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1、控制轧制、控制冷却工艺技术1.1 控制轧制工艺控制轧制工艺包括把钢坯加热到适宜的温度，在轧制时控制变形量和变形温度以及轧后按工艺要求来冷却钢材。通常将控制轧制工艺分为三个阶段，如图 1.1 所示 2：(1) 变形和奥氏体再结晶同时进行阶段，即钢坯加热后粗大化了的 呈现加工硬化状态，这种加工硬化了得奥氏体具有促使铁素体相变形变形核作用，使相变后的 晶粒细小；(2) (+)两相区变形阶段，当轧制温度继续降低到 Ar3 温度以下时，不但 晶粒，部分相变后的 晶粒也要被轧制变形，从而在 晶粒内形成亚晶，促使 晶粒的进一步细化。图 1.1 控制轧制的三个阶段(1)变形和奥氏体再结晶同时进行阶段；(2)低
2、温奥氏体变形不发生再结晶阶段；(3)（+）两相区变形阶段。1.2 控制轧制工艺的优点和缺点控制轧制的优点如下：1 可以在提高钢材强度的同时提高钢材的低温韧性。采用普通热轧生产工艺轧制 16Mn 钢中板，以 18mm 厚中板为例，其屈服强度 s330MPa，-40 的冲击韧性 Ak431J，断口为 95%纤维状断口。当钢中加入微量铌后，仍然采用普通热轧工艺生产时，当采用控制轧制工艺生产时，-40 的 Ak 值会降低到 78J 以下，然而采用控制轧制工艺生产时。然而采用控制轧制工艺生产时-40的 Ak值可以达到 728J 以上。在通常热轧工艺下生产的低碳钢 晶粒只达到 78 级，经过控制轧制工艺生
3、产的低碳钢 晶粒可以达到 12 级以上（按 ASTM 标准） ，通过细化晶粒同时达到提高强度和低温韧性是控轧工艺的最大优点。2可以充分发挥铌、钒、钛等微量元素的作用。在普通热轧生产中，钢中加入铌或钒后主要起沉淀强化作用，其结果使热轧钢材强度提高、韧性变差，因此不少钢材不得不进行正火处理后交货。当采用控制轧制工艺生产时，铌将产生显著的晶粒细化和一定程度的沉淀强化，使轧后的钢材的强度和韧性都得到了很大提高，铌含量至万分之几就很有效，钢中加入的钒，由于具有一定程度的沉淀强化的同时还具有较弱的晶粒细化作用，因此在提高钢材强度的同时没有降低韧性的现象。加入钢种的钛虽然具有细化加热时原始 晶粒的作用，但在
4、普通轧制条件下钢中的钛不能发挥细化轧制变形过程中 晶粒的作用，仍然得不到同时提高钢的强度和韧性的效果，当采用控制轧制工艺生产含钛钢时，才能使钢种的 Ti（C,N）起沉淀强化和晶粒细化的双重作用，如有的文献中报导控制轧制生产的含钛钢的强度 75%来自沉淀强化，25%来自晶粒细化。由于有中等程度的晶粒细化效果，钢的低温韧性提高。控制轧制工艺的缺点：要求较低的轧制变形温度和一定的道次压下率，因此增大了轧制的负荷。此外由于要求较低的终轧制温度，大规格产品需要在轧制道次之间待温，降低轧机的生产率。为此世界各国开始对轧机进行技术改造，采用大负荷轧机，安装升降辊道，道次间中间冷却来减少轧制待温时间，提高轧机
5、生产效率。1.3 控制冷却的工艺特点控制冷却的优点：1. 节约能源、降低生产成本。利用轧后钢材余热，给予一定的冷却速度控制其相变过程，从而可以取代轧后正火处理和淬火加回火处理，节省了二次加热的能耗，减少了工序， 缩短了生产周期，从而减低了成本。2. 可以降低奥氏体相变温度，细化室温组织。轧后控制冷却能够降低奥氏体相变温度，对同一晶粒级别的奥氏体，低温相变后会使 晶粒明显细化，使珠光体片层间隔明显变薄。例如，在 800终轧的 16Mn 钢材，当轧后冷却温度从 0.5/s 提高到 9.5/s 时 晶粒平均直径从 12m细化到 7.5m， s 从360Pa 增加到 420Pa。3. 可以降低钢的碳当
