鋼材的控制軋制

鋼材的控制軋制蘇嫵材料成型及控制工程12摘要：近三十年以來(lái)，控制軋制和控制冷卻技術(shù)在國(guó)外得到了迅速的發(fā)展，各國(guó)先后開展了多方面的理論研究和應(yīng)用技術(shù)研究，并在軋鋼生產(chǎn)中加以利用，明顯的改善和提高了鋼材的強(qiáng)韌性和使用性能，為了節(jié)約能耗、簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝和開發(fā)鋼材新品種創(chuàng)造了有力條件。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)寬厚板廠均采用控制軋制和控制冷卻工藝，生產(chǎn)具有高強(qiáng)度、高韌性、良好焊接性的優(yōu)質(zhì)鋼板?？刂栖堉坪涂刂评鋮s工藝的開發(fā)與理論研究進(jìn)一步揭示了熱變形過(guò)程中變形和冷卻工藝參數(shù)與鋼材的組織變化、相關(guān)規(guī)律以及鋼材性能之間的內(nèi)在關(guān)系，充實(shí)和形成了鋼材熱變形條件下的物理冶金工程理論，為制定合理的熱軋生產(chǎn)工藝提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:寬厚板廠，控制軋制，控制冷卻。Abstract:fornearly30years,controlledrollingandcontrolledcoolingtechnologyobtainedtherapiddevelopmentinforeigncountries,andcountriessuccessivelycarriedoutvarioustheoreticalresearchandappliedtechnologyresearch,andtriestouseintheproductionofsteelrolling,theobviousimproveandenhancethetenacityofsteelandtheuseofperformance,inordertosaveenergyconsumption,simplifyproductionprocessanddevelopmentofnewsteelvarietiescreatedfavourableconditions.Mostlenientplatefactoryathomeandabroadadoptcontrolledrollingandcontrolledcoolingtechnology,productionhashighstrength,hightoughnessandgoodweldabilityofhighqualifiedsteelplate.Controlledrollingandcontrolledcoolingtechnologydevelopmentandtheoryresearchoffurtherrevealsthatthethermaldeformationintheprocessofdeformationandcoolingprocessparametersandthechangeoftheorganizationofthesteel,therelevantlawsandtheinternalrelationsbetweensteelperformance,enrichandformedsteelthermaldeformationundertheconditionofphysicalmetallurgyengineeringtheory,toprovidetheoreticalbasisforreasonablehot-rollingprocess.Keywords:generousplatefactory,controlledrollingandcontrolledcooling.引言：20世紀(jì)之前，人們對(duì)金屬顯微組織已經(jīng)有了一些早期研究和正確認(rèn)識(shí)，己經(jīng)觀察到鋼中的鐵素體、滲碳體、珠光體、馬氏體等組織。