控軋控冷技術(shù)在鋼材生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、控軋控冷技術(shù)在鋼材生產(chǎn)中的應(yīng)用馬明珍（遼寧科技大學(xué)，材料成型及控制工程）摘要：鋼材生產(chǎn)的控制軋制、控制冷卻及其相結(jié)合的TMCP 技術(shù)是改善組織和力學(xué)性能的重要手段。控制軋制用于控制奧氏體晶粒大小和形態(tài),控制冷卻用于控制相變組織類型，促進(jìn)了細(xì)化晶粒和相變強(qiáng)化。本文簡(jiǎn)述了控制軋制和控制冷卻在管線材成產(chǎn)、中厚板生產(chǎn)、棒線材生產(chǎn)中的應(yīng)用。分析了目前國(guó)內(nèi)TMCP的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景及趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：控制軋制；控制冷卻；組織；管線材；中厚板；棒線材Application of controlled rolling and controlled cooling in steel production（Insti

2、tute of equipment manufacturing of Liaoning Technology School,Yingkou,1233010109）Abstract：Medium plate production of controlled rolling and controlled cooling and TMCP of combining technology is important means to improve organization and mechanical properties. Control is used to control the austeni

3、te grain size and shape of rolling, controlled cooling is used to control the phase transition of tissue types, promoted the refine the grain size and phase transformation strengthening. This article has summarized the controlled rolling and controlled cooling in the plate to produce, the applicatio

4、n of the wire rod, tube, wire production. Analysis of the current domestic status quo and the development prospect and trend of TMCP. Key Words: Controlled rolling; Controlled cooling; Organization; The thick plate; Tube wire; Rod wire1引言：21世紀(jì)80年代以來(lái)，高速線材的軋制速度己突破100m/s,由于軋制速度的提高，導(dǎo)致軋件的溫升增加，使終軋溫度高于1000

5、，線材成品表面的氧化鐵皮增多、晶粒粗大、鋼材的顯微組織和機(jī)械性能極不均勻?？刂栖堉浦兴浜蛙埡蟮纳⒕砝鋮s，以便得到組織性能良好的線材;保證軋件的軋制溫度，控冷控軋就顯得至關(guān)重要，因此，合適的控軋控冷參數(shù)是軋制生產(chǎn)線水平高低的重要標(biāo)志之一而此時(shí)僅僅依靠傳統(tǒng)的控制軋制技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。于是在奧氏體控制軋制的基礎(chǔ)上, 還需要控制冷卻速度來(lái)控制相變本身, 于是開(kāi)始了真正意義的控軋控冷技術(shù)的應(yīng)用?？刂栖堉瓶梢栽诘来伍g控制冷卻還可以減少待溫時(shí)間，提高軋機(jī)小時(shí)產(chǎn)量。在道次間采用控制冷卻，可以精確地控制終軋溫度，減少軋件停下來(lái)等待降溫的時(shí)間。利用軋后鋼材余熱，給予一定的冷卻速度控制其相變過(guò)程，從而可以取代軋后正火

6、處理和淬火加回火處理，節(jié)省了二次加熱的能耗，減少了工序，縮短了生產(chǎn)周期，從而降低了生產(chǎn)成本。2.控制軋制和控制冷卻概念及其分類：2.1控制軋制：控制軋制是在有目的地控制工藝參數(shù)的條件下，在奧氏體相區(qū)或在奧氏體與鐵素體兩相區(qū)進(jìn)行軋制，然后空冷或控制冷卻速度以得到理想組織的軋制工藝，即對(duì)從軋前的加熱到最終軋制道次結(jié)束為止的整個(gè)軋制過(guò)程實(shí)行最佳控制，以使鋼材獲得預(yù)期良好性能的軋制方法。通過(guò)充分細(xì)化晶粒和獲得均勻分布的第二相組織來(lái)控制軋制以提高鋼的綜合性能。根據(jù)熱軋過(guò)程中變形奧氏體的再結(jié)晶狀態(tài)和相變機(jī)制不同，可將控制軋制分為再結(jié)晶區(qū)控軋、未再結(jié)晶區(qū)控軋、兩相區(qū)控軋。1 王有銘，李曼云，韋光. 鋼材的控

