鋼材控軋和控冷技術(shù)的發(fā)展

1、鋼材控軋和控冷技術(shù)的發(fā)展劉邦 (材料成型及控制工程12級(jí) )摘要控制軋軋和控制軋冷是對(duì)熱軋鋼材進(jìn)行組織性能控制的技術(shù)手段，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熱軋帶鋼、中厚板、型鋼、棒線材和鋼管等鋼材生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。本論文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(kāi)發(fā)的分開(kāi)的冷卻和潤(rùn)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(kāi)發(fā)出高強(qiáng)、高韌性鋼板。關(guān)鍵詞控制軋制；控制軋冷；低碳貝氏體鋼；應(yīng)變誘導(dǎo) M,aterial Forming and Control Engineer

2、ing12  Abstract: Controlled rolling rolling and control cooling is microstructures and properties of hot rolled steel control technology, has been widely used in the hot rolle

3、d strip steel, plate, steel, wire rod and steel pipe and other steel products production fields. This paper expounds the control mechanism and process characteristics of 

4、cold rolling process, is introduced to improve the strip shape and development of the separate cooling and lubrication system as well as the dynamic rolling technology, t

5、he new technology of GCr15 bearing steel controlled rolling hot simulation experiment results and the new development of low carbon bainite steel. Points out that should 

6、actively absorb advanced controlled rolling process of controlled cooling, developed high strength and high toughness steel plate. Keywords:  Controlled rolling; Control of cold rolling

7、; Low carbon bainite steel; Strain induced 1.引言 控制軋制和控制冷卻技術(shù)是20世紀(jì)6070年代發(fā)展起來(lái)的熱機(jī)械處理或形變熱處理技術(shù)?？刂栖堉坪涂刂评鋮s技術(shù)代表了高強(qiáng)度低合金鋼的發(fā)展方向。控軋控冷是一種定量的按預(yù)定程序控制熱軋鋼形變溫度、壓下量(形變量)、形變道次、形變間歇停留時(shí)間、終軋溫度以及終軋后的冷卻速率、終冷溫度、卷取溫度等參數(shù)的軋制工藝。通過(guò)降低終軋溫度的方法來(lái)改善鋼的力學(xué)性能,早在20世紀(jì)30年代已為人注意。1925年H.Hanemann和F.Lucke發(fā)現(xiàn),通過(guò)降低最終熱加工的

8、變形溫度可使󰀁晶粒細(xì)化,從而提高軋制產(chǎn)品的力學(xué)性能。然而,由于低溫軋制的較大軋制負(fù)荷使一般軋機(jī)難以承受,因而這項(xiàng)技術(shù)很長(zhǎng)時(shí)間并未在工業(yè)上得到實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)50年代,采用控制軋制生產(chǎn)出352MPa級(jí)別的C-Mn鋼,是世界上首次采用TMCP工藝進(jìn)行的商業(yè)性生產(chǎn)。直至60年代,人們認(rèn)識(shí)到Nb對(duì)奧氏體再結(jié)晶的強(qiáng)烈阻止作用,可使鋼在相對(duì)高的溫度下控軋,這項(xiàng)技術(shù)才開(kāi)始得到廣泛的注意和應(yīng)用。60年代中期英國(guó)的鋼鐵研究人員對(duì)控制軋制開(kāi)始進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,之后日本和法國(guó)的科研人員也相繼進(jìn)行了深入的探索和開(kāi)發(fā)。他們的研究成果為開(kāi)發(fā)現(xiàn)有的控軋控冷狀態(tài)的高強(qiáng)度鋼種提供了基礎(chǔ)。 2.我國(guó)控制軋制、控

