控制軋制和控制冷卻技術(shù)的新發(fā)展

1、控制軋制和控制冷卻技術(shù)的新發(fā)展 夏佃秀，李興芳，李建沛 （濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司，山東 濟(jì)南 250101 ） 摘要： 闡述了控軋控冷工藝的機(jī)理和工藝特點(diǎn)，介紹了為改善板形而開發(fā)的分開的冷卻和 潤滑系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)軋制工藝、GCr15軸承鋼控軋新工藝的熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果和低碳貝氏體鋼的 新發(fā)展。指出應(yīng)積極消化吸收先進(jìn)的控軋控冷工藝，研制開發(fā)出高強(qiáng)、高韌性鋼板。 關(guān)鍵詞：控制軋制；控制冷卻；低碳貝氏體鋼； 應(yīng)變誘導(dǎo) 中圖分類號(hào)：TG335 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-4620（2003）05-0038-04 New Development of Controlled Rolling and Cont

2、rolled Cooling Technology XIA Dian-xiu, LI Xing-fang, LI Jian-pei (Jinan Iron and Steel Group,Jinan 250101, China) Abstract：Explains the mechanism and the technical features of controlled rolling and controlled cooling technology, introduces developed separated cooling lubricating system and dynamic

3、 rolling technology for improving the plate shape, hot simulated test result of new controlled rolling technology of bearing steel GCr15 and new development of low carbon bainite steel, points out that must be to actively digest advanced controlled rolling and controlled cooling technology, develop

4、high strength and high toughness plate. Keywords：controlled rolling；controlled cooling；low carbon bainite steel；strain induced transformation 近代工業(yè)發(fā)展對(duì)熱軋非調(diào)質(zhì)鋼板的性能要求越來越高，除了具有高強(qiáng)度外，還要有良好的韌性、焊接性能及低的冷脆性。目前世界上許多國家都利用控軋和控冷工藝生產(chǎn)高寒地區(qū)使用的輸油、輸氣管道用鋼板、低碳含鈮的低合金高強(qiáng)度鋼板、高韌性鋼板，以及造船板、橋梁鋼板、壓力容器用鋼板等。1 控制軋制工藝的機(jī)理和特點(diǎn)控制軋制工藝是指鋼坯在穩(wěn)

5、定的奧氏體區(qū)域（Ar3）或在亞穩(wěn)定區(qū)域（Ar3Ar1）內(nèi)進(jìn)行軋制，然后空冷或控制冷卻速度，以獲得鐵素體與珠光體組織，某些情況下可獲得貝氏體組織。現(xiàn)代控制軋制工藝應(yīng)用了奧氏體的再結(jié)晶和未再結(jié)晶兩方面的理論，通過降低板坯的加熱溫度、控制變形量和終軋溫度，充分利用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和晶粒細(xì)化機(jī)理，使鋼板內(nèi)部晶粒達(dá)到最大細(xì)化從而改變低溫韌性，增加強(qiáng)度，提高焊接性能和成型性能。所以說，控制軋制工藝實(shí)際上是將形變與相變結(jié)合起來的一種綜合強(qiáng)化工藝。控制軋制一般有控溫軋制和熱機(jī)軋制兩種。在控溫軋制中，為了獲得所要求的目標(biāo)值，必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行總變形。第一個(gè)負(fù)荷道次的開軋溫度是事先通過出爐溫度

6、規(guī)定的。軋制的溫度范圍由規(guī)定的終軋溫度決定。一般情況下，只有軋制過程在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)中斷，并將軋件送到停歇場(chǎng)上進(jìn)行冷卻，這個(gè)終軋溫度才能得到保證。在這種軋制方式中，軋制中斷時(shí)的鋼板厚度沒有規(guī)定，軋制鋼板可以取消常規(guī)的正火處理。熱機(jī)軋制是在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)按照所規(guī)定的壓下量進(jìn)行軋制，又分為兩階段軋制和三階段軋制。在兩階段軋制中，軋制過程中斷一次，并使軋件冷卻到下一階段所要求的軋制溫度。在三階段軋制中，軋制過程中斷兩次。軋制階段是由該階段中預(yù)先給定的厚度壓下量和完成該厚度壓下量時(shí)的溫度范圍決定的。由此產(chǎn)生了中間厚度和各階段之間的軋制時(shí)間?？剀埖哪康氖窃跓彳垪l件下，通過細(xì)化鐵素體晶粒，生產(chǎn)出韌性好、強(qiáng)

