第四 章鋼材控制冷卻理論基礎(chǔ)

第4章鋼材控制冷卻理論基礎(chǔ)了解控制冷卻各階段冷卻的目的，不同軋材控冷的方法及強韌化機理。4.1控冷各階段的冷卻目的和冷卻方式的選擇了解控制冷卻的目的，不同冷卻階段的控制特點。4.2軋后快速冷卻的強韌化機制掌握板材、線材控冷的方法及強韌化機理。12/13/202314鋼材控制冷卻理論基礎(chǔ)4.1熱軋鋼材軋后冷卻目的及分類4.1.1控冷目的：為改善鋼材的組織狀態(tài)，提高鋼材性能?？s短熱軋鋼材的冷卻時間，提高軋機的生產(chǎn)能力。阻止或延遲碳化物在冷卻過程中過早析出，使其在鐵素體中彌散析出，提高強度，同時減小珠光體團的尺寸，細(xì)化珠光體片片間距軋后控制冷卻還可以防止鋼材在冷卻過程中由于冷卻不均產(chǎn)生不均勻變形，而使鋼材扭曲或彎曲。利用余熱進(jìn)行軋后余熱淬火或進(jìn)行形變熱處理，將形變強化和相變強化相結(jié)合，提高鋼的強韌性，簡化工藝程序，減少熱處理加熱次數(shù)，節(jié)省能耗12/13/20232軋后控制冷卻的冷卻介質(zhì)熱軋鋼材采用軋后控制冷卻的冷卻介質(zhì)可以是氣體、液體以及它們的混合物．其中液體，特別是水做為冷卻介質(zhì)最為常用。具體的冷卻方法因產(chǎn)品品種、軋后冷卻目的小同而異。12/13/20233控制冷卻對高溫終軋的鋼材作用高溫終軋鋼材，軋后處于奧氏體完全再結(jié)晶狀態(tài)，如果軋后空冷，則變形奧氏體晶粒將在冷卻過程中長大，相變后得到粗大的鐵素體組織。冷卻緩慢，奧氏體轉(zhuǎn)變的珠光體粗大，片層間距加厚，力學(xué)性能較低。12/13/20234控制冷卻對低溫終軋的鋼材作用低溫終軋鋼材，終軋時奧氏體處于未再結(jié)晶溫度區(qū)域。變形影響使相變溫度提高，終軋后奧氏體很快就相變，形成鐵素體。在高溫下形成的鐵素體成長速度很快。如果軋后采用的是慢冷，鐵素體就有足夠的長大時間，到常溫時就會形成較粗大的鐵素體，從而降低了控制軋制細(xì)化晶粒的效果。對HSLA鋼，采用控軋控冷能得到更加細(xì)小的鐵素體+貝氏體，甚至全部為細(xì)小貝氏體組織，使強度，低溫韌性和焊接性能升高12/13/20235