9、制冷卻技術(shù)的發(fā)展我國(guó)有豐富的鈮、釩、鈦和稀土資源，具有發(fā)展微合金控制軋制、控制冷卻技術(shù)的廣闊前途。近十年來(lái)，尤其是第六個(gè)五年計(jì)劃期間以來(lái)，控制軋制、控制冷卻技術(shù)在我國(guó)取得了不小的進(jìn)展。目前每年采用控制軋制、控制冷卻工藝生產(chǎn)的剛才已經(jīng)超過(guò)100萬(wàn)噸，涉及到20多個(gè)鋼種，已經(jīng)應(yīng)用到造船、石油、天然氣輸送管線、鍋爐及壓力容器、鋼板樁、汽車大量、螺紋鋼筋、鋼絲繩、軸承及地質(zhì)管等方面。其中板材占40%左右，棒、線材占60%左右，管材和型材所占比例較小。目前控制軋制、控制冷卻技術(shù)在工業(yè)試驗(yàn)和生產(chǎn)上的應(yīng)用如表1-1所示。國(guó)內(nèi)各廠采用控制軋制和控制冷卻工藝在提綱產(chǎn)品綜合性能方面所獲得的效果。上鋼2350mm二

10、輥-四輥中板軋機(jī)與武鋼2800mm二輥-四輥中板軋機(jī)，采用兩階段控軋工藝，生產(chǎn)了合乎勞氏船規(guī)要求的09MnNb、16MnNb鋼DH360N級(jí)船板；上鋼三廠的2300mm三輥-四輥中板軋機(jī)采用混合型控制軋制工藝與軋后控冷相結(jié)合，生產(chǎn)出了性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品實(shí)物水品的容器鋼板。武鋼熱軋廠1700mm熱連軋機(jī)采用型和型控軋工藝，或配合使用軋后控冷，研制出712mm厚的合乎標(biāo)準(zhǔn)要求的X60和X65級(jí)含鈮微合金鋼板卷。太鋼五軋廠中板軋機(jī)采用控制軋制工藝，解決了g鋼時(shí)效沖擊值及16Mng鋼屈服強(qiáng)度偏低的問(wèn)題，使熱軋性能合格率提高15%以上；武鋼軋板廠采用控軋工藝，提高了4C船板熱軋性能合格率38%以上，邯

11、鄲鋼鐵廠2300mm三輥勞特式中板軋機(jī)采用IB型控制軋制工藝，軋以后水幕冷卻，提高了A2F、20g中板綜合性能合格率。 3.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)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?，F(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(guò)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(shuō)，控制軋制工藝實(shí)際上是將形變與相變結(jié)合起來(lái)

12、的一種綜合強(qiáng)化工藝。3.1控制軋制的主要工藝參數(shù) 控制軋制的主要工藝參數(shù)有:加熱溫度、加熱時(shí)間、開(kāi)軋溫度、軋鋼的變形量、精軋開(kāi)軋溫度、中間坯厚度和終軋溫度。3.1.1加熱溫度 加熱溫度對(duì)Nb、V在奧氏體中的固溶量有很大的影響,在Nb、V能固溶的范圍內(nèi)盡量采用低溫加熱,使高溫奧氏體晶粒不致于粗化,從而改善韌性。若加熱溫度過(guò)低,將存在部分未溶微合金碳氮化物,由于顆粒大于1000,不可能產(chǎn)生抑制奧氏體再結(jié)晶的作用。適當(dāng)提高再加熱溫度,使微合金元素的固溶量增加從而提高鋼的強(qiáng)度和有效提高奧氏體的再結(jié)晶終止溫度。若再加熱溫度過(guò)高,則會(huì)使原始奧氏體晶粒粗化,從而使相變后的鐵素體晶粒更粗大,不利于鋼的韌性。另

