钢材控轧控冷工艺的技术研究及应用.docx

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钢材控轧控冷工艺的技术研究及应用

控轧控冷工艺的技术研究及应用

李薇

（沈阳工业大学材控12级，17835289）

[摘 要 ]介绍了控轧控冷的机理，控制轧制的优缺点。

控制轧制与传统轧制的比较；由于各种钢种以及用户对产品性能的要求越来越高，使得控制轧制应用的必要性逐渐增大。

 高速线材轧制中应用的主要是控制冷却工艺，该技术的核心是通过对加热温度控制、轧前水冷、精轧机内水冷、精轧机组后水冷、风冷线温控等参数实现控制轧制。

由于线材的轧制速度相比其它都较高，在生产中产生的变形热也相对较高，实现控制冷却尤为重要，控制加热温度，在轧制的道次间使用间断冷却，保证产品的综合性能。

 在板带材中应用的控制轧制技术的核心是在轧制过程中通过控制加热温度、轧制过程、冷却条件等工艺参数, 改善钢材的强度、韧性、焊接性能。

该项技术问世20 年来,经过不断地完善和巩固, 已经逐步扩展应用到海洋结构用钢、线棒材、型材等各个领域。

[关键词] 控轧控冷机理；特点；必要性；工艺参数；扩展应用高速线

材；加热温度；控轧控冷

Abstract :

Describes the mechanism of controlled rolling and cooling to control the rolling of the advantages and disadvantages. Controlled rolling compared with the traditional rolling; because of various steel and users are increasingly demanding high performance, making the need for the application of controlled rolling increases.  Application of high-speed wire rod rolling is mainly controlled cooling process, the technology is the core temperature control by heating, cooling before rolling and finishing mill in water-cooled, water cooled after finishing mill, cooling line temperature and other parameters to achieve controlled rolling .As compared to the other wire of the rolling speed is high,the deformation generated in the pooduction of heat is relatively high,the cooling is particularly important to achieve control,control heating temperature,the rolling is particularly important to achieve control,control heating temperture,the rolling of the use of intermittent cooling between passes,to ensure that the intergrated product properties （tensile strength, hardness, etc.）. In the application of plate and strip rolling technology is the core of the control during rolling by controlling the heating temperature, the rolling process, the cooling conditions, process parameters, to improve the steel's strength, toughness, weldability. Advent of this technology for 20 years, through continuous improvement and consolidation, has been gradually extended to the marine structural steel, wire rods, profiles and other fields.

Keywords:

 mechanism,characteristics,necessity,process parameters,extension using the high speed wire rod, heating temperature,controlled rolling and cooling

1引言 

控制轧制（C-R）和控制冷却（C-C）技术的研究始于1890年二次世界大战的德国，当时科研人员对钢铁产品的加热工条件、材质及显微金相组织之间的关系进行了非系统的零散研究。

到了20世纪60年代初期，在美国科研人员定性地解释了热轧后的钢材继续发生奥氏体再结晶动力学变化后，这才从理论上某种程度的解释了控制轧制技术。

到了20 世纪60年代末期，科研人员通过实验发现，添加微量元素铌（Nb）对提高单纯轧制钢材的强度有效。

随后进一步研究表明，造成铌系钢材强度高的原因，是由于维系铌碳氮化合物的铁素体析出强化造成的,同期英国钢铁研究机构对轧制钢材的显微结构和机械性能的定量关系、铌、钒（V）的强化机理,控制轧制原理等进行研究,证实了依靠物理冶金基础,进行合理的合金成分的设计和轧制条件的设定,便能达到所期望的钢材目标性能值和显微组织。

到了20世纪70年代,对钢材强度、低温韧性、焊接性能要求更高了,21世纪80年代以来，高速线材的轧制速度己突破100m/s,由于轧制速度的提高，导致轧件的温升增加，使终轧温度高于1000℃，线材成品表面的氧化铁皮增多、晶粒粗大、钢材的显微组织和机械性能极不均匀。

控制轧制中水冷和轧后的散卷冷却，以便得到组织性能良好的线材;保证轧件的轧制温度，控冷控轧就显得至关重要，因此，合适的控轧控冷参数是轧制生产线水平高低的重要标志之一而此时仅仅依靠传统的控制轧制技术远远不够。

于是在奥氏体控制轧制的基础上,还需要控制冷却速度来控制相变本身,于是开始了真正意义的控轧控冷技术的应用。

控制轧制可以在道次间控制冷却还可以减少待温时间，提高轧机小时产量。

在道次间采用控制冷却，可以精确地控制终轧温度，减少轧件停下来等待降温的时间。

利用轧后钢材余热，给予一定的冷却速度控制其相变过程，从而可以取代轧后正火处理和淬火加回火处理，节省了二次加热的能耗，减少了工序，缩短了生产周期，从而降低了生产成本。