控制冷卻對高碳鋼和高碳合金鋼軋制后的作用對于高碳鋼和高碳合金鋼軋制后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，保持碳化物的固溶狀態(tài)，達(dá)到固溶強化的目的減個珠光體球團尺寸，改善珠光體形貌和片層間距，從而改善鋼材的性能。12/13/20236結(jié)論控制冷卻鋼材的性能取決于軋制條件和冷卻條件。軋材冷卻之前的組織狀態(tài)，取決于控制軋制工藝參數(shù)控制冷卻的條件(開冷溫度、冷卻速度、終冷溫度等)對相變前的組織和相變后的相變產(chǎn)物、析出行為、組織狀態(tài)都有影響。為獲得理想的控制冷卻鋼材的性能，就要將控制軋制和控制冷卻很好的結(jié)合起來。最終目的：在不降低韌性的前提下提高強度12/13/20237帶鋼表面局部換熱區(qū)描述12/13/202384.1.2控制冷卻分類可分為軋制中間段冷卻和軋后控制冷卻一般可把軋后控制冷卻過程分為三個階段，稱為一次冷卻、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這個溫度范圍內(nèi)的冷卻控制一次冷卻包括控制開始快冷溫度、冷卻速度和快冷終止溫度。12/13/20239冷卻的目的：控制變形奧氏體的組織狀態(tài)，阻止奧氏體晶粒的長大，阻止碳化物析出，固定因變形而引起的位錯，降低相變溫度、為相變做組織準(zhǔn)備。相變前組織狀態(tài)直接影響相變機制和相交產(chǎn)物的形態(tài)、粗細(xì)大小和性能。冷卻的開始快冷溫度越接近終軋溫度細(xì)化變形奧氏體和增大有效晶界面積的效果越明顯。12/13/202310二次冷卻控制二次冷卻：相變開始溫度到相變結(jié)束溫度范圍內(nèi)的冷卻控制。目的是控制鋼材相變時的冷卻速度和停止控冷的溫度。保證鋼材快冷后得到所要求的金相組織和力學(xué)性能。12/13/202311三次冷卻(空冷)指相變后至室溫范圍內(nèi)的冷卻。低碳鋼相變?nèi)拷Y(jié)束后，冷卻速度對組織沒有影響。含Nb鋼在空冷過程中會發(fā)生碳氮化物析出．對生成的貝氏體產(chǎn)半輕微的回火效果。高碳鋼或高碳合金鋼相變后空冷時將使快冷時來不及析出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，可以阻止碳化物析出，保持其碳化物固溶狀態(tài)達(dá)到固溶強化的目的。12/13/2023124.1.3常用的具體的冷卻方法設(shè)備選擇依據(jù)：以冷卻目的為依據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品形狀特點，性能要求，考慮設(shè)備冷卻能力大小和范圍，冷卻均勻程度，冷卻能力調(diào)整的難易，耗水（氣）多少，對水質(zhì)要求，冷卻能力穩(wěn)定性以及維修難易程度選擇12/13/2023134.1.3常用的具體的冷卻方法(1)噴水冷卻(噴流冷卻)水從壓力噴嘴中以一定壓力噴出水流，而水流為連續(xù)的，沒有間斷現(xiàn)象，但是呈紊流狀態(tài)。采用這種水流破斷以前的連續(xù)噴流的冷卻方法叫做噴流冷卻，或叫做高壓噴水冷卻。特點這種冷卻方法穿透性好，在水膜比較厚的時候采用。一般應(yīng)用在中厚鋼板軋后冷卻和鋼板淬火。在型鋼冷卻中進(jìn)行局部冷卻也可使用。該冷卻方法水的噴濺利害，所以水的利用率較差。12/13/202314(2)噴射冷卻將水加壓由噴嘴噴出的時，如果超過連續(xù)噴流的流速時則水流發(fā)生破斷，形成液滴群沖擊被冷卻的鋼材表面。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。用同一噴嘴所能控制的冷卻能力范圍不太寬，并且需要比其它方法施加更高的壓力。12/13/202315(3)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。為提高冷卻能力用空氣加速水滴為控制冷卻能力用空氣使水滴微細(xì)化，而不給予太大的動能，這一般稱為霧化或叫做霧冷缺點由于使用了空氣造成聯(lián)合噴嘴結(jié)構(gòu)和配管系統(tǒng)比較復(fù)雜，設(shè)備費用增加、噪音大和車間霧氣較大。優(yōu)點調(diào)整冷卻能的范圍卻較大，可以實現(xiàn)單獨風(fēng)冷、弱水冷、噴水冷冷卻比較均勻。12/13/202316(4)層流冷卻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，形成平滑的噴射噴流。這種平滑的層狀噴流落到一定距離時，出于水的加速度影響而破斷成液滴流，破壞了層流狀態(tài)。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)，獲得很強的冷卻能力。該方法一般在要求強冷時使用。目前鋼板生產(chǎn)中采用管層流和板層流二種方式。12/13/202317