20世紀(jì)20年代起開始有學(xué)者研究軋制溫度和變形對(duì)材料組織性能的影響，這是人們對(duì)鋼材組織性能控制的最初嘗試，當(dāng)時(shí)人們不僅已經(jīng)能夠使用金相顯微鏡來(lái)觀察鋼的組織形貌，而且還通過(guò)X射線衍射技術(shù)的使用加深了對(duì)金屬微觀組織結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。1980年OLAC層流層裝置投產(chǎn)，控軋控冷在板帶、棒線材等大面積應(yīng)用，技術(shù)已成熟，理論進(jìn)展發(fā)展迅速?？刂栖堉频碾A段：2.1控制軋制的階段劃分通常將控制軋制分為3個(gè)階段：奧氏體再結(jié)晶階段(>1000°C)。在這一溫度范圍內(nèi)，奧氏體變形和再結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行，因再結(jié)晶而獲得的細(xì)小奧氏體晶粒,將導(dǎo)致鐵素體晶粒的細(xì)化。奧氏體非再結(jié)晶階段(950C~Ar3)。在這一溫度范圍內(nèi)，形變使奧氏體晶粒被拉長(zhǎng),在伸長(zhǎng)而未再結(jié)晶的奧氏體內(nèi)形成高密度形變孿晶和形變帶，同時(shí)微合金碳、氮化物因應(yīng)變誘導(dǎo)析出，因而增加了鐵素體的形核位置,細(xì)化了鐵素體晶粒。(Y+a)兩相區(qū)軋制階段(Ar3?Ar1)。在這一溫度范圍內(nèi)，奧氏體和鐵素體均發(fā)生變形,形成亞結(jié)構(gòu)。亞晶強(qiáng)化使強(qiáng)度進(jìn)一步提高。實(shí)踐表明，非再結(jié)晶區(qū)變形突破了再結(jié)晶區(qū)所能達(dá)到的奧氏體晶粒尺寸極限，在一定的變形量下,非再結(jié)晶的晶粒細(xì)化也會(huì)達(dá)到某一極限,這一極限只有通過(guò)兩相區(qū)變形才能突破?？刂栖堉频闹饕に囓堉频闹饕に噮?shù)有:加熱溫度、加熱時(shí)間、開軋溫度、軋鋼的變形量、精軋開軋溫度、中間坯厚度和終軋溫度。3.1加熱溫度加熱溫度對(duì)Nb、V在奧氏體中的固溶量有很大的影響，在Nb、V能固溶的范圍內(nèi)盡量采用低溫加熱，使高溫奧氏體晶粒不致于粗化,從而改善韌性。若加熱溫度過(guò)低，將存在部分未溶微合金碳氮化物，由于顆粒大于1000,不可能產(chǎn)生抑制奧氏體再結(jié)晶的作用。適當(dāng)提高再加熱溫度,使微合金元素的固溶量增加從而提高鋼的強(qiáng)度和有效提高奧氏體的再結(jié)晶終止溫度。若再加熱溫度過(guò)高，則會(huì)使原始奧氏體晶粒粗化,從而使相變后的鐵素體晶粒更粗大，不利于鋼的韌性。另外，板坯在爐加熱時(shí)間對(duì)管線鋼的探傷合格率有一定的影響。3.2軋鋼的變形量軋鋼過(guò)程中存在再結(jié)晶區(qū)域、部分再結(jié)晶區(qū)域和未再結(jié)晶區(qū)域。為了細(xì)化鐵素體晶粒，在Y再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行多道次大變形量(每道次變形量必須大于再結(jié)晶臨界變形量)高溫粗軋，通過(guò)形變/再結(jié)晶反復(fù)進(jìn)行使奧氏體晶粒充分細(xì)化；同時(shí)還須保證粗軋結(jié)束時(shí)處于完全再結(jié)晶區(qū)，不能進(jìn)入部分再結(jié)晶區(qū)，以免產(chǎn)生混晶組織。根據(jù)變形溫度可知，此時(shí)變形處在部分再結(jié)晶區(qū)，奧氏體再結(jié)晶數(shù)量急劇增加。同時(shí)變形量的增加使晶粒變形加劇，晶粒因發(fā)生畸變?cè)黾恿藘?chǔ)存能，發(fā)生再結(jié)晶時(shí)形核的驅(qū)動(dòng)力增加，促進(jìn)了再結(jié)晶的發(fā)生，使奧氏體晶粒更加細(xì)小，并最終獲得細(xì)小的鐵素體晶粒。