控制軋制與控制冷卻在線材生產(chǎn)中的作用

1、控制軋制與控制冷卻在線材生產(chǎn)中的作用卜安思（大連理工大學(xué)材料成型及控制工程10級(jí)）摘要控制軋制、控制冷卻是80年代國際重大軋鋼新技術(shù)，在線材生產(chǎn)中具有重要作用，合理制定控軋控冷工藝就能改善線材的組織和性能。并闡述了控制軋制和控制冷卻的機(jī)理，控軋控冷技術(shù)的冶金學(xué)原理，線材控制軋制和控制冷卻的方式及特點(diǎn)以及線材控制軋制和控制冷卻的目的。具有廣闊的前景和重大戰(zhàn)略意義。關(guān)鍵詞 控制軋制；控制冷卻；線材生產(chǎn)Abstract：Control rolling and cooling is a new technology in the 80 time, and it has an important rol

2、e in the production of online material. It can improve the structure and properties of the wire rod by setting the control cooling technology. The mechanism of controlled rolling and controlled cooling and the control principle, metallurgy rolling and cooling technology, wire rolling control and coo

3、ling control methods and characteristics and purpose of wire controlled rolling and controlled cooling. Has broad prospects and great strategic significance.Key Words：Controlled rolling; Control cooling; Wire rod production1引言控制軋制是在熱軋過程中通過對(duì)金屬加熱制度、變形制度和溫度制度的合理控制，使熱塑性變形與固態(tài)相變結(jié)合，以獲得細(xì)小晶粒組織，使鋼材具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能

4、的軋制新工藝。控制冷卻是控制軋后鋼材的冷卻速度達(dá)到改善鋼材組織和性能的目的。單純的控制軋制或控制冷卻以及將二者結(jié)合在一起的技術(shù)稱為TMCP。通過科學(xué)合理的控制扎制和控制冷卻工藝，可以使線材的強(qiáng)度和低溫韌性有較大的改善，同時(shí)節(jié)省能源并使生產(chǎn)工藝簡化，可以充分發(fā)揮合金元素的作用。通過控制扎制之后的控制冷卻，可以對(duì)冷卻過程的相變進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化等多種強(qiáng)化機(jī)制的有效結(jié)合，進(jìn)一步提高鋼材的綜合使用性能1- 2。2控軋控冷技術(shù)的冶金學(xué)原理2.1鋼的強(qiáng)化機(jī)理及對(duì)韌性的影響鋼的強(qiáng)化機(jī)理主要有：固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化(晶界強(qiáng)化、亞晶強(qiáng)化)、相變強(qiáng)化等。固溶強(qiáng)化，通過添加

5、C，Mn，Si，Ni等合金元素來獲得。通過添加Nb，V，Ti微合金元素及采用控制軋制工藝可實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化。在采用強(qiáng)化手段提高鋼的強(qiáng)度的同時(shí)，還必須考慮到強(qiáng)化手段對(duì)鋼韌性的影響。通常固溶強(qiáng)化(Ni元素除外)、析出強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化的結(jié)果導(dǎo)致脆性轉(zhuǎn)變溫度升高;而細(xì)晶強(qiáng)化使脆性轉(zhuǎn)變溫度下降。因此通過控軋工藝以獲得細(xì)小鐵素體晶粒及采用奧氏體和鐵素體兩相區(qū)軋制獲得鐵素體亞晶組織，在提高鋼的強(qiáng)度的同時(shí)，又可以降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。加入Nb，Ti微合金元素后，由于析出強(qiáng)化使屈服強(qiáng)度上升，同時(shí)脆性轉(zhuǎn)變溫度也上升。當(dāng)采用控軋工藝后，細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化共存，使屈服強(qiáng)度上升，脆性轉(zhuǎn)變溫度下降，即提高了鋼的

