控制軋制與控制冷卻在線材生產(chǎn)中的作用

1、控制軋制與控制冷卻在線材生產(chǎn)中的作用卜安思（大連理工大學材料成型及控制工程10級）摘要控制軋制、控制冷卻是80年代國際重大軋鋼新技術，在線材生產(chǎn)中具有重要作用，合理制定控軋控冷工藝就能改善線材的組織和性能。并闡述了控制軋制和控制冷卻的機理，控軋控冷技術的冶金學原理，線材控制軋制和控制冷卻的方式及特點以及線材控制軋制和控制冷卻的目的。具有廣闊的前景和重大戰(zhàn)略意義。關鍵詞 控制軋制；控制冷卻；線材生產(chǎn)Abstract：Control rolling and cooling is a new technology in the 80 time, and it has an important rol

2、e in the production of online material. It can improve the structure and properties of the wire rod by setting the control cooling technology. The mechanism of controlled rolling and controlled cooling and the control principle, metallurgy rolling and cooling technology, wire rolling control and coo

3、ling control methods and characteristics and purpose of wire controlled rolling and controlled cooling. Has broad prospects and great strategic significance.Key Words：Controlled rolling; Control cooling; Wire rod production1引言控制軋制是在熱軋過程中通過對金屬加熱制度、變形制度和溫度制度的合理控制，使熱塑性變形與固態(tài)相變結合，以獲得細小晶粒組織，使鋼材具有優(yōu)異的綜合力學性能

4、的軋制新工藝?？刂评鋮s是控制軋后鋼材的冷卻速度達到改善鋼材組織和性能的目的。單純的控制軋制或控制冷卻以及將二者結合在一起的技術稱為TMCP。通過科學合理的控制扎制和控制冷卻工藝，可以使線材的強度和低溫韌性有較大的改善，同時節(jié)省能源并使生產(chǎn)工藝簡化，可以充分發(fā)揮合金元素的作用。通過控制扎制之后的控制冷卻，可以對冷卻過程的相變進行控制，實現(xiàn)相變強化、細晶強化及沉淀強化等多種強化機制的有效結合，進一步提高鋼材的綜合使用性能1- 2。2控軋控冷技術的冶金學原理2.1鋼的強化機理及對韌性的影響鋼的強化機理主要有：固溶強化、析出強化、位錯強化、細晶強化(晶界強化、亞晶強化)、相變強化等。固溶強化，通過添加

5、C，Mn，Si，Ni等合金元素來獲得。通過添加Nb，V，Ti微合金元素及采用控制軋制工藝可實現(xiàn)細晶強化、析出強化、位錯強化。在采用強化手段提高鋼的強度的同時，還必須考慮到強化手段對鋼韌性的影響。通常固溶強化(Ni元素除外)、析出強化、位錯強化的結果導致脆性轉變溫度升高;而細晶強化使脆性轉變溫度下降。因此通過控軋工藝以獲得細小鐵素體晶粒及采用奧氏體和鐵素體兩相區(qū)軋制獲得鐵素體亞晶組織，在提高鋼的強度的同時，又可以降低脆性轉變溫度。加入Nb，Ti微合金元素后，由于析出強化使屈服強度上升，同時脆性轉變溫度也上升。當采用控軋工藝后，細晶強化與析出強化共存，使屈服強度上升，脆性轉變溫度下降，即提高了鋼的

6、強韌性。 V微合金元素細晶強化不明顯，對改善鋼的韌性不利，一般需與Nb組合使用，發(fā)揮V的析出強化和Nb的細晶強化的綜合使用，以改善鋼的強韌性。鋼中第二相組織的存在，對脆性轉變溫度有不利影響，因而盡可能降低其體積比或細化第二相組織使其均勻分布。綜合上述，細晶強化是提高鋼強韌性的最佳手段。2.2獲得細小鐵素體晶粒的途徑三階段控制軋制原理圖1給出了多種控制軋制工藝與相變后組織之間的對應關系。如上所述，細晶強化可獲得高的強韌性，它可通過奧氏體再結晶區(qū)域控軋、奧氏體未再結晶區(qū)域控軋、奧氏體和鐵素體兩相區(qū)控軋來獲得細小鐵素體晶粒。圖1各溫度區(qū)域軋制后相變終了組織示意圖32.2.1奧氏體再結晶區(qū)域軋制(95

