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1、1,9 控制轧制及控制冷却技术在型钢生产中的应用,宫明龙,2,Z形钢,C形钢,H形钢,工字钢,角钢,钢轨,3,4,5,9.1型钢的控制轧制与控制冷却,型钢控制轧制冷却的目的 （1）节约冷却面积 （2）防止或减轻型材的翘曲及弯曲 （3）降低残余应力 （4）提高型材的综合性能及组织状态，简化生产工艺 9.1.1 大中型型材的控制轧制和控制冷却 H 型钢 特点： 上缘与下缘有温差，腰部和翼缘和腰部温差，缘与腰连接处温度高,6,7,8,国外轧制和冷却工艺,9,钢的形变热处理,形变热处理是将形变与相变结合在一起的一种热处理工艺，它起到形变强化与相变强化的综合作用。它是一种既可以提高强度，又可以改善塑性和
2、韧性的最有效的工艺。,使用范围很广泛，如冶金厂生产的钢材中供用户直接使用而不需要在机械加工的板、管、丝、带、棒材、小型导型材等，以及机械厂生产的简单形状的产品。,10,形变热处理的类型很多，根据形变的温度范围和形变与相变的相互顺序，常用的形变热处理 工艺可分为以下几类：,一、在相变前进行形变 1.低温形变热处理 加热温度：Ac3以下 形变温度： 珠光体与贝氏体形成 温度范围之间的过冷奥 氏体稳定区。 形变后冷却得到马氏体，再回火。,11,2.高温形变热处理 加热温度：Ac3以上 形变温度：在Ar3以上， 或在Ar1Ar3之间 形变冷却方式： （1）快冷得到马氏体再回火 称高温形变淬火。 （2）
3、空冷（但控制冷却速度） 得到铁素体或贝氏体称为 “控制扎制”,12,二、在相变过程中进行形变 加热温度：Ac3以上 形变温度：在珠光体转变 的鼻点温度，形变的同时发 生相变，称为等温形变热处理。,三、在相变以后进行形变 形变前的组织：铁素体、珠光体或马氏体 形变温度：室温或A1,13,马钢控制轧制和控制冷却工艺,H 型钢生产线没有安装轧后控制冷却装置,不能实施控制冷却,给H 型钢的生产带来了两个方面的不利影响: (1) 翼缘和腹板温差大,残余应力大。H 型钢一般翼缘较厚,腹板较薄,腹板冷却较快,翼缘冷却较慢,因而,冷却到常温后在腹板易形成残余压应力,在翼缘形成残余拉应力。根据实测和数值模拟可知
4、在冷却过程中的最大温差达150 。 (2) 由于终轧温度高,导致冷床能力不足,直接影响产量的提高。,14,厚度为30. 5 mm 的H 型钢经过试验装置的控冷,最大平均冷却速度可达30 / s ,控制冷却可以显著地细化铁素体晶粒,改善钢的组织结构,屈服强度可提高50MPa 以上。,15,2. 角钢的控制冷却 2.1角钢射流冷却,16,2. 角钢的控制冷却 2.2带有缝隙喷嘴的集水管冷却装置,17,2. 角钢的控制冷却 2.3限制冷却装置,18,2. 角钢的控制冷却 2.4 冷却箱体的角钢冷却装置 2.5 不等边角钢的两段冷却,19,踏面,9.1.2 钢轨的在线热处理,20,21,两种方法：在线
5、与离线。,22,23,9.2 棒材及钢筋的控制轧制与控制冷却 棒材的控制控冷工艺,棒材规格及钢种不同工艺不同,24,9.2 棒材及钢筋的控制轧制与控制冷却 棒材的控制控冷工艺,155*15520-44mm,25,9.2.2 轴承钢棒材轧后控轧控冷 轴承钢：高碳低铬，轧后要采用快冷。 原因：1）二次碳化物沿晶界呈网状析出； 2）球化退火的需要。 热轧工艺对GCr15轴承钢组织的影响： 1）轧制温度；2）变形量。 轧后冷却速度对网状碳化物的影响：,26,图 GCr15轴承钢轧后网状碳化物级别与轧制温度和冷却速度的关系（变形量为14%） 1-轧后空冷，V冷=1.2/s；2-水冷2s后空冷，V冷=4.