6、強(qiáng)韌性。 V微合金元素細(xì)晶強(qiáng)化不明顯，對(duì)改善鋼的韌性不利，一般需與Nb組合使用，發(fā)揮V的析出強(qiáng)化和Nb的細(xì)晶強(qiáng)化的綜合使用，以改善鋼的強(qiáng)韌性。鋼中第二相組織的存在，對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度有不利影響，因而盡可能降低其體積比或細(xì)化第二相組織使其均勻分布。綜合上述，細(xì)晶強(qiáng)化是提高鋼強(qiáng)韌性的最佳手段。2.2獲得細(xì)小鐵素體晶粒的途徑三階段控制軋制原理圖1給出了多種控制軋制工藝與相變后組織之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如上所述，細(xì)晶強(qiáng)化可獲得高的強(qiáng)韌性，它可通過奧氏體再結(jié)晶區(qū)域控軋、奧氏體未再結(jié)晶區(qū)域控軋、奧氏體和鐵素體兩相區(qū)控軋來獲得細(xì)小鐵素體晶粒。圖1各溫度區(qū)域軋制后相變終了組織示意圖32.2.1奧氏體再結(jié)晶區(qū)域軋制(95

7、0)在奧氏體再結(jié)晶區(qū)域軋制時(shí)，軋件在軋機(jī)變形區(qū)內(nèi)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和不完全再結(jié)晶。在兩道次之間的間隙時(shí)間內(nèi)，完成靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶。加熱后獲得的奧氏體晶粒隨著反復(fù)軋制再結(jié)晶而逐漸變細(xì)。圖中第階段，由于軋件溫度較高，奧氏體再結(jié)晶在短時(shí)間內(nèi)完成且迅速長大，未見明顯的晶粒細(xì)小。隨著軋制溫度的降低，軋制道次的增多(即:再結(jié)晶次數(shù)的增多)，在低溫再結(jié)晶區(qū)域(圖中第階段)軋制時(shí)，晶粒細(xì)化效果明顯， 強(qiáng)化作用充分體現(xiàn)出來，相變后的組織為細(xì)小等軸的鐵素體晶粒和珠光體組織。2.2.2奧氏體未再結(jié)晶區(qū)域軋制(950Ar3)在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)域(圖中第階段)軋制時(shí)，由于軋后的奧氏體不產(chǎn)生再結(jié)晶，因此隨著軋制道次的增加，

8、變形奧氏體晶粒沿軋制方向逐漸拉長，且在變形奧氏體晶粒中形成大量的變形帶和位錯(cuò)。變形奧氏體的晶界、變形帶及位錯(cuò)等處是鐵素體形核部位。隨著變形量的增大，變形帶數(shù)量增多，而且分布更均勻。另外奧氏體晶粒被拉長后，將阻礙鐵素體晶粒的長大，因而相變后可獲得更加細(xì)小的鐵素體及珠光體組織。對(duì)于微合金鋼而言，微合金元素的碳氮化合物在相變時(shí)，優(yōu)先在奧氏體晶界、變形帶、位錯(cuò)處析出，從而阻礙鐵素體、珠光體晶粒的長大。2.2.3奧氏體和鐵素體兩相區(qū)軋制(Ar3)在(+)兩相區(qū)(圖中第階段)高溫區(qū)域軋制一定的道次，達(dá)到一定累積變形量，未相變的變形奧氏體由于變形而繼續(xù)被拉長。同時(shí)晶粒內(nèi)形成的變形帶及位錯(cuò)，在這些部位形成新的

9、等軸鐵素體晶粒。而先析出的鐵素體晶粒，由于塑性變形在晶粒內(nèi)部形成大量的位錯(cuò)，并經(jīng)回復(fù)形成亞晶結(jié)構(gòu)。這些亞晶結(jié)構(gòu)使鋼的強(qiáng)度提高，脆性轉(zhuǎn)變溫度降低4。經(jīng)(+)兩相區(qū)軋制后，室溫條件下金相組織較復(fù)雜，通常為由極細(xì)小的等軸鐵素體、拉長的鐵素體、具有亞晶結(jié)構(gòu)的變形鐵素體、極細(xì)小的珠光體組成的混合組織。兩相區(qū)軋制使相變后組織更加細(xì)小，同時(shí)產(chǎn)生了位錯(cuò)強(qiáng)化及亞晶強(qiáng)化，從而進(jìn)一步提高了鋼的強(qiáng)度和韌性。2.3控制冷卻的強(qiáng)韌性機(jī)理盡管控制軋制能有效地改善鋼材的性能，但由于熱變形因素的影響，使得鋼的相變溫度(Ar3)提高，致使鐵素體在較高溫度下析出，在空冷過程中鐵素體晶粒長大，從而使控制軋制效果受到限制。因此，控制軋