7、0)在奧氏體再結晶區(qū)域軋制時，軋件在軋機變形區(qū)內(nèi)發(fā)生動態(tài)回復和不完全再結晶。在兩道次之間的間隙時間內(nèi)，完成靜態(tài)回復和靜態(tài)再結晶。加熱后獲得的奧氏體晶粒隨著反復軋制再結晶而逐漸變細。圖中第階段，由于軋件溫度較高，奧氏體再結晶在短時間內(nèi)完成且迅速長大，未見明顯的晶粒細小。隨著軋制溫度的降低，軋制道次的增多(即:再結晶次數(shù)的增多)，在低溫再結晶區(qū)域(圖中第階段)軋制時，晶粒細化效果明顯， 強化作用充分體現(xiàn)出來，相變后的組織為細小等軸的鐵素體晶粒和珠光體組織。2.2.2奧氏體未再結晶區(qū)域軋制(950Ar3)在奧氏體未再結晶區(qū)域(圖中第階段)軋制時，由于軋后的奧氏體不產(chǎn)生再結晶，因此隨著軋制道次的增加，

8、變形奧氏體晶粒沿軋制方向逐漸拉長，且在變形奧氏體晶粒中形成大量的變形帶和位錯。變形奧氏體的晶界、變形帶及位錯等處是鐵素體形核部位。隨著變形量的增大，變形帶數(shù)量增多，而且分布更均勻。另外奧氏體晶粒被拉長后，將阻礙鐵素體晶粒的長大，因而相變后可獲得更加細小的鐵素體及珠光體組織。對于微合金鋼而言，微合金元素的碳氮化合物在相變時，優(yōu)先在奧氏體晶界、變形帶、位錯處析出，從而阻礙鐵素體、珠光體晶粒的長大。2.2.3奧氏體和鐵素體兩相區(qū)軋制(Ar3)在(+)兩相區(qū)(圖中第階段)高溫區(qū)域軋制一定的道次，達到一定累積變形量，未相變的變形奧氏體由于變形而繼續(xù)被拉長。同時晶粒內(nèi)形成的變形帶及位錯，在這些部位形成新的

9、等軸鐵素體晶粒。而先析出的鐵素體晶粒，由于塑性變形在晶粒內(nèi)部形成大量的位錯，并經(jīng)回復形成亞晶結構。這些亞晶結構使鋼的強度提高，脆性轉變溫度降低4。經(jīng)(+)兩相區(qū)軋制后，室溫條件下金相組織較復雜，通常為由極細小的等軸鐵素體、拉長的鐵素體、具有亞晶結構的變形鐵素體、極細小的珠光體組成的混合組織。兩相區(qū)軋制使相變后組織更加細小，同時產(chǎn)生了位錯強化及亞晶強化，從而進一步提高了鋼的強度和韌性。2.3控制冷卻的強韌性機理盡管控制軋制能有效地改善鋼材的性能，但由于熱變形因素的影響，使得鋼的相變溫度(Ar3)提高，致使鐵素體在較高溫度下析出，在空冷過程中鐵素體晶粒長大，從而使控制軋制效果受到限制。因此，控制軋

10、制必須配合加速冷卻(即:控制冷卻)工藝，降低相變溫度，進一步細化鐵素體及珠光體組織，同時使Nb，Ti，V微合金元素的碳氮化合物更加彌散析出，進一步提高析出強化效應。當冷卻速度達到一定值時，軋后加速冷卻得到的相變組織從鐵素體和珠光體組織變成更細小的鐵素體和貝氏體組織，貝氏體量隨著冷卻速度加快而增加，且生成的貝氏體組織極細，從而使鋼板強度進一步提高。體現(xiàn)鋼韌性指標的脆性轉變溫度受多種因素影響。晶粒細化使脆性轉變溫度降低，而析出強化效應增強，珠光體和貝氏體的體積分量增加，使脆性轉變溫度升高。加速冷卻后最終脆性轉變溫度是降低還是升高，取決于上述兩方面因素的綜合作用結果。只要合理選取加速冷卻工藝，能在提