7、制軋制與控制冷卻M.北京: 冶金工業(yè)出版社，19932.2控制冷卻：控制冷卻是控制軋后鋼材的冷卻速度達(dá)到改善鋼材組織和性能的目的。由于熱軋變形的作用，促使變形奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的提高，相變后的鐵素體晶粒容易長(zhǎng)大，造成力學(xué)性能降低。為了細(xì)化鐵素體晶粒，減小珠光體片層間距，阻止碳化物在高溫下析出，以提高析出強(qiáng)化效果而采用控制冷卻工藝。2.3 TMCP：控制軋制和控制冷卻技術(shù)結(jié)合起來(lái)，能夠進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)韌性和獲得合理的綜合性能，并能夠降低合金元素含量和碳含量，節(jié)約貴重的合金元素，降低生產(chǎn)成本。3控軋控冷在鋼材生產(chǎn)中的應(yīng)用：3.1控軋控冷在管線鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用：對(duì)管線鋼采用控制軋制工藝，分別在奧

8、氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)軋制，奧氏體再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)隨著變形量的增大及變形溫度的升高而增加。當(dāng)變形量一定時(shí)，隨著變形溫度的升高，奧氏體再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)顯著增加。當(dāng)變形溫度一定時(shí)，隨著變形量的增大，奧氏體再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)增加趨勢(shì)較平緩。在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，奧氏體經(jīng)過(guò)多次靜態(tài)再結(jié)晶而細(xì)化。但是,由于軋制溫度較高，隨著道次間隔時(shí)間的延長(zhǎng), 再結(jié)晶奧氏體晶粒會(huì)長(zhǎng)大，因此,第階段軋制開(kāi)軋溫度不能過(guò)高。在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制細(xì)化晶粒的作用是有限的,為了得到更細(xì)的晶粒, 還要在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制以及軋后加速冷卻。2 趙明純，單以銀，等. 控軋控冷工藝對(duì)X60管線鋼組織及力學(xué)性能的影響J.金屬學(xué)報(bào)，2001，37(2

9、)：179-183在管線鋼控制軋制和控制冷卻的諸多工藝參數(shù)中,冷卻速率和終冷溫度至為重要。隨著高強(qiáng)度管線鋼的開(kāi)發(fā),高的冷卻速率和低的終冷溫度已成為管線鋼控制冷卻中的關(guān)鍵技術(shù)。 3.1.1高的冷卻速率和低的終冷溫度的主要作用表現(xiàn)在：通過(guò)高的冷卻速率和低的終冷溫度的實(shí)施,可使管線鋼獲得細(xì)小的針狀鐵素體或貝氏體組織,從而達(dá)到高強(qiáng)韌的目的。冷卻速率和終冷溫度對(duì)管線鋼強(qiáng)韌性的影響可以看出,隨著冷卻速率的提高和終冷溫度的降低,可提高管線鋼的強(qiáng)韌特性。在加速冷卻中較高的冷卻速率不僅有利于通過(guò)相變強(qiáng)化獲得高強(qiáng)度,而且有利于通過(guò)細(xì)化相變的顯微組織獲得高韌性,因而可采用合金含量較低的材料達(dá)到高的強(qiáng)韌要求。由于冷卻

10、速率的增加可降低管線鋼的合金加入量,因而不僅降低了鋼材的成本,還有利于鋼材冶金性能和焊接性的提高。隨著海洋管線和大變形管線的發(fā)展,對(duì)管線鋼的壁厚提出了要求。采用高的冷卻速率,可使厚鋼板溫度的離散性小,組織和力學(xué)性能均勻。一般認(rèn)為,大于30/s的冷卻速率對(duì)厚板的均勻性是有利的。3.1.2雙相組織的控軋、控冷技術(shù)大變形管線鋼是近年來(lái)油氣管線鋼的一個(gè)重要發(fā)展方向。大變形管線鋼的主要性能特點(diǎn)是在保證高強(qiáng)韌性能的同時(shí)具有低的屈強(qiáng)比、高的均勻塑性變形伸長(zhǎng)率和高的形變強(qiáng)化指數(shù)。大變形管線鋼的基本組織特征是雙相組織。這種雙相組織可通過(guò)低C、超低C的多元微合金化設(shè)計(jì)和特定的控軋、控冷技術(shù)獲得。大變形管線鋼雙相組

11、織通常有貝氏體+鐵素體(B+F)和貝氏體+馬/奧島(B+M/A)兩類。3.1.3超細(xì)晶粒的控軋、控冷技術(shù)為獲取超細(xì)晶粒,在傳統(tǒng)的控軋、控冷技術(shù)的基礎(chǔ)上,近年來(lái)開(kāi)發(fā)出形變誘導(dǎo)鐵素體相變(DIFT)技術(shù)和馳豫-析出-控制相變(RPC)技術(shù)。3.2控軋控冷在中厚板生產(chǎn)中的應(yīng)用：由于人們對(duì)控制軋制和控制冷卻的機(jī)理認(rèn)識(shí)在不斷的深化,并且經(jīng)濟(jì)的水平也在不斷的提高,現(xiàn)代化的生產(chǎn)水平和檢驗(yàn)手段越來(lái)越高超,使其控制軋制和控制冷卻的技術(shù)也被要求不斷在完善。主要就是被應(yīng)用于鋼材的生產(chǎn)中,特別是在中厚板的生產(chǎn)中是最為普遍的。目前從理論和實(shí)踐上, 已總結(jié)出兩種典型的控制軋制方法。一種是在奧氏體再結(jié)晶區(qū)和奧氏體未再結(jié)晶區(qū)

