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1、. . .高速线材的控轧控冷摘 要：控制轧制与控制冷却相结合能将热轧钢材的两种强化效果相加，进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合性能。随着控制轧制与控制冷却机理研究的不断深入，除了在中厚板、热连轧带钢生产中采用控制轧制与控制冷却工艺之外，在棒线材生产中也取得了比较成熟定型的控制冷却工艺，控制轧制和控制冷却是热轧生产中的新技术和新工艺，是金属塑形加工专业的理论与实践不可缺少的一个重要组成部分，是金属压力加工专业的前沿技术。关键词：控制轧制；控制冷却；奥氏体；珠光体；晶粒细化；斯太尔摩冷却法；温度；冷却一、前言随着钢铁冶金技术的不断提高，控制轧制与控制冷却作为一项基本技术在高速线材生产过程中起到
2、了决定性的作用，本文论述了控扎控冷的基本原理和方法。二、控制轧制的概念（一）什么叫控制轧制控制轧制是指在比常规轧制温度稍低的条件下，采用强化压下和控制冷却等工艺措施来提高热轧钢材的强度、韧性等综合性能的一种轧制方法。控制轧制钢德性能可以达到或者超过现有热处理钢材的性能。（二）控制轧制的优点控制轧制具有常规轧制方法所不具有的突出优点。归结起来大致有如下几点：1. 许多试验资料表明，用控制轧制方法生产的钢材，其强度和韧性等综合机械性能有很大的提高。例如控制轧制可使铁素体晶粒细化，从而使钢材的强度得到提高，韧性得到改善。2. 简化生产工艺过程。控制轧制可以取代常化等温处理。3. 由于钢材的强韧性等综
3、合性能得以提到，自然地导致钢材使用范围的扩大和产品使用寿命的增长。从生产过程的整体来看，由于生产工艺过程的简化，产品质量的提高，在适宜的生产条件下，会使钢材的成本降低。4. 用控制轧制钢材制造的设备重量轻，有利于设备轻型化。（三）控制轧制的种类控制轧制是以细化晶粒为主，用以提高钢的强度和韧性的方法。控制轧制后奥氏体再结晶的过程，对获得细小晶粒组织起决定性的作用。根据奥氏体发生塑性变形的条件（再结晶过程、非再结晶过程、转变的两相区变形），控制轧制可分为三种类型。1、再结晶型的控制轧制它是将钢加热到奥氏体化温度，然后进行塑性变形，在每道次的变形过程中或者在两道次之间发生动态或静态再结晶，并完成其再
4、结晶过程。经过反复轧制和再结晶，使奥氏体晶粒细化，这为相变后生成细小的铁素体晶粒提供了先决条件。为了防止再结晶后奥氏体晶粒长大，要严格控制接近于终轧几道的压下量、轧制温度和轧制的间隙时间。终轧道次要在接近相变点的温度下进行。为防止相变前的奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒长大，特别需要控制轧后冷却速度。这种控制轧制适用于低碳优质钢和普通碳素钢及低合金高强度钢。2、再结晶型的控制轧制它是将钢加热到奥氏体化温度后，在奥氏体再结晶温度以下发生塑性变形，奥氏体变形后不发生再结晶（即不发生动态或静态再结晶）。因此，变形的奥氏体晶粒被拉长，晶粒内有大量变形带，相变过程中形核点多，相变后铁素体晶粒细化，对提高钢
5、材的强度和韧性有重要作用。这种控制工艺适用于含有微量合金元素的低碳钢，如含铌、钛、钒的低碳钢。3、两相区的控制轧制它是加热到奥氏体化温度后，经过一定变形，然后冷却到奥氏体加铁素体两相区再继续进行塑性变形，并在温度以上结束轧制。实验表明：在两相区轧制过程中，可以发生铁素体的动态再结晶；当变形量中等时，铁素体只有中等回复而引起再结晶；当变形量较小时（15%30%），回复程度减小。在两相区的高温区，铁素体已发生再结晶；在两相区的奥氏体中富集，碳以细小的碳化物析出。因此，在两相区中只要温度、压下量选择适当就可以得到细小的铁素体和珠光体混合物。，从而提高钢的强度和韧性。在实际轧制中，由于钢种、使用要求、