6、5/s；3-水冷3s后空冷，V冷=10/s,27,1. 轴承钢控轧控冷目的 细化晶粒，减少或阻止二次渗碳体析出， 方法： 2. 工艺特点 A奥氏体完全再结晶,28,2. 工艺特点 B 奥氏体完全再结晶+两相区轧制 C奥氏体完全再结晶+球化退火 D奥氏体完全再结晶+控冷 E奥氏体完全再结晶+控冷+球化退火,29,3 轴承钢控制控冷的应用 1）大冶钢厂（小断面） 2 ） 大连钢厂（大断面,30,3 轴承钢控制控冷的应用 3）宝钢低温精轧,31,3 轴承钢控制控冷的应用 3）宝钢低温精轧,32,9.2.3 钢筋的控制轧制和控制冷却 一、钢筋轧后控制冷却的特点及其基本原理 二、钢筋轧后控制冷却的方法及
7、类型,33,34,（1）按轧制外形分 光面钢筋：I级钢筋（Q235钢钢筋）均轧制为光面圆形截面，供应形式有盘圆，直径不大于10mm，长度为6m12m。 带肋钢筋：有螺旋形、人字形和月牙形三种，一般、级钢筋轧制成人字形，级钢筋轧制成螺旋形及月牙形。 钢线（分低碳钢丝和碳素钢丝两种）及钢绞线。 冷轧扭钢筋：经冷轧并冷扭成型。 （2）按直径大小分 钢丝（直径35mm）、细钢筋（直径610mm）、粗钢筋（直径大于22mm）。 （3）按力学性能分 级钢筋（235/370级）；级钢筋（335/510级）；级钢筋（370/570）和级钢筋（540/835） （4） 按生产工艺分 热轧、冷轧、冷拉的钢筋，还有
8、以级钢筋经热处理而成的热处理钢筋，强度比前者更高。 （5）按在结构中的作用分：受压钢筋、受拉钢筋、架立钢筋、分布钢筋、箍筋等 。,35,钢筋轧后控制冷却的工艺特点及其基本原理,（1）可以在轧制作业线上，通过控制冷却工艺，强化钢筋，代替重新加热进行淬火、回火的调质钢筋。利用控制冷却强化钢筋与一般热处理强化钢筋比较，由于利用轧制余热，不需要重新加热，节约了燃料及热量消耗，缩短生产周期，提高生产率降低了生产高强度钢筋的成本，而且还具有更高的综合力学性能。其原因在于：在利用轧制余热淬火之前已发生奥氏体再结晶，使晶粒细化，奥氏体晶界的位置已经改变，新晶界的形成时间又很短，杂质原子还来不及向晶界偏聚，因而
9、改善了低温力学性能。在轧制后淬火前尚未发生奥氏体再结晶情况下，保持着低温形变热处理对低温力学性能的良好影响。,36,钢筋轧后控制冷却的特点及其基本原理,（2）选用碳素钢和低合金钢，采用轧后控制冷却工艺，可生产不同强度等级的钢筋，从而可能改变用热轧按钢种分等级的传统生产方法，节约合金元素，降低成本以及方便管理。 设备简单，对于一般老式横列式型钢轧机不用改动轧制设备，只需在精轧机后安装一套水冷设备。在某些情况下，为了控制终轧温度或控制轧制而在中间轧机或精轧前安装中间冷却或精轧预冷装置。 （3） 添加微合金元素 成本高，大规格钢筋,37,400 MPa 级的级钢筋的生产工艺目前主要有两种， 一种是在
10、20MnSi 中加入微量合金元素钒（或铌、钛），即进行成分控制，通过加入微合金元素来控制晶粒大小，从而提高热轧螺纹钢筋性能。但是，加入合金元素将提高生产成本，不利于市场竞争。 另一种就是采用控轧控冷的方法，钢筋的控轧控冷是通过控制钢材在轧制过程中的温度变化和轧后冷却过程的工艺参数，以得到细小均匀的相变组织，从而获得强度、塑性、韧性均好的优良产品。用水代替合金元素的作用，可节约合金元素，显著降低生产成本；同时可简化工序，降低能耗，具有显著的经济效益和社会效益。,38,钢筋轧后控制冷却工艺：三个过程,第一阶段：表面淬火阶段(急冷段)，钢筋离开精轧机在终轧温度下，尽快地进入高效冷却装置，进行快速冷却
11、。其冷却速度必须大于使表面层达到一定深度淬火马氏体的临界速度。钢筋表面温度低于马氏体开始转变点(Ms)，发生奥氏体向马氏体相转变。该阶段结束时，心部温度很高，仍处在奥氏体状态。表层则为马氏体和残余奥氏体组织。表面马氏体层的深度取决于强烈冷却持续时间。,39,钢筋轧后控制冷却工艺：三个过程,图1 Tempeore(表面预先淬火)工艺及其与CCT曲线的关系,40,钢筋轧后控制冷却工艺：三个过程,第二阶段：自回火阶段，钢筋通过快速冷却装置后，在空气中冷却。此时钢筋各截面内外温度梯度很大，心部热量向外层扩散，传至表面的淬火层，使已形成的马氏体进行自回火。根据自回火温度不同，可以转变为回火马氏体或回火索
12、氏体。而表层的残余奥氏体转变为马氏体。同时邻近表层的奥氏体根据钢的成分和冷却条件不同而转变为贝氏体、屈氏体或索氏体组织。而心部仍处在奥氏体状态。该阶段的持续时间随着钢筋直径和第一阶段冷却条件而改变。经常，心部奥氏体已经开始转变为铁素体。,41,钢筋轧后控制冷却工艺：三个过程,第三阶段：为心部组织转变阶段，钢筋在冷床上空冷一定时间后，断面上的热量重新分布，温度趋于一致，同时降温。此时心部由奥氏体转变为铁素体和珠光体或铁素体、索氏体和贝氏体。心部产生的组织类型取决于钢的成分，钢筋直径，终轧温度和第一阶段的冷却效果和持续时间。 轧后控制冷却对钢筋性能的主要影响因素为终轧温度、第一阶段冷却速度和持续时
13、间及钢的化学成分。除钢的化学成分外，其他的各个因素决定了自回火温度。而自回火温度很大程度上决定了钢筋的力学性能。,42,东北大学高秀华老师研究钢20MnSi 的化学成分(质量分数, %) 为:012%C ，1.44%Mn , 1.47 %Si ,0.028 %S ,0.023 P。,43,44,工艺1 :整个轧制过程按常规进行轧制,但在终轧后进行穿水冷却替代空冷。 20MnSi 螺纹钢筋的终轧温度为1 050 ,轧后控冷的第1 阶段是轧后立即进行快冷,使轧件快冷到相变温度800 左右,防止相变前奥氏体晶粒的长大。第2 阶段是在800 时减少水流量,降低冷 却速度,将冷却速度控制在15 / s 以下,避免奥氏体向马氏体转变从而降低轧件的性能,此时的组织为铁素体、珠光体,冷却到500 ,进行第3 阶段的空冷。以这种工艺得到的钢筋的屈服强度平均为450 MP