11、高鋼的強度的同時，維持高的韌性指標。3控制軋制和控制冷卻的機理線材的控軋控冷實質(zhì)上是通過控制軋制工藝參數(shù)和軋后冷卻參數(shù)來控制鋼材的相變點和組織形態(tài)以生產(chǎn)出滿足人們需要的鋼種。3.1控制軋制機理熱塑性變形過程中或變形之后的鋼組織的再結晶在控制軋制中起決定作用，奧氏體晶粒的細化是控制軋制的基礎。熱變形從形變的角度考慮是降低變形抗力和提高鋼的塑性變形能力。從組織控制的角度考慮是:完成鋼的奧氏體組織的控制;在一定的奧氏體組織條件下進行形變，通過對形變條件的控制，實現(xiàn)對變形過程中組織的控制為相變做組織準備;控制相變過程，以獲得要求的組織和性能。不同的相變前的奧氏體組織，相變后組織就會不同，性能就不同。奧

12、氏體化條件不同、形變條件的不同，熱變形過程中會出現(xiàn)不同的動態(tài)回復過程(動態(tài)回復、動態(tài)再結晶)、靜態(tài)回復過程(靜態(tài)回復、靜態(tài)再結晶)，而不同的回復過程會形成各種熱變形條件下鋼的組織變化3- 5。3.2控制冷卻機理高溫終軋的線材，軋后處于奧氏體完全再結晶狀態(tài)，應采用軋后快速冷卻。因為如果軋后慢冷，則變形奧氏體晶粒將在冷卻過程中長大，相變后得到粗大的鐵素體組織。由于冷卻緩慢，由奧氏體轉變的珠光體粗大，片層間距加厚。這種組織的力學性能較低。對于低溫終軋的線材，終軋時奧氏體處于未再結晶溫度區(qū)域，由于變形影響Ar3溫度提高，終軋后奧氏體很快就相變，形成鐵素體。這種在高溫下形成的鐵素體長大速度很快。如果軋后

13、采用慢冷，鐵素體就有足夠長大時間，到常溫時就會形成較粗大的鐵素體，從而降低了控制軋制細化晶粒的效果。軋后快冷實質(zhì)上是控制軋制后細化了的變形奧氏體組織。經(jīng)過快速冷卻，相變組織相應變化，鋼中析出物的大小、數(shù)量、析出部位發(fā)生變化，從而使鋼材的強韌性得以提高。對于高碳鋼和高碳合金鋼軋制后控制冷卻的機理則是防止變形后奧氏體晶粒長大，降低以致阻止網(wǎng)狀碳化物的析出量和降低級別，減少珠光體球團尺寸，改善珠光體形貌和片層間距，從而改善鋼材的性能5- 7。4線材控制軋制和控制冷卻的方式及特點4.1控制軋制的方式及特點線材為了獲得高強度、高韌性的綜合性能，可以采用不同的控制軋制工藝來達到。根據(jù)熱扎過程中變形奧氏體的

14、再結晶狀態(tài)不同，相變機制不同，將其劃分為四個階段，圖2描述了四個階段的組織變化情況8-10。圖 2 控軋控冷工藝的四個階段第一階段為再結晶奧氏體()區(qū)域軋制(約950以上)。在高溫軋制后急速進行再結晶，此階段將因加熱而粗化的奧氏體晶粒經(jīng)反復軋制一再結晶進行細化，再結晶區(qū)軋制是通過再結晶進行奧氏體晶粒的細化，此階段中奧氏體的進一步細化較為困難，它是控制軋制的準備階段。第二階段是未再結晶奧氏體區(qū)域軋制(約950 Ar3之間)。隨著軋制溫度的下降，奧氏體再結晶被抑制，仍保持加工硬化狀態(tài)。隨著壓下量的增加，奧氏體晶粒伸長，同時晶粒內(nèi)有大量形變帶和位錯。這是控制軋制最重要的階段。第三階段是在(+)兩相區(qū)

15、軋制(約Ar3以下)。在此區(qū)軋制時，未相變的奧氏體晶粒更加伸長，同時，晶粒內(nèi)形成了形變帶及位錯，在這些部位形成新的等軸鐵素體晶粒。先析出的鐵素體晶粒由于塑性變形，在晶粒內(nèi)部形成大量的位錯，經(jīng)回復形成亞晶結構。這些亞晶結構使鋼的強度提高，韌脆轉變溫度降低。兩相區(qū)軋制使相變后的組織更加細小，同時產(chǎn)生了位錯強化及亞晶強化，從而進一步提高了鋼的強度和韌性。第四階段為軋后加速冷卻。在特定溫度區(qū)(500600)內(nèi)增加冷卻速度，使未相變的晶粒發(fā)生相變，變成微細的多邊化晶粒。晶粒更加細密，且內(nèi)部包含亞晶粒，這種包含亞晶粒的混合組織可使強度增大8-10。采用什么類型的控制軋制工藝，取決于鋼的化學成分，對成品鋼材