10、制必須配合加速冷卻(即:控制冷卻)工藝，降低相變溫度，進(jìn)一步細(xì)化鐵素體及珠光體組織，同時(shí)使Nb，Ti，V微合金元素的碳氮化合物更加彌散析出，進(jìn)一步提高析出強(qiáng)化效應(yīng)。當(dāng)冷卻速度達(dá)到一定值時(shí)，軋后加速冷卻得到的相變組織從鐵素體和珠光體組織變成更細(xì)小的鐵素體和貝氏體組織，貝氏體量隨著冷卻速度加快而增加，且生成的貝氏體組織極細(xì)，從而使鋼板強(qiáng)度進(jìn)一步提高。體現(xiàn)鋼韌性指標(biāo)的脆性轉(zhuǎn)變溫度受多種因素影響。晶粒細(xì)化使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，而析出強(qiáng)化效應(yīng)增強(qiáng)，珠光體和貝氏體的體積分量增加，使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。加速冷卻后最終脆性轉(zhuǎn)變溫度是降低還是升高，取決于上述兩方面因素的綜合作用結(jié)果。只要合理選取加速冷卻工藝，能在提

11、高鋼的強(qiáng)度的同時(shí)，維持高的韌性指標(biāo)。3控制軋制和控制冷卻的機(jī)理線材的控軋控冷實(shí)質(zhì)上是通過控制軋制工藝參數(shù)和軋后冷卻參數(shù)來控制鋼材的相變點(diǎn)和組織形態(tài)以生產(chǎn)出滿足人們需要的鋼種。3.1控制軋制機(jī)理熱塑性變形過程中或變形之后的鋼組織的再結(jié)晶在控制軋制中起決定作用，奧氏體晶粒的細(xì)化是控制軋制的基礎(chǔ)。熱變形從形變的角度考慮是降低變形抗力和提高鋼的塑性變形能力。從組織控制的角度考慮是:完成鋼的奧氏體組織的控制;在一定的奧氏體組織條件下進(jìn)行形變，通過對(duì)形變條件的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)變形過程中組織的控制為相變做組織準(zhǔn)備;控制相變過程，以獲得要求的組織和性能。不同的相變前的奧氏體組織，相變后組織就會(huì)不同，性能就不同。奧

12、氏體化條件不同、形變條件的不同，熱變形過程中會(huì)出現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)回復(fù)過程(動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶)、靜態(tài)回復(fù)過程(靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶)，而不同的回復(fù)過程會(huì)形成各種熱變形條件下鋼的組織變化3- 5。3.2控制冷卻機(jī)理高溫終軋的線材，軋后處于奧氏體完全再結(jié)晶狀態(tài)，應(yīng)采用軋后快速冷卻。因?yàn)槿绻埡舐?，則變形奧氏體晶粒將在冷卻過程中長大，相變后得到粗大的鐵素體組織。由于冷卻緩慢，由奧氏體轉(zhuǎn)變的珠光體粗大，片層間距加厚。這種組織的力學(xué)性能較低。對(duì)于低溫終軋的線材，終軋時(shí)奧氏體處于未再結(jié)晶溫度區(qū)域，由于變形影響Ar3溫度提高，終軋后奧氏體很快就相變，形成鐵素體。這種在高溫下形成的鐵素體長大速度很快。如果軋后

