控轧控冷技术的研究现状及发展论.docx

1、控轧控冷技术的研究现状及发展论控轧控冷技术的研究现状及发展摘要：本文介绍了控轧控冷工艺的发展历史、工艺原理以及控轧控冷工艺，叙述了近些年来国内外发展与应用以及今后的展望。关键词：控扎控冷；TMCP; 超快冷技术；热轧一、概述控扎控冷是一项具有丰富理论内容和较大实用价值的轧钢新技术，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形过程与控制改善钢材的组织状态，提高钢材性能的物理冶金过程有机结合起来，简单地说就是把将钢的热变形与相变有机的结合起来。其突出的优点是：可大幅度提高低碳钢、低合金钢钢材的强韧性；提高热轧钢材性能合格率；同时可简化工序，节省能耗，节约合金，具有显著地经济效益和社会效益

2、1。控制轧制(C - R) 和控制冷却(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和材质间的关系。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

3、究机构对轧制钢材的显微结构和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和轧制条件的设定, 便能达到所期望的钢材目标性能值和显微组织。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2。二、控扎控冷的原理控轧控冷技术的基本原理就是控制热轧条件,经过相变过程在奥氏体()的基体上,形成高密度的铁素体()晶核,从而在相变后, 达到细化钢材的组织结构3。经过研究发

4、现铁素体的形核位置通常是在奥氏体的相界面、由热变形和变形带造成的退火孪晶的内界面。传统意义上的热轧产品铁素体相晶核大量在奥氏体晶界上产生,而控轧控冷轧制后产品的铁素体相晶核既可以在晶粒内部成核,也可以在晶界上成核,这就导致了两者在铁素体晶粒最后结构上的不同。可分为控制轧制和控制冷却两个过程4-5。2.1 控扎技术控制轧制是在调整钢的化学成分的基础上，通过控制加热温度、轧制温度、变形制度等工艺参数，控制奥氏体状态和相变产物的组织状态，从而达到控制钢材组织性能的目的。控制轧制技术的关键有二：一是控制轧制温度，尤其是终轧阶段温度；二是控制变形程度。按照变形温度和再结晶程度控制轧制通常划分为三个阶段6

5、-7：1) 在奥氏体再结晶区（温度：TTnr 未再结晶温度）结束终轧的一阶段轧制；2) 在奥氏体末再结晶区(温度：Ar3TTnr)结束终轧的两阶段控制轧制；3) 在奥氏体+铁素体两相区（温度：Ar3(Ar3-40 )）结束终轧的三阶段控制轧制。研究表明：在奥氏体再结晶温度区间，增加变形量可以细化再结晶奥氏体晶粒，过渡增加变形量，再结晶奥氏体晶粒细化趋势减弱，如图1所示8-9。图1. 再结晶奥氏体的晶粒直径2.2控制冷却技术控制冷却：是通过控制热轧钢材轧后的冷却条件来控制奥氏体组织状态、控制相变条件、控制碳化物析出行为、控制相变后钢的组织和性能10-13。板带钢轧后冷却技术的发展经历了不断的技术

6、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14-16：图2. 控扎控冷发展过程第1 代（1980s）：以喷淋冷却为代表的冷却技术，冷却水流密度小（小于300 L/(minm2)），喷水压力在0.200.50 MPa 为主，倾斜喷射或垂直喷射。第2 代（1980s）：以 1980s 年代以后出现的层流喷射冷却技术，如日本住友金属DAC（Dynamic Accelerated Cooling）采用水幕冷却,日本JFE 的OLAC(On-Line Acce

7、lerated Cooling)采用柱状层流。其冷却水流密度在380-700 L/(minm2)，冷却水压力不高，但是动量较大，可以击破钢板表面残水膜，获得较强的冷却效果。1990s 年代后，以改进型层流喷射（Modified laminar jet）冷却技术为主。气-水混合冷却（气雾冷却）也是这一时代的产物，如CLECIM 公司的ADCO（ Adjustable Dynamic Cooling）技术。第3代（2000s）：自2000s 年代以来，强化冷却（Intensive Cooling）技术逐步得到开发与应用。代表性的是欧洲开发的UFC（Ultra Fast Cooling）、VAI的M

8、ULPIC技术，JFE公司的Super-OLAC，NSC 开发的IC(Intensive Cooling)技术， POSCO 开发的HDC （ High Density Cooling）。特征是：提高供水压力、流速、水流密度来，抑制冷却过程中的过渡沸腾和膜沸腾，尽可能实现核沸腾，提高换热效率，水流密度多在1800-3400 L/(minm2)。这种冷却方式多用在加速冷却装置的前部（或称DQ 段），很少单独使用。对照国内外几种DQ 设备，发现冷却速度相近，接近冷却速度物理极限17。2.3 TMCPTMCP是把控制轧制和控制冷却技术结合起来，能够进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合性能，并能够降