16、組織性能的要求，軋機的設備條件和工藝水平以及對軋機產(chǎn)量的要求等等。特別是軋機后面是否具備鋼材控制冷卻設備，冷卻設備能力的大小都直接影響到控制軋制工藝的選擇。4.2控制冷卻的方式及特點線材軋后的冷卻方式分為自然冷卻和控制冷卻。線材軋后控制冷卻過程分為3個階段。1.一次冷卻從終軋溫度開始到奧氏體向鐵素體開始轉變溫度Ar3或二次碳化物開始析出溫度Ac范圍內(nèi)的冷卻，其目的是控制熱變形后的奧氏體狀態(tài)，阻止奧氏體晶粒長大或碳化物析出，固定由于變形而引起的位錯，加大過冷度，降低相變溫度，為相變做組織上的準備。一次冷卻的開始快冷溫度越接近終軋溫度，細化奧氏體和增大有效晶界面積的效果越明顯。2.二次冷卻熱軋鋼材

17、經(jīng)過一次冷卻后，立即進入由奧氏體向鐵素體或碳化物析出的相變階段，在相變過程中控制相變冷卻開始溫度、冷卻速度和停止冷卻溫度等參數(shù)，就能控制相變過程，從而達到控制相變產(chǎn)物形態(tài)、結構的目的。3.三次冷卻相變之后直到室溫這一溫度區(qū)間的冷卻。一般鋼材相變后多采用空冷，冷卻均勻，形成鐵素體和珠光體。此外，固溶在鐵素體中的過飽和碳化物在慢冷中不斷彌散析出，使其沉淀強化。對一些微合金化鋼，在相變完成之后仍采用快冷工藝，以阻止碳化物析出，保持碳化物固溶狀態(tài)，達到固溶強化的目的。用于高溫鋼材冷卻有三類冷卻方式，其常用的具體的冷卻方法有:(1)噴水冷卻(噴流冷卻)水從壓力噴嘴中以一定壓力噴出水流，而水流為連續(xù)的，沒

18、有間斷現(xiàn)象，但是呈紊流狀態(tài)。這種采用水流破斷以前的連續(xù)噴流的冷卻方法叫做噴流冷卻，或叫做高壓噴水冷卻。這種冷卻方法穿透性好，在水膜比較后的時候采用。但這種冷卻方法水的噴濺較大，所以水的利用率較差。(2)噴射冷卻將水加壓由噴嘴噴出的時候，如果超過連續(xù)噴流的流速時則水流發(fā)生破斷，形成液滴群沖擊被冷卻的鋼材表面。這種用冷卻方法叫做噴射冷卻。該方法適合于一般冷卻及各種用途的噴嘴。但是用同一噴嘴所能控制的冷卻能力范圍不太寬，并且需要比其他方法施加更高的壓力。(3)霧化冷卻用加壓空氣使水霧化，水和高壓高速氣流一起從噴嘴噴出形成霧狀，這種冷卻方法叫做霧化冷卻。此種冷卻方法可以實現(xiàn)單獨風冷、弱水冷、噴水冷，且

19、冷卻均比較均勻。但成本較高，噪音較大，霧氣較多。此外，還有層流冷卻、浸水冷卻、管內(nèi)流水冷卻等冷卻方式10- 12。5線材控制軋制和控制冷卻的目的(1).降低鋼坯加熱溫度，節(jié)能而且還能減少脫碳，控制晶粒尺寸可以增大軋件穿過水冷段的剛度，減少事故發(fā)生率，提高軋機作業(yè)率，并為低溫精密軋制創(chuàng)造了條件，以生產(chǎn)更高質(zhì)量的產(chǎn)品。(2).得到具有最佳的變形特性的線材。(3).得到具有均勻的組織和穩(wěn)定性能的線材。(4).線材表面生成的氧化鐵皮薄，易于酸洗，以降低酸洗成本。(5).由于線材的頭、尾與通條溫度變化最小，性能均勻，減少了切頭，切尾的圈數(shù)。(6).對于螺紋線材，預應力鋼筋通過控溫軋制和控制冷卻工藝，不在增