13、外,板坯在爐加熱時(shí)間對(duì)管線鋼的探傷合格率有一定的影響。3.1.2軋鋼的變形量 軋鋼過(guò)程中存在再結(jié)晶區(qū)域、部分再結(jié)晶區(qū)域和未再結(jié)晶區(qū)域。為了細(xì)化鐵素體晶粒,在再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行多道次大變形量(每道次變形量必須大于再結(jié)晶臨界變形量)高溫粗軋,通過(guò)形變/再結(jié)晶反復(fù)進(jìn)行使奧氏體晶粒充分細(xì)化;同時(shí)還須保證粗軋結(jié)束時(shí)處于完全再結(jié)晶區(qū),不能進(jìn)入部分再結(jié)晶區(qū),以免產(chǎn)生混晶組織。根據(jù)變形溫度可知,此時(shí)變形處在部分再結(jié)晶區(qū),奧氏體再結(jié)晶數(shù)量急劇增加。同時(shí)變形量的增加使晶粒變形加劇,晶粒因發(fā)生畸變?cè)黾恿藘?chǔ)存能,發(fā)生再結(jié)晶時(shí)形核的驅(qū)動(dòng)力增加,促進(jìn)了再結(jié)晶的發(fā)生,使奧氏體晶粒更加細(xì)小,并最終獲得細(xì)小的鐵素體晶粒。在未再結(jié)晶區(qū)

14、精軋時(shí)必須保證較大的累積變形量,這樣才可使奧氏體晶粒充分壓扁,在拉長(zhǎng)的奧氏體晶粒內(nèi)產(chǎn)生高密度的形變孿晶和形變帶,同時(shí)微合金元素的碳氮化物因應(yīng)變誘導(dǎo)析出,從而為鐵素體轉(zhuǎn)變提供更多的有利形核位置。因此,在未再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)累積變形量越大,軋后鐵素體晶粒的細(xì)化效果越好,改善鋼綜合性能的效果越顯著。3.1.3中間坯厚度 再結(jié)晶區(qū)軋制結(jié)束后板坯待溫時(shí)的厚度稱為中間坯厚度。適當(dāng)增加中間坯厚度,可增大再結(jié)晶溫度以下時(shí)的累積變形量(即精軋累積變形量),使變形奧氏體晶粒內(nèi)部的形變能和形變?nèi)毕菰龆?從而有利于提高相變驅(qū)動(dòng)力,減少帶狀區(qū)域相變溫度差,減小相變的不同時(shí)性,有利于鐵素體均勻形核,最終使晶粒細(xì)化并減少帶狀組

15、織,進(jìn)一步改善鋼的綜合性能。適當(dāng)?shù)卦黾又泻癜遘埣闹虚g坯厚度,致使表層奧氏體組織在低溫時(shí)發(fā)生大變形,加上機(jī)架間除鱗高壓水冷卻、軋件與傳送輥、軋輥的接觸導(dǎo)熱可快速降低表層組織的溫度,促使表層組織發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)相變,在適當(dāng)條件下可實(shí)現(xiàn)表層組織的超細(xì)晶化。在軋制過(guò)程中軋件表層組織硬化使其變形抗力逐漸增大,有利于變形向心部滲透,從而細(xì)化表層以下材料的晶粒,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部組織的細(xì)晶化。4.控制軋制、控制冷卻工藝參數(shù)控制特點(diǎn)4.1控制軋制和控制冷卻的工藝參數(shù)控制與普通軋制工藝相比具有如下特點(diǎn)：1.控制鋼坯加熱溫度2.控制最后幾個(gè)軋制道次的軋制溫度。3.要求在奧氏體末再結(jié)晶區(qū)域內(nèi)給予足夠的變形量。4.要求軋制后

16、的鋼材冷卻速度、開(kāi)始快冷溫度、快冷終了溫度或卷取溫度，以便獲得必要的顯微組織。5.控軋和控冷工藝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)5.1控制軋制的優(yōu)點(diǎn)如下：1可以在提高鋼材強(qiáng)度的同時(shí)提高鋼材的低溫韌性。2可以充分發(fā)揮鈮、釩、鈦等微量元素的作用。5.2控制冷卻的優(yōu)點(diǎn)：1. 節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。2. 可以降低奧氏體相變溫度，細(xì)化室溫組織。3. 可以降低鋼的碳當(dāng)量。5. 道次間控制冷卻可以減少待溫時(shí)間，提高軋機(jī)的小時(shí)產(chǎn)量。6.板帶材控軋工藝過(guò)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(guò)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(wú)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)。

