轧钢工艺基础

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1、轧钢工艺基础主讲：余道军花山分厂三轧钢轧钢工艺基础 一、轧制的基本概念 轧制是靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩 擦力将轧件拖进辊缝之间，并使之压缩产生 塑性变形的过程。 轧制过程除了使轧件获得一定形状和尺寸 外，使组织和性能得到一定程度的改善。 以平辊轧制矩形轧件为例，轧制后轧件的 高度减小、宽度增加，长度延伸。以平辊轧 制矩形件为例，轧辊直径为D，辊身长度为B ，轧制前的轧件高度为h0，轧制后的轧件高 度 为h1，轧制前的轧件宽度为b0，轧制后的 轧件宽度为b1，轧件的入口速度为V0，轧 件的出口速度为V1，如图1.1所示：图 1.1 1变形区及其主要参数 1.1变形区 如图1.1，轧件开始与

2、轧辊接触的平面AA ， 称入口平面，轧件与轧辊离开的平面BB，称出 口平面。入口平面AA，出口平面BB，轧辊与轧 件的接触弧面AB和AB构成轧件在轧制时的变形 区。轧件在变形区内发生塑性变形。 1.2 咬入角：轧辊与轧件相接触的圆弧所对应的 圆心角称为咬入角。 1.3 接触弧长度：轧件与轧辊相接触的圆弧的水 平投影长度称为接触弧长度，或者叫咬入弧长。 1.4绝对变形量 绝对变形量是指变形的绝对值。一般指 压下量、宽展量、延伸量。 例如有一矩形钢坯，轧前的长、宽、高 分别为L、B、H，轧后的长、宽、高分别为 l、b、h。 压下量即为轧前高度与轧后高度之差； 宽展即为轧后宽度与轧前宽度之差； 延伸

3、即为轧后长度与轧前长度之差。即 压下量h=H-h；宽展b=b-B；延伸=l- L。 1.5相对变形量 相对变形量是指变形的相对值。一般指 压下率、宽展率、延伸率。 例如，有一矩形钢坯，轧前的长、宽、 高分别为L、B、H，轧后的长、宽、高分别 为l、b 、h。 压下率即为压下量除以轧前高度的百分数 ； 宽展率即为宽展量除以轧前宽度的百分数 ； 延伸率即为延伸量除以轧前长度的百分数 。 压下率 宽展率 延伸率 1.6总延伸系数 若坯料的断面面积为F0，成品断面面积为Fn， 则总延伸系数为 若F1，F2，F3、Fn为第一、二、三、n道 次的轧件轧后面面积。若 为第 一、二、三n道次的延伸系数。则 上

4、式说明总延伸系数等于各道次延伸系数的 相乘积。 二、原料的加热 加热是轧钢生产过程中一个重要工序， 钢锭或钢坯经过加热提高了钢的塑性、减 少了变形抗力，容易延伸和变形。如以变 形抗力来计算，以轧制温度1200为标准， 则在1100时，变形抗力能增加2.7倍，在 1000时增加4倍，在800时增加6.7倍，在 常温时增加25倍。 因此轧制高温度的钢锭或钢坯所需要的能 量比轧制低温度的少得多，并且能够减少 孔型和辊身表面磨损，不容易破坏设备。 加热良好的钢锭与钢坯，在其断面上与长 度上温度应是均匀的，有适当的出炉温度 ，并烧损最少。加热良好的钢锭与钢坯， 容易获得断面形状正确和几何尺寸精确的 半成

5、品与成品钢材，使废品大量减少。也 适合于高压下量轧制，可提高轧钢机生产 率。 2.1加热制度 原料加热时，要遵循一定的加热制度。 加热制度一般包括加热时间、加热温度、 加热速度和温度制度等要素。 由于钢种不同、化学成分不同、技术特 性不同、质量检验标准不同，所以加热制 度亦不同。 加热温度是指钢锭、钢坯的出炉温度。 钢坯或钢锭的加热温度沿断面及长度应保 证均匀。 加热速度是指在单位时间内的温度变化 。 温度制度是指加热金属时，炉温随时间 变化的情况。对于连续式和步进式加热炉 来说，就表示炉温沿加热炉长度的变化情 况。因此加热制度应满足以下要求： 1)必须根据各钢种的性能、断面尺寸大小、 形状以

