現(xiàn)代化寬厚板廠控制軋制和控制冷卻技術(shù)

1、現(xiàn)代化寬厚板廠控制軋制和控制冷卻技術(shù)專業(yè)：材料成型及控制工程姓名：學(xué)號(hào)：38何應(yīng)欽（材料成型及控制工程專業(yè)12）摘要: 近三十年以來，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。控制軋制和控制冷卻工藝的開發(fā)與理論研究進(jìn)一步揭示了熱變形過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

2、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Modern lenient plate factory controlled rolling and controlled cooling technology，（Material forming and control engineering） Abstract: For nearly 30 years, controlled rolling and controlled cooling technology obtained the rapid development in for

3、eign countries, and countries successively carried out various theoretical research and applied technology research, and tries to use in the production of steel rolling, the obvious improve and enhance the tenacity of steel and the use of performance, in order to save energy consumption, simplify pr

4、oduction process and development of new steel varieties created favourable conditions. Most lenient plate factory at home and abroad adopt controlled rolling and controlled cooling technology, production has high strength, high toughness and good weldability of high qualified steel plate. Controlled

5、 rolling and controlled cooling technology development and theory research of further reveals that the thermal deformation in the process of deformation and cooling process parameters and the change of the organization of the steel, the relevant laws and the internal relations between steel performa

6、nce, enrich and formed steel thermal deformation under the condition of physical metallurgy engineering theory, to provide theoretical basis for reasonable hot-rolling process. Keywords: generous plate factory, controlled rolling and controlled cooling 1 前言在第二次世界大戰(zhàn)期間，全焊接型船舶發(fā)生了脆性斷裂事故，從而要求鋼鐵制造廠家改進(jìn)工藝，改

7、善船板的低溫韌性，以確保船舶的安全性。戰(zhàn)后歐洲一些國(guó)家的寬厚板廠采用二階段軋制工藝，以替代常規(guī)軋制和正火熱處理組合工藝，生產(chǎn)出了造船用抗拉強(qiáng)度為400M Pa 級(jí)且具有良好韌性的船板，從而導(dǎo)致了控制軋制原始工藝的誕生。1958年美國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)，鋼中添加微量的合金元素N b，在軋制狀態(tài)下能明顯提高鋼的強(qiáng)度。但由于采用常規(guī)軋制, 含N b 鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，韌性惡化。進(jìn)入60 年代，歐美等國(guó)的寬厚板廠對(duì)含N b 鋼采用原始的控制軋制工藝生產(chǎn)出了管線用鋼板。與此同時(shí)，英國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)開展了鋼的顯微組織與機(jī)械性能之間的定量關(guān)系、微量合金元素N b、V的強(qiáng)化機(jī)理、控制軋制機(jī)理等方面的研究。這些研究為以

8、后在世界范圍內(nèi)采用控制軋制工藝生產(chǎn)高強(qiáng)韌性鋼板作出了積極的貢獻(xiàn)。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C、Mn、Si、Ni等合金元素來獲得。通過添加N b、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

9、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

10、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。3 現(xiàn)代化寬厚板廠控制軋制技術(shù) 3.1 控制軋制工藝參數(shù)的確定原則3.1.1 板坯出爐溫度 在確保鋼中微合金元素碳氮化合物溶解的前提下，應(yīng)盡可能采用低的出爐溫度，以獲得細(xì)小的原始奧氏體組織。板坯加熱溫度過高，碳氮化合物完全固溶后，奧氏體晶粒將迅速長(zhǎng)大，影響控軋效果，對(duì)鋼的強(qiáng)度和韌性有負(fù)面影響，同時(shí)延長(zhǎng)了控制軋制中間待溫冷卻時(shí)間，降低軋機(jī)產(chǎn)量。采用控制軋制工藝時(shí)，板坯的出爐溫度一般控制在10501200之間，具體出爐目標(biāo)溫度

