中厚板轧制技术与装备

微合金化



微合金化元素的特性： 10-3-10-1%的低含量; 与碳、氮和硫相互作用； 基体中第二相沉淀； 对组织和性能的巨大影响； 通过加工工艺和热处理控制溶解和析出反应。
微合金化


Morrison等人认为Nb引起的强度升高是由于Hall －Petch式中σ 0的增加。 研究者最终明确了Nb的作用是由于固溶在钢中的 Nb可以抑制奥氏体再结晶和晶粒长大，有助于产 生微细的铁素体晶粒，并且Nb元素与C、N有极强 的亲和力，容易形成细小弥散Nb（C、N），可以 阻止晶界迁移，提高晶粒长大温度，从而达到细 化效果。添加Nb后有利于钢中诱导相变的发生。
二.热轧板带

1. 前言
我国现在是世界上的钢铁大国,连续几年 钢产量居世界第一位。近几年来板带轧制 发展最快.到目前为止，正式投产的宽带轧 机20套。正在建设中的还有近20套，投产 后宽带产量将近一亿吨。产品结构比例已 进入世界先进行列装备水平也是世界一流 的，如宽度控制：大立辊﹑定宽机厚度控 制全液压AGC ﹑板形控制的各种机型. 例如:CVC 、 HC、PC、等，温度控制， 热卷箱：保温罩、边部加热等等。控制系 统：交交变频控制、PLC数值可控硅， 等……。


高温形变再结晶诸参数对再结晶晶粒尺寸的 影响: 对静态再结晶来讲，Drex主要与ε 及D0有关， 并有如下经验公式： Drex=CD00.57ε -1 (C-Mn钢) Drex=C΄D00.57ε -0.57 (Nb钢) 式中C和C΄值大致分别为0.5和0.9(对于 0.04%Nb)。
控轧控冷的物理冶金基础
控轧控冷的物理冶金基础



奥氏体晶粒尺寸的影响表现为两方面: 奥氏体晶粒的细化将增加其单位体积的有效界 面积，从而能明显提高晶界形核位置的体积分 数。 随着奥氏体晶粒的细化，相变开始温度有所提 高，不利于铁素体晶粒的细化。 因此，工业生产中，应将奥氏体晶粒控制在适 当的尺寸范围。
控轧控冷的物理冶金基础
钢的控制轧制与控制冷却

控制冷却是对轧后钢材的冷却工艺参数(开冷 温度、终冷温度、冷却速度)合理控制，为钢 材相变做好准备，并通过控制相变过程的冷 却速度，以达到控制钢材组织状态、各种组 织的组成比以及碳氮化物析出等，可以在降 低合金元素含量或碳含量的条件下，进一步 提高钢材的强度而不牺牲韧性，并且大幅度 节约能耗。
控制轧制三个阶段理论
图 1.3 控制轧制过程中显微组织变化
钢的轧后控制冷却



一次冷却是指从终轧开始到变形奥氏体向铁素 体或Fe3C开始转变的温度范围内控制其冷却参数. 二次冷却的目的是控制钢材相变时的冷却温度 和冷却速度以及停止控冷的温度.其终冷温度一 般是控制到相变结束, c-Mn钢和含Nb钢冷却终 了温度控制在600℃左右.轧后一次冷却和二次 冷却对一些钢种可以连续进行.对于微合金化低 碳钢轧后快速冷却,终止温度可以达到珠光体相 变结束. 三次冷却即空冷,在快冷中来不及析出的碳化物, 在空冷中随着温度的降低,在铁素体中析出.

铁素体晶粒的细化:铁素体晶粒的形核速率愈大， 长大速率愈小，则晶粒愈细。
形核速率，N
过冷度，T
图1.4 铁素体形核速率与过冷度的关系
控轧控冷的物理冶金基础



实验证明，在γ →α 相变温度范围内，形变温度 愈低愈有利于铁素体晶粒的细化，因此，要尽可 能降低γ →α 相变开始温度Ar3。 影响γ →α 相变晶粒细化的主要因素:相变前奥氏 体晶粒尺寸、形变量、轧后冷却速率和合金元素 等。 他们通过对铁素体形核和长大速率及Ar3的作用而 影响铁素体晶粒的细化。
微合金化



传统的合金元素通过改变铁的结构来影响钢的性能。 有些合金元素不改变铁的结构，而是与其中的碳和 氮有很强的相互作用。 常用的微合金化元素：Nb、V、Ti、B、Al、Zr、Ta 等; 能生成碳氮化物并有析出强化作用的只有Ti、 Nb、V等。 微合金化元素使钢ຫໍສະໝຸດ Baidu化的主要机理是晶粒细化和析 出强化
热机械控制工艺及其在轧钢中的应 用