6、及具体加热条件，制定合理的加热 工艺； 2)对钢的加热温度严格地控制在规定范围内 ； 3)加热终了钢温必须均匀； 4)防止产生加热缺陷。 2.2加热温度 钢的加热温度是钢在加热炉内加热所达 到的满足轧制工艺要求的温度。钢的加热 温度取决于它的成分。 对于碳素钢来说，含碳量高，其加热温度 应适当降低。钢种加热温度（）过烧 温度（）碳素钢 C=1.5%C=1.1%C=0.9%C=0.7%C=0.5%C=0.2%C=0.1% 硅锰弹 簧钢 镍钢 Ni=3%Ni=8% 5%渗碳镍钢 硌矾钢 高速钢 不锈钢1050 1080 1120 1180 1250 1320 1380 1250 1250 1250

7、 1270 1250 1280 13001140 1180 1220 1280 1350 1470 1490 1350 1370 1370 1450 1350 1380 1420表2.1 钢的加热及过烧温度 碳钢最合适的加热温度是单相奥式体区，其中 亚共析钢的加热温度在Ac3以上3050与固 相线NJE以下100150之间。过共析钢最 高加热温度应比NJE线低50100。具体参 考表2.1： 确定新钢种的加热温度时，可参考有关实验资 料。 合金钢的加热温度范围受合金元素的影响，因 为合金元素加入钢中，有的形成了合金碳化物 （如VC、WC、MoC、Cr7C3），提高了钢的 熔点；有的扩大奥式体区

8、、提高固相线；有的 缩小奥式体区，使固溶体的熔点改变。 钢的加热温度范围的确定除考虑化学成分 和组织状态外，还必须考虑以下几点： 1）钢锭的组织缺陷对加热温度的影响，例 如，为了消除钢锭的铸造组织偏析，可适 当提高加热温度。 2）终轧温度对加热温度的影响。 亚共析钢的终轧温度不能低于Ar3，否则轧 制过程中析出的铁素体形成带状降低成品 性能。 过共析钢的终轧温度如果高于Arcm线，轧 后会析出二次渗碳体，形成渗碳体网状组 织，从而使机械性能下降。 3）氧化和脱碳对加热温度的影响。 4）断面尺寸大小、道次多少对加热温度的 影响。一般断面尺寸大、道次多需要相应 地提高加热温度，反之则应降低一些。

9、5）轧制工艺对加热温度的影响。例如叠轧 低碳钢板时，如果温度过高，钢板粘结严 重。加热温度一般控制在850950之间 。 影响加热温度的因素很多，有些是互相矛 盾的，因此必须根据具体情况，抓住主要 因素合理确定加热温度。 2.3加热速度 钢加热时，单位时间温度升高的数值，叫做钢 的加热速度。钢的加热速度因钢种不同而异。 普通碳素钢和低合金钢，由于具有良好的导热性 ，在较低的温度下，就可以采用较快的加热速度 。 高碳钢和合金钢由于其导热性差，急速加热会因 内外温差而产生较大的热应力，使钢产生裂纹或 断裂，因此这类钢在加热初期，须采用慢的加热 速度使钢预热。 表2.2列出了部分钢的推荐采用的平均加

10、热速度。 钢种钢号钢锭 厚度 （毫米）钢坯厚度 （毫米）175300100200单位厚度的加热时间 （分/厘米 ） 含碳量不大于 0.25% 的碳素钢和低合金 钢Q195Q255，0825 15Mn20Mn7867.5含碳量不大于 0.45% 的碳素钢和合金 钢Q275、3045、30Mn 40Mn 25CrMnSiA7.8988.5含碳量不大于 0.75% 的碳素钢和合金 钢60、65、50Mn60Mn 65Mn、35CrMnSiA1112碳素工具钢T7T101213 表2.2 钢的推荐平均加热速度 2.4加热时间 钢在加热炉内，从吸热升温至加热到轧 制工艺规定是温度所用的总时间，称为钢 的