6、设备能力等各不相同，各种控制轧制可以单独应用，也可以把两种或三种控制轧制工艺配合在一起使用。三、线材的控制轧制（一）线材控制轧制概况随着线材轧制速度的提高，扎后控制冷却成为必不可少的一部分，但是控制轧制在线材中的应用是20世纪70年代后期才开始的。由于线材变形过程中由孔型所确定，要改变各道的变形量比较困难，轧制温度的控制主要取决于加热温度（即开轧温度），在无中间冷却的条件下，无法控制轧制过程中的温度变化。因此，在过去的线材轧制中控制轧制很难实现。为满足用户对线材的高精度、高质量要求，高速线材轧机得到发展，无扭精轧机组机型进一步改进。1984年以后，摩根公司提供的100m/s高速无扭轧机组均为V
7、型结构。新一代V型机组在结构上作了重大改进，2根转动周接近地面基础，机组重心下降，倾动力矩减少，增加了机组的稳定性。它噪声级别低，视野开阔，便于操作管理，机组重量较轻。在第一套V型机组问世以后，高速线材轧机将控制轧制技术引入了工艺设备等总体设计。现代高速线材轧机已能生产高精度的产品，如各生产厂家生产5.5mm线材的尺寸偏差普遍可达0.15mm，有些厂家可达不超过0.1mm。为了满足用户对线材精度提高的更高要求，达到精密及及精密尺寸偏差（直径偏差=（0.2%0.3%）直径）。近几年出现了精密尺寸规圆机及精密轧机，有三辊柯克斯（Kocks）三机架无扭精轧机及两辊三机架（或二机架）台克森（Tekis
8、un）高精度轧机。尤其是在1985年摩根公司退出台克森双机架轧机与无扭精轧机配合，轧出5.06.5mm线材，可保证直径偏差为0.1mm。台克森轧机可在700轧制，轧制能力大，可以进行控制轧制，可生产某些汽车用的非调质钢及快速球化钢。有的在高速线材精轧机组前增设预冷段（可降低轧件温度100）及在精轧机组各机架间设水冷导位装置，以降低轧件出精轧机组的温度等。在第一套V型机组问世后，摩根公司在高速线材轧机上引入控温轧制技术MCTR（Morgan Contralled Temperatare Rolling），即控制轧制。控温轧制有如下两种变性制度：A 二段变形制度粗轧在奥氏体再结晶区轧制，通过反复变
9、形及再结晶细化奥氏体晶粒；中轧及精轧在950以下轧制，是在相的未再结晶区变形，其积累变形量为60%70%，在附近终轧，可以得到具有大量变形带的奥氏体未再结晶晶粒，相变以后能得到细小的铁素体晶粒。B 三段变形制度粗扎在再结晶区轧制，中轧在950以下的未再结晶区轧制，变形量为70%，精轧在与之间的双相区轧制。这样得到细小的铁素体晶粒及具有变形带的未再结晶奥氏体晶粒，相变后得到细小的铁素体晶粒并有亚结构及位错。为了实现各段变形，必须严格控制割断温度，在加热时温度不要过高，避免奥氏体晶粒长大，并避免在部分再结晶区中轧制形成混晶组织，破坏钢的韧性。一般采用降低开轧温度的办法来保证对温度分别为900、85
10、0，精轧机组入口轧件温度分别为925、870，出口轧件温度分别为900、850。在设计上，低碳钢可在800进入精轧机组精轧，常规轧制方案也可在较低温度下轧制中低碳钢材，以促使晶粒细化。中轧机组前加冷水箱可保证精轧温度控制在900，而在精密轧机处轧制温度为700750，压下量魏35%45%，以实现三阶段轧制。如能在无扭精轧机入口将钢温控制在950以下，粗中轧可考虑在再结晶区轧制，这样可降低对设备强度的要求。日本有的厂将轧件温度冷却在650进入无扭精轧机组轧制，再经斯太尔摩冷却线，这样可得到退化珠光体组织，到球化退火时，退火时间可缩短1/2.四、控制冷却基本知识在轧钢生产中（热轧），其生产出来的产
11、品都必须丛热轧后的高温红热状态冷却到常温状态。这一阶段的冷却过程将对产品的质量有着极其重要的影响。因此，如何进行线材的轧后冷却，是整个线材生产过程中产品质量控制的关键环节之一。（一）控制冷却的概念轧钢生产中的冷却方法有许多种，但归纳起来只有以下两大类1、常规冷却常规冷却的含义是指从轧机出来的热轧产品在其后的剪切、收集、打捆包装等精整工序中不加以任何控制手段，而让其在周围环境中自然冷却的一种方法，又称“自然冷却”。2、控制冷却控制冷却在轧钢领域内属于控制轧制的范畴，它是指人们对热轧产品的冷却过程有目的地进行人为控制的一种方法。确切的说，所谓控制冷却，就利用轧件热轧后的轧制余热，以一定的控制手段控
