控轧控冷技术发展现状.doc

内蒙古科技大学

本科生课程论文

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控轧控冷技术的发展现状
摘要

介绍了控轧控冷工艺的发展历史、工艺原理及工艺阶段过程，对控轧控冷与普通轧制进行了比较并概括了近几十年我国控轧控冷技术的发展及现状.
关键词: 控制轧制; 控制冷却; 奥氏体再结晶; 相变;
Abstract

It is introduced that the history and theory of controlled rolling and controlled cooling technology as well as the process stage.Compared the controlled rolling and controlled cooling with the normal rolling and summarized the development and status in China in recent decades of controlled rolling and controlled cooling technology.
Keywords: controlled rolling; controlled cooling; austenite recrystallization; phase transition;

1. 前言

控制轧制( Controlled rolling)是在热轧过程中通过对金属加热制度、 变形制度与温度制度的合理控制, 使热塑性变形与固态相变结合, 以获得细小晶粒组织,使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。控制冷却 ( Con -trolled cooling)是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织与性能的目的。单纯的控制轧制或控制冷却以及将二者结合在一起的技术称为 TMCP。通过科学合理的控制扎制与控制冷却工艺, 可以使线材的强度与低温韧性有较大的改善, 同时节省能源并使生产工艺简化,可以充分发挥合金元素的作用。通过控制扎制之后的控制冷却, 可以对冷却过程的相变进行控制,实现相变强化、 细晶强化及沉淀强化等多种强化机制的有效结合, 进一步提高钢材的综合使用性能。

2. 控轧控冷技术的发展

控制轧制 ( C- R) 与控制冷却 ( C- C) 技术的研究始于 1890年至二次世界大战期间的德国,当时科研人员对钢铁制品的热加工条件、材质及显微金相组织之间的关系进行了非系统的零散研究,只是定性地揭示了热加工条件与材质间的关系。到了 20世纪 60年代初期, 在美国科研人员定性地解释了热轧后的钢材继续发生奥氏体再结晶的动力学变化后, 这才从理论上某种程度地解释了控制轧制技术。到了 20世纪 60年代末期, 科研人员通过试验发现, 添加微量元素铌 (Nb) 对提高单纯轧制钢材的强度有效。随后进一步的研究表明, 造成铌系钢材高强度的原因, 是由于微细铌碳氮化合物的铁素体析出相强化造成的。同期英国钢铁研究机构( British Iron and Steel research assocition) 对轧制钢材的显微结构与机械性能的定量关系、铌、钒(V) 的强化机理, 控制轧制原理等进行研究, 证实了依靠物理冶金基础, 进行合理的合金成分的设计与轧制条件的设定, 便能达到所期望的钢材目标性能值与显微组织。到了 20世纪 70年代, 对钢材强度、低温韧性、焊接性能要求更高了, 而此时仅仅依靠传统的控制轧制技术远远不够。于是在奥氏体控制轧制的基础上, 还需要控制冷却速度来控制
相变本身, 于是开始了真正意义的控轧控冷技术的应用。

3.控轧控冷工艺

钢材的控轧控冷实质上是通过控制轧制工艺参数与轧后冷却参数来控制钢材的相变点与组织形态以生产出满足人们需要的钢种。

3.1控制轧制的概念及方式特点
3.1.1控制轧制
控制轧制是在有目的地控制工艺参数的条件下, 在奥氏体相区或在奥氏体与铁素体两相区进行轧制, 然后空冷或控制冷却速度以得到理想组织的轧制工艺, 即对从轧前的加热到最终轧制道次结束为止的整个轧制过程实行最佳控制, 以使钢材获得预期良好性能的轧制方法。
3.1.2控制轧制的方式及特点