11、加热时间。钢的加热时间直接影响加热 炉的产量和加热质量。特别是在高温区停 留时间过长会造成过热、过烧、脱碳和过 氧化等缺陷；加热时间不足，则会产生钢 温偏低，温度不均等问题。 合理的加热时间取决于原料装炉前的温度 、钢种、加热设备的加热条件及所采用的 加热速度。加热时间可用理论计算的方法 确定，但生产实践中，多用经验公式粗略 的估算。 在一般连续式加热炉内加热钢锭或钢坯时 ，计算加热时间的公式是： T=BC 其中：t-加热时间（小时）；C-系数（ 小时/厘米），对低碳钢取0.10.15，对中 碳钢取0.150.20，对低合金钢取0.15 0.20，对高碳钢取0.200.30，对高级工具 钢取0

12、.300.40；B-钢坯或钢锭的厚度， （厘米）。 2.5加热缺陷 由于加热不良可能使原料造成过热、过 烧、脱碳、氧化铁皮以及加热不均等缺陷 ；这样会使钢材报废，或使原料损失较大 ，也可能给轧制带来困难。 加热缺陷如过热、过烧、熔化等大都发 生于待轧期间，因此加热与轧钢之间密切 联系与配合很重要。在待轧期间，加热炉 应降低炉温、减少过剩空气量来防止发生 加热缺陷。 2.6氧化铁皮 金属表面层的氧化膜称为氧化铁皮。氧 通过初生的氧化膜向纯铁层扩散，则在旧 有的氧化层下形成新的氧化层，因此氧化 铁皮逐渐增厚。 氧化铁皮的层次有三层。最外一层为 Fe2O3，约占整个氧化铁皮厚度的2%；第 二层是Fe

13、2O3与FeO的混合体，通常写成 Fe3O4，约占全部厚度的18%；与金属本 体相连的第三层是FeO，约占氧化铁皮厚度 的80%。 即： 2Fe+O2=2FeO 氧化铁皮的中间层是四氧化三铁，即 6FeO+O2=2Fe3O4 氧化铁皮的最外层是三氧化二铁，即 4Fe3O4+O2=6Fe2O3 氧化铁皮的产生对轧钢生产有很多害处 ： 1）造成金属损失。钢坯加热时生成的一 次氧化铁皮重量约占钢坯总量的23%。 一个年产10万吨钢材的轧钢车间，每年由 于烧损（氧化铁皮造成的损失）而丢掉的 钢就达20003000吨。 2）使加热炉生产率降低。因为氧化铁皮 较钢的基体组织疏松的多，它覆盖在钢的 表面降低

14、钢的导热系数，影响加热速度。 3）影响炉底材料寿命，使之容易损坏。因 为氧化铁皮呈碱性，它对酸性粘土砖有侵 蚀作用。 4）氧化铁皮大量堆积在炉底升高、起包， 迫使加热炉停炉清渣，这不仅影响炉子产 量，而且使操作条件恶化。 5）在轧制时氧化铁皮易打滑，增加咬入困 难，增加孔型磨损。氧化铁皮压入钢材表 面造成斑点和麻坑缺陷，降低产品表面质 量。为了减少氧化铁皮的生成，应在加热 条件允许的情况下，尽量采用快速加热， 并减少炉内的过剩空气量，高温区间短停 留。 2.7脱碳 脱碳是钢中的碳元素向表面扩散并和炉 内气氛反应而引起的。钢中的碳元素以氧 化物的形式存在，氧化时发生下列反应： 2Fe3C+O2=

15、6Fe+2CO Fe3C+ H2O=3Fe+CO+ H2 Fe3C+CO2=3Fe+2CO 脱碳对普通碳钢的机械性能影响不显著 ，但对某些合金钢如滚珠轴承钢、工具钢 、弹簧钢，则会因脱碳而使抗压、耐磨、 切削性和弹性降低。 2.8过热 由于加热温度过高，或在高温阶段停留 时间过长，会使钢的晶粒过度长大，从而 引起晶粒之间的结合力减弱，钢的机械性 能变坏，这种缺陷称为过热。 原料过热在轧制时产生裂纹，使成品钢 材的机械性能变坏，韧性降低。过热的原 料可以用退火方法改善其组织，做一次到 两次就可挽救这一缺陷。 2.9过烧 加热温度过高，或在高温状态下原料在 炉内停留时间过长，除金属晶粒增大外， 还使偏析夹杂富集的晶粒边界发生氧化或 熔化，破坏了晶粒之间的结合力。在轧制 时金属经受不住变形，往往发生碎裂或崩 裂，有时甚至一受碰撞就会碎裂，这种缺 陷称为过烧。 产生过烧的原料