12、軋制, 它們分別稱為高溫區(qū)軋制和中溫區(qū)軋制。這就是所謂的兩階段軋制方法: 第一階段軋制要在950 以上結(jié)束, 第二階段軋制要在Ar點(diǎn)以上結(jié)束, 在這兩個(gè)軋制階段中要有一次中間冷卻。另一種是在奧氏體再結(jié)晶區(qū)、奧氏體未再結(jié)晶區(qū)和奧氏體鐵素體兩相區(qū)軋制, 這就是三階段軋制方法, 其中約奧氏體鐵素體兩相區(qū)軋制, 又稱為低溫區(qū)軋制。在這三個(gè)軋制階段中有兩次中間冷卻。第一階段是變形與再結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行的階段, 通過(guò)反復(fù)變形和再結(jié)晶, 使奧氏體晶粒顯著細(xì)化; 第二階段是變形與相變同時(shí)進(jìn)行的階段, 在這個(gè)階段中, 奧氏體晶粒被拉長(zhǎng), 同時(shí)產(chǎn)生滑移帶, 奧氏體晶界的增加和滑移帶的出現(xiàn), 為鐵素體形核提供了有利條件,

13、 進(jìn)而得到了細(xì)晶粒鐵素體; 第三階段使已經(jīng)相變的鐵素體晶粒變形, 引入大量位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu)等, 同時(shí)使未相變的奧氏體晶粒繼續(xù)引人大量變形帶, 由此進(jìn)一步細(xì)化了鐵素體晶粒, 并產(chǎn)生加工硬化。因此, 可以把第三階段看成是加工硬化與繼續(xù)相變階段?？刂栖堉频闹饕饔檬羌?xì)化鐵素體晶粒。所以又把它稱為細(xì)化鐵素體晶粒的技術(shù), 是以提高鋼材強(qiáng)度、改善韌性為目的。3 袁國(guó)，王昭東，王國(guó)棟，等. 控制冷卻在板帶材開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中的應(yīng)用J. 鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2006，18（1）3.2.1控軋控冷工藝在2500mm中厚板生產(chǎn)線上的應(yīng)用中厚鋼板的微合金化+控扎控冷的生產(chǎn)工藝是一種先進(jìn)優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)工藝，可以取代多種鋼板的熱軋+離線熱處

14、理，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，有效降低生產(chǎn)成本,是生產(chǎn)高強(qiáng)度，高韌性的優(yōu)質(zhì)鋼材的生產(chǎn)方向。為擴(kuò)大二扎2500mm中厚板生產(chǎn)線的板材品種，滿足市場(chǎng)對(duì)各種高強(qiáng)度，高韌性優(yōu)質(zhì)中厚板的需要，二軋立足現(xiàn)有設(shè)備開(kāi)具有自己特色的控扎空冷工藝7。3.2.2 Q550熱軋中厚板的控軋控冷（TMCP）工藝優(yōu)化武鋼Q550高強(qiáng)度鋼原來(lái)主要采用調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)，但是受成本限制，調(diào)質(zhì)工藝逐漸被控軋控冷工藝取代，特別是近年來(lái)隨著中厚板生產(chǎn)裝備水平的大幅提高，采用TMCP工藝生產(chǎn)Q550高強(qiáng)鋼已是主流趨勢(shì)。武鋼在2003年ACC冷卻系統(tǒng)投入使用后，開(kāi)展了高強(qiáng)度中厚板軋后直接淬火回火（DQT）工藝代替調(diào)質(zhì)工藝的研究，通過(guò)軋后直接淬火代替離線