在Y未再結(jié)晶區(qū)精軋時(shí)必須保證較大的累積變形量，這樣才可使奧氏體晶粒充分壓扁，在拉長(zhǎng)的奧氏體晶粒內(nèi)產(chǎn)生高密度的形變孿晶和形變帶，同時(shí)微合金元素的碳氮化物因應(yīng)變誘導(dǎo)析出，從而為鐵素體轉(zhuǎn)變提供更多的有利形核位置。因此，在Y未再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)累積變形量越大，軋后鐵素體晶粒的細(xì)化效果越好,改善鋼綜合性能的效果越顯著。3.3中間坯厚度Y再結(jié)晶區(qū)軋制結(jié)束后板坯待溫時(shí)的厚度稱為中間坯厚度。適當(dāng)增加中間坯厚度,可增大Y再結(jié)晶溫度以下時(shí)的累積變形量（即精軋累積變形量），使變形奧氏體晶粒內(nèi)部的形變能和形變?nèi)毕菰龆?從而有利于提高相變驅(qū)動(dòng)力，減少帶狀區(qū)域相變溫度差,減小相變的不同時(shí)性，有利于鐵素體均勻形核，最終使晶粒細(xì)化并減少帶狀組織，進(jìn)一步改善鋼的綜合性能。適當(dāng)?shù)卦黾又泻癜遘埣闹虚g坯厚度，致使表層奧氏體組織在低溫時(shí)發(fā)生大變形,加上機(jī)架間除鱗高壓水冷卻、軋件與傳送輥、軋輥的接觸導(dǎo)熱可快速降低表層組織的溫度，促使表層組織發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)相變,在適當(dāng)條件下可實(shí)現(xiàn)表層組織的超細(xì)晶化。在軋制過(guò)程中軋件表層組織硬化使其變形抗力逐漸增大，有利于變形向心部滲透，從而細(xì)化表層以下材料的晶粒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部組織的細(xì)晶化。在線材棒材中的應(yīng)用：4.1高的冷卻速率和低的終冷溫度在管線鋼控制軋制和控制冷卻的諸多工藝參數(shù)中，冷卻速率和終冷溫度至為重要。隨著高強(qiáng)度管線鋼的開發(fā)，高的冷卻速率和低的終冷溫度已成為管線鋼控制冷卻中的關(guān)鍵技術(shù)。4.2高的冷卻速率和低的終冷溫度的主要作用表現(xiàn)在：通過(guò)高的冷卻速率和低的終冷溫度的實(shí)施，可使管線鋼獲得細(xì)小的針狀鐵素體或貝氏體組織，從而達(dá)到高強(qiáng)韌的目的。冷卻速率和終冷溫度對(duì)管線鋼強(qiáng)韌性的影響可以看出，隨著冷卻速率的提高和終冷溫度的降低，可提高管線鋼的強(qiáng)韌特性。在加速冷卻中較高的冷卻速率不僅有利于通過(guò)相變強(qiáng)化獲得高強(qiáng)度,而且有利于通過(guò)細(xì)化相變的顯微組織獲得高韌性，因而可采用合金含量較低的材料達(dá)到高的強(qiáng)韌要求。由于冷卻速率的增加可降低管線鋼的合金加入量,因而不僅降低了鋼材的成本，還有利于鋼材冶金性能和焊接性的提高。隨著海洋管線和大變形管線的發(fā)展，對(duì)管線鋼的壁厚提出了要求。采用高的冷卻速率，可使厚鋼板溫度的離散性小,組織和力學(xué)性能均勻。一般認(rèn)為，大于30°C/s的冷卻速率對(duì)厚板的均勻性是有利的。4.3雙相組織的控軋、控冷技術(shù)大變形管線鋼是近年來(lái)油氣管線鋼的一個(gè)重要發(fā)展方向。大變形管線鋼的主要性能特點(diǎn)是在保證高強(qiáng)韌性能的同時(shí)具有低的屈強(qiáng)比、高的均勻塑性變形伸長(zhǎng)率和高的形變強(qiáng)化指數(shù)。大變形管線鋼的基本組織特征是雙相組織。這種雙相組織可通過(guò)低C、超低C的多元微合金化設(shè)計(jì)和特定的控軋、控冷技術(shù)獲得。大變形管線鋼雙相組織通常有貝氏體+鐵素體(B+F)和貝氏體+馬/奧島(B+M/A)兩類。