控制轧制.docx

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控制轧制

控制轧制

尹相模

[摘　要]阐述了控轧控冷工艺的机理和工艺特点，介绍了为改善板形而开发的分开的冷却和润滑系统以及动态轧制工艺、GCr15轴承钢控轧新工艺的热模拟实验结果和低碳贝氏体钢的新发展。

指出应积极消化吸收先进的控轧控冷工艺，研制开发出高强、高韧性钢板。

[关键词]控制轧制；控制冷却；低碳贝氏体钢；应变诱导

Abstract：

Explainsthemechanismandthetechnicalfeaturesofcontrolledrollingandcontrolledcoolingtechnology,introducesdevelopedseparatedcoolinglubricatingsystemanddynamicrollingtechnologyforimprovingtheplateshape,hotsimulatedtestresultofnewcontrolledrollingtechnologyofbearingsteelGCr15andnewdevelopmentoflowcarbonbainitesteel,pointsoutthatmustbetoactivelydigestadvancedcontrolledrollingandcontrolledcoolingtechnology,develophighstrengthandhightoughnessplate.

Keywords：

controlledrolling；controlledcooling；lowcarbonbainitesteel；straininducedtransformation

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。

1控制轧制

控制轧制是将塑性变形同固态相变结合在一起，使材料在加工时通过轧制温度、变形量、变形速率等控制获得所需外形和尺寸的同时，获得理想组织和优异强韧性的热轧技术。

控制轧制是在热轧过程中把金属范性形变和固态相变结合起来而省去轧后的热处理工序。

这是既能生产出强度、韧性兼优的钢材，而又能节约能耗的一项新工艺。

控制轧制对轧机的设备强度、动力和生产控制水平均提出了较高的要求。

控制轧制工艺主要用于含有微量元素的低碳钢种，钢中常含有铌、钒、钛,其总量一般小于0.1％。

控制轧制的内容是控制轧制参数，包括温度、变形量等，以控制再结晶过程，获得所要求的组织和性能（见金属塑性变形）。

加入某些微量元素可使钢的再结晶开始温度升高很多，同时适当地降低轧制温度。

从而使多道次变形的效果叠加，使再结晶在较大的变形量和较低的温度下进行，而使钢材获得符合要求的组织和性能的钢材。

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、非再结晶过程或γ－α转变的两相区变形），控制轧制可分为三种类型。

（一）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。

（二）未再结晶型控制轧制 

它是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。

 （三）两相区控制轧制 

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Ar1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，铁素体易发生再结晶；在两相区的低温区只发生回复。

经轧制的奥氏体相转变成细小的铁素体和珠光体。

由于碳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，从而提高钢材的强度和韧性。

在实际轧制中，由于钢种、使用要求、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工艺配合在一起使用。

下面以中碳钢的控制轧制为例介绍一下。

常温组织以铁素体为主的中碳钢（0.42%C，0.55%Mn，0.032%Ni），采用普通轧制（1200℃加热，第一阶段的压下率为50%，第二阶段的压下率为35%，终轧温度为再结晶区下限1050～1100℃）时，所得常温组织为铁素体和珠光体，所占面积各为50%，铁素体晶粒为8级。

同一种钢采用控制轧制工艺，即加热温度为1200℃，再结晶区轧制压下率为50%，这一区域内最后一道温度靠近再结晶区下限即1050～1100℃，然后进行第二阶段轧制，未结晶区域或部分再结晶区轧制，终轧温度870℃，这一区域内压下率分别为35%、50%、75%，所得的轧后常温组织分别为：

