控制轧制和控制冷却的理论及实践

1、 所谓所谓TMCPTMCP（ Thermo-Mechanical Control ProcessThermo-Mechanical Control Process）, ,就是就是在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程中的温度制在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程中的温度制度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制，显著改善钢度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制，显著改善钢材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材料。材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材料。 第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞典等国钢铁厂

2、所采用的典等国钢铁厂所采用的“低温大压下低温大压下”技术奠定了技术奠定了TMCPTMCP工艺工艺的雏形。的雏形。 五十年代末，五十年代末，NbNb、V V、TiTi等微合金化元素的应用推动了等微合金化元素的应用推动了TMCPTMCP工艺技术的日趋成熟。工艺技术的日趋成熟。 TMCPTMCP工艺技术可以说是工艺技术可以说是2020世纪最伟大的科技进步成果之一，世纪最伟大的科技进步成果之一，目前目前TMCPTMCP已成为国内外板带钢生产的主导工艺；随着超细晶已成为国内外板带钢生产的主导工艺；随着超细晶粒钢的研究开发，新一代粒钢的研究开发，新一代TMCPTMCP工艺技术已经出现。工艺技术已经出现。板

3、带轧制过程中的组织性能控制板带轧制过程中的组织性能控制 TMCPTMCP工艺简介工艺简介板带轧制过程中的质量性能控制板带轧制过程中的质量性能控制1.1.板带产品的质量性能指标板带产品的质量性能指标 1.1 1.1 板带产品的形状、尺寸板带产品的形状、尺寸 1.2 1.2 板带产品的力学性能板带产品的力学性能2.2.板带轧制过程中的质量性能控制板带轧制过程中的质量性能控制 2.1 2.1 钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热轧过程中的组织性能变化 2.2 2.2 板带轧制过程中的组织性能控制板带轧制过程中的组织性能控制 2.3 2.3 板带钢生产工艺优化的典型示例分析板带钢生产工艺优化的典型示例分

4、析3.3.板带轧制技术的新进展板带轧制技术的新进展 3.1 3.1 高性能钢板的研究开发高性能钢板的研究开发 3.2 3.2 超快速冷却技术的工业应用超快速冷却技术的工业应用 1.1.板带产品的质量性能指标板带产品的质量性能指标 板带轧制过程实质是钢材在外力的板带轧制过程实质是钢材在外力的作用下产生塑性变形的过程，它不仅作用下产生塑性变形的过程，它不仅可使钢材获得所必需的尺寸和形状，可使钢材获得所必需的尺寸和形状，而且也使之获得所必须的组织和性能。而且也使之获得所必须的组织和性能。形状：形状：泛指板面的平直度泛指板面的平直度（板形），（板形）， 浪形、瓢曲、旁浪形、瓢曲、旁弯等缺陷的有无弯等缺

5、陷的有无尺寸：尺寸：泛指宽度、长度和厚泛指宽度、长度和厚度；横向厚度偏差和纵向同度；横向厚度偏差和纵向同条差是控制的关键条差是控制的关键组织：组织：铁素体晶粒度，珠光铁素体晶粒度，珠光体百分含量，带状级别，魏体百分含量，带状级别，魏氏组织，夹杂物数量、大小、氏组织，夹杂物数量、大小、形状及分布状态等形状及分布状态等性能：性能：力学性能（屈服强度、力学性能（屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等）；抗拉强度、冲击韧性等）；工艺性能（冷弯、冲压、焊工艺性能（冷弯、冲压、焊接性能等）；理化性能（耐接性能等）；理化性能（耐蚀、耐火、电磁性能等）蚀、耐火、电磁性能等）1.1 1.1 板带产品的形状、尺寸板带产品

6、的形状、尺寸 图图1 1 用凸形辊轧制矩形件示意图用凸形辊轧制矩形件示意图 由于种种原因钢材在塑性由于种种原因钢材在塑性变形过程中总是处于不均匀变形过程中总是处于不均匀变形状态，其不同变形的各变形状态，其不同变形的各部分受整体性限制而产生相部分受整体性限制而产生相互平衡的附加应力，因附加互平衡的附加应力，因附加应力的性质和数值不同而出应力的性质和数值不同而出现各种不同的板形缺陷，如：现各种不同的板形缺陷，如：中浪、单边浪、双边浪、瓢中浪、单边浪、双边浪、瓢曲和镰刀弯等。曲和镰刀弯等。 根据不同的设备特点，通根据不同的设备特点，通过改变轧辊凸度、轧辊交叉、过改变轧辊凸度、轧辊交叉、轧辊横移、轧辊

7、弯曲和不均轧辊横移、轧辊弯曲和不均匀的轧辊冷却等措施，对板匀的轧辊冷却等措施，对板形施行有效的控制。形施行有效的控制。 板带钢断面形状的控制板带钢断面形状的控制1.2 1.2 板带产品的力学性能板带产品的力学性能 板带产品的技术标准示例板带产品的技术标准示例表表1 GB6653-19941 GB6653-1994焊接气瓶用钢的化学成份焊接气瓶用钢的化学成份 表表2 GB6653-19942 GB6653-1994焊接气瓶用钢的力学性能焊接气瓶用钢的力学性能表表3 3 日本日本JISG3116JISG3116高压瓦斯容器用钢的力学性能高压瓦斯容器用钢的力学性能1.2 1.2 板带产品的力学性能板