6、量。采用轧后控制冷却工艺有可能减少钢中碳含量及合金元素加入量，达到降低碳当量的效果。低的碳当量有利于焊接性能、低温韧性和冷成型性能，这是当前各国所追求的大规模生产工业用钢材的最经济工艺路线。 4. 道次间控制冷却可以减少待温时间，提高轧机的小时产量。在道次间采用控制冷却，可以精确地控制终轧温度，减少轧件停下来等待降温的时间。在控制轧制时，为了保证能在奥氏体未再结晶区轧制，一般均采用待温轧制的工艺，待温轧制延长轧制节奏，降低产量。为了少影响产量，采用多块钢坯循环交叉轧制的方法，虽然补救了一些，但需要增建离线旁路辊道及移送设备，增加了场地和设备。采用道次间控制冷却，在保证冷却均匀的条件下，可以取消
7、待温和循环轧制。从而提高产量。如生产 3.0mm 厚、1000mm 宽热轧板卷时，开动连轧机架间的冷却装置可以使轧机小时产量从 550t 增加到720t。1.4 控制轧制、控制冷却工艺参数控制特点控制轧制和控制冷却的工艺参数控制与普通轧制工艺相比具有如下特点：1. 控制钢坯加热温度。根据对钢材性能的要求来确定钢坯加热温度，对于要求强度高而韧性可以稍差的微合金，加热温度可以高于 1200。对于韧性为主要性能指标的钢材，则必须控制加热温度在 1150以下。2. 控制最后几个轧制道次的轧制温度。一般要求终轧道次的轧制温度接近 Ar3温度，有时也将终轧温度控制在(+)两相区内。3. 要求在奥氏体末再结
8、晶区域内给予足够的变形量。对于微合金钢要求900950以下的总变形量大于 50%，对于普碳钢通常多道次变形累积达到奥氏体再结晶。4. 要求轧制后的钢材冷却速度、开始快冷温度、快冷终了温度或卷取温度，以便获得必要的显微组织。通常轧后第一冷却阶段冷速要大，第二阶段冷速要根据钢材性能要求不同而不同。现将提高轧制和控制冷却钢材强韧性的各种因素整理归纳如表 1-1 所示表 1.1 提高控轧、控冷钢材强韧性的因素因素 控制途径及其行为晶粒细化 发生奥氏体的动态再结晶和静态再结晶；在奥氏体未再结晶区轧制变形，使奥氏体晶内产生变形，促使相变细化，控制轧后奥氏体向铁素体转变时的冷却因素，防止铁素体晶粒长大析出强
9、化 铌钒、钛元碳氮话务应变诱导析出加工硬化 在奥氏体向铁素体转变两相区轧制变形时变形铁素体的恢复和再结晶相变强化 针状铁素体钢、贝氏体钢的单相强化；二相分高型强化2 我国控制轧制、控制冷却技术的发展我国有丰富的铌、钒、钛和稀土资源，具有发展微合金控制轧制、控制冷却技术的广阔前途。近十年来，尤其是第六个五年计划期间以来，控制轧制、控制冷却技术在我国取得了不小的进展。目前每年采用控制轧制、控制冷却工艺生产的刚才已经超过100万吨，涉及到20多个钢种，已经应用到造船、石油、天然气输送管线、锅炉及压力容器、钢板桩、汽车大量、螺纹钢筋、钢丝绳、轴承及地质管等方面。其中板材占40%左右，棒、线材占60%左
10、右，管材和型材所占比例较小。目前控制轧制、控制冷却技术在工业试验和生产上的应用如表1-1所示。国内各厂采用控制轧制和控制冷却工艺在提纲产品综合性能方面所获得的效果，举出其中的一部分例子列于表2.2，2.3。上钢2350mm二辊-四辊中板轧机与武钢2800mm二辊-四辊中板轧机，采用两阶段控轧工艺，生产了合乎劳氏船规要求的09MnNb、16MnNb钢DH360N 级船板；上钢三厂的2300mm三辊-四辊中板轧机采用混合型控制轧制工艺与轧后控冷相结合，生产出了性能达到国外同类产品实物水品的容器钢板。武钢热轧厂1700mm热连轧机采用型和型控轧工艺，或配合使用轧后控冷，研制出712mm厚的合乎标准要
11、求的X60和X65级含铌微合金钢板卷。太钢五轧厂中板轧机采用控制轧制工艺，解决了g钢时效冲击值及16Mng 钢屈服强度偏低的问题，使热轧性能合格率提高15%以上；武钢轧板厂采用控轧工艺，提高了4C船板热轧性能合格率38%以上，邯郸钢铁厂2300mm三辊劳特式中板轧机采用IB型控制轧制工艺，轧以后水幕冷却，提高了A2F、20g中板综合性能合格率。 表2.1 控制轧制、控制冷却技术在工业中的应用钢材品种 控轧、控冷工艺类型 应用品种再结晶控制轧制法 低碳钒钛氮钢，含铌中高碳钢未再结晶控制轧制法 低碳硅锰钢，20g，低碳锰铌钢（+）两相区控制法 低碳锰铌钢，低碳锰铌钒钢板带材控制轧制+控制冷却 低碳