7、度高的鋼材。例如，正常軋制工藝鐵素體晶粒最好的情況是78級(jí)，直徑大于20m，而控制軋制工藝得到的鐵素體晶粒為12級(jí)，其直徑為5m，這樣細(xì)的晶粒是控制軋制最突出的優(yōu)點(diǎn)?？刂栖堉乒に囘€可以充分發(fā)揮微量元素的作用，含有微量Nb、V、Ti等元素的普通低碳鋼采用控制軋制工藝，能獲得更好的綜合性能。2 板帶材控軋工藝過程的新方法板帶材的質(zhì)量很大程度上取決于對(duì)軋制工藝過程的控制。常規(guī)方法有許多不足之處，原始凸度的設(shè)定無法對(duì)不同規(guī)格、不同材質(zhì)的軋件進(jìn)行跟蹤控制；不均勻冷卻方法具有響應(yīng)太慢的缺點(diǎn)。戴維.麥基公司對(duì)板形自動(dòng)控制系統(tǒng)及冷卻液的噴射裝置進(jìn)行了獨(dú)特的設(shè)計(jì)，其中彼此分隔開的冷卻和潤滑系統(tǒng)（SLC）和動(dòng)態(tài)軋

8、制工藝系統(tǒng)（DSS）收到了很好的效果。2.1 分隔開的冷卻和潤滑系統(tǒng)（SLC）板帶材軋制大多數(shù)采用乳液來實(shí)現(xiàn)冷卻潤滑。在采用乳液冷卻潤滑的過程中，普遍存在乳液穩(wěn)定性差、使用壽命短，尤其是軋后板帶材表面質(zhì)量達(dá)不到最佳程度等問題。利用分隔開的冷卻和潤滑系統(tǒng)可避免常規(guī)乳液冷卻潤滑給制品帶來的缺陷。該系統(tǒng)有兩個(gè)連在一起的鋼質(zhì)冷卻箱。每個(gè)冷卻箱分別封住上工作輥和支承輥的輥面及下工作輥和支承輥的輥面，從而使每一個(gè)對(duì)軋輥和冷卻箱構(gòu)成一個(gè)隔離系統(tǒng)。上下兩個(gè)冷卻箱之間有一道縫，需軋制的帶材由此通向輥縫，實(shí)現(xiàn)軋制。在軋制過程中把冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)分隔開，這就意味著在具備冷卻潤滑綜合功能的基礎(chǔ)上，還可以分別按各自獨(dú)

9、特的功能去進(jìn)行配制。SLC系統(tǒng)可最大限度地發(fā)揮冷卻和潤滑的功能，從而使軋機(jī)的功率密度大大提高。2.2 動(dòng)態(tài)軋制工藝系統(tǒng)（DSS）戴維.麥基公司利用計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)了全帶材軋制的主要過程。充分利用計(jì)算機(jī)來建立軋制過程中的數(shù)學(xué)模型，本質(zhì)上就是在線的模型參數(shù)估計(jì)。其中最為典型的例子是動(dòng)態(tài)軋制工藝系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要安裝在熱軋機(jī)組上，用于板形和斷面形狀的控制。由建立的數(shù)學(xué)模型和程序，根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果，連續(xù)地由軋機(jī)自適應(yīng)功能進(jìn)行控制。與通常的反饋式AGC系統(tǒng)不同之處，在于這個(gè)系統(tǒng)采用兩個(gè)基本自適應(yīng)等級(jí)。第一級(jí)為軋機(jī)控制的自適應(yīng)，即包括軋輥的彎輥力、壓下量的方式、運(yùn)行速度和軋輥冷卻液的分布等，使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到始終穩(wěn)定一

10、致。第二級(jí)是預(yù)測(cè)模型所用系數(shù)的自適應(yīng)，即利用在軋制過程中測(cè)得的參數(shù)經(jīng)過趨勢(shì)回歸分析來實(shí)現(xiàn)。接著按實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值的誤差值作為一個(gè)函數(shù)來調(diào)整模型的系數(shù)。應(yīng)用DSS的主要目的是要生產(chǎn)出橫向厚度均勻一致的產(chǎn)品。3 GCr15控軋新工藝的模擬研究近年來，一些工作者研究了軸承鋼的熱加工性能以及形變球化和再結(jié)晶，定量地確定了流變應(yīng)力和破斷應(yīng)變與變形過程中的變量（應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度和相變）之間的關(guān)系；研究奧氏體加滲碳體的雙相區(qū)形變球化，確定了變形溫度和變形量是控制球化的主要因素，奧氏體化后變形有利于雙相區(qū)形變球化；借助于熱扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)用停頓變形方法，研究了軸承鋼熱軋過程中的再結(jié)晶行為，確定了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