13、采用慢冷，鐵素體就有足夠長大時(shí)間，到常溫時(shí)就會(huì)形成較粗大的鐵素體，從而降低了控制軋制細(xì)化晶粒的效果。軋后快冷實(shí)質(zhì)上是控制軋制后細(xì)化了的變形奧氏體組織。經(jīng)過快速冷卻，相變組織相應(yīng)變化，鋼中析出物的大小、數(shù)量、析出部位發(fā)生變化，從而使鋼材的強(qiáng)韌性得以提高。對(duì)于高碳鋼和高碳合金鋼軋制后控制冷卻的機(jī)理則是防止變形后奧氏體晶粒長大，降低以致阻止網(wǎng)狀碳化物的析出量和降低級(jí)別，減少珠光體球團(tuán)尺寸，改善珠光體形貌和片層間距，從而改善鋼材的性能5- 7。4線材控制軋制和控制冷卻的方式及特點(diǎn)4.1控制軋制的方式及特點(diǎn)線材為了獲得高強(qiáng)度、高韌性的綜合性能，可以采用不同的控制軋制工藝來達(dá)到。根據(jù)熱扎過程中變形奧氏體的

14、再結(jié)晶狀態(tài)不同，相變機(jī)制不同，將其劃分為四個(gè)階段，圖2描述了四個(gè)階段的組織變化情況8-10。圖 2 控軋控冷工藝的四個(gè)階段第一階段為再結(jié)晶奧氏體()區(qū)域軋制(約950以上)。在高溫軋制后急速進(jìn)行再結(jié)晶，此階段將因加熱而粗化的奧氏體晶粒經(jīng)反復(fù)軋制一再結(jié)晶進(jìn)行細(xì)化，再結(jié)晶區(qū)軋制是通過再結(jié)晶進(jìn)行奧氏體晶粒的細(xì)化，此階段中奧氏體的進(jìn)一步細(xì)化較為困難，它是控制軋制的準(zhǔn)備階段。第二階段是未再結(jié)晶奧氏體區(qū)域軋制(約950 Ar3之間)。隨著軋制溫度的下降，奧氏體再結(jié)晶被抑制，仍保持加工硬化狀態(tài)。隨著壓下量的增加，奧氏體晶粒伸長，同時(shí)晶粒內(nèi)有大量形變帶和位錯(cuò)。這是控制軋制最重要的階段。第三階段是在(+)兩相區(qū)

15、軋制(約Ar3以下)。在此區(qū)軋制時(shí)，未相變的奧氏體晶粒更加伸長，同時(shí)，晶粒內(nèi)形成了形變帶及位錯(cuò)，在這些部位形成新的等軸鐵素體晶粒。先析出的鐵素體晶粒由于塑性變形，在晶粒內(nèi)部形成大量的位錯(cuò)，經(jīng)回復(fù)形成亞晶結(jié)構(gòu)。這些亞晶結(jié)構(gòu)使鋼的強(qiáng)度提高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低。兩相區(qū)軋制使相變后的組織更加細(xì)小，同時(shí)產(chǎn)生了位錯(cuò)強(qiáng)化及亞晶強(qiáng)化，從而進(jìn)一步提高了鋼的強(qiáng)度和韌性。第四階段為軋后加速冷卻。在特定溫度區(qū)(500600)內(nèi)增加冷卻速度，使未相變的晶粒發(fā)生相變，變成微細(xì)的多邊化晶粒。晶粒更加細(xì)密，且內(nèi)部包含亞晶粒，這種包含亞晶粒的混合組織可使強(qiáng)度增大8-10。采用什么類型的控制軋制工藝，取決于鋼的化學(xué)成分，對(duì)成品鋼材

