新一代控制轧制与控制冷却技术.docx
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新一代控制轧制与控制冷却技术
材料成型及控制工程
新一代控制轧制与控制冷却技术
栾明
（材料成型及控制工程，53）
【摘要】针对传统控制轧制和控制冷却（TMCP）技术存在的问题,提出了以超快冷为核心的新一代的TMCP技术,并详述了作为实现新一代TMCP技术核心手段的超快冷技术的科学内涵和工业装备开发情况，指出新一代TMCP技术综合采用细晶强化、析出强化、相变强化等多种强化机制,可以充分挖掘钢铁材料的潜力，节省资源和能源,优化现有的轧制过程,有利于钢铁工业的可持续发展。
【关键词】新一代控制轧制和控制冷却；特殊钢；低碳贝氏体钢
Abstract:
Anew-generationTMCP（therm-mechanicalcontrolprocess）withultrafastcoolingascoretechniquewassuggestedinsteadoftheconventionalTMCPinwhichsomeproblemsaretobesolved.Describestheultrafastcoolingtechniquetheoreticallyandrelevantequipmentdevelopedforcommercialapplicationsindetail.Withthegrainrefining,precipitationandphasetransformationstrengthening,thenew-generationTMCPwasverifiedavailabletomakefullusethepotentialofsteels,saveresourcesandenergyandoptimizeexistingrollingprocess,thusprovidingbeneficiallyasustainabledevelopmentforironandsteelindustry.
Keywords:
newgenerationTMCP;specialsteel;lowcarbonbainitesteel
1引言
近代工业发展对热轧非调质钢板的性能要求越来越高,除了具有高强度外,还要有良好的韧性、焊接性能及低的冷脆性。
目前世界上许多国家都利用控轧和控冷工艺生产高寒地区使用的输油、输气管
道用钢板、低碳含铌的低合金高强度钢板、高韧性钢板,以及造船板、桥梁钢板、压力容器用钢板等
2控制轧制工艺的机理和特点
控制轧制工艺是指钢坯在稳定的奥氏体区域（Ar3）或在亚稳定区域（Ar3～Ar1）内进行轧制，然后空冷或控制冷却速度，以获得铁素体与珠光体组织，某些情况下可获得贝氏体组织。
现代控制轧制工艺应用了奥氏体的再结晶和未再结晶两方面的理论，通过降低板坯的加热温度、控制变形量和终轧温度，充分利用固溶强化、沉淀强化、位错强化和晶粒细化、机理,使钢板内部晶粒达到最大细化从而改变低温韧性,增加强度,提高焊接性能和成型性能。
所以
说,控制轧制工艺实际上是将形变与相变结合起来的一种综合强化工艺。
控制轧制一般有控温轧制和热机轧制两种。
在控温轧制中，为了获得所要求的目标值,必须在规定的温度范围内进行总变形，第一个负荷道次的开轧温度是事先通过出炉温度规定的。
轧制的温度范围由规定的终轧温度决定。
一般情况下，只有轧制过程在规定的时间内中断,并将轧件送到停歇场上进行冷却，这个终轧温度才能得到保证。
在这种轧制方式中,轧制中断时的钢板厚度没有规定,轧制钢板可以取消常规的正火处理。
热机轧制是在规定的温度范围内按照所规定的压下量进行轧制,又分为两阶段轧制和三阶段轧制。
在两阶段轧制中，轧制过程中断一次，并使轧件冷却到下一阶段所要求的轧制温度。
在三阶段轧制中,
轧制过程中断两次。
轧制阶段是由该阶段中预先给定的厚度压下量和完成该厚度压下量时的温度范围决定的。
由此产生了中间厚度和各阶段之间的轧制时间。
控轧的目的是在热轧条件下，通过细化铁素体晶粒,生产出韧性好、强度高的钢材。
例如，正常轧制工艺铁素体晶粒最好的情况是7～8级,直径大于20µm,而控制轧制工艺得到的铁素体晶粒为12级,其直径为5µm,这样细的晶粒是控制轧制最突出的优点。
控制轧制工艺还可以充分发挥微量元素的作用,含有微量Nb、V、Ti等元素的普通低碳钢采用控制轧制工艺,能获得更好的综合性能。
3新一代TMCP（NG-TMCP）