4.4超細(xì)晶粒的控軋、控冷技術(shù)為獲取超細(xì)晶粒,在傳統(tǒng)的控軋、控冷技術(shù)的基礎(chǔ)上，近年來(lái)開發(fā)出形變誘導(dǎo)鐵素體相變(DIFT)技術(shù)和馳豫-析出-控制相變(RPC)技術(shù)。5在中厚板中的應(yīng)用中厚鋼板“微合金化+控軋控冷”的生產(chǎn)工藝是一種先進(jìn)的優(yōu)質(zhì)中厚鋼板生產(chǎn)工藝，可以取代多種鋼板的“熱軋+離線熱處理”傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝,有效降低生產(chǎn)成本,是生產(chǎn)高強(qiáng)度、高韌性優(yōu)質(zhì)鋼板的工藝發(fā)展方向。5.1坯料加熱鋼坯加熱溫度的高低影響軋制前原始奧氏體晶粒的大小，從而影響鋼材抗脆性斷裂的能力。為了使控軋控冷工藝生產(chǎn)的鋼材具有良好的綜合力學(xué)性能，要求鋼坯加熱溫度應(yīng)控制在1100?1250°C?？紤]到二軋廠軋機(jī)主電機(jī)能力偏小，在這個(gè)溫度范圍軋制將很困難，為此將鋼坯的加熱溫度定為1150?1280C，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)軋制的溫度情況在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。正常情況下采用雙爐模式生產(chǎn)，加熱時(shí)間和保溫時(shí)間都足夠長(zhǎng),可使鋼坯加熱均勻。5.2坯料除鱗加熱后坯料經(jīng)除鱗箱進(jìn)行初次除鱗，軋制時(shí)再根據(jù)板面情況利用機(jī)前機(jī)架間的高壓水噴管進(jìn)行二次除鱗，保證鋼板表面質(zhì)量良好,高壓水壓力應(yīng)N15MPa。5.3控制軋制根據(jù)熱軋過(guò)程中變形奧氏體再結(jié)晶狀態(tài)和相變機(jī)制的不同，一般將控制軋制劃分為三個(gè)階段:在奧氏體再結(jié)晶區(qū)的控制軋制一一奧氏體再結(jié)晶型控制軋制；在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的控制軋制一一奧氏體未再結(jié)晶型控制軋制;在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)的控制軋制一一兩相區(qū)控制軋制。在再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，為控制變形奧氏體的再結(jié)晶數(shù)量，應(yīng)盡可能達(dá)到完全再結(jié)晶，在設(shè)備能力許可的條件下，在高溫區(qū)采取盡可能大的道次壓下量，提高道次變形量(一般要求N15%?20%,最小N10%),以增加奧氏體的再結(jié)晶數(shù)量，細(xì)化晶粒。在未再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，鋼不發(fā)生奧氏體再結(jié)晶過(guò)程，變形使奧氏體晶粒拉長(zhǎng)、壓扁，并在晶粒內(nèi)形成變形帶。變形奧氏體的晶界是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)優(yōu)先形核的部位，被拉長(zhǎng)的奧氏體晶粒將阻礙鐵素體晶粒長(zhǎng)大。隨著變形量加大，晶體內(nèi)變形帶數(shù)量增多，在晶體內(nèi)的分布也更加均勻，這些變形帶也提供相變時(shí)的形核地點(diǎn)，因而相變后的鐵素體更加細(xì)小均勻。兩相區(qū)軋制時(shí),變形使奧氏體晶粒繼續(xù)拉長(zhǎng)，在晶粒內(nèi)部形成新的滑移帶，并在這些部位形成新的鐵素體晶核。而變形又使先析出鐵素體晶粒內(nèi)部形成大量位錯(cuò),這些位錯(cuò)在高溫形成亞結(jié)構(gòu)，亞結(jié)構(gòu)使強(qiáng)度提高，脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。