11、的確定應(yīng)根據(jù)鋼的化學(xué)成分、控軋工藝、成品厚度以及規(guī)格難軋程度而定。 3.1.2 再結(jié)晶區(qū)域軋制后中間坯厚度及溫度 為了保證該階段軋制后變形奧氏體完全再結(jié)晶，此時(shí)中間坯目標(biāo)溫度一般> 950，在確定板坯出爐目標(biāo)溫度時(shí)，必須考慮這一因素。該階段累積壓下率通常占總壓下量的60%80%，軋后中間坯厚度為成品厚度的34倍，以確保后階段軋制時(shí)奧氏體有足夠的延伸，發(fā)揮控制軋制的強(qiáng)化作用。 3.1.3 未再結(jié)晶區(qū)域軋制開軋溫度和兩相區(qū)軋 制累積壓下率及終軋溫度奧氏體未再結(jié)晶區(qū)域軋制開軋溫度，通常在900 800之間，盡可能避開奧氏體部分再結(jié)晶區(qū)域，防止因出現(xiàn)奧氏體混晶組織對(duì)性能造成不利影響。對(duì)于在未再結(jié)

12、晶區(qū)域結(jié)束軋制的控軋工藝而言，終軋溫度高于Ar3。Ar3取決于鋼的化學(xué)成分、變形量等影響因素，應(yīng)通過試驗(yàn)方法確定，這對(duì)制定目標(biāo)終軋溫度是必要的。對(duì)于需在(C+A)兩相區(qū)進(jìn)行軋制的控軋工藝而言，終軋溫度低于Ar3。在確定終軋溫度時(shí)，必須考慮到兩相區(qū)軋制的累積變形量，一般取20%30%，使未相變變形奧氏體晶粒在兩相區(qū)軋制時(shí)，繼續(xù)拉長(zhǎng)；相變獲得的鐵素體晶粒產(chǎn)生塑性變形，形成亞晶結(jié)構(gòu)及位錯(cuò)，以進(jìn)一步提高鋼板的強(qiáng)度及韌性。高牌號(hào)管線鋼終軋溫度一般選680720。隨著終軋溫度的降低，鋼板強(qiáng)度提高，但過低的終軋溫度使得韌性惡化。由于各寬厚板廠設(shè)備不同，軋制條件不同，對(duì)于具體的某一產(chǎn)品由于所要求的性能、化學(xué)成

13、分、板厚等不同，因而無法確定標(biāo)準(zhǔn)控制軋制工藝參數(shù)，而應(yīng)根據(jù)具體的軋制條件及所期待的產(chǎn)品性能，通過工廠試驗(yàn)，優(yōu)化確定。3.2 控制軋制生產(chǎn)工藝 寬厚板廠控制軋制工藝與常規(guī)軋制工藝相比，由于增加了中間待溫冷卻，后階段需在規(guī)定溫度范圍內(nèi)軋制且累積壓下率有特殊要求，因此軋鋼工藝很復(fù)雜。如果中間坯在冷卻過程中，軋機(jī)處于空載待機(jī)狀態(tài)，將大大影響軋機(jī)產(chǎn)量，因而國(guó)外寬厚板廠自70年代開始采用多塊板坯交叉軋制方式，減少軋機(jī)待機(jī)時(shí)間，提高產(chǎn)量?，F(xiàn)將國(guó)外采用的單機(jī)架二階段控制軋制工藝、雙機(jī)架二階段及三階段控制軋制工藝作一介紹。 3.2.1 單機(jī)架二階段控制軋制工藝 圖2為單機(jī)架寬厚板軋機(jī)三塊板坯交叉軋制工藝。采用此

14、工藝時(shí)，軋線上板坯數(shù)量一般大于兩塊, 板坯數(shù)量取決于板坯軋制所需時(shí)間及中間冷卻所需時(shí)間，中間坯的中間待溫冷卻在機(jī)架的出、入口兩側(cè)進(jìn)行。板坯完成第一階段(再結(jié)晶型)軋制后，中間坯在機(jī)架的出口側(cè)輥道上空冷(也有采用水冷方式)，與此同時(shí)，后續(xù)板坯進(jìn)行第一階段軋制。當(dāng)?shù)谝粔K中間坯將要冷卻至第二階段開軋溫度時(shí)，軋機(jī)輥縫抬起、空設(shè)，所有在線中間坯送至軋機(jī)入口側(cè)。當(dāng)中間坯冷卻至第二階段開軋溫度時(shí)，依次進(jìn)行第二階段(未再結(jié)晶區(qū)域及兩相區(qū))軋制，按目標(biāo)板厚及目標(biāo)終軋溫度軋至成最終成品。此控制軋制工藝比較簡(jiǎn)單，對(duì)產(chǎn)量的影響程度較小，但要求軋機(jī)前后有足夠長(zhǎng)的待溫冷卻輥道。為了縮短中間坯的冷卻時(shí)間，日本的一些寬厚板廠

