钢材控制轧制的工艺特点及其前景发展

1、钢材控制轧制的工艺特点及其前景发展佟谷雨（材料成型及控制工程12，1233010137）摘要钢材控制轧制工艺是一项节约合金、简化生产工序、节约能源消耗的先进轧钢技术。它能通过工艺手段充分挖掘钢材潜力，大幅度提高钢材综合性能，给冶金企业和社会带来巨大的经济效益。由于它具有形变强化的综合作用，所以既能提高钢材强度又能改善钢材的韧性和塑性。轧钢厂的中厚钢板、热轧板卷、棒线型材和钢管都可以采用控制轧制工艺来生产。关键词控制轧制；工艺；生产应用Abstract:Control rolling technology is a saving alloy steel, simplify the product

2、ion process, save energy consumption of advanced rolling technology. It can be through the technological means to fully tap the potential steel, greatly improve the comprehensive performance of steel, for metallurgical enterprises and social bring huge economic benefits. Because it has a deformation

3、 strengthening combination, so can not only improve the strength of steel but also improve the toughness and plasticity of steel. Rolling mill of medium plate, hot-rolled coil, bar line profile and control rolling technology can be used to produce steel pipe.Key Words:Control rolling; Process; Produ

4、ction application1.引言： 控制轧制是在热轧过程中铜鼓偶滴金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。对低碳钢、低合金钢来说，采用控制轧制工艺主要是通过控制轧制工艺参数，细化变形奥氏体晶粒，经过奥氏体向铁素体和珠光体的相变，形成细化的铁素体晶粒和较为细小的珠光体球团，从而达到提高钢的强度、韧性和焊接性能的目的。2. 控制轧制的优点： 控制轧制具有常规轧制方法所不具备的突出优点。归结起来大致有如下几点：（1）许多试验资料表明，用控制轧制方法生产的钢材，其强度和韧性等综合机械性能有很大的提高

5、。例如控制轧制可使铁素体晶粒细化，从而使钢材的强度得到提高，韧性得到改善。（2）简化生产工艺过程。控制轧制可以取代常化等温处理。（3）由于钢材的强韧性等综合性能得以提高，自然地导致钢材使用范围的扩大和产品使用寿命的增长。从生产过程的整体来看，由于生产工艺过程的简化，产品质量的提高，在适宜的生产条件下，会使钢材的成本降低。（4）用控制轧制钢材制造的设备重量轻，有利于设备轻型化。3. 控制轧制的种类： 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、非再结晶过程或转变的两相区变形），控制

6、轧制可分为三种类型。（1）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。（2）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

7、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。（3）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

8、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。4.控制轧制的工艺特点： 中厚钢板轧机一般是由单机架或双机架轧机组成, 其控轧工艺制度基本上是相同的, 只是具体操作略有差异。4.1控制轧制工艺制度 板坯加热温度、终轧温度和最终变形程度是控轧中最重要的三个工艺参数, 直接影响相变、再结晶、沉淀强化等冶金过程

9、。板坯在加热炉内加热温度一般为1050 1150 , 基本上不超过碳氮化物的溶解温度。如果加热温度较高, 除了恶化韧性、强度外, 还增加了燃料消耗。对含微合金元素的控轧板, 加热时间不宜过长,一般为 8 10 m in?cm。否则将导致氧化铁皮增加,奥氏体晶粒增大。由于控轧是在一定的温度和变形范围内完成的, 轧制过程的中间停歇必不可少。一般分 2 3 个阶段轧制。对二阶段轧制来说, 由板坯轧至中间坯为粗轧阶段, 中间坯降温冷却为待温阶段, 经过待温的中间坯轧至成品为精轧阶段。各阶段变形量亦有较严格控制, 粗轧阶段总变形量一般为 60 % 80 %。由于较大的变形量轧件蓄积了足够的转变能量, 每

10、道次轧制后将产生完全再结晶, 从而获得均匀、细化的晶粒。对同样厚度的中间坯, 如果采用较厚的板坯, 则粗轧变形量相应增加, 产生细晶粒奥氏体组织, 提高屈服强度和降低脆性转变温度。此外, 还应控制粗轧各道次间隙时间, 使轧制终了温度一般比出炉温度低 50 100 , 约为 950 。粗轧和精轧之间的冷却时间取决于中间坯厚度、开始冷却温度和终冷温度。一般中间坯开始冷却温度为 950 1100 , 终冷温度为 850 左右。终轧温度是由所需的强度和韧性决定的, 但轧机的负荷限制因素也必须予以考虑。一般终轧温度为 750左右。由于终轧温度较低, 抑制了奥氏体再结晶过程, 形成具有高位错密度和部分取向