2控制轧制的概述 

2.1控轧控冷的定义 

1 控制轧制：

是在调整钢的化学成分的基础上，通过控制加热温度、轧制温度、变形制度等工艺参数，控制奥氏体状态和相变产物的组织状态，从而达到控制钢材组织性能的目的。

2 控制冷却：

是通过控制热轧钢材轧后的冷却条件来控制奥氏体组织状态控制相变条件、控制碳化物析出行为、控制相变后钢的组织和性能。

3 TMCP：

控制轧制和控制冷却技术结合起来，能够进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合性能，并能够降低合金元素含量和碳含量，节约贵重的合金元素，降低生产成本。

2.1.1 控制轧制与普通轧制的比较 

与普通生产工艺相比，通过控轧控冷生产工艺可以使钢板的抗拉强度和屈服强度平均提高约40～60MPa，在低温韧性、焊接性能、节能、降低碳当量、节省合金元素以及冷却均匀性、保持良好板形方面都有无可比拟的优越性。

2.2 钢板和带钢控制轧制工艺的种类和特点 

2.2.1 控制轧制的种类：

中厚钢板的普通热轧工艺是指坯料的加热温度一般高于1200℃，出炉后在高温区不间断地轧制到成品厚度，中轧温度偏高，多在950℃以上，变形制度不严格控制，轧后一般采用空冷，因而获得比较粗大的铁素体和珠光体组织，钢的力学性能偏低，特别是低温韧性很难达到要求。

根据热轧过程中变形奥氏体的组织状态和相变机制不同，将控制轧制分为三个阶段，即在奥氏体再结晶温度区的控制轧制称为奥氏体再结晶型控制轧制；在奥氏体未在结晶温度区的控制轧制称为奥氏体未在结晶型控制轧制；在奥氏体和铁素体（A+F）两相温度区的控制轧制叫两相区控制轧制。

中厚板和板带钢热轧时，几可以采用单一类型的控制轧制工艺，也可以采用两种或三种类型相配合的控制轧制工艺。

2.2.2控制轧制的特点：

1控制轧制的优点 

1）可以在提高钢材强度的同时提高钢材的低温韧性。

2）可以充分发挥铌、钒、钛等微量元素的作用。

2 控制轧制工艺的缺点：

1）要求较低的轧制变形温度和一定的道次压下率，因此增大了轧制负荷。

 2）由于要求较低的终轧温度，大规格产品需要在轧制道次之间待温，降低轧机生产率。

3 控制冷却工艺的优点 

1）节约能耗、降低生产成本。

利用轧后钢材余热，给予一定的冷却速度控制其相变过程，从而可以取代轧后正火处理和淬火加回火处理，节省了二次加热的能耗，减少了工序，缩短了生产周期，从而降低了生产成本。

2）可以降低奥氏体相变温度，细化室温组织。

轧后控制冷却能够降低奥氏体相变温度，对同一晶粒度级别的奥氏体，低温相变后会使，晶粒明显细化，使珠光体片层间隔明显变薄。

3）可以降低钢的碳当量。

采用轧后控制冷却工艺有可能减少钢中的碳含量及合金元素加入量，达到降低碳当量的效果。

4）道次间控制冷却可以减少待温时间，提高轧机小时产量。

在道次间采用控制冷却，可以精确地控制终轧温度，减少轧件停下来等待降温的时间。

3、控轧控冷的原理 

控轧控冷技术的基本原理就是控制热轧条件,经过相变过程在奥氏体（γ）的基体上,形成高密度的铁素体（α）晶核,从而在相变后, 达到细化钢材的组织结构。

经过研究发现铁素体的形核位置通常是在奥氏体的相界面、由热变形和变形带造成的退火孪晶的内界面。

传统意义上的热轧产品铁素体相晶核大量在奥氏体晶界上产生,而控轧控冷轧制后产品的铁素体相晶核既可以在晶粒内部成核,也可以在晶界上成核,这就导致了两者在铁素体晶粒最后结构上的不同。

