控制軋制與控制冷卻發(fā)展、特點和熱機械控制工藝

1、控制軋制與控制冷卻發(fā)展、特點和熱機械控制工藝控制軋制與控制冷卻的發(fā)展及特點 熱機械控制工藝 鋼的控制軋制與控制冷卻控制軋制是以鋼的化學成分調整或添加微合金元素Nb、V、Ti為基礎，在熱軋過程中對鋼坯加熱溫度、開軋溫度、變形量、終軋溫度等工藝參數實行合理控制，以細化奧氏體和鐵素體晶粒，并通過沉淀強化、位錯亞結構強化充分發(fā)掘鋼材內部潛力，提高鋼材力學性能和使用性能。鋼的控制軋制與控制冷卻控制冷卻是對軋后鋼材的冷卻工藝參數(開冷溫度、終冷溫度、冷卻速度)合理控制，為鋼材相變做好準備，并通過控制相變過程的冷卻速度，以達到控制鋼材組織狀態(tài)、各種組織的組成比以及碳氮化物析出等，可以在降低合金元素含量或碳含

2、量的條件下，進一步提高鋼材的強度而不犧牲韌性，并且大幅度節(jié)約能耗?？刂栖堉婆c常規(guī)軋制的區(qū)別常規(guī)軋制的工藝特點: 高溫加熱、高溫開軋、高的終軋溫度、低的卷取溫度,即三高一低。 控制軋制的工藝特點: 再結晶區(qū)軋制、未再結晶區(qū)軋制和（+）兩相區(qū)軋制。 高溫變形的應力-應變特征曲線真應變，t常數常數 圖1.2 動態(tài)再結晶時的應力應變曲線特征圖 動態(tài)回復時的應力應變曲線特征高應變速率低應變速率控制軋制三個階段理論再結晶區(qū)軋制:通過再結晶過程的反復進行, 達到細化奧氏體晶粒的目的.未再結晶區(qū)軋制:溫度范圍為950-Ar3 ;在形變奧氏體中,形成變形帶、位錯及孿晶,鐵素體就在這些位置上形核,晶粒得到細化.(

3、+)兩相區(qū)軋制:奧氏體變形得到繼續(xù),在晶內形成變形帶;相變后的鐵素體在受壓時,在晶粒內部形成亞結構,獲得亞晶強化機制.前者相變成多邊形晶粒,后者因回復變成內部有亞晶粒的鐵素體組織.控制軋制三個階段理論 圖 1.3 控制軋制過程中顯微組織變化鋼的軋后控制冷卻一次冷卻是指從終軋開始到變形奧氏體向鐵素體或Fe3C開始轉變的溫度范圍內控制其冷卻參數.二次冷卻的目的是控制鋼材相變時的冷卻溫度和冷卻速度以及停止控冷的溫度.其終冷溫度一般是控制到相變結束, c-Mn鋼和含Nb鋼冷卻終了溫度控制在600左右.軋后一次冷卻和二次冷卻對一些鋼種可以連續(xù)進行.對于微合金化低碳鋼軋后快速冷卻,終止溫度可以達到珠光體相

4、變結束.三次冷卻即空冷,在快冷中來不及析出的碳化物,在空冷中隨著溫度的降低,在鐵素體中析出.控軋控冷的物理冶金基礎奧氏體晶粒的細化:形變再結晶的驅動力.影響再結晶過程的因素:形變溫度:形變溫度越高越有利于再結晶過程的加速進行.形變量:實驗表明,形變量的增大能明顯提高再結晶的形核和長大速率. 控軋控冷的物理冶金基礎綜合考慮以上兩個因素,軋制過程中,若形變溫度足夠高和形變量足夠大,則會發(fā)生動態(tài)再結晶,形變前的晶粒越細,形變溫度越高,形變速率愈低,愈有利于動態(tài)再結晶.故通常的中厚板生產中,由于每道次的壓下量有限,難以發(fā)生動態(tài)再結晶,而主要是靜態(tài)再結晶過程,但應注意混晶現象.控軋控冷的物理冶金基礎形變