社会的高速发展,使人类面临越来越严重的资源、能源短缺问题,承受着越来越大的环境压力。
人类必须解决这些问题才能与自然和谐发展,保持人类社会的长治久安和子孙后代的幸福安康。
针对这样的问题,在制造业领域,人们提出了4R原则，即减量化、再循环、再利用、再制造。
具体到TMCP技术本身，必须坚持减量化的原则，即采用节约型的成分设计和减量化的生产方法，获得高附加值、可循环的钢铁产品。
这种TMCP技术就是以超快冷技术为核心的新一代TMCP技术，即NG-TMCP。
3.1HTP轧制工艺
热连轧过程通常是高速连续大变形的轧制过程,即使轧制温度较高,在连轧过程完成之后，也可以得到硬化的充满缺陷的奥氏体。
换言之,在现代的热连轧机上,即使不用“低温大压下”,也可以实现奥氏体的硬化。
由于连轧中的连续大变形和应变积累,硬化的获得不仅不需要低温大压下,甚至也不一定必须添加合金或微合金元素。
所以,新一代TMCP技术的第一个重要特点是“高温”轧制过程（HTP）。
这个“高温”只是相对于“低温大压下”而言的“高温”，实际上通常采取正常轧制温度,而不必采用接近相变点的较低温度。
新一代的TMCP采用适宜的正常轧制温度进行连续大变形,在轧制温度制度上不再坚持“低温大压下”的原则。
所以,与“低温大压下”过程相比,轧制负荷（包括轧制力和电机功率）可以大幅度降低,设备条件的限制可以大为放松,轧机等轧制设备的建设不必追求高强化,建设投资可以大幅度降低。
适宜的轧制温度大大提高轧制的可操作性,避免轧制工艺事故,例如卡钢、堆钢等,同时也延长了轧辊、导卫等轧制工具的寿命。
这对于提高产量、降低成是十分有利的。
对于一些原来需要在粗轧和精轧之间实施待温的材料,有可能通过超快速冷却的实施而不再需要待温，或者提高待温的温度,这对于提高生产效率具有重要的意义。
3.2超快速冷却
在这种情况下，考虑的第一个问题是轧件的温度。
由于采用常规轧制，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，应努力设法避免硬化奥氏体的软化,即设法将奥氏体的硬化状态保持到动态相变点。
近年出现的超快速冷却技术，可以对钢材实现每秒几XX的超快速冷却，因此可以使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”到动态相变点附近。
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条件。
3.3超快速冷却终止点的精确控制
轧后钢材由终轧温度急速快冷，迅速穿过奥氏体区,达到快速冷却条件下的动态相变点。
在轧件达到预定的温度控制点后,应当立即停止超快速冷却。
由于超快速冷却的终止点对后续相变过程的类型和相应的相变产物有重要影响，所以需要精确控制超快速冷却的终止点。
通过控制冷却装置的细分和精细调整手段的配置，以及高精度
的预控数学模型，可以保证终止温度的精确控制。
4NG-TMCP的强化机制
4.1固溶强化
固溶强化是普遍采用的强化机制。
C，N等小半径的原子，以间隙原子的形式与金属形成固溶体，造成基体金属晶格的畸变，提高材料的强度；而Mn,Cu,Ni,Cr等金属原子，通过置换基体金属原子而溶于金属中，由于原子半径不同，造成基体金属晶格畸变，也可以提高材料的强度。
这两种情况分别被称为间隙固溶和置换固溶。
在热轧过程中，固溶元素的存在，可以提高材料的变形抗力，所以在轧机设计中，应当考虑固溶强化对变形抗力的贡献，并在轧机设计中采取相应的强化措施。
对于C-Mn钢,固溶强化是主要的强化机制。
4.2细晶强化
控制轧制和控制冷却技术主要是针对HSLA钢，通过添加微合金元素提高钢材的再结晶温度,扩大未再结晶区，在未再结晶区进行低温大压下,使材料内部形成大量的变形带、亚晶、位错等晶体“缺陷”,这些“缺陷”在后续的相变中成为铁素体形核的核心。
“缺陷”的大量存在，造成后续相变中材料内部大量形核，因而可以大幅度细化材料的晶粒,实现细晶强化。
在材料中添加微合金元素，特别是Nb，会在800～950℃的温度区间由于变形的诱导而大量析出微合金元素的碳氮化物，从而提高材料的再结晶温度，强化材料的硬化效果。
对于HSLA钢来说,细晶强化是主要的强化方式。
当采用NG-TMCP时，尽管材料是在较高的温度下完成热变形过程,但是变形后的短时间内,材料还来不及发生再结晶，仍然处于含有大量“缺陷”的高能状态。
如果对它实施超快速冷却，就可以将材料的硬化状态保持下来，在随后的相变过程中，保存下来的大量“缺陷”成为形核的核心,因而可以得到与低温轧制相似的强化效果。