15、采用水冷裝置進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。4 控軋控冷工藝對(duì)寬厚板工廠設(shè)備的要求 控制軋制的顯著特點(diǎn)是超低溫軋制和高的軋制負(fù)荷，因而對(duì)軋機(jī)設(shè)備提出了極高的要求。對(duì)于5m級(jí)寬厚板軋機(jī)，最大軋制壓力應(yīng)達(dá)100MN。為了確保成品鋼板的厚度精度、低平凸度、良好的平直度，軋機(jī)的剛性系數(shù)應(yīng)達(dá)10kN/mm，支承輥直徑達(dá)20002400mm，同時(shí)應(yīng)采用工作輥彎輥等平直度控制手段。為了確保控制軋制所需的大軋制力矩,軋機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)功率應(yīng)達(dá)2×10000 kW (上、下單獨(dú)傳動(dòng)),允許最大過載力矩達(dá)2×4000kNm，電機(jī)轉(zhuǎn)速060/120 r/min,最大軋制速度達(dá)6.57m/s。經(jīng)控制冷卻后的鋼板溫度低于

16、600，高牌號(hào)管線鋼低于500，因而對(duì)加速冷卻裝置、熱矯直機(jī)的能力及鋼板平直度確保功能提出了很高的要求。為了使冷卻后的鋼板在長(zhǎng)度、寬度方向上溫度均勻，國(guó)外加速冷卻裝置及相關(guān)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)均有特殊控制功能。為了保證鋼板熱矯直后具有良好平直度,國(guó)外出現(xiàn)了最大矯直力達(dá)40000kN等級(jí)的強(qiáng)力熱矯直機(jī)，矯直輥輥縫調(diào)節(jié)采用全液壓方式且具有動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，上輥組具有整體前后、左右傾斜功能及整體正彎、負(fù)彎功能，以消除鋼板的單邊浪、雙邊浪及中浪。隨著控軋控冷技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)控軋控冷工藝生產(chǎn)的鋼板強(qiáng)度將進(jìn)一步提高。國(guó)外許多寬厚板廠已完成X100管線鋼制造技術(shù)的開發(fā)及焊管試驗(yàn)，現(xiàn)具備小批量供貨能力。這對(duì)剪切線設(shè)備提出

17、了新的要求。國(guó)外出現(xiàn)了可剪切鋼板強(qiáng)度達(dá)1200MPa(厚度40mm)的強(qiáng)力三曲軸(或二曲軸)滾切式剪切機(jī)，此類設(shè)備適應(yīng)了控軋控冷技術(shù)的發(fā)展。控軋控冷工藝復(fù)雜，各類工藝參數(shù)控制精度要求極高。從加熱至熱矯直機(jī)(即:軋制線)，至少必須由兩級(jí)計(jì)算機(jī)(L1、L2)實(shí)施生產(chǎn)工藝過程全自動(dòng)控制，同時(shí)必須設(shè)置大量的鋼板位置檢測(cè)儀表及測(cè)溫儀表。國(guó)外大多數(shù)寬厚板廠均采用四級(jí)計(jì)算機(jī)控制。5 結(jié)束語(yǔ) 隨著用戶對(duì)鋼板強(qiáng)度、韌性、可焊性要求的日益嚴(yán)格化，促使了國(guó)外寬厚板廠控制軋制和控制冷卻技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用，導(dǎo)致了一批控軋控冷型現(xiàn)代化寬厚板軋機(jī)的誕生。目前，控軋控冷技術(shù)已成為國(guó)外寬厚板廠的主導(dǎo)生產(chǎn)工藝，控制冷卻工藝所能處理的鋼板厚度及強(qiáng)度范圍仍在擴(kuò)大。而我國(guó)現(xiàn)有的三套4m左右級(jí)厚板軋機(jī)，成品鋼板最大寬度小于4m，設(shè)備裝備僅相當(dāng)于國(guó)外五、六十年代水平。且其中兩套軋機(jī)為國(guó)外二手設(shè)備，均無加速冷卻裝置，即使通過局部改