17、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(kāi)的冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)（SLC）和動(dòng)態(tài)軋制工藝系統(tǒng)（DSS）收到了很好的效果。6.1分隔開(kāi)的冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)（SLC） 板帶材軋制大多數(shù)采用乳液來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻潤(rùn)滑。在采用乳液冷卻潤(rùn)滑的過(guò)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(wèn)題。利用分隔開(kāi)的冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)可避免常規(guī)乳液冷卻潤(rùn)滑給制品帶來(lái)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

18、向輥縫，實(shí)現(xiàn)軋制。在軋制過(guò)程中把冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)分隔開(kāi)，這就意味著在具備冷卻潤(rùn)滑綜合功能的基礎(chǔ)上，還可以分別按各自獨(dú)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(rùn)滑的功能，從而使軋機(jī)的功率密度大大提高。6.2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(guò)程。充分利用計(jì)算機(jī)來(lái)建立軋制過(guò)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

19、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(guò)程中測(cè)得的參數(shù)經(jīng)過(guò)趨勢(shì)回歸分析來(lái)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(lái)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。6.3 GCr15控軋新工藝的模擬研究 近年來(lái)，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(guò)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

20、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(guò)程中的再結(jié)晶行為，確定了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，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。7.提高控制軋制的途徑和方法7.1交叉軋制 各個(gè)軋制階段都有一定的開(kāi)軋溫度和終軋溫度。因此，各階段之間都有一個(gè).中間冷卻待溫的問(wèn)題。

21、中偽冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于軋件的中間厚度，中間厚度愈大，軋件在輥道上放置的時(shí)間就愈長(zhǎng)。軋機(jī)只軋制一塊板坯時(shí)，軋件的中間 冷卻待溫會(huì)造成軋機(jī)產(chǎn)量較大的下降。如果在軋件中間冷卻期間，讓軋機(jī)軋制其它軋件，那顯然會(huì)提高軋機(jī)的產(chǎn)量。根據(jù)鞍鋼厚板廠軋制線條件和板坯的情況，提出三種交叉軋制方案。總之，采用交叉軋制，就在于充分地利用軋件的中間冷卻時(shí)間，讓軋機(jī)軋制另外的軋件，達(dá)到提高軋機(jī)產(chǎn)量的目的。7.2縮短中間冷卻時(shí)間 為了縮短軋件中間冷卻時(shí)間，結(jié)合二期工程還要增設(shè)精軋機(jī)的條件，在粗軋機(jī)后設(shè)置一噴淋冷卻裝置，由于軋機(jī)后設(shè)置噴淋冷卻裝置，同樣的待冷軋件，軋件在軋機(jī)前和軋機(jī)后的中間冷卻時(shí)間會(huì)有所不同。據(jù)此，我們給出了兩塊鋼板的兩階段交叉軋制方法。這種方法的要點(diǎn)是要使軋件在軋機(jī)前的中間冷卻時(shí)間大于精軋時(shí)間。這種方法適合于較厚產(chǎn)品的生產(chǎn)，軋件在軋機(jī)后，可根據(jù)實(shí)際需要確定軋件的噴水時(shí)間，以保證軋制節(jié)奏協(xié)調(diào)，從而達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。待將來(lái)安裝精軋機(jī)后，實(shí)現(xiàn)多塊鋼板的控制軋制，噴淋冷卻在縮短軋件中間冷卻時(shí)間方面就會(huì)顯示出其重要作用。7.3控軋控冷 控制冷卻是一種利用鋼材軋后余熱進(jìn)行熱處理的操作。分為直接淬火和加速冷卻兩種。在中厚板軋制線上可設(shè)置直接淬火和加速冷卻兩種裝置，或設(shè)置多功能冷卻裝置，由于它們具有不同的冷卻速度和冷卻能力，便可生產(chǎn)出所要求機(jī)械性能的軋材。前面已