8、带产品的力学性能 图图2 2 低碳钢拉伸时的应力应变曲线低碳钢拉伸时的应力应变曲线 强强 度度 指指 标标比例极限比例极限P P应力、应变能应力、应变能保持比例关系时的最大应力保持比例关系时的最大应力弹性极限弹性极限e e完全卸载后不完全卸载后不出现任何明显残余应变的最出现任何明显残余应变的最大应力大应力屈服强度屈服强度S S有明显上、下有明显上、下屈服点时，用下屈服点对应屈服点时，用下屈服点对应 的应力表示，无明显屈服点的应力表示，无明显屈服点时，以试样残余应变达到时，以试样残余应变达到0.20.2时的应力表示，标为时的应力表示，标为0.20.2抗拉强度抗拉强度b b试样在拉断前试样在拉断前

9、所承受的最大应力所承受的最大应力1.2 1.2 板带产品的力学性能板带产品的力学性能 塑塑 性性 指指 标标断面收缩率断面收缩率拉伸前拉伸前后试样横截面的相对减缩后试样横截面的相对减缩量量延伸率延伸率拉伸前后试拉伸前后试样的相对伸长量。因集中样的相对伸长量。因集中变形受试样形状和尺寸的变形受试样形状和尺寸的制约，国标规定拉伸试样制约，国标规定拉伸试样的尺寸比例应为的尺寸比例应为L L0 0/D/D0 0=5=5或或1010，所以对应长短试样分，所以对应长短试样分别标为别标为5 5或或1010此外，通过拉伸试验还可此外，通过拉伸试验还可测定测定塑性应变比塑性应变比R R、应变应变硬化指数硬化指数

10、n n值值和和屈强比屈强比s/s/b b值值等用以评价板等用以评价板带产品的冷成型性能带产品的冷成型性能1.2 1.2 板带产品的力学性能板带产品的力学性能 冲冲 击击 韧韧 性性图图3 3 冲击试验原理冲击试验原理 将规定形状和尺寸的试将规定形状和尺寸的试样置于固定支架上，然后释样置于固定支架上，然后释放具有一定位能的重锤，把放具有一定位能的重锤，把一次冲断试样所作的功一次冲断试样所作的功A AKVKV或或A AKUKU除于试样的原始面积除于试样的原始面积F F0 0所所得的值定义为冲击韧性，以得的值定义为冲击韧性，以a aKVKV或或a aKUKU ，表示，单位表示，单位J J。图图4 4

11、 夏比夏比V V型缺口试样型缺口试样1.2 1.2 板带产品的力学性能板带产品的力学性能 测定不同温度下的测定不同温度下的a aK K值，可得到值，可得到温度与温度与a aK K值的关系曲线，曲线上冲值的关系曲线，曲线上冲击值显著的温度称为韧脆转变温击值显著的温度称为韧脆转变温度，也叫脆性转变温度度，也叫脆性转变温度 脆性转变温度的测定方法：脆性转变温度的测定方法：（1 1）能量法：取曲线上韧脆状态）能量法：取曲线上韧脆状态下冲击韧性平均值所对应的温度下冲击韧性平均值所对应的温度（2 2）取断口结晶区面积为总面积）取断口结晶区面积为总面积5050时所对应的温度，以时所对应的温度，以5050FA

12、TTFATT表表示示（3 3）塑变量法：取试样相对收缩变）塑变量法：取试样相对收缩变形为形为1 1时所对应的温度时所对应的温度 韧脆转变温度韧脆转变温度1.2 1.2 板带产品的力学性能板带产品的力学性能 冷冷 弯弯 性性 能能 将规定形状尺寸的试样，将规定形状尺寸的试样，弯曲至规定程度，检验板弯曲至规定程度，检验板材承受弯曲塑性变形的能材承受弯曲塑性变形的能力，并显示其缺陷，若试力，并显示其缺陷，若试样弯曲外表面及侧面无裂样弯曲外表面及侧面无裂纹、裂缝、裂断或起层即纹、裂缝、裂断或起层即可判为合格。执行国家标可判为合格。执行国家标准准GB232GB2328888 按弯曲角度按弯曲角度和弯心直

13、和弯心直径径d d的具体要求分为：的具体要求分为：弯曲弯曲到某一规定角度到某一规定角度；弯曲；弯曲到两臂平行；弯曲到两臂到两臂平行；弯曲到两臂接触等接触等三种类型三种类型。变形前奥氏体晶粒变形前奥氏体晶粒变形后晶粒被拉长变形后晶粒被拉长铁素体形核铁素体形核相变完成相变完成冷却冷却轧制轧制2.1 2.1 钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热轧过程中的组织性能变化2.2.板带轧制过程中的组织性能控制板带轧制过程中的组织性能控制2.1 2.1 钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热轧过程中的组织性能变化 （1 1）变形速率不变时，同一应）变形速率不变时，同一应变条件下，变形温度越高，变条件下，变形温度越高

14、，所对应的真应力越低所对应的真应力越低 （2 2）变形温度不变时，同一应）变形温度不变时，同一应变条件下，变形速率越低，变条件下，变形速率越低，所对应的真应力也越低，且所对应的真应力也越低，且真应力的峰值向真应力变小真应力的峰值向真应力变小的方向移动的方向移动 （3 3）相同变形温度、速度条件）相同变形温度、速度条件下，随应变的增加，曲线呈下，随应变的增加，曲线呈现由高变低并逐渐趋于稳定现由高变低并逐渐趋于稳定的形态的形态 图图5. 0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb5. 0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb钢在钢在0.6Tm 0.6Tm 以上温度变形时的应力应变曲线以上温度

15、变形时的应力应变曲线 钢材热变形时的应力应变曲线规律钢材热变形时的应力应变曲线规律阶段：动态回复阶段：动态回复 变形的开始阶段加工硬化速变形的开始阶段加工硬化速率较大，随应变继续增加，软率较大，随应变继续增加，软化速率增大，部分位错消失、化速率增大，部分位错消失、亚晶形成，曲线趋于平缓亚晶形成，曲线趋于平缓阶段：动态再结晶阶段：动态再结晶 随变形量增加金属内部畸变随变形量增加金属内部畸变能增加，达到一定程度时驱动能增加，达到一定程度时驱动形变奥氏体产生动态再结晶形变奥氏体产生动态再结晶阶段：动态再结晶稳定阶段阶段：动态再结晶稳定阶段 动态再结晶全部完成后，继动态再结晶全部完成后，继续变形时，应