5生产工艺方面的新技术
5.1无加热成型技术
钢材的无加热成形技术是一种新的钢材轧制生产流程。
该工艺的实施是充分利用连铸坯的高温潜热，依靠连铸和轧钢工序的紧密衔接，实现连铸坯的直接热轧制。
在顺利生产条件下可以取消常规热轧
钢厂的加热炉。
在热轧生产中，轧钢工序钢坯加热耗能高，以典型的棒材轧机生产能耗为例，钢坯加热消耗的能量占80%，用于钢材轧制的能耗仅占16.9%。
若实现无加热成形工艺，综合过程补热和轧制能耗的提高，则轧钢工序能耗可以降低70%。
达涅利的无头连铸连轧工艺（ERC）是最接近无加热成形工艺的。
达涅利无头连铸连轧是一种创新的工艺，用于生产特殊钢和工业钢长材的小型轧机。
该工艺可实现从钢水到最终成品不间断的生产，包
括在线热处理和检查（生产特殊钢时），降低了吨钢轧制能耗，减少了二氧化碳的排放量。
5.2在线热处理技术
目前特殊钢棒材在线热处理选用了轧材分段后进入在线辊底式隧道炉进行退火和软化处理，此工艺技术方法主要以处理轴承钢、结构钢为主；特殊钢中的不锈钢线卷在线热处理主要选用了以下３种在
线热处理方式：
线材吐丝后散卷直接进行水淬处理；卷取过程中直接进行水淬固溶处理；热态线卷直接进入在线热处理炉进行热处理。
另一种在线热处理的形式是轧后加速冷却。
在钢材热轧后水冷却时出现的热传递和沸腾现象可以大致分为２种方式，即核胞沸腾和薄膜沸腾。
在前一种沸腾中，冷却水直接与钢接触，热量通过产生的泡传递。
相比之下，后一种沸腾中在钢与冷却水间形成一个蒸气薄膜，热量是通过蒸气薄膜传递。
核胞沸腾的对流换热系数比薄膜沸腾更高。
在中厚板冷却开始时，中厚板表面温度较高，薄膜沸腾起主导作用。
然而，随着中厚板表面温度的下降，蒸气薄膜变得不稳定，冷却水开始局部上直接与中厚板接触，沸腾逐渐转向核胞沸腾。
此外，在瞬时沸腾状态下，当薄膜沸腾和核胞沸腾共存时，随着冷却的继续，冷却能力提高。
采用传统冷却方法，如喷淋冷却和层流冷却时，如果冷却水流量提高以强化冷却，冷却迅速地转换成瞬时沸腾是核胞沸腾和薄膜沸腾的混合。
因此，冷却变得不稳定，随着冷却进程的持续，
温度偏差提高，造成中厚板质量不稳定。
为解决这一问题，JFE钢铁公司研究了冷却方法以避免出现瞬时沸腾现象和在开始冷却时在中厚板整个表面同时出现核胞沸腾。
基于对中厚板上表面冷却的研究，采取了喷嘴尽可能靠近中厚板，使冷
却水朝一个方向流动的方法，即在中厚板移动的方
向；而中厚板下表面的冷却是利用密集排列在水槽中的喷嘴进行喷射冷却，采用比上表面冷却水多0.5～0.8倍的水量冷却中厚板的下表面。
这种冷却方法实现了在中厚板上下两侧具有高冷却能力的核胞
沸腾。
对于中厚板厚度在30mm或以上的冷却，这一方法实现了非常高的冷却速率，相当于冷却速率的理论极限。
这种冷却方法比传统加速冷却方法快２～５倍。
6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α-Fe基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。
对于屈服点450MPa以上，以贝氏体为主体相的材料的合金元素的作用可归纳如下:
1）能使钢在空冷条件下获得贝氏体组织的合金元素，主要有钼，由钼钢奥氏体等温转变曲线可见，钼使铁素体析出线明显右移。
但并不明确推移贝氏体转变，所以过冷奥氏体直接向贝氏体转变，而在此之前没有或者只有部分先共析铁素体析出，这样也就不再发生珠光体转变。
2）利用微量硼，使钢的淬透性明显增加，钼和硼复合作用，使过冷奥氏体向铁素体的等温转变曲线进一步推移，使贝氏体开始转变明显突出。
在空冷条件下，钼硼复合作用对全部得到贝氏体组织十分有利。
3）加入其它增大钢的过冷能力的元素，如锰、铬、镍等，以进一步增大钢的淬透性，促使贝氏体转变在更低些的温度发生,目的是获得下贝氏体组织，后者具有更高的强度。
具有比上贝氏体组织低得多的脆性转变温度。
4）加入强碳化物形成元素，即微合金化元素，以保证进一步细化晶粒，同时对于低碳贝氏体组织，微合金化也可以产生沉淀强化效果。
5）尽量降低碳含量，即保持一定的韧性，也可获得良好的焊接性。
7结语
采用NG-TMCP技术可以充分调动各种强化机制，节省资源和能源，合理、安全、顺畅地进行各类高强钢的生产，实现高强钢的减量化、低成本、绿色化制造，是符合科学发展观的钢材生产过程。
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