在兩相區(qū)軋制，亞結(jié)構(gòu)是引起強(qiáng)度迅速提高的主要原因。為保證鋼板的性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，提高生產(chǎn)效率,作業(yè)過(guò)程中采取如下的工藝措施：軋制過(guò)程中打開軋機(jī)機(jī)架間的中壓沖淋水噴管對(duì)鋼板沖水加強(qiáng)降溫,適當(dāng)增加初軋的軋制道次，采用高溫快軋的方法,使奧氏體晶粒細(xì)化；鋼板軋制到厚度20?25mm左右，溫度1000?1050°C時(shí),對(duì)其噴打機(jī)架間高壓水若干次,使鋼板溫度迅速降到950C以下；控制最后三道次的軋制溫度和累計(jì)壓下量，使其在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制的累計(jì)變形量N40%。第二組鋼板用兩塊交叉軋制的方法生產(chǎn)，第三組鋼板用鏈?zhǔn)浇徊孳堉频姆椒ㄉa(chǎn)，兩者都是先在奧氏體再結(jié)晶區(qū)把鋼坯軋制到等溫厚度，然后把等溫中間坯放到機(jī)后或機(jī)前的延伸輥道上進(jìn)行降溫等候，同時(shí)軋制另一塊鋼板,從而避免在奧氏體部分再結(jié)晶區(qū)軋制,待等溫中間坯的溫度降到奧氏體未再結(jié)晶區(qū)時(shí)再對(duì)其進(jìn)行奧氏體未再結(jié)晶型控制軋制，終軋溫度控制在830?920C,進(jìn)行的是“奧氏體再結(jié)晶區(qū)+奧氏體未再結(jié)晶區(qū)”兩階段控制軋制。6.提高控制軋制的途徑和方法6.1交叉軋制各個(gè)軋制階段都有一定的開軋溫度和終軋溫度。因此，各階段之間都有一個(gè).中間冷卻待溫的問(wèn)題。中偽冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于軋件的中間厚度，中間厚度愈大，軋件在輥道上放置的時(shí)間就愈長(zhǎng)。軋機(jī)只軋制一塊板坯時(shí)，軋件的中間冷卻待溫會(huì)造成軋機(jī)產(chǎn)量較大的下降。如果在軋件中間冷卻期間，讓軋機(jī)軋制其它軋件，那顯然會(huì)提高軋機(jī)的產(chǎn)量。根據(jù)鞍鋼厚板廠軋制線條件和板坯的情況，提出三種交叉軋制方案?？傊?，采用交叉軋制，就在于充分地利用軋件的中間冷卻時(shí)間，讓軋機(jī)軋制另外的軋件，達(dá)到提高軋機(jī)產(chǎn)量的目的。6.2縮短中間冷卻時(shí)間為了縮短軋件中間冷卻時(shí)間，結(jié)合二期工程還要增設(shè)精軋機(jī)的條件，在粗軋機(jī)后設(shè)置一噴淋冷卻裝置，由于軋機(jī)后設(shè)置噴淋冷卻裝置，同樣的待冷軋件，軋件在軋機(jī)前和軋機(jī)后的中間冷卻時(shí)間會(huì)有所不同。據(jù)此，我們給出了兩塊鋼板的兩階段交叉軋制方法。這種方法的要點(diǎn)是要使軋件在軋機(jī)前的中間冷卻時(shí)間大于精軋時(shí)間。這種方法適合于較厚產(chǎn)品的生產(chǎn)，軋件在軋機(jī)后，可根據(jù)實(shí)際需要確定軋件的噴水時(shí)間，以保證軋制節(jié)奏協(xié)調(diào)，從而達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。待將來(lái)安裝精軋機(jī)后，實(shí)現(xiàn)多塊鋼板的控制軋制，噴淋冷卻在縮短軋件中間冷卻時(shí)間方面就會(huì)顯示出其重要作用。6.3控軋控冷控制冷卻是一種利用鋼材軋后余熱進(jìn)行熱處理的操作。分為直接淬火和加速冷卻兩種。在中厚板軋制線上可設(shè)置直接淬火和加速冷卻兩種裝置，或設(shè)置多功能冷卻裝置，由于它們具有不同的冷卻速度和冷卻能力，便可生產(chǎn)