9、低合金元素含量和碳含量，节约贵重的合金元素，降低生产成本18-20。与普通生产工艺相比，通过控轧控冷生产工艺可以使钢板的抗拉强度和屈服强度平均提高约4060MPa，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、保持良好板形方面都有无可比拟的优越性。图3. TMCP工艺特征三、国内外发展状况及应用TMCP技术是在控制轧制技术或热机械处理工艺（TMPThermo -Mechanical Processing）技术基础上开发出来的。1977 年在美国举行的“微合金化”大会上，日本的研究者Kozasu 提出了TMCP 理论至1988 年陆续得以完善9-10。TMCP就是将控制轧制和

10、轧后加速冷却技术结合的工艺，也是日本的专利技术。这种工艺极把奥氏体晶粒细化、加工硬化和相变结合，极大加强细化晶粒的效果，并把铁素体-珠光体相变扩展到铁素体-贝氏体相变，提高钢材的性能21-23。1979 年川崎制钢公司开发出在中厚板线加速冷却工艺（On-line accelerated cooling process）作为TMCP 技术标志性的应用。日本和欧洲的钢铁企业在同期也纷纷开发了不同形式的冷却装置，用TMCP 生产晶粒细化钢板，以降低生产成本、降低钢的碳含量、改善钢的焊接性能。新的冷却装置由于冷却速度很高，使直接淬火（DQ）成为可能，DQ 工艺将TMCP 进一步延伸因此，因此TMCP

11、工艺也包括了DQ 工艺24-26。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26：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。TMCP技术就是以超快冷技术为核心的新一代TMCP技术。超快速冷却国内外发展情况：（1）在国外，比利时的CRM率先开发了超快速冷却（UFC）系统，可以对4mm的热轧带钢实现400/s的超快速冷却。（2）日本的JFE-福山厂开发的Super OLAC H系统，可以对3mm的热轧带钢实现700/s的超快速冷却

12、。（3）国内，东北大学RAL开发的高冷速系统也可以达到相似的冷却效果。RAL开发的棒材超快速冷却系统对20 mm直径的棒材，可以实现1000/s的超高速冷却 。 四、设想及今后发展建议4.1 TMCP在钢管轧制中的应用设想迄今为止，TMCP在热轧板材及型材方面的生产应用已十分广泛，但在无缝钢管，尤其是中大直径无缝钢管领域，其工业推广目前尚处起步阶段，需经制管企业根据各自工艺及装备条件有步骤地组织实施，不断实践、不断完善27-28。钢管在线热处理的工艺构思方案1：加热穿孔连轧定（减）径在线冷却系统冷床热处理炉采用超快速冷却系统（含直接淬火功能，即DQ）热处理炉， 圆环状缝隙喷嘴、 圆锥水幕圆周布

13、置，中压水冷却，具有ACC、 DQ和超快速冷却多种功能，各单元单独控制，可实现冷却路径的控制。冷却单元结构和布置如下图所示。图4. 冷却单元结构及布置示意钢管在线热处理的工艺构思方案2：加热穿孔连轧定（减）径超快冷却（含DQ）冷床采用固定式超快速冷却系统，离线处理方式，全长方向旋转，轴向缝隙喷嘴周向均匀分布，中压水冷却，具有ACC、 DQ和超快速冷却多种功能。方案2的特点和优点：利用钢管可以侧向滚动的特点，在钢管离开轧机后，使其向一侧滚动，可以有足够的时间和空间进行钢管本身的热处理。这与板带、型材沿直线前进的运动轨迹完全不同。根据钢管可以转动的特点，实行定点转动式的热处理，可以在固定的位置上进

14、行钢管的周期性冷却。这一点与普通的板带、型材的冷却过程不同。通过冷却系统的开闭、压力和流量的调整，可以控制定点转动冷却时的冷却路径（包括冷却速度、冷却模式、冷却速度转变点等），可以同时应用于超快速冷却或者加速冷却。 可以依据轧制周期和冷却周期，在轧机出口一侧或者两侧安装冷却装置，满足生产过程产量匹配的需要。27-284.2发展建议（1）发展型线材、热轧钢管控扎控冷迄今为止主要应用热轧板材生产，而在型线材及热轧管中应用较少，今后应当将这一项技术继续扩大应用于除板材外的其他品种热轧钢生产中。（2）发展中高碳钢、合金钢控扎控冷迄今为止对低碳钢、低合金钢的控扎控冷已进行许多研究，并在实际生产中成功应用

15、。但对中高碳钢、合金钢控扎控冷的理论与应用技术研究所做工作较少，今后应扩大控扎控冷的应用钢种。（3）研究开发与连铸坯热送装置、直接轧制、薄板坯连铸连轧不同层次连铸轧钢生产连续化新工艺相适应的控扎控冷技术。（4）根据各钢材产品特点，研制、开发适用的、能满足控冷工艺要求的轧后控冷装置，以促进控冷技术的广泛应用。（5）将现有的钢的成分、工艺、组织性能之间关系的定性研究上升到定量化、数模化及优化控制，使我国轧制技术的发展上一个新台阶。参考文献1冯光纯. 控轧控冷技术的现状与发展.四川冶金，19942 於亮 , 刘军会 , 宋惠改.控扎控冷技术的发展的应用J.河北冶金，2006,1：153 徐屠光. 我

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