16、力基本不变或呈续变形时，应力基本不变或呈规律的稳定状态规律的稳定状态 图图6 6 典型应力应变曲线的三个阶段典型应力应变曲线的三个阶段2.1 2.1 钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热轧过程中的组织性能变化 钢材热变形时的应力应变曲线规律钢材热变形时的应力应变曲线规律 热加工过程中所形成的不稳定组织，热加工过程中所形成的不稳定组织，在热加工的间隙时间里或加工后的缓冷在热加工的间隙时间里或加工后的缓冷过程中将继续发生静态软化。以右图所过程中将继续发生静态软化。以右图所示示0.680.68C C钢，钢，780780对应不同应变值变对应不同应变值变形后保温不同时间的软化规律如下：形后保温不同时间的软

17、化规律如下：(a)(a)当变形量远小于静态再结晶的临界当变形量远小于静态再结晶的临界变形量时，加工硬化组织不能完全变形量时，加工硬化组织不能完全消除软化过程为：消除软化过程为：静态回复静态回复(b)(b)当变形量大于静态而小于动态再结当变形量大于静态而小于动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复静态再结晶静态回复静态再结晶(c)(c)当变形量刚超过动态再结晶的临界当变形量刚超过动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：变形量时，软化过程为：静态回复静态回复亚动态再结晶静态再结晶亚动态再结晶静态再结晶(d)(d)当变形量达到动态再结晶稳定阶段当变形量达到动态再结晶

18、稳定阶段的变形量时，软化过程为：的变形量时，软化过程为：静态回静态回复亚动态再结晶复亚动态再结晶2.12.1钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热轧过程中的组织性能变化 热变形后的静态软化热变形后的静态软化图图7 Q3457 Q345钢不同温度不同变形量时的奥氏体组织钢不同温度不同变形量时的奥氏体组织 从图从图7 7可以看出，随可以看出，随着变形温度的降低，着变形温度的降低，奥氏体发生再结晶的奥氏体发生再结晶的临界变形量增大：临界变形量增大： 高温区轧制，高温区轧制，101020%20%的变形量足以使的变形量足以使再结晶充分进行；再结晶充分进行；部分再结晶区轧制部分再结晶区轧制时，临界变形量在时，

19、临界变形量在30%30%以上，否则道次以上，否则道次间隙时间内静态再间隙时间内静态再结晶来不及发生结晶来不及发生1100100095090010%20%30%40% 热变形后的静态软化过程热变形后的静态软化过程 再结晶奥氏体的长大过程再结晶奥氏体的长大过程图图8 Q3458 Q345钢不同停隔时间的奥氏体组织钢不同停隔时间的奥氏体组织01020304050606080100120140160180200晶 粒尺寸，um保 温时 间，s 心 部晶 粒 尺寸 边部晶 粒 尺寸图图9 9 奥氏体晶粒的长大过程奥氏体晶粒的长大过程2.1 2.1 钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热轧过程中的组织性能变化

20、abcdef 再结晶行为对组织性能的影响再结晶行为对组织性能的影响1015202530354045260280300320340360380400 1050oC 950oC 900oC 850oC屈服 强度 ,Mpa变 形量, %图图10 10 变形量对强度的影响变形量对强度的影响51015202530354045102030405060708090 1050oC 1000oC 950oC 900oC 850oC横向冲击 功 ,J变 形量,%图图11 11 变形量对冲击功的影响变形量对冲击功的影响 在在10001000以上的高温再结晶区轧制时，以上的高温再结晶区轧制时， Q345Q345钢的屈

21、服强度和冲击功均比钢的屈服强度和冲击功均比950950以以下的低温区轧制时低。以轧制温度同为下的低温区轧制时低。以轧制温度同为10501050而变形量不同的试样为例，当变形量由而变形量不同的试样为例，当变形量由10%10%增加到增加到40%40%时，屈服强度并没有上升，反而呈下降趋势，横向冲击值很低且随变形时，屈服强度并没有上升，反而呈下降趋势，横向冲击值很低且随变形量的增加无明显变化；量的增加无明显变化； 在在950950以下的低温区轧制时，不仅整体力学性能比高温区轧制时高，而且道次变以下的低温区轧制时，不仅整体力学性能比高温区轧制时高，而且道次变形量对力学性能的影响比较显著，随变形量增加，

22、屈服强度和冲击值都呈上升趋势，形量对力学性能的影响比较显著，随变形量增加，屈服强度和冲击值都呈上升趋势，轧制温度越低，上升的趋势越显著。轧制温度越低，上升的趋势越显著。 （a）12.9% （b） 28.2% （c）39.57% 图图12 Q34512 Q345钢钢10501050不同变形量轧制试样的室温组织不同变形量轧制试样的室温组织 再结晶行为对组织性能的影响 （a）10.8% （b）18.9% （c）41% 图图13 Q34513 Q345钢钢 900900不同变形量轧制试样的室温组织不同变形量轧制试样的室温组织返回图图14 14 变形温度和变形量对含铌钢再变形温度和变形量对含铌钢再结晶行