11、，與變形溫度、道次應(yīng)變和道次間隔時(shí)間等之間的關(guān)系，以及在雙相區(qū)發(fā)生的動(dòng)態(tài)軟化現(xiàn)象。這一系列的工作為正確制定軸承鋼控制軋制工藝提供了科學(xué)的依據(jù)。軸承鋼的各種生產(chǎn)工藝中，在900以上奧氏體單相區(qū)軋制后快冷至850800的雙相區(qū)內(nèi)再次軋制是最有前途的新工藝。該工藝對(duì)控制軋制的推廣應(yīng)用、改善軸承鋼的質(zhì)量及提高其疲勞壽命、節(jié)省能源等方面均有重要意義。   試驗(yàn)表明：（1）用熱扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了熱變形模擬軸承鋼控軋新工藝，證實(shí)了軸承鋼經(jīng)高溫奧氏體單相區(qū)變形、再在奧氏體與滲碳體的雙相區(qū)內(nèi)變形，然后經(jīng)快速球化退火，其碳化物級(jí)別和硬度均達(dá)到了對(duì)該冶金產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。（2）在高溫奧氏體單相區(qū)內(nèi)變

12、形，道次間隔期間發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，其再結(jié)晶完成的程度隨變形道次的增加而提高。部分再結(jié)晶的應(yīng)變累計(jì)效應(yīng)，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。在奧氏體與碳化物雙相區(qū)內(nèi)，除靜態(tài)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程之外，碳化物的形變球化也能引起明顯的動(dòng)態(tài)軟化。（3）軸承鋼采用控軋新工藝所需的終軋軋制力和軋制力矩，用平均流變應(yīng)力計(jì)算公式估算，比傳統(tǒng)軋制工藝約提高40%。4 低碳貝氏體鋼的發(fā)展在控軋的早期，主要是提高鋼材的強(qiáng)度和獲得較細(xì)的晶粒，繼而在高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，對(duì)韌性也有了相應(yīng)的要求。目前已經(jīng)轉(zhuǎn)向更高強(qiáng)度、更好的韌性和較大的厚度，同時(shí)要求不惡化焊接性能。天然氣輸送用的管線鋼要求較高的橫向沖擊貯存能。提高再結(jié)晶溫度以下總的熱軋變形量能夠

13、達(dá)到改進(jìn)、提高韌性方法的效果。在控軋的含鈮鋼中降低含碳量、提高含錳量的發(fā)展過程中，開發(fā)了被命名為低碳貝氏體鋼和針狀-鋼的低碳高錳（0.06%）相變強(qiáng)化鋼。與傳統(tǒng)的珠光體鋼相比，這種鋼表現(xiàn)出連續(xù)的屈服及拉伸強(qiáng)度提高的特征。盡管含碳量較低，管材成形后，屈服點(diǎn)卻有所提高。在屈強(qiáng)比比較低的鋼材中，快速加工硬化能夠超過任何因包申格效應(yīng)而引起的屈服強(qiáng)度的降低。這種鋼的組織是典型的針狀鐵素體或低碳貝氏體。同時(shí)在常規(guī)軋制后，即晶粒發(fā)生相變之后，會(huì)保持以前晶粒的清晰邊界。4.1 低碳貝氏體鋼在普通軋制狀態(tài)下,為達(dá)到必要的強(qiáng)度可添加Si、Mn、Cr、Ni和Mo等元素，或借助正火后的加速冷卻使金相組織中出現(xiàn)一種粒狀

14、組織，是-Fe基體上分布?jí)K狀或條狀M/A相的結(jié)構(gòu)，稱之為粒狀貝氏體。如不采取細(xì)化晶?；蜓a(bǔ)充回火以充分分解這種粒狀貝氏體，對(duì)鋼的韌性將有不利的影響，強(qiáng)韌性很難兼顧。因此，采用控軋工藝，在以較低的碳含量維持必要的韌性的同時(shí)，又改善了鋼的焊接性。4.2 針狀鐵素體鋼為適應(yīng)高寒地帶大口徑石油天然氣輸送管線工程對(duì)材料高強(qiáng)度、低溫韌性、可焊性及良好成型性的要求，發(fā)展了C-Mn-Mo-Nb系針狀鐵素體（AF）鋼。這種鋼控軋狀態(tài)的屈服點(diǎn)可達(dá)470530MPa，夏氏沖擊功可達(dá)165J，50%剪切斷口的轉(zhuǎn)變溫度（FATT）不低于-60。它同第一代鐵素體-珠光體管線鋼相比，具有更好的焊接性能、抗延性、斷裂能力、抗天

15、然氣中硫化氫腐蝕和氫誘發(fā)裂紋性能、抗大氣腐蝕性能。4.3 超低碳貝氏體鋼通過控軋工藝的最佳化，新型超低碳貝氏體鋼可得到具有高密度位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的均勻細(xì)小貝氏體組織和高強(qiáng)度、高韌性及可焊性配合的綜合機(jī)械性能。低碳貝氏體鋼的化學(xué)成分必須是：即使在大斷面緩慢冷卻的情況下，也能在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)發(fā)生相變，從而獲得一個(gè)高強(qiáng)度。與此相反，它在高的冷卻速度下卻不允許形成馬氏體，此外這種鋼必須具有高韌性以防止裂紋形成和脆性斷裂。如果能成功地通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分和軋制時(shí)的快速冷卻使-相變的溫度降低，就可在600650的溫度進(jìn)行軋制。這樣就可以通過晶粒細(xì)化和高的位錯(cuò)密度進(jìn)一步強(qiáng)化。為了轉(zhuǎn)變成貝氏體，可通過加入Mo、B延遲鐵