5、速率:提高形變速率將不利于動態(tài)再結晶的發(fā)生,但也有研究表明,提高形變速率將縮短動態(tài)再結晶時間.原始晶粒尺寸(D0): D0愈小愈有利于動態(tài)再結晶: D0減小,靜態(tài)再結晶時間亦越短.控軋控冷的物理冶金基礎鋼中溶質原子及第二相粒子:在鋼中適當添加Nb、Ti等微合金元素,通過溶質拖曳機制和析出釘扎機制,細化奧氏體晶粒.這種利用高溫形變再結晶與微合金元素溶解-析出的相互作用使晶粒充分細化的機制便是控軋中控制奧氏體晶粒尺寸的主要的物理冶金基礎.控軋控冷的物理冶金基礎高溫形變再結晶諸參數對再結晶晶粒尺寸的影響:對靜態(tài)再結晶來講，Drex主要與及D0有關，并有如下經驗公式： Drex=CD0-1 (C-Mn

6、鋼) Drex=CD0 (Nb鋼) 式中C和C值大致分別為和0.9(對于0.04%Nb)?？剀埧乩涞奈锢硪苯鸹A鐵素體晶粒的細化:鐵素體晶粒的形核速率愈大，長大速率愈小，則晶粒愈細。 圖1.4 鐵素體形核速率與過冷度的關系控軋控冷的物理冶金基礎實驗證明，在相變溫度范圍內，形變溫度愈低愈有利于鐵素體晶粒的細化，因此，要盡可能降低相變開始溫度Ar3。影響相變晶粒細化的主要因素:相變前奧氏體晶粒尺寸、形變量、軋后冷卻速率和合金元素等。他們通過對鐵素體形核和長大速率及Ar3的作用而影響鐵素體晶粒的細化?？剀埧乩涞奈锢硪苯鸹A奧氏體晶粒尺寸的影響表現為兩方面:奧氏體晶粒的細化將增加其單位體積的有效界面積

7、，從而能明顯提高晶界形核位置的體積分數。 隨著奧氏體晶粒的細化，相變開始溫度有所提高，不利于鐵素體晶粒的細化。 因此，工業(yè)生產中，應將奧氏體晶粒控制在適當的尺寸范圍。 控軋控冷的物理冶金基礎相變前形變量的影響表現在三個方面:通過變形使奧氏體晶粒拉長，并在晶粒內產生形變帶。相變前的形變使奧氏體晶粒形變儲能增加，從而使鐵素體臨界形核功降低，使形核率明顯提高。相變前的形變能明顯提高相變開始溫度，這將不利于鐵素體晶粒的細化。但足夠大的形變量可使相變晶粒細化效應成倍增加。 控軋控冷的物理冶金基礎軋后冷卻速率對相變及其細化晶粒的影響:研究表明,提高軋后冷卻速度能明顯降低Ar3，可抵消奧氏體晶粒細化及相變前

8、形變給晶粒細化帶來的不利影響，有力地增加了相變細化晶粒作用。雖然過冷度的增大，降低了鐵素體晶粒的細化，但總體上對鐵素體晶粒的細化有利，這要求在控軋實踐中對冷卻制度進行控制。 控軋控冷的物理冶金基礎(+)兩相區(qū)控軋及其強化效應分析 :如果在相變過程中繼續(xù)進行軋制，則一方面通過熱變形在鐵素體晶內引入大量位錯及其亞結構。另一方面利用應變誘導使微合金元素碳氮化物在鐵素體中彌散析出，從而能夠提高鋼中位錯亞結構及析出強化作用。利用上述原理建立了包括（+）兩相區(qū)控軋的三階段控制軋制技術，并在西歐和日本得到了廣泛應用。微合金化傳統的合金元素通過改變鐵的結構來影響鋼的性能。有些合金元素不改變鐵的結構，而是與其中