TMCP概念:即控制轧制和控制冷却技术有机结 合以控制组织转变，得到理想的强韧性匹配的 产品。 即在调整钢材化学成分的基础上，对轧制过程 的温度制度、变形制度和轧后冷却制度进行有 效控制;充分利用奥氏体的形变再结晶、应变 累积效应及强制相变等细晶机制;显著改善钢 材微观组织;从而达到提高钢材综合力学性能 的目的。
控轧控冷的物理冶金基础



(γ +α )两相区控轧及其强化效应分析 : 如果在γ →α 相变过程中继续进行轧制，则一方 面通过热变形在铁素体晶内引入大量位错及其亚 结构。 另一方面利用应变诱导使微合金元素碳氮化物在 铁素体中弥散析出，从而能够提高钢中位错亚结 构及析出强化作用。 利用上述原理建立了包括（γ +α ）两相区控轧的 三阶段控制轧制技术，并在西欧和日本得到了广 泛应用。
微合金化



由于会发生强烈的沉淀强化，因而会提高热轧产 品的强度，但是，晶粒细化却是中等的。 和强度等级相同的Nb钢相比，Ti钢的热轧产品的 抗脆性断裂性能较低。 Ti对于控制硫化物形状是有利的。 高强度Ti钢的冷成型性能特别好，而且在纵向、 横向和厚度方向上的性能均匀，故加入Ti是十分 有利的。
2. 热轧过程中有关技术的简介：
2.1 热装、直接轧制
工艺：坯料→加热→轧制→层流→卷取


连铸坯与连轧的衔接关系：
图2.1 连铸与连轧的衔接模式
特点：节能，提高产品质量
2.2 质量控制：

控制轧制控制冷却的要点，微合金成分、 控制变形温度、变形程度、变形速度、冷 却速度。 原理：钢热变形，有四种变形机制。动态 再结晶、部分再结晶、未再结晶区、两相 区轧制。
控制轧制与常规轧制的区别

常规轧制的工艺特点: 高温加热、高温开轧、高的终轧温度、 低的卷取温度,即三高一低。 控制轧制的工艺特点: 再结晶区轧制、未再结晶区轧制和 （+）两相区轧制。

高温变形的应力-应变特征曲线
高应变速率

。
t＝常数 ε＝常数
低应变速率
真应变，ε
图1.1 动态回复时的应力 －应变曲线特征
一.控制轧制与控制冷却

控制轧制与控制冷却的发展及特点
微合金化 热机械控制工艺


钢的控制轧制与控制冷却

控制轧制是以钢的化学成分调整或添加微合 金元素Nb、V、Ti为基础，在热轧过程中对钢 坯加热温度、开轧温度、变形量、终轧温度 等工艺参数实行合理控制，以细化奥氏体和 铁素体晶粒，并通过沉淀强化、位错亚结构 强化充分发掘钢材内部潜力，提高钢材力学 性能和使用性能。
氮化钒 碳氮化铌 碳化钛
微合金化钢


钛微合金化不仅用于防止时效脆化和改善热影响 区韧性,还用于双相钢提高铁素体强度和疲劳性能。 把握控制奥氏体晶粒度的合金设计新概念，如图5 所示，在完全再结晶区，适合采取钒、钛微合金 化的RCR工艺，在不发生再结晶区则应用铌微合金 化的CCR工艺;
微合金化钢
图1.5 不同变形条件对应的奥氏体组织示意图
微合金化
表 1 微合金化元素的作用 微合金元 素 热轧后 析出强化 碳化钒 氮化钒 碳氮化铌 碳化钛 正火后 析出强化 影响热轧 过程中的 再结晶 — 铌、 碳氮化铌 — 正火时 细化晶粒 高温奥氏体 化过程中细 化晶粒 — — 氮化钛 影响热轧 后 的相变特 性 — 铌 —
钒 铌 钛
碳化钒 — —

图2.2 微合金钢的控制轧制示意图
图2.3 动态回复时的应力－应 变曲线
图2.4 动态再结晶时的应力 －应变曲线

2.2.1 加热温度在可能条件下要降低，以 达到节能目的，热能/电能=10/1。
故通常的中厚板生产中,由于每道次的压下量有限, 难以发生动态再结晶,而主要是静态再结晶过程, 但应注意混晶现象.