23、为和再结晶晶粒直径的影响结晶行为和再结晶晶粒直径的影响热变形后的再结晶行为因变热变形后的再结晶行为因变形量和轧制温度的变化可分形量和轧制温度的变化可分为再结晶区、部分再结晶区为再结晶区、部分再结晶区和回复区等三个区域。和回复区等三个区域。采用再结晶区轧制时，整个采用再结晶区轧制时，整个体积发生再结晶，形成均匀体积发生再结晶，形成均匀的细晶粒组织的细晶粒组织在部分再结晶区轧制时，形在部分再结晶区轧制时，形成部分再结晶和未再结晶的成部分再结晶和未再结晶的混合组织混合组织在回复区域轧制时，多数晶在回复区域轧制时，多数晶粒产生回复，部分晶粒生成粒产生回复，部分晶粒生成粗大晶粒粗大晶粒 再结晶行为对组织

24、性能的影响再结晶行为对组织性能的影响2.1 2.1 钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热轧过程中的组织性能变化2.1 2.1 钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热轧过程中的组织性能变化 静态再结晶的临界变形量静态再结晶的临界变形量 为了使再结晶能够充分进为了使再结晶能够充分进行，则所给予的压下率必须大行，则所给予的压下率必须大于对应条件下静态再结晶的临于对应条件下静态再结晶的临界变形量。该值随钢种和变形界变形量。该值随钢种和变形条件的不同彼此相差很大。条件的不同彼此相差很大。 普碳钢的临界变形量很小，普碳钢的临界变形量很小，且与温度的关系很弱，即普碳且与温度的关系很弱，即普碳钢在较小的变形量、较宽

25、的温钢在较小的变形量、较宽的温度范围内均容易产生再结晶。度范围内均容易产生再结晶。而含铌钢的临界变形量却较大，而含铌钢的临界变形量却较大，在在950950以下的温度区域内要以下的温度区域内要使含铌钢完成再结晶是很困难使含铌钢完成再结晶是很困难的。的。 对于多道次的热轧过程，轧制道对于多道次的热轧过程，轧制道次间往往不能发生完全软化，前次间往往不能发生完全软化，前一道次的变形会对下一道次的变一道次的变形会对下一道次的变形产生累积作用。这种道次间的形产生累积作用。这种道次间的软化程度常用软化率软化程度常用软化率FS表示。表示。 式中：式中： m 第第1道次变形的最高应力道次变形的最高应力 y0第第

26、1道次加载时的屈服应力道次加载时的屈服应力 y 第第2道次加载时的屈服应力道次加载时的屈服应力 显然，道次间隔时间内完全软化显然，道次间隔时间内完全软化时，时，FS=1；完全不出现静态回复时；完全不出现静态回复时FS=0；通常情况下；通常情况下0FS1 图图15 15 热轧道次间软化率测定示意图热轧道次间软化率测定示意图0ymymsF返回2.1 2.1 钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热轧过程中的组织性能变化 再结晶软化曲线的测定再结晶软化曲线的测定 再结晶软化曲线示例再结晶软化曲线示例1001011021030.00.20.40.60.81.07508008509009501000 XsTi

27、me， s图图16 Q23516 Q235钢静态再结晶软化钢静态再结晶软化 率与率与道次间隔时间的关系道次间隔时间的关系图图17 17 含铌含铌Q345Q345钢静态再结晶软化钢静态再结晶软化 率与道次间隔时间的关系率与道次间隔时间的关系1001011021030.00.20.40.60.81.0950900850800750700 xsTime,s轧制后奥轧制后奥氏体晶粒氏体晶粒铁素体铁素体形核形核相变后相变后控冷后控冷后形变硬化的铁素体形变硬化的铁素体变形区变形区晶粒边界晶粒边界位错位错亚晶边界亚晶边界长大长大水淬水淬2.1 2.1 钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热轧过程中的组织性能变化

28、 奥氏体奥氏体/ /铁素体相变行为铁素体相变行为 奥氏体奥氏体/ /铁素体相变形态铁素体相变形态 热加工钢材的奥氏体热加工钢材的奥氏体/ /铁素体相变形态示意图铁素体相变形态示意图 形变诱导奥氏体形变诱导奥氏体/ /铁素体相变的特征铁素体相变的特征 型相变是一种不局限于轧材，型相变是一种不局限于轧材，即便由单纯的加热和冷却也能引即便由单纯的加热和冷却也能引起的普通相变形态，而起的普通相变形态，而型相变型相变（形变诱导相变）是在无应变热（形变诱导相变）是在无应变热平衡温度以上就生成了铁素体，平衡温度以上就生成了铁素体，因而相对地增加了铁素体的形核因而相对地增加了铁素体的形核数和生成量，还能使珠光

29、体的体数和生成量，还能使珠光体的体积百分数降低。积百分数降低。 由于铁素体的强制相变，将使由于铁素体的强制相变，将使钢中的碳只能在残余的微小区域钢中的碳只能在残余的微小区域内极度浓缩，在铁素体晶粒细化内极度浓缩，在铁素体晶粒细化的同时，珠光体也得到细化，浓的同时，珠光体也得到细化，浓缩区的淬透性提高，从而增加了缩区的淬透性提高，从而增加了生成类珠光体、贝氏体、马氏体生成类珠光体、贝氏体、马氏体等低温相变产物的可能性。等低温相变产物的可能性。 所谓所谓TMCPTMCP（ Thermo-Mechanical Control ProcessThermo-Mechanical Control Proc

30、ess）, ,就是就是在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程中的温度制在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程中的温度制度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制，显著改善钢度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制，显著改善钢材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材料。材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材料。 第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞典等国钢铁厂所采用的典等国钢铁厂所采用的“低温大压下低温大压下”技术奠定了技术奠定了TMCPTMCP工艺工艺的雏形。的雏形。 五十年代末，五十年代末，NbNb、V V、