（1） 当压下率为35%时，铁素体晶粒比普通轧制时的铁素体晶粒细小，而珠光体变得粗

大。

这是由于在奥氏体未结晶区域压下率小，相变时在变形奥氏体中形核地点少，所以珠光体沿变形方向拉长的奥氏体形成，变得粗大。

（2） 当压下率为50%时，为部分再结晶区轧制，铁素体和珠光体基体上都得到均匀细化。

这是由于在未结晶奥氏体中形成了一定数量的变形带而引起的结果。

（3） 当压下率为75%时，由于未再结晶奥氏体中导入变形带增多，铁素体晶粒组织更细

化、均匀，晶粒度达到12～13级。

由于铁素体形核点增多、分散，因而珠光体也细化。

因此对中碳钢来说，如Mn量在1%以下，钢材的主体为铁素体，就认为与低碳钢一样，仍是铁素体细化机理在起作用。

控制轧制技术已在生产中取得成效，应用范围不断扩大。

除含微量铌、钒、钛的钢外，含锰钢和硅锰钢的控制轧制也取得成效。

把控制轧制的原理应用于各种钢材（如不锈钢、轴承钢等）生产中，改进轧制工艺制度，以提高钢材的综合性能，就形成了“广义的”控制轧制的概念。

中国蕴藏着丰富的含铌、钒、钛矿物，为应用、发展控制轧制技术提供了良好的资源条件。

中国自1975年系统地研究了控制轧制技术，已在生产铌钢、钒钛钢和低锰钢等低合金高强度结构钢方面取得成效。

图1.1控制轧制的三个阶段

（1）—变形和奥氏体再结晶同时进行阶段；

（2）—低温奥氏体变形不发生再结晶阶段；（3）—（γ+α）两相区变形阶段

控制轧制工艺不仅可以通过细化晶粒奥氏体来细化铁素体晶粒，同时采用直接细化铁素体晶粒的办法。

一般根据其细化铁素体的机理不同，将控制轧制分为三个阶段，下面分别加以叙述：

1.1第一阶段：

奥氏体再结晶区轧制

这个阶段是通过形变-再结晶反复交错进行使γ晶粒细化。

对晶粒细化的作用不是太大。

1.2第二阶段：

奥氏体未再结晶区轧制

第二阶段在再结晶温度以下和相变温度之间进行轧制。

在此区中轧制时，奥氏体晶粒沿轧制方向伸长，境界面积增加，使铁素体的形核密度增加。

同时由于变形使晶粒内导入大量的变形带，奥氏体向铁素体转变时的成核点增多，变形带起到了奥氏体晶界的同等作用。

在未再结晶区轧制促使铁素体相变成核点的增加，变形带的作用是主要的，奥氏体晶粒伸长的作用是次要的。

图2表示出奥氏体晶粒组织的有效晶界面积与相变后铁素体之间的关系。

所谓有效晶界面积是奥氏体的晶界面积和变形带之和。

铁素体直径随γ有效晶界面积的增加而减小，与再结晶区轧制相比，未再结晶区轧制相变后的铁素体直径小，且随晶界面积的增加晶粒直径的减小率也大。

有人认为，在奥氏体向铁素体相变的初期，相变速度可用Ns×Sy表示，这里Ns是晶界单位面积的形核率，Sy是有效晶界面积。

高温区再结晶轧制时晶粒细化作用仅仅是增减了Sy；而在未再结晶区轧制时却使Ns和Sy都得到了增加。

两种轧制方式的这一区别由图2中反映出来，对同一数量的晶界面积，未再结晶区轧制时比再结晶区轧制时转变后的铁素体要小得多。

从以上讨论可以下几点结论：

1.在这个阶段即未再结晶区轧制是控制轧制的重要阶段，也是控制轧制的重要特征。

2.在第二阶段轧制后奥氏体晶粒被拉长的同时产生了变形带和大量位错。

当发生奥氏体想铁素体转变时，晶界及变形带就成为形核地点。

与再结晶相比，有效结晶面积及单位有效晶界面积的形核率都增加，转变后得到细小扥铁素体，并且随变形量的加大转变后的铁素体数量增加，珠光体的数量减少。

图3.10.03%Nb钢中有效晶界面积和铁素体晶粒之间的关系[7]

实心—再结晶区轧制；空心—非再结晶区轧制

3.在未再结晶区中的变形量有累积作用，因此在未再结晶区内多道次的变形就可以再奥氏体向铁素体转变后获得细小的铁素体晶粒，其细化程度可达11~12级。

但如在未再结晶区变形量不足，如压下率在20%以下，特别是在10%以下，变形带密度小，变形带分均时，含变形带的奥氏体晶粒与不含变形带的奥氏体晶粒在奥氏体向铁素体转变时，铁素体的形核率密度就不同，容易形成混晶组织。