11、的碳氮化物沉淀的极细长的奥氏体晶粒, 从而强化了铁素体组织。精轧变形程度对成品钢板的机械性能有重要影响。增加精轧变形程度, 可很大程度地细化晶粒和降低脆性转变温度。但是较高的变形程度导致大量碳氮化物在奥氏体中沉淀析出, 削弱了铁素体沉淀强化作用。因此, 控轧工艺要求合理地分配精轧变形量, 一般为 60 % 70 %。控轧板中含有强化组织的微合金元素N b、V、T i 等, 故各阶段变形抗力是不同的。以轧制 St37 和控轧 X70 钢为例, 变形抗力在粗轧阶段增加约 30% 40 % , 精轧阶段增加约 200 %。4.2控轧对轧机产量的影响 由于控轧对温度有较严格限制, 尤其中间的待温冷却占

12、用一定时间。轧机产量较普通轧制有所下降。故轧机的产品方案中应有合适的控轧板比例。为了消除或减少由于中间坯冷却造成的时间和产量损失, 应采用同时轧制几块板的方案, 即在中间坯冷却时进行下一块板的轧制。酒钢中厚板轧机在机后设置专门的旁侧辊道用于中间坯待温冷却, 而不影响轧机正常轧制, 4.3控轧对轧机的要求 控轧是在低温下轧制, 轧件变形抗力大, 因此要求轧机具有很高的轧制压力, 机架要求强度很高。单位轧制压力不小于 12 kN ?mm。目前最高单位轧制压力已达 25 kN ?mm。为提高轧制精度, 新建轧机设置两套轧辊定位系统。第一套是电动机械轧辊定位系统, 在无负荷情况下调节道次间辊缝, 由两

13、台直流电机驱动蜗轮蜗杆、压下螺丝和螺母进行调整。酒钢2800 mm 中厚板轧机电动机械轧辊定位系统主要参数为轧辊开口度: 280 mm; 压下螺丝直径: 680 mm; 螺距: 40 mm;压下减速机总速比: 14159; 定位速度: 0 25 37mm?s; 传动电机: 2320 kW , 50 1000 r?m in。第二套轧辊定位系统可在负荷下调节辊缝, 利用测厚仪原理进行自动厚度控制, 以保证钢板长度方向上厚度的均匀性, 即A GC。自动厚度控制可以由一个锁定系统来执行, 它可将轧件前段厚度一直保持到尾端 (相对厚度控制), 或者由计算机提前给出每道次的与目标厚度相对应的基准轧制力,

14、以获得理想的均匀目标厚度(绝对厚度控制)。由于在低温下使用大压下量会影响板厚的一致性, 因而快速、高效的液压A GC 在控轧中具有特殊的重要性。液压A GC 的特点是压下速度、加速度和精度较高, 死区小, 响应时间快, 即使在很高轧制压力下也有调节的可能性。5.控制轧制的前景发展：5.1板带材控轧工艺过程的新方法：板带材的质量很大程度上取决于对轧制工艺过程的控制。常规方法有许多不足之处，原始凸度的设定无法对不同规格、不同材质的轧件进行跟踪控制；不均匀冷却方法具有响应太慢的缺点。戴维.麦基公司对板形自动控制系统及冷却液的喷射装置进行了独特的设计，其中彼此分隔开的冷却和润滑系统（SLC）和动态轧制

15、工艺系统（DSS）收到了很好的效果。5.1.1分隔开的冷却和润滑系统（SLC）板带材轧制大多数采用乳液来实现冷却润滑。在采用乳液冷却润滑的过程中，普遍存在乳液稳定性差、使用寿命短，尤其是轧后板带材表面质量达不到最佳程度等问题。利用分隔开的冷却和润滑系统可避免常规乳液冷却润滑给制品带来的缺陷。该系统有两个连在一起的钢质冷却箱。每个冷却箱分别封住上工作辊和支承辊的辊面及下工作辊和支承辊的辊面，从而使每一个对轧辊和冷却箱构成一个隔离系统。上下两个冷却箱之间有一道缝，需轧制的带材由此通向辊缝，实现轧制。在轧制过程中把冷却系统和润滑系统分隔开，这就意味着在具备冷却润滑综合功能的基础上，还可以分别按各自独

16、特的功能去进行配制。SLC系统可最大限度地发挥冷却和润滑的功能，从而使轧机的功率密度大大提高。5.1.2动态轧制工艺系统（DSS）戴维.麦基公司利用计算机预测了全带材轧制的主要过程。充分利用计算机来建立轧制过程中的数学模型，本质上就是在线的模型参数估计。其中最为典型的例子是动态轧制工艺系统。该系统主要安装在热轧机组上，用于板形和断面形状的控制。由建立的数学模型和程序，根据预测的结果，连续地由轧机自适应功能进行控制。与通常的反馈式AGC系统不同之处，在于这个系统采用两个基本自适应等级。第一级为轧机控制的自适应，即包括轧辊的弯辊力、压下量的方式、运行速度和轧辊冷却液的分布等，使产品质量达到始终稳定