可分为控制轧制和控制冷却两个过程。

3.1 控轧技术 

控制轧制是在调整钢的化学成分的基础上，通过控制加热温度、轧制温度、变形制度等工艺参数，控制奥氏体状态和相变产物的组织状态，从而达到控制钢材组织性能的目的。

控制轧制技术的关键有二：

一是控制轧制温度，尤其是终轧阶段温度；二是控制变形程度。

按照变形温度和再结晶程度控制轧制通常划分为三个阶段

1） 在奥氏体再结晶区（温度：

T＞Tnr 未再结晶温度）结束终轧的一阶段轧制； 

2） 在奥氏体末再结晶区（温度：

Ar3＜T＜Tnr）结束终轧的两阶段控制轧制； 

3） 在奥氏体+铁素体两相区（温度：

Ar3～（Ar3-40 ℃））结束终轧的三阶段控制轧制。

研究表明：

在奥氏体再结晶温度区间，增加变形量可以细化再结晶奥氏体晶粒，过渡增加变形量，再结晶奥氏体晶粒细化趋势减弱。

3.2控制冷却技术 

控制冷却：

是通过控制热轧钢材轧后的冷却条件来控制奥氏体组织状态、控制相变条件、控制碳化物析出行为、控制相变后钢的组织和性能。

板带钢轧后冷却技术的发展经历了不断的技术更新。

从控制冷却技术的发展来看，主要集中在提高冷却速度（冷却效率）、温度均匀性、设备可靠性、提高组织均匀性、控冷板形平直度等几个方面做出努力。

4.控制冷却技术的作用

控制冷却的作用可概括为：

（1）提高产品质量：

①力学性能：

提高强度，改善韧性；②工艺性能：

改善可焊性，提高氢致裂纹抗力，提高成形性；③组织与结构：

增强组织的分散度，可获得复相组织，细化晶粒，增强析出；④表面质量：

减少表面划伤和裂纹，减少氧化铁皮，无表面脱碳。

（2）降低生产成本节省合金成分，节约能源，简化工艺流程，提高成材率。

（3）增加社会效益减轻构件或设备重量，节省自然资源，减少环境污染。

5、研究主要新进展  

随着轧制技术的发展和对新钢种开发的不断追求，对控制冷却技术提出了更高的要求。

在超级钢采用NG-TMCP技术，目的也是得到硬化的奥氏体。

因此，即使在较高的温度下，也可以通过连续大变形和应变积累，在轧后通过高冷却速度得到硬化的、充满“缺陷”的奥氏体。

换言之，在现代的NG-TMCP 热轧生产线上，即使不用“低温大压下”，也可以实现奥氏体的硬化[1]。

在这种情况下，就希望尽量采用适于轧件变形的常规的轧制温度，但此时终轧温度较高，如果不加控制，材料会由于再结晶而迅速软化，失去硬化状态。

因此，在终轧温度和相变开始温度之间的冷却过程中，应努力设法将奥氏体的硬化状态保持到动态相变点，避免硬化奥氏体的软化。

近年出现的超快速冷却技术，可以对钢材实现每秒几百摄氏度的超快速冷却，使得材料在极短的时间内迅速通过奥氏体相区，将硬化奥氏体“冻结”到动态相变点。

这就为保持奥氏体的硬化状态和进一步进行相变控制提供了重要基础[2]。

完成超快速冷却后，还有后续相变过程的控制。

这方面，现代的控制冷却技术可以提供良好的控制手段，实现冷却路径的精确控制。

对NG-TMCP 而言，相变强化仍然是可以利用的重要强化手段；同样，还可以根据需要，适量加入微合金元素，实现析出强化。

总之，NG-TMCP 能充分调动各种强化手段，提高材料的强度，改善综合性能，最大限度地挖掘材料的潜力[3]。

（1）热轧带钢超快速冷却的应用：

涟钢2250mm热连轧生产线的超快速冷却系统已经投入使用，其采用了“倾斜式超快速冷却+ACC”的混合配置方式，3mm厚的带钢最大冷却速度可达到300℃/s，超出常规层流冷却设备的冷却能力。

倾斜布置的喷嘴，可以对钢板全宽实行均匀的“吹扫式”冷却，扫除钢板表面存在的气膜，达到全板面的均匀核沸腾，不仅可以大大提高冷却效率，而且可以突破高速冷却时冷却均匀性这一瓶颈问题，实现带材全宽、全长上均匀化的超快速冷却，得到平直度极佳的无残余应力的产品[4]。

（2）中厚板超快速冷却（Ultra Fast Cooling-UFC）[5]的应用：

中厚板轧机与热连轧机不同，是可逆式轧制，轧后冷却系统与轧机的距离较远，硬化状态的保持有一定的难度，但是也有可能利用超快速冷却实现NG-TMCP 的功能，提高中厚板产品的质量。