控轧控冷的物理冶金基础


形变速率:提高形变速率将不利于动态再结晶的发 生,但也有研究表明,提高形变速率将缩短动态再 结晶时间. 原始晶粒尺寸(D0): D0愈小愈有利于动态再结晶: D0减小,静态再结晶时间亦越短.
机组的布置形式：

传统的：3/4连轧、半连轧、全连轧 新型的：CSP机组、ASP机组 因此就生产的装备水平和工艺水平均达到 了世界先进行列。但我国产品质量还有待 提高。例如：汽车板、电工钢等还与世界 先进国家有一定的差距。原因是多方面， 有冶炼的、轧制工艺的，总之，质量控制： 包括厚度、板形、表面及内部质量还有待 于进一步努力，赶超世界先进水平。
热机械控制工艺及其在轧钢中的 应用
图1.7 TMCP 工艺与最终组织
热机械控制工艺及其在轧钢中的 应用





为更好发挥TMCP的作用，合金设计须与轧制工艺 相结合： 根据强度和韧度要求,确定组织类型和微观结构； 根据钢厂的装备状况,确定钢的碳含量水平和控轧 工艺的类型； 根据强度-韧度的匹配,选择基础成分和微合金化 方案； 考虑微合金化元素不能完全脱溶及充分发挥碳氮 化合物的作用,按10％～15％的过化学匹配设计。
热机械控制工艺及其在轧钢中的应 用


TMCP工艺包括热机械轧制(TMR)、轧后加速冷 却(AC，通常也称ACC)和轧后直接淬火－回火 (DQ-T)工艺三大类。 TMCP工艺分类如图6所示:
热机械控制工艺及其在轧钢中的 应用
图1.6 热机械控制工艺示意图
热机械控制工艺及其在轧钢中的应 用

轧后空冷的热机械轧制（TMR）获得的一般是 铁素体＋珠光体组织，ACC工艺后获得的是铁 素体＋珠光体、铁素体＋贝氏体或铁素体＋回 火贝氏体组织，DQ工艺后则可以得到马氏体组 织。图7即是TMCP工艺与最终产品组织控制示 意图。
图1.2 动态再结晶时的应力 －应变曲线特征
控制轧制三个阶段理论



再结晶区轧制:通过再结晶过程的反复进行, 达到细化奥氏体晶粒的目的. 未再结晶区轧制:温度范围为950-Ar3 ;在形 变奥氏体中,形成变形带、位错及孪晶,铁素 体就在这些位置上形核,晶粒得到细化. (+)两相区轧制:奥氏体变形得到继续,在晶 内形成变形带;相变后的铁素体在受压时,在 晶粒内部形成亚结构,获得亚晶强化机制.前 者相变成多边形晶粒,后者因回复变成内部有 亚晶粒的铁素体组织.
控轧控冷的物理冶金基础

轧后冷却速率对γ →α 相变及其细化晶粒的影响: 研究表明,提高轧后冷却速度能明显降低Ar3，可 抵消奥氏体晶粒细化及相变前形变给晶粒细化带 来的不利影响，有力地增加了相变细化晶粒作用。 虽然过冷度的增大，降低了铁素体晶粒的细化， 但总体上对铁素体晶粒的细化有利，这要求在控 轧实践中对冷却制度进行控制。
控轧控冷的物理冶金基础

奥氏体晶粒的细化:形变再结晶的驱动力.
影响再结晶过程的因素: 形变温度:形变温度越高越有利于再结晶过程的 加速进行. 形变量:实验表明,形变量的增大能明显提高再 结晶的形核和长大速率.

控轧控冷的物理冶金基础

综合考虑以上两个因素,轧制过程中,若形变温度 足够高和形变量足够大,则会发生动态再结晶,形 变前的晶粒越细,形变温度越高,形变速率愈低,愈 有利于动态再结晶.



相变前形变量的影响表现在三个方面: 通过变形使奥氏体晶粒拉长，并在晶粒内产生形 变带。 α 相变前的形变使奥氏体晶粒形变储能增加，从 而使铁素体临界形核功降低，使形核率明显提高。 相变前的形变能明显提高相变开始温度，这将不 利于铁素体晶粒的细化。但足够大的形变量可使 γ →α 相变晶粒细化效应成倍增加。
控轧控冷的物理冶金基础


钢中溶质原子及第二相粒子:在钢中适当添加Nb、 Ti等微合金元素,通过溶质拖曳机制和析出钉扎机 制,细化奥氏体晶粒. 这种利用高温形变再结晶与微合金元素溶解-析出 的相互作用使晶粒充分细化的机制便是控轧中控 制奥氏体晶粒尺寸的主要的物理冶金基础.
控轧控冷的物理冶金基础

Ti含量较高的钢，其强化作用与Mn的含量有关。

微合金化



V可以提高钢的淬透性，溶入铁素体中有强化作用， 可以形成稳定的碳化物，细化晶粒。 V会产生中等强度的沉淀强化和比较弱的晶粒细化， 而且是与他所占的百分数成比例的。 N能加强V的作用。 为了获得特别大的强化效果，利用V的沉淀强化和 Nb的晶粒细化相结合的方法，可以得到织构较少 的产品。