16、素體和珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)間，還可以通過加入Mn、Ni來改變轉(zhuǎn)變溫度。Nb具有雙重作用，固溶狀態(tài)下，可推遲鐵素體的形成;而在析出的情況下，通過奧氏體晶粒細(xì)化來降低淬透性。V、Ti具有相似但稍差一些的作用。碳當(dāng)量的降低必然會(huì)抑制馬氏體的形成，與高碳貝氏體相比，在改善焊接性能和韌性方面還具有特殊意義。此時(shí)的碳含量低于0.01%0.10%。含有低碳貝氏體鋼的組織由上貝氏體和下貝氏體及馬氏體的混合體組成。此外，在碳含量低于0.10%時(shí)還有另外的成分，名稱不統(tǒng)一，如無碳貝氏體、針狀鐵素體、分解鐵素體或密實(shí)鐵素體等等。這種組織的特點(diǎn)通常是針狀，并通過不規(guī)則晶胞而造成大量位錯(cuò)。應(yīng)該把這種組織與“真正的”貝氏體區(qū)別開

17、來，因?yàn)樗皇怯蓨W氏體分解形成的，而且不含碳化物。與馬氏體相反，該組織不是通過一個(gè)分解過程產(chǎn)生，主要是通過一個(gè)快速進(jìn)行的再擴(kuò)散過程產(chǎn)生的。改善上貝氏體組織韌性的方法還有控制較小的奧氏體晶粒度以及降低碳含量，盡管密實(shí)鐵素體表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度，但含有多邊形鐵素體和含量密實(shí)鐵素體的鋼在晶粒度相同時(shí)，具有同樣的脆性轉(zhuǎn)變溫度。含碳約0.10%0.20%的B-Mo鋼其屈服極限約為500MPa，加入鈮釩鈦，提高錳含量，可使韌性大大改善。進(jìn)一步發(fā)展的目標(biāo)是：（1）不含硼的Mn-Mo-Nb鋼。這種鋼具有由多邊形鐵素體和密實(shí)鐵素體組成的一種晶粒非常細(xì)的混合組織。軋制狀態(tài)下得到550600MPa的屈服極限，還可以通過

18、回火再提高。回火產(chǎn)生了時(shí)效硬化，并消除了貝氏體組織和馬氏體晶界的應(yīng)力。（2）含碳量低于0.01%、錳含量達(dá)到5%的鋼。一般來說，脆性轉(zhuǎn)變溫度可通過碳含量的降低和錳含量的提高得到改善。高的錳含量可以抑制多邊形鐵素體的形成。如果錳作為合金元素單獨(dú)使用時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。因?yàn)闆]有微合金元素造成的細(xì)晶粒硬化作用?？梢云谕吞钾愂象w組織加鉬的調(diào)質(zhì)鋼在較薄的厚度范圍內(nèi)進(jìn)行控軋，其屈服極限可以達(dá)到680MPa；或用價(jià)格較低的合金元素B來代替部分較貴重的合金元素。由于可以達(dá)到非常低的脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此，含低碳貝氏體組織的鋼就能與鎳合金低溫鋼相競(jìng)爭(zhēng)。故除了強(qiáng)度和韌性外，發(fā)展的主要著眼點(diǎn)是在焊接中和焊接后或在振動(dòng)疲勞負(fù)荷條件下鋼的加工和使用特性。含極低碳貝氏體組織的鋼，在軋制狀態(tài)下的屈服極限可達(dá)600MPa，回火后可達(dá)700MPa，在這種鋼中起附加作用的大量的亞晶界和高的位錯(cuò)密度，其金相組織為針狀鐵素體。近幾年，東北大學(xué)等單位已經(jīng)運(yùn)用Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)研究了實(shí)驗(yàn)鋼奧氏體高溫變形行為、應(yīng)變誘發(fā)析出行為和連續(xù)冷卻相變行為，在此基礎(chǔ)上利用實(shí)驗(yàn)軋機(jī)研究了軋制和冷卻工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能和顯微組織的影響。結(jié)果表明，通過適當(dāng)?shù)目剀埡涂乩涔に嚳墒箤?shí)驗(yàn)鋼得到以細(xì)小的貝氏體為主的顯微組織，達(dá)到強(qiáng)度和韌性的良好匹配。采用奧氏體再結(jié)晶、未再結(jié)晶、