31、TiTi等微合金化元素的应用推动了等微合金化元素的应用推动了TMCPTMCP工艺技术的日趋成熟。工艺技术的日趋成熟。 TMCPTMCP工艺技术可以说是工艺技术可以说是2020世纪最伟大的科技进步成果之一，世纪最伟大的科技进步成果之一，目前目前TMCPTMCP已成为国内外板带钢生产的主导工艺；随着超细晶已成为国内外板带钢生产的主导工艺；随着超细晶粒钢的研究开发，新一代粒钢的研究开发，新一代TMCPTMCP工艺技术已经出现。工艺技术已经出现。2.2 2.2 板带轧制过程中的组织性能控制板带轧制过程中的组织性能控制 TMCPTMCP工艺简介工艺简介 传统传统TMCPTMCP工艺的三个阶段工艺的三个阶

32、段（1 1）奥氏体再结晶区变形阶段）奥氏体再结晶区变形阶段 t950t950 对加热时粗化的奥氏体晶粒对加热时粗化的奥氏体晶粒反复进行轧制并反复再结晶反复进行轧制并反复再结晶后使之得到细化后使之得到细化（2 2）奥氏体未再结晶区变形阶）奥氏体未再结晶区变形阶段段 t t950-A950-Ar r3 3 奥氏体晶粒沿轧制方向伸奥氏体晶粒沿轧制方向伸长、压扁，晶内产生形变带，长、压扁，晶内产生形变带，这种加工硬化状态的奥氏体这种加工硬化状态的奥氏体具有促进铁素体相变形核作具有促进铁素体相变形核作用用（3 3）奥氏体铁素体两相区变）奥氏体铁素体两相区变形阶段形阶段 tArt700700时，随终冷温度

33、的升高，时，随终冷温度的升高，屈服强度降低，在试验的温度范围内，大约降低屈服强度降低，在试验的温度范围内，大约降低30-40Mpa30-40Mpa，但都，但都满足标准要求。满足标准要求。从图从图2727可以看出：可以看出： Q345 Q345钢的贝氏体形成温度范围比较宽，当钢的贝氏体形成温度范围比较宽，当终冷温度或钢板瞬间冷却温度低于终冷温度或钢板瞬间冷却温度低于600600至至400400之间，均有可能之间，均有可能形成贝氏体，因此普通级别形成贝氏体，因此普通级别Q345Q345钢板，比较适宜的终冷温度应为钢板，比较适宜的终冷温度应为650-700650-700。图图27 Q34527 Q3

34、45钢的动态钢的动态CCTCCT曲线曲线工业试验及工业试验及TMCPTMCP工艺的确定工艺的确定钢种CSiMnPSQ3450.15-0.180.34-0.401.26-1.380.019-0.0200.015-0.022 表表8 8 工业试验钢的化学成分，工业试验钢的化学成分，Wt%Wt%编号待温厚度mm成品厚度mm阶段开冷温度,终冷温度,冷却速度,/S控轧温度,终轧温度,013012860750729677-0250208458037896622.90360208307557166441.60480208367527356202.40540208268167856513.1066020830

35、7427176012.7表表9 Q3459 Q345钢工业试验钢工业试验TMCPTMCP工艺参数工艺参数 通过工业试验数据与实验室研究结果的比较分析，结合通过工业试验数据与实验室研究结果的比较分析，结合首钢中板厂改造后的首钢中板厂改造后的3500mm3500mm轧机特点，确定轧机特点，确定Q345Q345系列中厚系列中厚钢板钢板TMCPTMCP工艺要点如下：工艺要点如下： 钢坯加热温度钢坯加热温度1050105011501150，在炉时间，在炉时间3 33.5h3.5h；开轧；开轧温度温度1000100011001100，粗轧道次压下率，粗轧道次压下率1010，最大压下量，最大压下量30mm3

36、0mm；生产厚度；生产厚度12mm12mm钢板时实行中间待温，待温厚度钢板时实行中间待温，待温厚度为成品钢板的为成品钢板的2 22.52.5倍；精轧开轧温度倍；精轧开轧温度8808802020，终轧，终轧温度温度8208202020；轧后开冷温度；轧后开冷温度760760，冷却速度，冷却速度5 51515，终冷温度，终冷温度650650700700。 参照此要点同时确定出造船钢板、参照此要点同时确定出造船钢板、16MnR16MnR、16Mnq16Mnq、16MnL16MnL等二十余种同类钢板的等二十余种同类钢板的TMCPTMCP工艺和具体操作规程。工艺和具体操作规程。 Q345 Q345系列中

37、厚钢板的系列中厚钢板的TMCPTMCP工艺要点工艺要点首钢首钢3500mm3500mm中厚板轧机中厚板轧机首钢首钢3500mm3500mm轧机轧后冷却系统轧机轧后冷却系统 表表12 3500mm12 3500mm机组工业生产机组工业生产Q345Q345钢的实测钢的实测TMCPTMCP工艺参数工艺参数表表11 3500mm11 3500mm机组工业生产机组工业生产Q345Q345钢化学成分及坯料尺寸钢化学成分及坯料尺寸 Q345Q345钢工业生产业绩钢工业生产业绩表表13 3500mm13 3500mm机组工业生产机组工业生产Q345Q345钢的常规力学性能钢的常规力学性能 图图28 28 工业

38、生产工业生产Q345Q345钢的室温组织钢的室温组织 （1 1）采用）采用TMCPTMCP工艺后，在正常生产条件下，可使普通工艺后，在正常生产条件下，可使普通Q345BQ345B级钢板的级钢板的力学性能稳定达到力学性能稳定达到Q390CQ390C、D D级水平，韧性指标同级相比提高级水平，韧性指标同级相比提高5050以上，以上，常规普碳钢品种板的潜在性能得到了有效挖掘。常规普碳钢品种板的潜在性能得到了有效挖掘。 （2 2）改造前，首钢中板厂主要以生产普碳钢和）改造前，首钢中板厂主要以生产普碳钢和Q345AQ345A、B B钢板为主，改钢板为主，改造后，新产品开发能力增强。先后研制生产了造后，新