12、锰铌钢，低碳钛钢，A2F钢，含铬铅热轧双相钢钢筋轧后穿水冷却 20gMnSi钢，3号钢，5号钢线材穿水冷却+相变冷却 硬钢缆，冷墩钢丝，结构钢丝棒线材轴承钢轧后控制冷却 GCr15钢钢管 旋转内射流冷却钢管轧后控制冷却石油钢管，地质管，低碳硅锰钢角钢降温控制轧制 15Mn钢角钢轧后控制冷却 16Mn钢，ZC造船角钢高碳钢型材控制冷却 中、高碳钢型材高碳钢型材控制轧制 中、高碳钢，含铌中、高碳钢 表2.2 国内控轧、控冷技术的使用效果举例钢种及品种 传统工艺存在问题 控轧、控冷工艺效果14MnTiRc钢板 轧态低温韧性不稳定，必须热轧后正火交货轧态： s=450610MPa-40时，Ak=896
13、12J正火态： s=411470MPa-40时，Ak=766 1380J控轧工艺达到正火处理效果控轧态： s=480529MPa-40时，Ak=796JC（D）级船板 热轧态-40时， Ak也不合格热轧态提供低韧性，使合格率达到90%上09MnNb钢板 轧态低温韧性不稳定，必须热轧后正火交货轧态： s=382MPa-40时，Ak=48J正火态： s343MPa-40时，Ak=926J控轧工艺优于正火态性能控轧态： s392411MPa-40时，Ak=463 926J16MnR容器钢板 热轧后低温韧性不合格正火后 s343MPa控轧控冷工艺使综合性能控轧控冷态： s382MPa-40时，Ak=6
14、90J16MnV容器钢板 热轧后低温韧性不合格，正火后 s有时偏低控轧控冷工艺使综合性能控轧控冷态： s392MPa-40时，Ak246J15Mng钢板 热轧态 s偏低 控轧态 s满足要求20g钢板 热轧态冲击韧性偏低 控轧后提高性能合格率915%20Mn钢筋 热轧态达级钢筋 控冷后达级钢筋A3钢筋 控冷后达级钢筋A3F，65Y 热轧态冷拔延伸性差 控冷后可增大一次冷拔变形量，减少中间退火次数A3，16MnA3F 棒材 热轧态强度有时偏低 控冷后使性能合格率提高15%GCr15钢 热轧态球化退火时间长 控冷后缩短球化退火时间四分之一3.控制轧制促使铁素体细化是达到最佳综合性能的最有效的办法。细
15、化铁素体晶粒基本上有两个途径，一种是细化奥氏体晶粒，然后通过相变得到细小的铁素体晶粒，另一种是直接细化铁素体晶粒。细化奥氏体晶粒基本上从两方面着手：一方面是细化原始奥氏体晶粒，即从加热温度、加热时间及加入微量元素入手；另一方面是采用形变再结晶的方法。加入微量元素能提高晶粒开始长大的温度，其措施是在奥氏体析出体组织中嵌入细的析出物，从而抑制奥氏体晶粒长大，当析出物的晶粒度为100200时共析作用最大。铝以氮化铝的形式细化晶粒，使可焊接普通结构钢为本质细晶粒钢。此外微合金花元素铌、钒、钛通过他们的碳化物、氮化物及碳氮化物均能对细化奥氏体晶粒产生不同程度的影响。为了抑制在轧制前的加热过程中这类产物的
16、析出物的再溶解，应尽可能降低加热温度。实践证明，轧前奥氏体的晶粒度对铁素体晶粒度是有影响的，但这种措施有很大的局限性。控制轧制工艺不仅可以通过细化晶粒奥氏体来细化铁素体晶粒，同时采用直接细化铁素体晶粒的办法。一般根据其细化铁素体的机理不同，将控制轧制分为三个阶段，下面分别加以叙述：3.1 第一阶段：奥氏体再结晶区轧制这个阶段是通过形变-再结晶反复交错进行使晶粒细化。对晶粒细化的作用不是太大。3.2 第二阶段：奥氏体未再结晶区轧制第二阶段在再结晶温度以下和相变温度之间进行轧制。在此区中轧制时，奥氏体晶粒沿轧制方向伸长，境界面积增加，使铁素体的形核密度增加。同时由于变形使晶粒内导入大量的变形带，奥氏体向铁素体转变时的成核点增多，变形带起到了奥氏体晶界的同等作用。在未再结晶区轧制促使铁素体相变成核点的增加，变形带的作用是主
