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1、棒材轧制控制冷却技术1，棒材控制冷却的机理作为强化钢材性能方法的轧后控制冷却越来越受到人们的重视。此时，利用相变强化很容易提高钢材的强度。 钢材控制冷却的强韧化性能取决于轧制条件和冷却条件（开始温度、冷却速度和终冷温度等）所引起的相变、析出强化、固溶强化及回复和再结晶等因素的变化，尤其是水冷条件对相变的影响较大。CCT(Continuous Cooling Transformation)曲线又称为过冷奥氏体连续冷却转变曲线，是表示钢从高温冷却时的相变曲线。连续冷却转变曲线目前广泛应用于钢的热处理，同时也用来研究热加工后的相变、 焊接时的相变和凝固后的相变等。当连续冷却速度较小时， 转变的过冷度
2、很小， 转变开始和终了时间较长。 若冷却速度增大，则转变温度降低，转变开始和终了的时间缩短。且过冷度越大，转变所经历的温度也越大。 如图 1 为低碳钢 20MnSiV 的 CCT 曲线，表 1 是该钢种的化学成分。在不同的冷却速度下， 奥氏体的转变量是不同的。 在通常冷却速度下， 冷却曲线与转变中止线相交时， 转变并未最后完成， 但奥氏体停止了分解， 剩余部分被过冷到更低温度下发生马氏体转变。当冷却速度很大时， 奥氏体将全部被过冷到 Ms 点以下，转变为马氏体。低、中碳钢在高温下奥氏体化， 具有粗大的奥氏体晶粒， 随后以较快速度冷却，容易形成魏氏体组织。 通常在这种片状铁素体析出之前，在原奥氏
3、体晶界形成少量多边形的铁素体。 随着冷却速度的增加， 形成的铁素体量减少， 但片状铁素体所占的比例增加。 若在珠光体区域内过冷奥氏体没有完全分解，未分解的部分在贝氏体和马氏体区域内继续转变。铁素体的晶粒度是决定钢材强度和韧性的重要因素，为获得更加细小的铁素体晶粒，必须在轧后采用加速冷却。 其原理是使加工后未再结晶的奥氏体进行连续转变，温度越低， 与奥氏体晶界相比， 晶粒内变形带从双晶界面产生大量的晶核，使铁素体晶粒变细。同时位错、晶粒、亚晶界核第二相的杂质也可作为形核点，通过添加 Mn 和 Ni 等降低相变温度对铁素体的晶粒细化也很有效，但未再结晶的控制冷却对其更为有效。 而且在进行正常的控制
4、冷却时， 通常不会破坏韧性而使强度增加。表 1 20MnSiV 钢化学成分元素C Mn Si V S P 含量0.22 1.4 0.50 0.031 0.030 0.030 1101001000100001000001002003004005006007008009001000图1 20MnSiV静态CCT曲 线A BAPA F231247189209174 289309 320347463HVMf=218Ms=366AC1=725AC3=8600.5晶 粒度：原始 状态：轧 态奥氏体化：950，15分温度，时间 ，S2，热交换系数的计算水冷速度是确定钢材力学性能和组织的重要因素，而水冷速度又
5、受到终轧温度的影响。钢材轧后的散热方式通过钢材内部热量向外传播和与周围介质的热交换来进行。1）钢材水冷速度的计算钢材在水冷过程中进行的外部热交换主要是以对流方式进行，因辐射而散失的热量甚少，所以在计算计算水冷速度时，仅以前者为依据。钢材在对流中散失的热量和表示为：FdttdQwq)(式中：dQ钢材在对流中所散失的热量；对流换热系数；qt钢材的温度；wt冷却水的温度；F钢材进行热交换的面积；d热交换的时间若在此冷却过程中钢材的温降为dt，则由此温降钢材所失去的热量为：GcdtdQ式中：G钢材的重量；c钢的比热。联解上述公式，得出水冷速度的计算公式为：)(wqttGcF ddt轧制棒材时， 棒材的