39、产品开发能力增强。先后研制生产了Q345qCQ345qC、D D、E E桥梁板，高桥梁板，高强船板强船板A32A32、D36D36，锅炉板、压力容器板、低合金高强度，锅炉板、压力容器板、低合金高强度Q390Q390、Q460CQ460C钢钢板等新产品，并进行了管线钢、板等新产品，并进行了管线钢、Z Z向钢的研制开发。据统计向钢的研制开发。据统计 20032003年采用年采用TMCPTMCP工艺生产品种钢板计工艺生产品种钢板计53.653.6万吨，其中高附加值产品产量已达到总产万吨，其中高附加值产品产量已达到总产量的量的90%90%以上。以上。 （3 3）采用）采用TMCPTMCP工艺后，以工艺

40、后，以Q345DQ345D钢板为例，组织晶粒度比改造前平均钢板为例，组织晶粒度比改造前平均提高了提高了3 34 4级，由改造前的级，由改造前的7 78 8级提高到现在的级提高到现在的10101212级，同时较好地级，同时较好地抑制了钢板的带状组织，带状组织由改造前的抑制了钢板的带状组织，带状组织由改造前的3 35 5级降低至目前的级降低至目前的1.51.5级以下。级以下。 （4 4）采用）采用TMCPTMCP工艺后，使保性能厚板的规格范围不断扩大，由改造前工艺后，使保性能厚板的规格范围不断扩大，由改造前的的30mm30mm以下提高到现在的以下提高到现在的60mm60mm。 Q345Q345钢工

41、业生产业绩钢工业生产业绩 结结 论论 结合首钢结合首钢3500mm3500mm中厚板轧机的改造，就传统中厚板轧机的改造，就传统Q345Q345系列中厚钢板的系列中厚钢板的TMCPTMCP进进行了比较深入的研究，围绕行了比较深入的研究，围绕TMCPTMCP工艺技术的核心晶粒组织细化、得出如工艺技术的核心晶粒组织细化、得出如下结论：下结论： （1 1）采用再结晶方法细化奥氏体晶粒时，高温再结晶区的道次变形量宜控制）采用再结晶方法细化奥氏体晶粒时，高温再结晶区的道次变形量宜控制在在10102020，低温区宜控制在，低温区宜控制在20203030，最大道次压下量，最大道次压下量30mm30mm。这有利

42、。这有利于再结晶过程的充分进行，避免混晶形成，减少相变后生成魏氏组织的几于再结晶过程的充分进行，避免混晶形成，减少相变后生成魏氏组织的几率；率； （2 2）采用形变诱导相变方法细化铁素体晶粒时，降低进精轧温度或增加待温）采用形变诱导相变方法细化铁素体晶粒时，降低进精轧温度或增加待温厚度，有利于提高有效累积应变量，促进铁素体形核、增强相变驱动力，厚度，有利于提高有效累积应变量，促进铁素体形核、增强相变驱动力，获得均匀细小的铁素体获得均匀细小的铁素体+ +珠光体组织，推荐的较好精轧温度区间为珠光体组织，推荐的较好精轧温度区间为880880820820，待温厚度为，待温厚度为2 22.52.5倍成品

43、厚度；倍成品厚度； （3 3）采用加速冷却促进铁素体相变时，为避免过量的脆性相形成而导致钢材）采用加速冷却促进铁素体相变时，为避免过量的脆性相形成而导致钢材塑韧性降低，推荐的较好冷却速度为塑韧性降低，推荐的较好冷却速度为5 515/S15/S，终冷温度为，终冷温度为650650700700。 Q345Q345钢原是在钢原是在Q235Q235成分的基础上，为提高强度和韧性，加入了适量的成分的基础上，为提高强度和韧性，加入了适量的合金元素合金元素MnMn，由于，由于MnMn含量提高含量提高 ，易形成较多的，易形成较多的MnSMnS塑性夹杂物，造成带状塑性夹杂物，造成带状组织和横纵向力学性能不均，影

44、响组织和横纵向力学性能不均，影响Z Z向性能，如果能够以普通向性能，如果能够以普通Q235Q235坯料生产坯料生产Q345Q345钢板，则从工艺性能上，不仅可以减轻带状组织程度，减小横纵向性钢板，则从工艺性能上，不仅可以减轻带状组织程度，减小横纵向性能差异，而且可以降低碳当量，能差异，而且可以降低碳当量， 从而提高钢材的韧性和焊接性能，这样既从而提高钢材的韧性和焊接性能，这样既可以简化炼钢工艺、节省合金元素的用量，降低生产成本，还有利于提高可以简化炼钢工艺、节省合金元素的用量，降低生产成本，还有利于提高构件的承载能力，减少钢材用量，有利于增强钢材用户的市场竞争力，促构件的承载能力，减少钢材用量

45、，有利于增强钢材用户的市场竞争力，促进国民经济的良性循环。进国民经济的良性循环。 20022002年年2 2月起，在国家经贸委的资助下，东北大学轧制技术与连轧自动月起，在国家经贸委的资助下，东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验与首钢合作，结合首钢化国家重点实验与首钢合作，结合首钢3500mm3500mm机组的改造过程，在国内率机组的改造过程，在国内率先开始了以先开始了以Q235Q235代替代替Q345Q345为目标的超级钢中厚板生产工艺研究，成功地开为目标的超级钢中厚板生产工艺研究，成功地开发出发出20mm20mm以下厚度规格的以下厚度规格的Q235Q235超细晶粒中厚钢板的超细晶粒中厚钢