17、一致。第二级是预测模型所用系数的自适应，即利用在轧制过程中测得的参数经过趋势回归分析来实现。接着按实测值与模型预测值的误差值作为一个函数来调整模型的系数。应用DSS的主要目的是要生产出横向厚度均匀一致的产品。5.2GCr15控轧新工艺的模拟研究近年来，一些工作者研究了轴承钢的热加工性能以及形变球化和再结晶，定量地确定了流变应力和破断应变与变形过程中的变量（应变、应变率、温度和相变）之间的关系；研究奥氏体加渗碳体的双相区形变球化，确定了变形温度和变形量是控制球化的主要因素，奥氏体化后变形有利于双相区形变球化；借助于热扭转实验机用停顿变形方法，研究了轴承钢热轧过程中的再结晶行为，确定了静态和动态再

18、结晶，与变形温度、道次应变和道次间隔时间等之间的关系，以及在双相区发生的动态软化现象。这一系列的工作为正确制定轴承钢控制轧制工艺提供了科学的依据。轴承钢的各种生产工艺中，在900以上奥氏体单相区轧制后快冷至850800的双相区内再次轧制是最有前途的新工艺。该工艺对控制轧制的推广应用、改善轴承钢的质量及提高其疲劳寿命、节省能源等方面均有重要意义。 试验表明：（1）用热扭转试验机实现了热变形模拟轴承钢控轧新工艺，证实了轴承钢经高温奥氏体单相区变形、再在奥氏体与渗碳体的双相区内变形，然后经快速球化退火，其碳化物级别和硬度均达到了对该冶金产品的标准要求。（2）在高温奥氏体单相区内变形，道次间隔期间发生

19、静态再结晶，其再结晶完成的程度随变形道次的增加而提高。部分再结晶的应变累计效应，促进了动态再结晶的发生。在奥氏体与碳化物双相区内，除静态和动态再结晶过程之外，碳化物的形变球化也能引起明显的动态软化。（3）轴承钢采用控轧新工艺所需的终轧轧制力和轧制力矩，用平均流变应力计算公式估算，比传统轧制工艺约提高40%。5.3低碳贝氏体钢的发展在控轧的早期，主要是提高钢材的强度和获得较细的晶粒，继而在高强度的基础上，对韧性也有了相应的要求。目前已经转向更高强度、更好的韧性和较大的厚度，同时要求不恶化焊接性能。天然气输送用的管线钢要求较高的横向冲击贮存能。提高再结晶温度以下总的热轧变形量能够达到改进、提高韧性

20、方法的效果。在控轧的含铌钢中降低含碳量、提高含锰量的发展过程中，开发了被命名为低碳贝氏体钢和针状-钢的低碳高锰（0.06%）相变强化钢。与传统的珠光体钢相比，这种钢表现出连续的屈服及拉伸强度提高的特征。尽管含碳量较低，管材成形后，屈服点却有所提高。在屈强比比较低的钢材中，快速加工硬化能够超过任何因包申格效应而引起的屈服强度的降低。这种钢的组织是典型的针状铁素体或低碳贝氏体。同时在常规轧制后，即晶粒发生相变之后，会保持以前晶粒的清晰边界。5.3.1低碳贝氏体钢在普通轧制状态下,为达到必要的强度可添加Si、Mn、Cr、Ni和Mo等元素，或借助正火后的加速冷却使金相组织中出现一种粒状组织，是-Fe基

21、体上分布块状或条状M/A相的结构，称之为粒状贝氏体。如不采取细化晶粒或补充回火以充分分解这种粒状贝氏体，对钢的韧性将有不利的影响，强韧性很难兼顾。因此，采用控轧工艺，在以较低的碳含量维持必要的韧性的同时，又改善了钢的焊接性。5.3.2针状铁素体钢为适应高寒地带大口径石油天然气输送管线工程对材料高强度、低温韧性、可焊性及良好成型性的要求，发展了C-Mn-Mo-Nb系针状铁素体（AF）钢。这种钢控轧状态的屈服点可达470530MPa，夏氏冲击功可达165J，50%剪切断口的转变温度（FATT）不低于-60。它同第一代铁素体-珠光体管线钢相比，具有更好的焊接性能、抗延性、断裂能力、抗天然气中硫化氢腐

22、蚀和氢诱发裂纹性能、抗大气腐蚀性能。5.3.3超低碳贝氏体钢通过控轧工艺的最佳化，新型超低碳贝氏体钢可得到具有高密度位错亚结构的均匀细小贝氏体组织和高强度、高韧性及可焊性配合的综合机械性能。低碳贝氏体钢的化学成分必须是：即使在大断面缓慢冷却的情况下，也能在贝氏体转变区发生相变，从而获得一个高强度。与此相反，它在高的冷却速度下却不允许形成马氏体，此外这种钢必须具有高韧性以防止裂纹形成和脆性断裂。如果能成功地通过适当的化学成分和轧制时的快速冷却使-相变的温度降低，就可在600650的温度进行轧制。这样就可以通过晶粒细化和高的位错密度进一步强化。为了转变成贝氏体，可通过加入Mo、B延迟铁素体和珠光体转变时间，还可以通过加入Mn、Ni来