9、的碳和氮有很強的相互作用。常用的微合金化元素：Nb、V、Ti、B、Al、Zr、Ta等; 能生成碳氮化物并有析出強化作用的只有Ti、Nb、V等。微合金化元素使鋼強化的主要機理是晶粒細化和析出強化 微合金化微合金化元素的特性：10-3-10-1%的低含量;與碳、氮和硫相互作用；基體中第二相沉淀；對組織和性能的巨大影響；通過加工工藝和熱處理控制溶解和析出反應。微合金化Morrison等人認為Nb引起的強度升高是由于HallPetch式中0的增加。研究者最終明確了Nb的作用是由于固溶在鋼中的Nb可以抑制奧氏體再結晶和晶粒長大，有助于產生微細的鐵素體晶粒，并且Nb元素與C、N有極強的親和力，容易形成細小

10、彌散Nb（C、N），可以阻止晶界遷移，提高晶粒長大溫度，從而達到細化效果。添加Nb后有利于鋼中誘導相變的發(fā)生。微合金化由于會發(fā)生強烈的沉淀強化，因而會提高熱軋產品的強度，但是，晶粒細化卻是中等的。和強度等級相同的Nb鋼相比，Ti鋼的熱軋產品的抗脆性斷裂性能較低。Ti對于控制硫化物形狀是有利的。高強度Ti鋼的冷成型性能特別好，而且在縱向、橫向和厚度方向上的性能均勻，故加入Ti是十分有利的。Ti含量較高的鋼，其強化作用與Mn的含量有關。 微合金化V可以提高鋼的淬透性，溶入鐵素體中有強化作用，可以形成穩(wěn)定的碳化物，細化晶粒。 V會產生中等強度的沉淀強化和比較弱的晶粒細化，而且是與他所占的百分數成比例

11、的。N能加強V的作用。為了獲得特別大的強化效果，利用V的沉淀強化和Nb的晶粒細化相結合的方法，可以得到織構較少的產品。 微合金化微合金化鋼鈦微合金化不僅用于防止時效脆化和改善熱影響區(qū)韌性,還用于雙相鋼提高鐵素體強度和疲勞性能。把握控制奧氏體晶粒度的合金設計新概念，如圖5所示，在完全再結晶區(qū)，適合采取釩、鈦微合金化的RCR工藝，在不發(fā)生再結晶區(qū)則應用鈮微合金化的CCR工藝;微合金化鋼圖1.5 不同變形條件對應的奧氏體組織示意圖熱機械控制工藝及其在軋鋼中的應用TMCP概念:即控制軋制和控制冷卻技術有機結合以控制組織轉變，得到理想的強韌性匹配的產品。即在調整鋼材化學成分的基礎上，對軋制過程的溫度制度

12、、變形制度和軋后冷卻制度進行有效控制;充分利用奧氏體的形變再結晶、應變累積效應及強制相變等細晶機制;顯著改善鋼材微觀組織;從而達到提高鋼材綜合力學性能的目的。 熱機械控制工藝及其在軋鋼中的應用TMCP工藝包括熱機械軋制(TMR)、軋后加速冷卻(AC，通常也稱ACC)和軋后直接淬火回火(DQ-T)工藝三大類。TMCP工藝分類如圖6所示: 熱機械控制工藝及其在軋鋼中的應用圖1.6 熱機械控制工藝示意圖熱機械控制工藝及其在軋鋼中的應用軋后空冷的熱機械軋制（TMR）獲得的一般是鐵素體珠光體組織，ACC工藝后獲得的是鐵素體珠光體、鐵素體貝氏體或鐵素體回火貝氏體組織，DQ工藝后則可以得到馬氏體組織。圖7即