因此，在未再结晶区轧制时，必须给予大的变形量或多道次轧制。

在奥氏体未再结晶区轧制时，细化铁素体晶粒也是有限的，在一定压下率时达到饱和，更大的压下率只能细化残留的粗晶粒，约在60%的压下率时趋于极限值。

一般转变后晶粒直径最小可达5μm左右，大大小于再结晶区轧制后铁素体晶粒直径的极限值。

4.在普碳钢中，由于奥氏体未再结晶区域（温度范围窄），因此要实现在未在结晶区中多道次轧制以保证必要的变形量是困难的。

微合金化元素铌、钒、钛等，特别是铌的加入，对钢的奥氏体再结晶起抑制作用，使奥氏体的再结晶温度提高，扩大奥氏体未再结晶区的温度范围，有利于实现未再结晶区的轧制。

因此微合金化在控制轧制中占重要作用。

5.与第一阶段相比，第二阶段终轧后的材料强度提高了，脆性温度降低了。

1.3第三阶段：

在（奥氏体+铁素体）两相区轧制

在奥氏体再结晶区轧制及未再结晶区轧制都是以细化铁素体晶粒为目的的，而目前控制轧制发展到在奥氏体及铁素体两相区中进行轧制，这成为控制轧制的第三阶段。

有关其变形过程、组织特点在前面已经讲过，在这里只是强调几点：

1.两相区轧制不仅对未再结晶奥氏体继续进行加工，而且对铁素体进行加工，产生了加工硬化、析出强化和亚结构，因此可以获得很高的强度；

2.两相区轧制产生了织构，使钢板在厚度方向强度降低；

3.形变诱起的析出物的产生使得轧制方向上吸收能降低，但脆性转化温度也降低；

4.两相区所采用的工艺制度对性能有很大的影响，在两相区中变形温度高低及变形量大小的不同，其所得到性能不同。

提高双相区的变形量，韧性就显著提高，这是应为组织上亚晶发达。

但对强度的提高则不同，只有压下量10~20%时屈服强度急剧增高。

继续增加压下量时，强度变化不大。

但温度越低，则压强越高。

综上所述，在三个阶段中，轧制时发生的组织和物理性能的变化如图3所示[3]，实际控制轧制工艺师这三个阶段的合理组合。

从生产经验得出，在1000~700℃之间，终轧温度每降低100℃，铁素体晶粒直径变小3~4μm,并能对力学性能产生相应效果。

在获得细小的奥氏体晶粒后，如果通过加速冷却能使γ→α转变向着低温方向移动的话哪么这种较低的转变温度就能提高晶核形核几率并能降低晶界运动性能，从而使铁素体晶粒尺寸减小。

除了采用快速冷却方法外，一定合金元素如钼、锰或溶解的微量元素也可以使转变点降低，导致晶粒进一步细化。

图3.2钢的显微组织及控制工艺对钢的屈服极限和脆化转变温度的影响

注：

1—铁素体-珠光体；2—控制轧制的铁素体-朱光体；3—贝氏体；4—控制轧制贝氏体；5—调质回火贝氏体。

为了充分发挥铁素体晶粒细化的实际效果，钢材含碳量必须很低，因此随着含碳量的提高，细化铁素体的晶粒的效果就会减小，而珠光体量的增多却会恶化材料的低温韧性。

因此，采用控制轧制工艺时，钢的含碳量最高为0.15%，多数钢的含碳量低于0.1%，这类钢为少珠光体或无珠光体，但为了获得更高强度的钢材而采用的高温形变淬火工艺，它所得的组织是奥氏体的低温转变产物（马氏体）或中温转变产物（粒状贝氏体），其含碳量当然会超过上述界限。

2控制轧制工艺的优点和缺点

控制轧制的优点如下：

1．可以在提高钢材强度的同时提高钢材的低温韧性。

采用普通热轧生产工艺轧制16Mn钢中板，以18mm厚中板为例，其屈服强度σs≤330MPa，-40℃的冲击韧性Ak≤431J，断口为95%纤维状断口。

当钢中加入微量铌后，仍然采用普通热轧工艺生产时，当采用控制轧制工艺生产时，-40℃的Ak值会降低到78J以下，然而采用控制轧制工艺生产时。

然而采用控制轧制工艺生产时-40℃的Ak值可以达到728J以上。

在通常热轧工艺下生产的低碳钢α晶粒只达到7~8级，经过控制轧制工艺生产的低碳钢α晶粒可以达到12级以上（按ASTM标准），通过细化晶粒同时达到提高强度和低温韧性是控轧工艺的最大优点。

2．可以充分发挥铌、钒、钛等微量元素的作用。

在普通热轧生产中，钢中加入铌或钒后主要起沉淀强化作用，其结果使热轧钢材强度提高、韧性变差，因此不少钢材不得不进行正火处理后交货。

当采用控制轧制工艺生产时，铌将产生显著的晶粒细化和一定程度的沉淀强化，使轧后的钢材的强度和韧性都得到了很大提高，铌含量至万分之几就很有效，钢中加入的钒，由于具有一定程度的沉淀强化的同时还具有较弱的晶粒细化作用，因此在提高钢材强度的同时没有降低韧性的现象。

加入钢种的钛虽然具有细化加热时原始γ晶粒的作用，但在普通轧制条件下钢中的钛不能发挥细化轧制变形过程中γ晶粒的作用，仍然得不到同时提高钢的强度和韧性的效果，当采用控制轧制工艺生产含钛钢时，才能使钢种的Ti（C,N）起沉淀强化和晶粒细化的双重作用，如有的文献中报导控制轧制生产的含钛钢的强度75%来自沉淀强化，25%来自晶粒细化。