層流冷卻12/13/20231812/13/202319(5)浸水冷卻將熱軋鋼材直接浸入冷卻水中進(jìn)行快速冷卻的方法叫做浸水冷卻。缺點冷卻能力很難控制、冷卻不均勻易引起軋件彎曲、鋼材組織不均勻、冷卻能力隨水溫變化而變化很大等。這種冷卻方法目前在生產(chǎn)中通過設(shè)備機構(gòu)上的改進(jìn)和自動程序控制等措施，在鋼材冷卻中仍被使用。某些鋼廠熱軋鋼管軋后快速冷卻時就采用鋼管浸水法進(jìn)行冷卻。12/13/202320(6)管內(nèi)流水冷卻水在管內(nèi)及平行板之間流動，熱鋼材在其間通過并進(jìn)行冷卻的方法叫做管內(nèi)流水冷卻。分類（由于水冷器型式不同，水流狀態(tài)不同，冷卻能力和效果有很大差別）雙層套管冷卻器環(huán)縫式冷卻器湍流式冷卻器等。特點作為高效冷卻設(shè)備用，它可以得到高度均勻的冷卻效果在線材、棒材冷卻中廣為采用12/13/202321不同冷卻方法的冷卻能力比較12/13/202322

4.2控軋快冷的強韌化機制快速冷卻的強化機理與控制軋制機理有本質(zhì)不同。軋后快速冷卻實質(zhì)是控制已經(jīng)過軋制后細(xì)化的變形奧氏體組織在快速冷卻時相變組織相應(yīng)的變化鋼中析出物的大小、數(shù)量析出部位發(fā)生的變化目的：使鋼材的強韌性得以提高的12/13/2023231)軋后快速冷卻對鋼材強度的影響強化機理鐵素體晶粒細(xì)化珠光體片層間距減小貝氏體量的增多和碳、氮化合物的析出12/13/202324

2)軋后冷卻速度的影響工藝條件坯料厚度為130mm，加熱溫度為1200度和1100度，在900C以下的累積壓下率為70％，終軋溫為800C，終軋厚度為20mm。

軋后快速冷卻采用噴霧冷卻設(shè)備。精軋從780℃快速冷卻到600度，平均最大冷卻速度為12℃／s。其后空冷至常溫?？焖倮鋮s材的力學(xué)性能與冷卻速度的關(guān)系下12/13/2023253)Nb、Ti含量的影響Ni和Ti是抑制軋制中奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶，同時具有析出強化能力的微量元素給出了控軋材和控冷材的力學(xué)性能隨Nb、Ti含量不同的變化圖工藝條件加熱溫度為1100℃Nb鋼軋后以7—8℃／sTi鋼以10—12℃／s的冷卻速度進(jìn)行冷卻12/13/202326Ti含量不同的變化圖Nb含量達(dá)到0.04％時強度急劇提高，其后呈現(xiàn)出飽和傾向。當(dāng)Nb量在0.04％以上時，控軋材和空冷材的強度差是50一60MPa。性能差別分析加熱溫度使Nb固溶量變化相變前奧氏體組織變化引起相變組織的細(xì)化快冷使貝氏體生成量變化等因素的影響。12/13/2023274）軋后冷卻速度和含Nb量與鐵素體晶粒尺小和貝氏體體積率的關(guān)系12/13/202328軋后快速冷卻對鋼材韌性的影響鋼的快速冷卻使材料強度提高的同時也使其韌性變化。12/13/2023295)控軋、控冷工藝參數(shù)對CCT曲線的影響

通過鋼在奧氏體再結(jié)晶區(qū)及未再結(jié)晶區(qū)域內(nèi)的軋制變形及合理的軋后控制冷卻來獲得微細(xì)的室溫組織。需要正確地制定控冷工藝，必須充分了解熱軋工藝參數(shù)對軋后CCT曲線的影響規(guī)律。影響鋼的軋后CCT曲線位置與形狀的控軋、控冷工藝參數(shù)包括：（1）鋼的加熱溫度，（2）奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制變形工藝參數(shù)（軋制溫度和變形量）（3）奧氏體再結(jié)晶未再結(jié)晶區(qū)軋制變形工藝參數(shù)影響最終形式表現(xiàn)在鋼從奧氏體再結(jié)晶區(qū)熱軋進(jìn)入奧氏體未再結(jié)晶區(qū)熱軋前的奧氏體粒尺寸12/13/202330奧氏體晶粒大小對CCT的影響利用熱加工模擬試驗對不同γ再結(jié)晶晶粒尺寸條件下的試樣以不同方法冷卻采用熱膨脹法