46、板的TMCPTMCP生产技术，并先后生产技术，并先后在酒钢中板厂和南钢中板厂得到推广应用。在酒钢中板厂和南钢中板厂得到推广应用。2.3 2.3 板带钢生产工艺优化的典型示例分析板带钢生产工艺优化的典型示例分析（2 2）将）将Q235Q235升级为升级为Q345Q345的超级钢中板研制的超级钢中板研制 课题研究背景课题研究背景试验坯料及设备条件试验坯料及设备条件 试验材料为试验材料为220mm(220mm(厚厚) )1400mm1400mm（宽）（宽）1900mm1900mm（长）的（长）的Q235BQ235B连铸板坯，连铸板坯，化学成分如表化学成分如表1414所示。轧制试验在首钢中板厂所示。轧

47、制试验在首钢中板厂3340mm3340mm四辊可逆式轧机上完四辊可逆式轧机上完成，试验钢板厚度规格为：成，试验钢板厚度规格为：12mm12mm、20 mm20 mm。表表14 14 试验材料的化学成分（试验材料的化学成分（wt%wt%） 加热温度：加热温度：1150115012001200，在炉时间，在炉时间3.5h3.5h； 粗轧阶段开轧温度：粗轧阶段开轧温度：1050105011001100； 中间坯待温采用空冷、高压水冷却和中间坯待温采用空冷、高压水冷却和2 2组组2 2道、道、2 2组组4 4道、道、2 2组组6 6道水冷；道水冷； 精轧开轧温度：精轧开轧温度：810810870870

48、，终轧温度：，终轧温度： 680680770770； 中间坯厚度中间坯厚度22倍成品厚度，精轧道次的道次压下量倍成品厚度，精轧道次的道次压下量101025%25%； 终轧后水幕冷却，冷却速度：终轧后水幕冷却，冷却速度：25/s 25/s ，终冷温度，终冷温度550550650650。 试验时所采用的试验时所采用的TMCPTMCP工艺参数如下：工艺参数如下： 工业试验时采用较大的冷却速度，加强对相变过程的控制，所采用的主工业试验时采用较大的冷却速度，加强对相变过程的控制，所采用的主要要TMCPTMCP工艺参数如下工艺参数如下: : 加热温度：加热温度：1150115012001200；在炉时间；

49、在炉时间3.5h3.5h； 粗轧阶段开轧温度：粗轧阶段开轧温度：1050105011001100； 精轧开轧温度为精轧开轧温度为820820890890； 终轧温度：终轧温度：770770820820； 终轧后冷却方式：管层流；终轧后冷却方式：管层流； 冷却速度冷却速度1020/s1020/s；终冷温度；终冷温度480480640640。 为了充分利用首钢改造后的强力轧机和高效冷却系统的设备优势，以为了充分利用首钢改造后的强力轧机和高效冷却系统的设备优势，以前期所进行的大量前期所进行的大量Q235Q235钢工艺试验结果为基础，在首钢改造后的钢工艺试验结果为基础，在首钢改造后的3350mm335

50、0mm机组上进行机组上进行TMCPTMCP工艺综合工业试验，试验钢的化学成分如表工艺综合工业试验，试验钢的化学成分如表1515所示。所示。表表15 15 首钢首钢3350mm3350mm机组工业试验钢的化学成分和坯料规格机组工业试验钢的化学成分和坯料规格 首钢设备改造后的工业试验首钢设备改造后的工业试验试验设备及轧后冷却条件规格(mm)待温厚度(mm)精轧开轧温度（）终轧温度（）终冷温度（）冷却速度/s屈服强度(Mpa)抗拉强度(Mpa)延伸率（%）3340mm轧机+2组水幕123057807870687770494646243473974474972231204560820830742755

51、6657102433035045847030313500mm轧机+管层流冷却12224882589673882455664810253454204855452328.520426181886476383348069010203303754755202332表表16 16 试验钢板的工艺条件及力学性能检验结果试验钢板的工艺条件及力学性能检验结果 试验钢板的力学性能检验结果如表试验钢板的力学性能检验结果如表1515所示，厚度规格为所示，厚度规格为20mm20mm的的Q235BQ235B中板，中板，屈服强度达到了屈服强度达到了325MPa325MPa，抗拉强度为，抗拉强度为455MPa455MPa，

52、延伸率为，延伸率为31.5%31.5%，冲击达到，冲击达到D D级级水平，铁素体晶粒尺寸为水平，铁素体晶粒尺寸为14m14m；厚度规格为；厚度规格为12mm12mm的的Q235BQ235B钢板，屈服强度可钢板，屈服强度可达到达到335MPa335MPa，抗拉强度为，抗拉强度为475MPa475MPa，延伸率为，延伸率为30%30%，冲击功达到，冲击功达到D D级水平，铁素级水平，铁素体晶粒尺寸为体晶粒尺寸为14m14m。 试验结果及分析试验结果及分析 （a a）12mm12mm规格规格 （b b）20mm20mm规格规格 图图29 29 试验钢板的金相照片试验钢板的金相照片 NoImage （

53、a a）铁素体中的位错亚结构）铁素体中的位错亚结构 （b b）已发生退化的珠光体）已发生退化的珠光体图图30 30 试验钢板的试验钢板的TEMTEM照片照片 对对Q235Q235升级后的升级后的12mm12mm、20mm20mm钢板进行了手工焊对接焊接适应性试钢板进行了手工焊对接焊接适应性试验，根据实际板厚，验，根据实际板厚，12mm12mm试板采用试板采用V V型坡口，型坡口，20mm20mm试板采用试板采用X X坡口，坡坡口，坡口角度均为口角度均为6060，无钝边，装配时留，无钝边，装配时留1.5-2.5mm1.5-2.5mm间隙；因间隙；因Q235Q235板经控轧板经控轧控冷升级后，其强