由于有中等程度的晶粒细化效果，钢的低温韧性提高。

控制轧制工艺的缺点：

要求较低的轧制变形温度和一定的道次压下率，因此增大了轧制的负荷。

此外由于要求较低的终轧制温度，大规格产品需要在轧制道次之间待温，降低轧机的生产率。

为此世界各国开始对轧机进行技术改造，采用大负荷轧机，安装升降辊道，道次间中间冷却来减少轧制待温时间，提高轧机生产效率。

3.提高控制轧制的途径和方法

3.1交叉轧制

各个轧制阶段都有一定的开轧温度和终轧温度。

因此，各阶段之间都有一个.中间冷却待温的问题。

中伪冷却时间的长短主要取决于轧件的中间厚度，中间厚度愈大，轧件在辊道上放置的时间就愈长。

轧机只轧制一块板坯时，轧件的中间冷却待温会造成轧机产量较大的下降。

如果在轧件中间冷却期间，让轧机轧制其它轧件，那显然会提高轧机的产量。

根据鞍钢厚板厂轧制线条件和板坯的情况，提出三种交叉轧制方案。

总之，采用交叉轧制，就在于充分地利用轧件的中间冷却时间，让轧机轧制另外的轧件，达到提高轧机产量的目的。

3.2缩短中间冷却时间

为了缩短轧件中间冷却时间，结合二期工程还要增设精轧机的条件，在粗轧机后设置一喷淋冷却装置，由于轧机后设置喷淋冷却装置，同样的待冷轧件，轧件在轧机前和轧机后的中间冷却时间会有所不同。

据此，我们给出了两块钢板的两阶段交叉轧制方法。

这种方法的要点是要使轧件在轧机前的中间冷却时间大于精轧时间。

这种方法适合于较厚产品的生产，轧件在轧机后，可根据实际需要确定轧件的喷水时间，以保证轧制节奏协调，从而达到提高产量的目的。

待将来安装精轧机后，实现多块钢板的控制轧制，喷淋冷却在缩短轧件中间冷却时间方面就会显示出其重要作用。

3.3控轧控冷

控制冷却是一种利用钢材轧后余热进行热处理的操作。

分为直接淬火和加速冷却两种。

在中厚板轧制线上可设置直接淬火和加速冷却两种装置，或设置多功能冷却装置，由于它们具有不同的冷却速度和冷却能力，便可生产出所要求机械性能的轧材。

前面已指出，控制轧制与控制冷却都是细化铁素体晶粒的重要方法。

但控制轧制，特别是三阶段轧制，由于轧制温度低，再加上两次中间冷却，对轧机产量影响很大。

如果采用两阶段轧制，配以加速冷却，同样可以生产出满足性能要求的钢材，这既减轻了轧机负荷，又提高了产量。

用加速冷却方法处理钢板时，一定要控制钢板冷却开始温度、冷却速度和冷却终止温度，使之形成铁素体和岛状贝氏体复合组织，同时要防止生成不利于韧性的马氏体组织。

还要保证处理的钢板冷却均匀，以免造成瓢曲，只有钢板在宽度、长度和厚度方向上达到均匀冷却，才能保证钢板的性能均匀。

总之，控制轧制与控制冷却对轧材组织各有不同作用，两者可以互为条件。

相互补充，达到提高产品性能的目的。

控制轧制与控制冷却相结合，可以减轻轧机负荷，提高产量。

提高终轧变形率，可使第二阶段轧件开轧厚度减小，达到提高产量的目的。

在保证总压缩比的条件下，还可用较薄板坯，减小总的压下量，以便提高轧机的产量。

总结：

本文总结了控制轧制的主要阶段，主要参数以及控制轧制在线棒材以及中厚板中的应用，并且阐述了提高控制轧制的途径和方法。

参考文献

[1]《钢材的控制轧制和控制冷却》  王有铭   冶金工业出版社出版 

[2]《控制轧制和控制冷却》   王占学主编    冶金工业出版社出版 

[3]《控制轧制》   （苏）B·H·波戈尔热耳斯基等著    冶金工业出版

[4]《管线钢的控轧控冷技术及其研究进展》高惠临

[5]《合金元素和控轧控冷工艺在管线钢研制中的应用》丁文华

[6]《控轧控冷工艺在2500mm中厚板生产线上的应用》黄远坚王学志

[7]《单机架中厚板轧机的控轧控冷生产》钱振声（鞍钢设计研究院）

[8]《中厚钢板控轧控冷技术综述》陈瑛

[9]《控轧控冷工艺对低碳贝氏体钢组织性能的影响》李国彬

[10]《控轧控冷技术的发展及在钢管轧制中应用的设想》王国栋