋材相比都有所改善。 （2）控冷材在各種鈮量條件下相變組織比控軋材更細(xì)化，因而具有 更高的韌性。 （3） vTs隨Ti增加而

10、下降 （4）在同一含鈦量的條件下，控冷材的vTs比控軋材優(yōu)異。 7.3.5 軋后控制冷卻強(qiáng)化增量的分析 （1）控制冷卻材的強(qiáng)化主要是由于鐵素體晶粒細(xì)化，貝氏體量增 多和碳、氮化合物的析出而引起的。 （2）控冷材強(qiáng)度提高量（s、b）： （3）鐵素體晶粒直徑隨冷速而比變化，各種鋼在4/s以上的冷速 下鐵素體直徑基本不變，而貝氏體數(shù)量隨冷速加大而增大。 （4）隨鈮量增加鐵素體晶粒細(xì)化，而含量超過0.04%時(shí)，鐵素體晶 粒基本不再細(xì)化，貝氏體數(shù)量也不再增多。 BBpptb pptys fKdK dK 21 21 7.4 控制冷卻中的控制策略和數(shù)學(xué)模型 7.4.1 控制冷卻策略 7.4.1.1縱向溫度控

11、制策略 現(xiàn)場中，鋼板縱向溫度不均勻主要表現(xiàn)在兩個(gè)方而。一是鋼板 頭尾溫度偏低。二是鋼板縱向上的溫度梯度。溫度不均的原因有: 冷卻前鋼板在傳送輥道上與傳送輥接觸導(dǎo)致溫度不勻:供水系統(tǒng)的 原因:長度方向換熱特點(diǎn):等等。 頭尾溫度偏低的控制策略 鋼板頭尾溫度偏低是在軋制過程產(chǎn)生的?？刂撇呗詾檠舆t開啟 ，提前關(guān)閉。即在鋼板頭部進(jìn)入第一組開啟集管時(shí)，暫小開啟到 規(guī)定水量，延遲若干毫秒開啟。在鋼板尾部離開最后一組開啟集 管時(shí)，提高若干毫秒關(guān)閉集管。這樣可以減少鋼板頭尾的冷卻時(shí) 間，從而減少縱向頭尾的溫度過低。 中間部分溫度梯度的控制。 控制方法有兩種，一是采用分段控制，即把中間部分分為若干 段，然后對每段

12、實(shí)行單獨(dú)的水量控制:二是采用輥道微加速的方法 。山于鋼板中間部分溫度頭高尾低。輥道微加速的木質(zhì)是使鋼板 運(yùn)行速度逐漸微升，使得溫度高的地方冷卻時(shí)間多，溫度低的地 方冷卻時(shí)間少，可以消除長度方向溫度梯度。實(shí)際生產(chǎn)中可采用 兩種方式相結(jié)合的方法。 7.4.1.2橫向溫度控制策略 寬度方向溫度分部以下兩個(gè)因素決定，水最終向邊部流去，邊部 與水接觸更多，產(chǎn)生更大的溫降:軋制后橫向溫度分布不均; 橫向溫度不均勻性的控制策略是采用邊部遮蔽。通過邊部遮蔽， 減少鋼板邊部的水流量，防止邊部過冷。設(shè)置遮蔽凸度，即遮蔽檔 板位置參差交錯(cuò)，既保證了鋼板邊部水量減 少，又保證有足夠的冷卻。 7.4.1.3厚度方向溫度

13、控制策略 厚度方向除了存在溫度梯度外，另外厚度方向上下表而溫度也不 相同。厚度方向的溫度均勻性直接影響鋼板組織不均及板形不良。 冷卻水在鋼板上下表而的流動(dòng)狀態(tài)和停留時(shí)間都不相同，所以相同 冷卻水造成上下表面換熱系數(shù)不相等，為此采用上下水比的策略。 通常水比在1: 1.5到1: 3之間。上表而的冷卻水量越大，冷卻水比 越大。 遮蔽擋板 7.4.2 控冷數(shù)學(xué)模型 軋件的溫度變化是由于軋件與周圍介質(zhì)之間的輻射、對流、傳導(dǎo) 的熱量損失以及金屬的部分變形能轉(zhuǎn)換成熱能所引起的。 溫度場計(jì)算的目的： （1）軋件溫度是軋制工藝中的重要參數(shù)。 （2）可以確定軋件的返紅溫度，為控冷工藝提供依據(jù)。 （3）溫度應(yīng)力計(jì)算的前提條件。 （4）可以確定軋件斷面各點(diǎn)相變后的組織，從而預(yù)測軋件的性 能。 溫度場計(jì)算的基本原理 （1）首先建立鋼材內(nèi)部傳遞的導(dǎo)熱微分方程 （2）其次建立定解條件（初始和邊界條件） （3）導(dǎo)熱微分方程和邊界條件的聯(lián)立求解：理論解和數(shù)值解 預(yù)設(shè)定模型 預(yù)設(shè)定模型是冷卻控制的基礎(chǔ)，主要由空冷模型和水冷模型 組成。 空冷模型 在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般用終軋溫度來預(yù)報(bào)開冷溫 度，基本關(guān)系式如下： 式中 A模型參數(shù)； 軋件的熱輻射系