6、体积为FrlrV212。其中 r 是棒材截面的半径；l是冷却材的长度；F是棒材的表面积。FrVG21，是钢材的比重。则得：)(2 wqttcrddt2）钢材轧后至水冷前得温降计算在这段时间内钢材是在空气中冷却，所以其温降方式主要是辐射。 对流损失与辐射相比甚微，在计算中不予考虑。由辐射所造成得热量损失fQFttCQf)100273()100273(44 0式中：t钢得轧制温度；F钢材得散热面积；t周围空气得温度；黑度（对不氧化得轧制钢为0.60.8）0C绝对黑体得辐射系数（4.96千米/米2时，K4） 。当tt，上式中的第二项和忽略，则该公式刻表示为：FtCQf4 0)100273(此外，钢材
7、由于温降t所损失的热量可按下式计算：tGcQf联解上述公式，得：Ft GcCt40)100273(对棒材来讲，温降公式可表示为：40)100273(2t crCt3，不同直径棒材控制冷却后的性能棒材因其断面尺寸较大， 冷却过程中当棒材从最后机架轧机轧出后采用急冷时，其表层金属因迅速冷却而形成淬火组织，但由于断面尺寸较大， 其芯部仍保留较高得温度。 水冷后经过一段时间因棒材芯部的热量向表面层的传导，使棒材又达到了一个新的均衡温度。 这样，棒材的表层由于发生了回火，使之具有良好韧性的调质组织。由于棒材经受了控制冷却，使其力学性能有了明显改善。例如，含 0.20.26%C 的低碳钢，在轧制状态下的屈
8、服强度是370N/mm2，若经水冷使之从终轧温度fT降到 600oC 时，其屈服强度可提高到540 N/mm2，而韧性却保持不变。意大利的 DANIELI 公司开发了一套称为“ QTB”的螺纹钢筋余热处理工艺和整套设备。QTB 工艺的处理设备由多线（也有单线情况）位于终轧机后面的水冷箱组成，当棒材离开终轧机架时，经表面淬火后，表面温度降到250300，经回火温度到550600时上冷床。棒材通过冷却设备时，快速被水包围，整个棒材完全被冷却， 在出口侧， 每线被提供两个反向流量的刮水器，通有高压水和干燥的压缩空气， 在棒材离开水箱前， 完全除去棒材表面残余水。 为了保证一套冷却设备能处理所有规格的
9、钢筋，QTB 工艺采用了不同内径的四套冷却喷嘴，可以处理 42mm 内所有规格的产品。QTB工艺的淬火线与进口及出口高温计相联，而淬火线又配有单独调节冷却能力的系统， 可以准确控制钢筋的淬火。 轧制过程中， 根据来的钢筋的温度变化，微处理器通过流量调节阀连续调节冷却水流量,这使棒材在离开水箱后。DIN488gr500钢种经 QTB工艺处理后的微观组织的数据见表2。表2 经 QTB 工艺处理后钢筋的性能棒材直径(mm) 屈服强度(MPa) 马氏体层深度(mm) 马氏体硬度(HV) 芯部硬度(HV) 12 550 1 280 210 16 580 1.2 290 213 20 550 1.6 28
10、0 200 25 545 2.2 275 200 32 560 2.6 280 210 40 550 3.2 270 205 从头到尾温度与设定的温度最大偏差为15。经过淬火后， 在棒材表面为回火索氏体，芯部为铁素体珠光体结构(加上小直径的贝氏体 )。德国曼内斯曼德马克萨克公司开发了一种称之为TEMPIMAR 的余热淬火工艺，其目的是生产高强度可焊钢筋，对1030mm 钢筋，用 TEMPIMAR 法可得到屈服强度大于 500MPa、断面收缩率大于 8%、抗软化温度 800、弯曲性能良好的钢筋。其化学成分控制在C0.1%0.2%，合金元素总量 1.7%，主要以 Mn为主，含量为0.481%左右，微合金元素极少，对22mm 以下的规格不需要加 Nb。采用 150mm 方坯生产工艺为加热温度1200，精轧后淬火 2.5 秒，表芯均温 66.5 秒，它的冷却设备采用计算机控制水量，最大换热系数可达50，000W/m2.。根据表芯均温温度的控制和冷却水流量的控制，其强度可达到400725MPa。螺纹钢筋的控制冷却关键在于螺纹钢筋终轧温度和冷却能力的控制，如果终轧温度过高，则要求增大轧后冷却水的冷却能力，包括水量、水压等，以提高螺纹钢筋的综合机械性能。