54、度已达到了控冷升级后，其强度已达到了Q345Q345级别，故焊接时所用电焊条为级别，故焊接时所用电焊条为Q345Q345级别的级别的J506J506电焊条，焊条熔敷金属的化学成分及力学性能如表电焊条，焊条熔敷金属的化学成分及力学性能如表1717所示。所示。焊接接头的拉伸性能如表焊接接头的拉伸性能如表1818、焊接接头各部位的冲击性能如表、焊接接头各部位的冲击性能如表1919所示。所示。 由焊接试验结果可见，由焊接试验结果可见，Q235Q235升级后的细晶粒钢板经手工电弧焊后，升级后的细晶粒钢板经手工电弧焊后，焊接接头拉伸后均断在母材，说明焊缝的强度高于母材的强度；焊缝焊接接头拉伸后均断在母材，

55、说明焊缝的强度高于母材的强度；焊缝金属的冲击功优于母材的冲击功，说明焊接材料的冲击韧性优于母材，金属的冲击功优于母材的冲击功，说明焊接材料的冲击韧性优于母材，熔合线、热影响区冲击值与母材冲击值相当，说明熔合线、热影响区冲击值与母材冲击值相当，说明Q235Q235升级板经手工升级板经手工电弧焊后母材性能变化不大，手工电弧焊的焊接适用性良好。电弧焊后母材性能变化不大，手工电弧焊的焊接适用性良好。表表17 17 熔敷金属化学成分及熔敷金属力学性能熔敷金属化学成分及熔敷金属力学性能表表18 18 焊接接头的拉伸性能焊接接头的拉伸性能表表19 19 焊接接头的各部位的冲击性能焊接接头的各部位的冲击性能备

56、注：备注：1 1焊缝，焊缝，2 2熔合线，熔合线，3 3热影响区热影响区 结结 论论（1 1）在可以实现大冷却速度和较低终冷温度的条件下，可以）在可以实现大冷却速度和较低终冷温度的条件下，可以不必过分追求低温轧制，仅通过不必过分追求低温轧制，仅通过TMCPTMCP工艺参数的优化组合，工艺参数的优化组合，即可利用普通即可利用普通Q235Q235成分坯料生产出具有高强度、高塑性和韧成分坯料生产出具有高强度、高塑性和韧性的超级钢中板。性的超级钢中板。（2 2）所研制的）所研制的Q235Q235升级钢板微观组织以细小多边形铁素体和升级钢板微观组织以细小多边形铁素体和退化珠光体组织为主，退化珠光体组织为

57、主，20mm20mm规格板发现有少量粒状贝氏体，规格板发现有少量粒状贝氏体，铁素体平均晶粒尺寸铁素体平均晶粒尺寸101012m12m。终轧后加速冷却。终轧后加速冷却, ,导致珠光体导致珠光体细化细化, , 珠光体强度增加珠光体强度增加, , 珠光体退化和铁素体晶粒细化是低珠光体退化和铁素体晶粒细化是低温冲击韧性提高的主要原因。温冲击韧性提高的主要原因。（3 3）所研制的）所研制的Q235Q235升级钢板具有屈强比低升级钢板具有屈强比低(0.7)(0.7)、延伸率高、延伸率高(26.5%)(26.5%) 和焊接性能良好的特点，具有很好的推广应用前景。和焊接性能良好的特点，具有很好的推广应用前景。

58、2.3 2.3 板带钢生产工艺优化的典型示例分析板带钢生产工艺优化的典型示例分析（3 3）新型）新型Q460Q460级细晶粒中厚钢板的研制级细晶粒中厚钢板的研制 本研究开发出一种新型本研究开发出一种新型Q460Q460级焊接结构中厚钢板制造方法。与传统的级焊接结构中厚钢板制造方法。与传统的Nb-VNb-V复合微合金化复合微合金化Q460Q460级钢相比，其成分与传统级钢相比，其成分与传统16Mn16Mn成分相近，此钢种可成分相近，此钢种可用于工程机械制造，代替传统用于工程机械制造，代替传统6060公斤级工程机械用钢。公斤级工程机械用钢。 表表2020为新开发为新开发460MPa460MPa级钢

59、板（简称级钢板（简称UP460UP460）与传统）与传统Q460Q460级钢典型化学成级钢典型化学成分的对比。可以看出：新开发钢与传统钢相比，不仅节省了全部的分的对比。可以看出：新开发钢与传统钢相比，不仅节省了全部的V V，还，还使使NbNb的用量大幅度降低。由于传统的用量大幅度降低。由于传统Q460Q460中含中含NbNb较高，为保证钢坯加热时较高，为保证钢坯加热时NbNb（C C，N N）易于溶解，通常需要将）易于溶解，通常需要将C C含量控制在成分下限。另外，当钢中合含量控制在成分下限。另外，当钢中合金元素添加量较多时，易造成连铸坯表面裂纹。新开发钢中金元素添加量较多时，易造成连铸坯表面

60、裂纹。新开发钢中NbNb的用量较低，的用量较低，因此，冶炼时不对因此，冶炼时不对C C含量做特殊要求，连铸坯表面亦不易产生裂纹。含量做特殊要求，连铸坯表面亦不易产生裂纹。表表20 20 新开发钢与传统新开发钢与传统Q460Q460化学成分的对比（质量分数化学成分的对比（质量分数% %） 化学成分设计原则化学成分设计原则TMCP TMCP 工艺要点工艺要点 新开发钢中不含析出强化功能较强的新开发钢中不含析出强化功能较强的V V元素，因此，必须元素，因此，必须有其它强化机制作用的提高，来弥补析出强化的不足。通过有其它强化机制作用的提高，来弥补析出强化的不足。通过在酒钢在酒钢450450实验轧机上进