13、是TMCP工藝與最終產品組織控制示意圖。熱機械控制工藝及其在軋鋼中的應用圖1.7 TMCP 工藝與最終組織熱機械控制工藝及其在軋鋼中的應用為更好發(fā)揮TMCP的作用，合金設計須與軋制工藝相結合：根據強度和韌度要求,確定組織類型和微觀結構；根據鋼廠的裝備狀況,確定鋼的碳含量水平和控軋工藝的類型；根據強度-韌度的匹配,選擇基礎成分和微合金化方案；考慮微合金化元素不能完全脫溶及充分發(fā)揮碳氮化合物的作用,按1015的過化學匹配設計。 二.熱軋板帶1. 前言 我國現在是世界上的鋼鐵大國,連續(xù)幾年鋼產量居世界第一位。近幾年來板帶軋制發(fā)展最快.到目前為止，正式投產的寬帶軋機20套。正在建設中的還有近20套，投

14、產后寬帶產量將近一億噸。產品結構比例已進入世界先進行列裝備水平也是世界一流的，如寬度控制：大立輥定寬機厚度控制全液壓AGC 板形控制的各種機型. 例如:CVC 、 HC、PC、等，溫度控制，熱卷箱：保溫罩、邊部加熱等等?？刂葡到y：交交變頻控制、PLC數值可控硅，等。機組的布置形式：傳統的：3/4連軋、半連軋、全連軋新型的：CSP機組、ASP機組因此就生產的裝備水平和工藝水平均達到了世界先進行列。但我國產品質量還有待提高。例如：汽車板、電工鋼等還與世界先進國家有一定的差距。原因是多方面，有冶煉的、軋制工藝的，總之，質量控制：包括厚度、板形、表面及內部質量還有待于進一步努力，趕超世界先進水平。2.

15、 熱軋過程中有關技術的簡介：2.1 熱裝、直接軋制 工藝：坯料加熱軋制層流卷取連鑄坯與連軋的銜接關系： 圖2.1 連鑄與連軋的銜接模式特點：節(jié)能，提高產品質量2.2 質量控制： 控制軋制控制冷卻的要點，微合金成分、控制變形溫度、變形程度、變形速度、冷卻速度。原理：鋼熱變形，有四種變形機制。動態(tài)再結晶、部分再結晶、未再結晶區(qū)、兩相區(qū)軋制。 圖2.2 微合金鋼的控制軋制示意圖圖2.3 動態(tài)回復時的應力應變曲線 圖2.4 動態(tài)再結晶時的應力應變曲線 2.2.1 加熱溫度在可能條件下要降低，以達到節(jié)能目的，熱能/電能=10/1。 2.2.2 粗軋：動態(tài)再結晶區(qū),大壓下量 V=C時, 增大。 形核率高，

16、可以細化。2.2.3 精軋區(qū)：軋件溫度控制部分再結晶區(qū)和未再結晶區(qū)，也有足夠的壓下，保證終軋溫度控制在Ar3 線上30左右，這樣可以為進一步細化晶粒打基礎。2.2.4 冷卻和卷取溫度控制： 卷取溫度的高低對產品質量也是很大的，終軋溫度通常900870左右，到723還有一定溫度發(fā)生相變。同時，研究表明，鋼中的停止相變，C、N化物析出的停止溫度為500550。高溫卷取后整卷帶鋼冷到此溫度需要很少時間。所以控制卷取溫度對提高質量是很重要的。2.3 調寬軋制（AWC）和自由程序軋制（SFR） 板帶產品規(guī)格按用戶要求是，連鑄坯的寬度不能任意隨機調壓，機組調寬軋制能力很重要。同時，軋制單元間軋制寬度是按合

17、同組織，為了減少換輥次數，要求自由軋制 2.3.1 調寬軋制（兩種形式）1）.大立輥，側壓下150mm。立輥直徑 小，側壓受限，過去一般為50mm，采用大立輥，能力可以增強（ , ）2）.定寬壓力機 側壓下最大可達350mm。 寶鋼1580、鞍鋼1780mm機組均為定寬壓力機。 2.3.2 自由程序軋制按時要求隨機軋制不同寬度的板帶，過去是先寬后窄（一套輥子）保證條件：1）.改進軋輥材質，減少軋輥磨損。辦法：改進軋輥材質（高速鋼）；熱軋潤滑。2）.在線磨輥。3）.均化磨損、橫移輥。4）.快速換輥等。圖2.5 熱帶軋機操作比較圖2.6 移動工作輥的軋制技術（a）HCW技術（平輥）；（b）、（c）