15、淬火生產(chǎn)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，以改善鋼材的組織和力學(xué)性能。Q550鋼采用低碳微合金化成分設(shè)計(jì)，保證了鋼板具有良好的強(qiáng)韌性匹配的同時(shí)還具有良好的焊接性能，滿足了工程機(jī)械用鋼需要，形成了批量供貨能力。3.3控軋控冷在棒線材生產(chǎn)中的應(yīng)用3.3.1連續(xù)式小型軋機(jī)目前,連續(xù)式小型棒材軋機(jī)上應(yīng)用最廣泛的是棒材的軋后余熱淬火及自回火工藝,又稱為QTB或QTR工藝。該工藝是利用終軋后軋件自身的熱量, 使之通過(guò)專門(mén)設(shè)定的穿水冷卻水箱,準(zhǔn)確控制軋件的冷卻速度,從而獲得所需要的組織和性能的一種方法。此工藝可以利用普通低碳鋼來(lái)替代微合金鋼 和低合金鋼,且軋件具有較高的強(qiáng)度、較好的韌性和焊接性,近年來(lái)被廣泛用于熱軋帶肋鋼筋生產(chǎn)

16、。經(jīng)過(guò)余熱淬火處理的鋼筋,其強(qiáng)度指標(biāo)可以大大提高,且具有很大的靈活性,即同一成分的鋼筋采用不同的冷卻制度,能獲得不同強(qiáng)度級(jí)別的鋼筋。 棒材的控制冷卻工藝包括三個(gè)熱處理階段:1)淬火階段。棒材離開(kāi)終軋機(jī)后立即進(jìn)入有數(shù)個(gè)冷卻水箱組成的淬火線,表面得到淬火組織;2)回火階段。棒材離開(kāi)水冷箱之后,由于經(jīng)過(guò)穿水急冷的鋼筋橫斷面上溫差很大,經(jīng)隨后的熱傳導(dǎo)過(guò)程,芯部的熱量逐漸向表面擴(kuò)散,使得表面淬火組織得到自回火處理;3)自然冷卻階段。這個(gè)階段在冷床上完成3.3.2熱軋帶肋鋼筋實(shí)現(xiàn)熱軋帶肋鋼筋軋后超快速冷卻的關(guān)鍵工藝設(shè)備是超快速冷卻水冷器。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的余熱淬火水冷器需要進(jìn)行改造，才可以提高冷卻效率，實(shí)現(xiàn)熱軋帶

17、肋鋼筋軋后超快速冷卻。該工藝的使用可以做到不改造主要設(shè)備，不需降低作業(yè)率，不需低溫軋制，不需余熱淬火。由于強(qiáng)化了冷卻效果，可以提高冷床的冷卻效率，從而提高產(chǎn)量。4 吳迪，王國(guó)棟，趙憲明. 利用新一代TMCP生產(chǎn)，級(jí)熱軋帶肋鋼筋的理論與實(shí)踐C,2009 年全國(guó)建筑用鋼筋生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)交流研討會(huì)會(huì)議文集. 北京，2009.采用熱軋帶肋鋼筋超快速冷卻技術(shù)，可以在少用或者不用合金元素的情況下，利用335MPa級(jí)的20MnSi生產(chǎn)HRB400、HRB500螺紋鋼筋，大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。5 曹樹(shù)衛(wèi). 棒線材控制軋制和控制冷卻技術(shù)的研究與應(yīng)用.河南冶金報(bào)，2005,，06.4.國(guó)內(nèi)研究歷

18、史及現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)控軋控冷技術(shù)的研究與應(yīng)用,起步較晚。始于70年代初,先后列為國(guó)家“六五”、“七五”、“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目,有關(guān)大專院校、科研院所及生產(chǎn)廠, 結(jié)合常用鋼種和國(guó)內(nèi)軋機(jī)條件, 在控軋控冷技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究與實(shí)際應(yīng)用方面做了許多卓有成效的工作, 如測(cè)定了鋼種的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)Nb、V、Ti微合金元素在鋼中的作用,形變奧氏體再結(jié)晶,控軋控冷工藝與組織性能的關(guān)系,微合金元素碳氮化物固溶析出,鋼的變形抗力等進(jìn)行了廣泛深入研究。在這一期間，建立了控制軋制模擬實(shí)驗(yàn)室、棒材和板材控制冷卻實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算機(jī)控制工藝參數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)室等，為開(kāi)展控制軋制控制冷卻基礎(chǔ)理論工作研究和開(kāi)發(fā)新工藝打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為研制新品種創(chuàng)作了有力的條件，同時(shí)某些生產(chǎn)廠應(yīng)用控軋控冷取得了提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能合格率的好效果。另外還在重鋼五廠建成了國(guó)內(nèi)第一條獨(dú)具特點(diǎn)的控軋控冷生產(chǎn)試驗(yàn)線。這些工作為我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用這項(xiàng)具有明顯經(jīng)濟(jì)效益的軋鋼新技術(shù)奠定了可靠的基礎(chǔ)。目前控制軋制技術(shù)