16、組織性能的要求，軋機(jī)的設(shè)備條件和工藝水平以及對(duì)軋機(jī)產(chǎn)量的要求等等。特別是軋機(jī)后面是否具備鋼材控制冷卻設(shè)備，冷卻設(shè)備能力的大小都直接影響到控制軋制工藝的選擇。4.2控制冷卻的方式及特點(diǎn)線材軋后的冷卻方式分為自然冷卻和控制冷卻。線材軋后控制冷卻過程分為3個(gè)階段。1.一次冷卻從終軋溫度開始到奧氏體向鐵素體開始轉(zhuǎn)變溫度Ar3或二次碳化物開始析出溫度Ac范圍內(nèi)的冷卻，其目的是控制熱變形后的奧氏體狀態(tài)，阻止奧氏體晶粒長大或碳化物析出，固定由于變形而引起的位錯(cuò)，加大過冷度，降低相變溫度，為相變做組織上的準(zhǔn)備。一次冷卻的開始快冷溫度越接近終軋溫度，細(xì)化奧氏體和增大有效晶界面積的效果越明顯。2.二次冷卻熱軋鋼材

17、經(jīng)過一次冷卻后，立即進(jìn)入由奧氏體向鐵素體或碳化物析出的相變階段，在相變過程中控制相變冷卻開始溫度、冷卻速度和停止冷卻溫度等參數(shù)，就能控制相變過程，從而達(dá)到控制相變產(chǎn)物形態(tài)、結(jié)構(gòu)的目的。3.三次冷卻相變之后直到室溫這一溫度區(qū)間的冷卻。一般鋼材相變后多采用空冷，冷卻均勻，形成鐵素體和珠光體。此外，固溶在鐵素體中的過飽和碳化物在慢冷中不斷彌散析出，使其沉淀強(qiáng)化。對(duì)一些微合金化鋼，在相變完成之后仍采用快冷工藝，以阻止碳化物析出，保持碳化物固溶狀態(tài)，達(dá)到固溶強(qiáng)化的目的。用于高溫鋼材冷卻有三類冷卻方式，其常用的具體的冷卻方法有:(1)噴水冷卻(噴流冷卻)水從壓力噴嘴中以一定壓力噴出水流，而水流為連續(xù)的，沒

18、有間斷現(xiàn)象，但是呈紊流狀態(tài)。這種采用水流破斷以前的連續(xù)噴流的冷卻方法叫做噴流冷卻，或叫做高壓噴水冷卻。這種冷卻方法穿透性好，在水膜比較后的時(shí)候采用。但這種冷卻方法水的噴濺較大，所以水的利用率較差。(2)噴射冷卻將水加壓由噴嘴噴出的時(shí)候，如果超過連續(xù)噴流的流速時(shí)則水流發(fā)生破斷，形成液滴群沖擊被冷卻的鋼材表面。這種用冷卻方法叫做噴射冷卻。該方法適合于一般冷卻及各種用途的噴嘴。但是用同一噴嘴所能控制的冷卻能力范圍不太寬，并且需要比其他方法施加更高的壓力。(3)霧化冷卻用加壓空氣使水霧化，水和高壓高速氣流一起從噴嘴噴出形成霧狀，這種冷卻方法叫做霧化冷卻。此種冷卻方法可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)風(fēng)冷、弱水冷、噴水冷，且

19、冷卻均比較均勻。但成本較高，噪音較大，霧氣較多。此外，還有層流冷卻、浸水冷卻、管內(nèi)流水冷卻等冷卻方式10- 12。5線材控制軋制和控制冷卻的目的(1).降低鋼坯加熱溫度，節(jié)能而且還能減少脫碳，控制晶粒尺寸可以增大軋件穿過水冷段的剛度，減少事故發(fā)生率，提高軋機(jī)作業(yè)率，并為低溫精密軋制創(chuàng)造了條件，以生產(chǎn)更高質(zhì)量的產(chǎn)品。(2).得到具有最佳的變形特性的線材。(3).得到具有均勻的組織和穩(wěn)定性能的線材。(4).線材表面生成的氧化鐵皮薄，易于酸洗，以降低酸洗成本。(5).由于線材的頭、尾與通條溫度變化最小，性能均勻，減少了切頭，切尾的圈數(shù)。(6).對(duì)于螺紋線材，預(yù)應(yīng)力鋼筋通過控溫軋制和控制冷卻工藝，不在增