控制轧制和控制冷却技术.docx

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控制轧制和控制冷却技术

控制轧制和控制冷却技术

及生产工艺应用

姓名：

班级：

学号：

控制轧制和控制冷却技术

及生产工艺应用

臧简

（辽宁科技大学）

[摘要]阐述了控轧控冷工艺的原理理和工艺特点,控制轧制（TMCP）技术是取代离线热处理生产高性能钢材的一种生产技术,它的核心包括:

（l）控制轧制温度和轧后冷却速度、冷却的开始温度和终止温度;

（2）轧制变形量的控制;（3）钢材的成分设计和调整。

指出TMCP技术可以充分挖掘钢铁材料的潜力,节省资源和能源,优化现有的轧制过程,有利于钢铁工业的可持续发展。

最后给出了以新一代TMCP为特征的创新轧制过程的案例,展示了该技术的广阔的应用前景。

[关键词]控制轧制；控制冷却；轧制工艺；生产工艺

Abstract：

Theprincipleandtechnologicalcharacteristicsofcontrolledrollingandcontrolledcoolingprocessaredescribed.Thecontrolrolling（TMCP）technologyisakindofproductiontechnology,whichisthecoreoftheproductionofhighperformancesteel.

（1）controllingtherollingtemperatureandcoolingrate,coolingthestartingtemperatureandendingtemperature;

（2）rollingdeformationquantitycontrol;（3）thesteelcompositiondesignandadjustment.ItispointedoutthatTMCPtechnologycanfullytapthepotentialofsteelmaterials,saveresourcesandenergy,optimizetheexistingrollingprocess,isconducivetothesustainabledevelopmentofironandsteelindustry.Intheend,acasestudyisgiventodemonstratethebroadapplicationofthetechnologyinthenewgenerationofTMCP.

KeyWords：

controlledrolling;controlledcooling; rollingtechnology;productionengineering

1引言

控制轧制和控制冷却技术,即TMCP,是20世纪钢铁业最伟大的成就之一。

正是因为有了TMCP技术,钢铁业才能源源不断地向社会提供越来越优良的钢铁材料,支撑人类社会的发展和进步。

在控制轧制和控制冷却技术的发展历程中,人们首先认识到的是控制轧制。

控制轧制和控制冷却技术的核心是晶粒细化和细晶强化川。

钢材的成分设计和调整、轧制温度、轧制程序、轧制变形量的控制、冷却速度的控制等；在装备上主要是采用高刚度、大功率的轧机，以及高效的快速冷却系统和相关的控制数学模型。

所谓控制轧制,是对奥氏体硬化状态的控制,即通过变形在奥氏体中积累大量的能量,在轧制过程中获得处于硬化状态的奥氏体,为后续的相变过程中实现晶粒细化做准备。

硬化的奥氏体内存在大量的“缺陷”,例如变形带、位错、孪晶等,它们是相变时铁素体形核的核心。

增加微合金元素,例如Nb,可以提高奥氏体的再结晶温度,使奥氏体在比较高的温度即处于未再结晶区,因而便于利用常规的轧制（温度）制度实现奥氏体的硬化。

近代工业发展对热轧非调质钢板的性能要求越来越高,除了具有高强度外,还要有良好的韧性、焊接性能及低的冷脆性。

目前世界上许多国家都利用控轧和控冷工艺生产高寒地区使用的输油、输气管道用钢板、低碳含铌的低合金高强度钢板、高韧性钢板,以及造船板、桥梁钢板、压力容器用钢板等。

2控轧和控冷工艺原理及特点

2.1工艺原理

控制轧制工艺是指钢坯在稳定的奥氏体区域（Ar3）或在亚稳定区域（Ar3～Ar1）内进行轧制,然后空冷或控制冷却速度,以获得铁素体与珠光体组织,某些情况下可获得贝氏体组织。

现代控制轧制工艺应用了奥氏体的再结晶和未再结晶两方面的理论,通过降低板坯的加热温度、控制变形量和终轧温度,充分利用固溶强化、沉淀强化、位错强化和晶粒细化机理,使钢板内部晶粒达到最大细化从而改变低温韧性,增加强度,提高焊接性能和成型性能。