目前中厚板超快速冷却装置已投入使用或正在调试的企业生产线有河北敬业集团3000mm生产线、鞍钢4300mm生产线以及首钢首秦公司4300mm生产线等。

“UFC-DQ”是利用超快冷装置的DQ功能,实现轧件的在线淬火。

而“Online T”的设备被称为“HOP（heat treatment on-line process） ,是利用大功率电磁感应线圈对DQ后的钢板进行在线回火[6]。

HOP是目前世界上惟一的一套中厚板在线热处理设备,2003年开始安装于JFE西日本制铁所福山厂,2004年5月投产,可以处理的钢板宽度达到415m。

 （3）棒线材超快速冷却的应用：

实现热轧带肋钢筋轧后超快速冷却的关键工艺设备是超快速冷却水冷器。

国内现有的余热淬火水冷器需要进行改造，才可以提高冷却效率，实现热轧带肋钢筋轧后超快速冷却。

该工艺的使用可以做到不改造主要设备，不需降低作业率，不需低温轧制，不需余热淬火。

由于强化了冷却效果，可以提高冷床的冷却效率，从而提高产量。

 采用热轧带肋钢筋超快速冷却技术，可以在少用或者不用合金元素的情况下，利用335MPa级的20MnSi生产HRB400、HRB500螺纹钢筋，大幅度提高产品质量，降低生产成本。

6.发展趋势：

TMCP技术在某些钢材的生产应用方面已趋于成熟，但是在有些领域还没有进行尝试或是没有取得突破。

以下仅从两个方向说明TMCP技术的发展趋势[7]。

（1）TMCP技术在钢管轧制中的应用设想：

迄今为止，TMCP在热轧板材方面的生产应用已十分广泛，但在无缝钢管，尤其是中大直径无缝钢管领域，其工业推广目前尚处起步阶段，需经制管企业根据各自工艺及装备条件有步骤地组织实施，不断实践、不断完善。

无缝钢管的生产具有相对较高的开轧、终轧温度以及相对有限的减壁变形率；另一方面，与其他长材相比，无缝钢管具有较大的轮廓断面尺寸、较大的规格变化范围,从而使其在线热处理的控制与实施面临较多的变数；加之其机组生产效率、设备能力和材料热塑性等因素的影响,使得TMCP在无缝钢管生产中的实施与应用受到很大约束。

TMCP的实施原则就是要在这样的约束条件下，在对特定产品的使用性能、物理冶金、钢种成分、工艺参数和测控手段等各方面进行量身定制的基础上，尽可能地利用和发掘在线调控的工艺资源，通过灵活调节轧件形变与温度变化的幅值及速率，经济、高效地赋予该产品以预期的性能。

（2）TMCP技术在H型钢轧制中的应用前景：

由于常规控制冷却系统的冷却能力不足，需要较大的建设长度，同时翼缘和腹板冷却条件不同，会造成不同部分极大的温差，所以我国H型钢轧机的控制冷却一直是空白，这在一定程度上限制了H型钢轧机的技术进步和高附加值减量化产品的开发。

所以，将TMCP技术应用于H型钢的生产，是我们正在研究与发展的目标，在某些高校与企业的合作中已取得初步进展[8]

参考文献

[1]NKKS Fukuyama. Super-OLAC H Introduced at Hou Strip Mill for Automotive Steel Sheet Production [EB/OL]. （2002-07-15） 

[2] Gladman T , Dulieu D , Mclvor I D. Structure property relationships in high strength microalloyed steel[C] ∥Proc of Symp on Microalloying’75. New York :

 Union Carbide Corp , 1976 :

32 - 55. 

[3] Omata K, Yoshimura H , Yamamoto S. Leading high performance steel plates with advanced manufacturing technologies[J ] . N KK Technical Review , 2003 ,88 :

 73 - 80. 

［4］袁国，王昭东，王国栋，等. 控制冷却在板带材开发生产中的应用［J］. 钢铁研究学报，2006，18

（1）：

1-5. 

[5]Houyoux C, Herman JC, Simon P, et al. Metallurgical Aspects of Ultra Fsat Cooling on a Hot Strip Mill [J].Revue de Metallurgic, 1997, 97:

58-59.

[6]Kagechika H. Production and technology of iron and steel [J ] . IS IJ International , 2006 ,46 （7） :

939 - 958. 

[7] Kagechika H. Recent progress and future trends in the research and development of steel [ J ] . N KK Technical Review , 2003 ,88 :

6 - 9. 

［8］吴迪，王国栋，赵宪明. 利用新一代TMCP生产Ⅲ，Ⅳ级热轧带肋钢筋的理论与实践［C］//2009 年全国建筑用钢筋生产、设计与应用技术交流研讨会会议文集. 北京，2009.