图1 控轧控冷工艺的四个阶段
线材为了获得高强度、高韧性的综合性能，可以采用不同的控制轧制工艺来达到。根据热扎过程中变形奥氏体的再结晶状态不同，相变机制不同，将其划分为四个阶段，图1描述了四个阶段的组织变化情况”（前三阶段属于控制轧制阶段）
第一阶段为再结晶奥氏体(1)区域轧制(约950℃以上)。在高温轧制后急速进行再结晶，此阶段将因加热而粗化的奥氏体晶粒经反复轧制一再结晶进行细化，再结晶区轧制是通过再结晶进行奥氏体d占粒的细化，此阶段中奥氏体的进一步细化较为困难，它是控制轧制的准备阶段。 
第二阶段是未再结晶奥氏体区域轧制(约950℃一Ar3之间)。随着轧制温度的下降，奥氏体再结晶被抑制，仍保持加工硬化状态。随着压下量的增加，奥氏体晶粒伸长，同时晶粒内有大量形变带与位错。这是控制轧制最重要的阶段。 
第三阶段是在(α+γ)两相区轧制(约Ar3以下)。在此区轧制时，未相变的奥氏体晶粒更加伸长，同时，晶粒内形成了形变带及位错，在这些部位形成新的等轴铁素体晶粒。先析出的铁素体晶粒由于塑性变形，在晶粒内部形成大量的位错，经回复形成亚晶结构。这些亚晶结构使钢的强度提高，韧脆转变温度降低。两相区轧制使相变后的组织更加细小，同时产生了位错强化及亚晶强化，从而进一步提高了钢的强度与韧性。 
第四阶段为轧后加速冷却。在特定温度区(500℃～600℃)内增加冷却速度，使未相变的1晶粒发生相变，变成微细的多边化晶粒。a晶粒更加细密，且内部包含砸晶粒，这种包含亚晶粒的混合组织町使强度增大。 
采用什么类型的控制轧制工艺，取决于钢的化学成分，对成品钢材组织性能的要求，轧机的设备条件与工艺水平以及对轧机产量的要求等等。特别是轧机后面是否具备钢材控制冷却设备，冷却设备能力的大小都直接影响到控制轧制丁艺的选择。
3.2控制冷却的概念及方式特点
3.2.1控制冷却
控制冷却是利用细晶强化、 沉淀强化与相变强化以提高钢材的强度。通过控制冷却能在不降低材料韧性的前提下进一步提高材料的强度。即控制冷却是通过控制热轧钢材轧后冷却条件来控制奥氏体组织状态、 相变条件、 碳氮化物析出行为、 相变后钢的组织与性能。
3.2.2控制冷却的方式及特点
线材轧后的冷却方式分为自然冷却与控制冷却。线材轧后控制冷却过程分为 3个阶段。
( 1)一次冷却
从终轧温度开始到奥氏体向铁素体开始转变温度 Ar3或二次碳化物开始析出温度 Ac范围内的冷却,其目的是控制热变形后的奥氏体状态,阻止奥氏体晶粒长大或碳化物析出, 固定由于变形而引起的位错,加大过冷度, 降低相变温度, 为相变做组织上的准备。一次冷却的开始快冷温度越接近终轧温度, 细化奥氏体与增大有效晶界面积的效果越明显。
( 2)二次冷却
热轧钢材经过一次冷却后, 立即进入由奥氏体向铁素体或碳化物析出的相变阶段, 在相变过程中控制相变冷却开始温度、 冷却速度与停止冷却温度等参数,就能控制相变过程,从而达到控制相变产物形态、 结构的目的。
( 3)三次冷却
相变之后直到室温这一温度区间的冷却。一般钢材相变后多采用空冷, 冷却均匀,形成铁素体与珠光体。此外,固溶在铁素体中的过饱与碳化物在慢冷中不断弥散析出,使其沉淀强化。对一些微合金化钢, 在相变完成之后仍采用快冷工艺,以阻止碳化物析出, 保持碳化物固溶状态,达到固溶强化的目的。
用于高温钢材冷却有三类冷却方式, 其常用的具体的冷却方法有:喷水冷却 (喷流冷却 )、喷射冷却、雾化冷却等。
3.3控轧控冷与普通轧制的比较
与普通生产工艺相比，通过控轧控冷工艺可以使钢板的抗拉强度与屈服强度平均提高约40~60Mpa，在低温韧性、焊接性能、节能、降低碳当量、节省合金元素以及冷却均匀性、保持良好版型方面都有非常高的优越性。

4. 我国控制轧制、控制冷却技术的发展及现状

我国有丰富的铌、钒、钛与稀土资源，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%左右，管材与型材所占比例较小。目前控制轧制、控制冷却技术在工业试验与生产上的应用如表4.1所示。国内各厂采用控制轧制与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4.2。
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Ⅰ型与Ⅱ型控轧工艺，或配合使用轧后控冷，研制出7~12mm厚的合乎API－5L标准要求的X60与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20g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4.1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
板带材
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
（γ+α）两相区控制法
低碳锰铌钢，低碳锰铌钒钢
控制轧制+控制冷却
低碳锰铌钢，低碳钛钢，A2F钢，含铬铅热轧双相钢
棒线材
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
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
型材
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
高碳钢型材控制轧制
中、高碳钢，含铌中、高碳钢
表4.2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：σs=450~610MPa
-40时，Ak=89~612J
正火态：σs=411~470MPa
-40℃时，Ak=766~1380J
控轧工艺达到正火处理效果
控轧态：σs=480~529MPa-40℃时，Ak=796J
C（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：σs=382MPa
-40℃时，Ak=48J
正火态：σs≥343MPa
-40℃时，Ak=926J
控轧工艺优于正火态性能
控轧态：σs＞392~411MPa
-40℃时，Ak=463~926J
16MnR容器钢板
热轧后低温韧性不合格正火后σs≤343MPa
控轧控冷工艺使综合性能
控轧控冷态：σs＞382MPa
-40℃时，Ak=690J
16MnV容器钢板

热轧后低温韧性不合格，正火后σs有时偏低
控轧控冷工艺使综合性能
控轧控冷态：σs＞392MPa
-40℃时，Ak＞246J
15Mng钢板
热轧态σs偏低
控轧态σs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9~15%
20Mn钢筋
热轧态达Ⅱ级钢筋
控冷后达Ⅲ级钢筋
A3钢筋

控冷后达Ⅱ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

随着国内对控制冷却技术认识的不断深入, 在冷却设备、 冷却方式等控制冷却技术方面取得了很大的进展。近年来, 国内新上的板带材生产线如鞍2500 mm、 首都钢铁公司中板厂等均配备了加速冷却设备。图 4.1 为国内开发的典型板带材控制冷却设备。

图 4.1 国内开发的板带材控制冷却设备
Fig 4.1 Controlled cooling equipment for flat product developed by china

5.结论
（1）