所以说,控制轧制工艺实际上是将形变与相变结合起来的一种综合强化工艺[1]。

控轧的目的是在热轧条件下,通过细化铁素体晶粒,生产出韧性好、强度高的钢材。

例如,正常轧制工艺铁素体晶粒最好的情况是7～8级,直径大于20μm,而控制轧制工艺得到的铁素体晶粒为12级,其直径为5μm,这样细的晶粒是控制轧制最突出的优点。

控制轧制工艺还可以充分发挥微量元素的作用,含有微量Nb、V、Ti等元素的普通低碳钢采用控制轧制工艺,能获得更好的综合性能[2]。

2.2工艺特点

2.1.1控制加热温度

加热温度,加热温度影响轧前的原始奥氏体晶粒大小,各道次的轧制温度及终轧温度影响各道次之间及终轧后的奥氏体再结晶程度及再结晶后晶粒的大小。

奥氏体化温度低,控制冷却后的力学性能好。

加热温度影响开轧及终轧温度,但不完个等同。

为了降低终轧温度,可在精轧机组或成品架前设置预冷设备,达到所要求的终轧温度。

在没有预冷设备条件时,可根据终轧温度,推算出加热温度。

般应适当降低坯料的加热温度。

例如：

在控制轧制工艺中,对Nb钢加热时,当温度达到1050°C时,Nb的化合物Nb（C,N）开始分解和固溶,因此奥氏体开始长大;加热到1150°C时,晶粒长大比较均匀;但若达到1200°C以上,则晶粒将过分长大。

由于初始奥氏体晶粒的大小将影响轧后铁素体晶粒的大小,所以为了使加工后的钢材具有细小而均匀的晶粒,一般认为1150°C的加热温度比较适宜。

若加热到1050°C,此时奥氏体晶粒大小不均,加工后的钢材易产生混晶。

如果加热到1200°C或更高温度,则晶粒过于粗大,使钢材在加工后晶粒难以细化。

也有人认为对于Nb钢,为使箕具有高韧性和低的脆性转化温度,可将加热温度控制在950°C左右,以免加工前的原始晶粒粗化,同时避免了Nb（C,N）再次固溶而增加沉淀强化效果。

否则,虽然使钢的强度得到进一步的提高,但对冲击功和脆性转变温度却不利。

对于不含Nb、v、Ti等元素的普

碳钢,从节能的角度出发可采用较低加热温度。

由于不存在Nb、v、Ti的固溶问题,故可把加热温度控制在1050°C以下。

总之,在确定加热温度时,禽根据钢种及对强度和韧性的侧重要求给予不同的考虑。

2.1.2控制终轧温度

终轧温度及变形量决定奥氏体是否发生再结品。

在发生充分再结品的条件下,奥氏体再结品品粒大小主要决定于变形量,与终轧温度关系较小。

降低终轧温度可以减小变形奥氏体的再结品程度,仁至.J以完全抑制再结品,保持奥氏体的变形状态。

终轧温度从1050°C降低到900°C使变形热处理效果有所增加。

降低终轧温度同样可使自回火温度降低,这是在同样冷却条件下得到的结果。

如果改变冷却条件,使自回火温度相同而终轧温度不同,此时终轧温度低的钢筋强度高。

轧后钢材由终轧温度急速快冷,迅速穿过奥氏体区,达到快速冷却条件下的动态相变点。

在轧件达到预定的温度控制点后,应当立即停止超快速冷却。

由于超快速冷却的终止点对后续相变过程的类型和相应的相变产物有重要影响,所以需要精确控制超快速冷却的终止点。

通过控制冷却装置的细分和精细调整手段的配置,以及高精度的预控数学模型,可以保证终止温度的精确控制。

在控制轧制工艺中,需根据所采用的控制轧制类型来确定终轧温度。

在奥氏体区域轧制时,终轧温度越高,奥氏体晶粒越粗大,’转变后的铁素体晶粒也就越粗大,并且容易出现魏氏组织,对钢的性能不利,因此最后几道次的轧制温度应低一些。

一般要求终轧温度应尽可能的接近奥氏体开始转变的温度,起到相似正火的作用。

对一般的低碳结构钢约为830°C或更低一些,对Nb钢由于Ar3更低,相应的终轧温度也应降低。

其他钢种也应采用这一原则确定终轧温度。

2.1.3要求有充足的变形量

为了更好地通过变形再结晶细化晶粒,应采用比较大的变形量。

但是,孔型系统确定后,变形量变化较小。

·般在设计孔型时,成品孔型中为了充满筋部也采用了比较大的变形量。

由于终轧温度较高,因为只能起到变形再结晶细化晶粒作用。

对于高强度钢筋,如果要考虑到变形强化、就要考虑变形量与终轧温度的关系,达到未再结晶的条件,以便得到变形强化与相变强化相结合的效果。

在孔型确定的条件下,轧制速度决定了变形速度,变形速度影响各道次之间的再结品程度及终轧后奥氏休的再结晶程度,因而影响形变热处理效果,变形速率从154/s增加到197/s,使低温形变热处理效果有所增加。