12、制其冷却速度，从而获得所需要的组织和性能的冷却方法。几十年来，许多工程技术人员和理论工作者为此做了大量的工作，使得各种热轧产品的质量大大提高。对线材控制冷却的研究工作开始于20世纪50年代末至60年代初。当时由于连续式线材轧机的不断完善和发展，轧制速度越来越高，盘重越来越大，由此带来产品质量的一系列问题，促使人们对原来的自然冷却方法都作出改进。到了20世纪60年代中期，随着无扭线材轧机的问世，美国、加拿大、德国、日本等国都相继对线材轧后的冷却问题展开了大量的试验研究，于是各种线材控制冷却方法也就应运而生。（二）线材控制冷却的目的和要求在一般的小型线材轧机上，由于轧制速度低，终轧温度不高（一般只
13、有750850），且线卷盘重不大，所以扎后的盘卷通常只是采用钩式或链式运输机进行自然冷却。尽管这种自然冷却的冷却速度慢，但因盘卷小，温度低，故对整个线材盘卷组织和性能影响不大。随着线材轧机的发展，线材的终轧速度和终轧温度都不断提高，盘重也不断增加。尤其时现代化的连续轧机，其终轧速度在100m/s以上，终轧温度高于1000，盘重也由原来的几十公斤增至几百公斤甚至达23t。这种情况下，采用一般的堆积和自然冷却的方法不仅使线材的冷却时间加长，厂房设备增大，而且会加剧盘卷内外温差，导致冷却极不均匀，并将造成以下不良后果：1. 金相组织不理想。晶粒粗大而不均匀，由于大量的先共析组织出现，亚共析钢中的自由
14、铁素体和过共析钢中的网状碳化物增多，再加上终轧温度高，冷却速度慢，使得晶粒十分粗大，这就导致了线材在以后的使用过程中和再加工过程中力学性能降低。2. 性能不均匀。盘卷的冷却不均匀使得线材断面和全长上的性能波动较大，有的抗拉强度波动达240MPa，断面收缩率波动达12%。3.氧化铁皮过厚，且多为难以去处的和。这是因为在自然冷却条件下，盘卷越重盘卷厚度越大，冷却速度越慢，线材在高温下长时间停留而导致严重氧化。自然冷却的盘条氧化损失高达2%3%，降低了金属收得率。此外，严重的氧化铁皮造成线材表面极不光滑，给后道拉拔工序带来很大困难。4. 引起二次脱碳。由于线材成卷堆冷，冷却缓慢，对于含碳量较高的线材
15、来说，容易引起二次脱碳。上述不良影响随着终轧温度的提高和盘重的增加而越加显著。若适当地控制线材冷却速度并使之冷却均匀，则能有效地消除这些影响。因此，对于连续式线材轧机，尤其是高速线材轧机，为了克服上述缺陷，提高产品质量，实现轧制后的控制冷却是必不可少的。既然自然冷却中出现的线材质量问题主要是由于冷却速度太慢所致，所以工艺上对线材控制冷却提出的基本要求是能够严格控制轧件的冷却速度，使其既能保证产品质量符合要求，又能尽量地减少氧化损耗。当然，在具体进行控制冷却设计和制定冷却工艺时，还应根据个生产厂的具体情况，从简化工艺、减少附加设备、降低生产成本、提高经济效益以及改善后部工序的劳动条件等几方面来加以综合考虑。随着高速线材轧机的发展，控制冷却技术得到不断地改进和完善，并且在实际应用中越来越显示出它的优越性。五、控制冷却的几种方法（一）线材控制冷却的三个阶段1、奥氏体急速过冷阶段（一次冷却）一次冷却是通过轧后穿水冷却来实现，它是指从终轧开始到变形奥氏体想铁素体或渗碳体开始转变的温度（吐丝温度）范围内控制其开始冷却速度、冷却速度和控冷（快冷）终止温度。在这段温度中采用快冷的目的是控制变形奥氏体的组织状态，组织晶粒长大或碳化物过早析出形成网状碳化物，固定由于变形引起的位错。另外还可减少二次氧化铁皮生成量。相变前的组织状态直接影响相变机制、相变产物的形态、粗细大小和刚才性能。经验表明，一