18、KWRS技術（輥身端錐形）圖2.7 軋制過程中帶鋼和工作輥的變形（a）一般四輥平輥軋機；（b）側錐形輥的KWRS軋機圖2.8 HCW軋機的基本特性2.4 無頭軋制1）無穿帶，恒速軋。2）無穿帶、甩尾、飄浮等。3）有利潤滑軋制、大壓下量軋制。4）減少沖擊、粘輥。圖2.9 無頭軋制與傳統軋制的工藝流程比較（a）傳統軋制工藝；（b）無頭軋制工藝2.5 不對稱軋制（關于軋薄問題）2.5.1 異步軋制 定義：指兩個工作輥表面線速度不相等的一種軋制方法。 特點：1）軋制壓力低； 2）軋薄能力強； 3）軋制精度高 4）板形良好； 5）適宜軋制難變形金屬及極薄帶材。圖2.10 搓軋區(qū)受力示意圖圖2.11 變形

19、區(qū)狀態(tài)（a）由后滑區(qū)和搓軋區(qū)組成；（b）由后滑區(qū)、搓軋區(qū)和前滑區(qū)組成圖2.12 不同速比條件下延伸系數與平均單位壓力的關系（a）H；（b）H2.5 不對稱軋制（關于軋薄問題）2.5.2 異徑軋制 定義：指在板帶材生產中，兩工作輥的線速度基 本相同而直徑與轉速相差很大的軋制狀態(tài)。 特點：1）軋制壓力低； 2）壓下量大，軋制道次少； 3）軋制效率高； 4）軋薄能力強； 5）產品厚度精度和板形質量效果好。圖2.13 復合式異徑多輥軋機圖2.14 異徑多輥式NMR軋機圖2.15 異徑單輥傳動軋機（a）異徑四輥軋機；（b）ME軋機圖2.16 雙輥傳動不同異徑比時軋制壓力與壓下率的關系（料厚）2.5.2

20、異徑軋制 應用:在四川、江西等圖2.17 某廠熱連軋機不對稱異徑軋制時軋輥的配置 游動的小工作棍（480）板帶熱連軋機生產技術（新技術）寬度精度控制提高成材率最佳化切頭技術減少熱卷運輸和存放的損失稱量和自動噴印技術加熱爐減少氧化鐵皮損失無頭軋制技術節(jié)約能源熱送熱裝和直接軋制“低溫”出爐軋制降低加熱爐能耗板坯大側壓提高“熱裝”“直軋”比例擴大采用交流交頻調速電機節(jié)能型的帶鋼和設備冷卻系統減少中間熱損失（如保溫輥道、熱卷取機）軋制工藝潤滑“自由軋制”工藝無頭軋制技術提高軋機產量增加板坯單重合理提高軋制速度軋機組成合理配置快速換輥減少設備故障機電設備預維修系統計算機控制最佳化軋制周期無頭軋制技術提高成品質量加熱爐步進梁錯開布置加熱爐溫度均勻控制有效地清除氧化鐵皮厚度精度控制寬度精度控制板形控制精軋微張力控制卷取質量控制提高表面光潔度無頭軋制技術提高表面光潔度、熱軋工藝潤滑機械性能控制（控制終軋溫度、卷取溫度）三尺寸與板形控制（一）厚度控制板帶材的厚度控制在上個世紀70年代計算機液壓等相關技術在軋制領域應用。AGC系統已成熟。簡單介紹的基本原理及相關技術 由 ，可以知道影響軋件厚度的因素有三：1）： （原始輥縫，空載輥縫，輥子偏心，不均磨損，熱膨脹）2）P：s波動（化學成分，