在再结晶区及未再结晶区轧制时,变形量都应控制到一定的数值以上,以防止铁素体出现不均匀现象。

热轧材的组织中,有时发现铁素体晶粒大小不均匀现象（简称混粒）,这种混粒组织可能是部分再结晶的奥氏体组织转变后的产物。

这时如果增加变形量,得到完全再结晶的奥氏体组织,转变后的铁素体晶粒也就比较均匀了。

棍粒组织也可能是在未再结晶区中变形,形变量不够大时,晶内的形变带形成的极不均匀,因而铁素体形核不均匀造成的。

在形变带密度高的形变奥氏体晶粒中,在形变带边界上形成大量的铁素体晶核,各晶核成长过程中很快就相互碰撞而停止其长大,因而转变后的铁素体晶粒就比较细小;在形变带密度比较低的那些部分,少数的铁素体晶核可以接连不断地长大,因而转变完毕后的铁素体晶粒就是粗大的,结果就造成了混粒组织。

增加形变量,使形变奥氏体晶粒中的形变带分布均匀,就可以消除混粒组织。

不同钢种消除混粒组织所需要的形变量不同,可以用实验的方法确定。

细小且均匀的铁素体晶粒才能保证钢材高质量的综合性能。

3控制轧制和控制冷却在工业上的实现

3．1在棒材中的应用

由于连轧棒材生产线中,钢材是在规定的孔型系统中完成的,变形条件基本固定,不可能进行大范围的变形量调整,因此只能采用控制开轧温度来调整终轧温度的手段来改善变形钢筋的控制冷却又称为钢筋轧后余热处理或轧后余热淬火。

该工艺是利用钢筋终轧后在奥氏体状态下直接进行表层淬火,随后由其心部传出余热进行自身回火,以提高塑性,改善韧性,使钢筋得到良好的综合性能。

这种工艺简单,节约能耗,改善操作环境,钢筋外形美观,条形平直,收到较大的经济效益,在国内外得到广泛的应用[3]。

3．2在厚板中的应用

采用控轧控冷工艺是生产强度高、韧性好、可焊性优良且成本低的钢板的最好方法,而且这种方法正在中厚板生产中不断地推广应用,凡有条件的,都应对现有的中厚板生产线加以改造.使之能应用控轧控冷的生产方法生产中厚板。

[4]

板带钢轧后冷却技术的发展经历了不断的技术更新。

从控制冷却技术的发展来看，主要集中在提高冷却速度（冷却效率）、温度均匀性、设备可靠性、提高组织均匀性、控冷板形平直度等几个方面做出努力。

按照冷却技术特点可以将板带的冷却技术划分为3代[5]。

近年来，有学者提出以超快速冷却为核心的新一代TMCP技术（NG-TMCP或UFC-TMCP技术），其要点是[6]：

在现代的高温轧制提供加工硬化奥氏体的基础上，以超快速冷却为核心，对轧后硬化奥氏体进行超快速冷却，并在动态相变点终止冷却，随后进行冷却路径控制。

3.3在16Mn钢的应用

16Mn钢属于低合金钢,主要用于制造各类容器,其使用条件复杂,有的盛装易燃、易爆物品,有的盛装有毒物品,这些易燃、易爆、有毒的物品一旦泄漏,将会造成严重的环境污染并危及人生安全,因此对制造容器的钢材就提出了较为严格的要求,对其性能的要求包括抗拉强度、屈服强度、冲击韧性、延伸率、焊接性能等。

随着技术的不断进步和人们环境意识的不断增强,对16Mn钢的要求亦越来越高。

为了满足用户对钢材性能日益提高的要求,各钢铁企业都在不断地研究、开发新工艺,应用各种新技术,实现组织、性能的最优化,生产成本的最低化。

笔者利用控制轧制与控制冷却理论对16Mn钢的化学成分、轧制工艺制度与组织、性能之间的关系进行分析,提出了控轧控冷工艺,为充分开发16Mn钢的潜力,找到了一种较为合理的工艺制度。

4结语

控轧控冷是一项具有丰富理论内容和较大实用价值的轧钢技术。

其特点是把利用塑性变形得到钢材外部几何形状的热加工成型过程与控制改善钢材组织状态、提高钢材性能的物理冶金过程有机结合起来,简单的说就是将钢的热变形与相变有机结合起来。

其突出的优点是:

可大幅度提高钢材的强韧性;提高热轧钢材合格率、同时简化工序,节省能耗,节约合金,具有显著的经济效益和社会效益。

〔参考文献〕

[1]王有铭,李曼云,韦光.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京:

冶金工业出版社,1995.

[2]许长金.钟成芬.厚板的控制轧制和控制冷却[J].鞍钢技术:

1995,9:

11～18

[3]张小平,等.近终形连铸技术[M].北京:

冶金工业出版社,2001.

[4]王有铭，李曼云，韦光.钢材的控制轧制与控制冷却[M].北京:

冶金工业出版社，1993

[5]CHOOWUNGYONG.Newinnovativerollingtechnologiesforhighvalue-addedproductsinPOSCO[C].第10届国际轧钢年会，中国金属学会2010，9，15北京

[6]王国栋.以超快速冷却为核心的新一代TMCP技术[J].上海金属，2008，（3）:

1-5..