(发展战略)控制轧制和控制冷却技术的新发展

控制轧制和控制冷却技术的新发展

发表时间:2006-7-5 13:02:09 【字体：大中小】

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。

1 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。

2 板带材控轧工艺过程的新方法

板带材的质量很大程度上取决于对轧制工艺过程的控制。常规方法有许多不足之处，原始凸度的设定无法对不同规格、不同材质的轧件进行跟踪控制；不均匀冷却方法具有响应太慢的缺点。戴维.麦基公司对板形自动控制系统及冷却液的喷射装置进行了独特的设计，其中彼此分隔开的冷却和润滑系统（SLC）和动态轧制工艺系统（DSS）收到了很好的效果。

2.1 分隔开的冷却和润滑系统（SLC）

板带材轧制大多数采用乳液来实现冷却润滑。在采用乳液冷却润滑的过程中，普遍存在乳液稳定性差、使用寿命短，尤其是轧后板带材表面质量达不到最佳程度等问题。利用分隔开的冷却和润滑系统可避免常规乳液冷却润滑给制品带

来的缺陷。

该系统有两个连在一起的钢质冷却箱。每个冷却箱分别封住上工作辊和支承辊的辊面及下工作辊和支承辊的辊面，从而使每一个对轧辊和冷却箱构成一个隔离系统。上下两个

冷却箱之间有一道缝，需轧制的带材由此通向辊缝，实现轧制。

在轧制过程中把冷却系统和润滑系统分隔开，这就意味着在具备冷却润滑综合功能的基础上，还可以分别按各自独特的功能去进行配制。SLC系统可最大限度地发挥冷却和润滑的功能，从而使轧机的功率密度大大提高。

2.2 动态轧制工艺系统（DSS）

戴维.麦基公司利用计算机预测了全带材轧制的主要过程。充分利用计算机来建立轧制过程中的数学模型，本质上就是在线的模型参数估计。其中最为典型的例子是动态轧制工艺系统。

该系统主要安装在热轧机组上，用于板形和断面形状的控制。由建立的数学模型和程序，根据预测的结果，连续地由轧机自适应功能进行控制。与通常的反馈式AGC系统不同之处，在于这个系统采用两个基本自适应等级。第一级为轧机控制的自适应，即包括轧辊的弯辊力、压下量的方式、运行速度和轧辊冷却液的分布等，使产品质量达到始终稳定一致。第二级是预测模型所用系数的自适应，即利用在轧制过程中测得的参数经过趋势回归分析来实现。接着按实测值与模型预测值的误差值作为一个函数来调整模型的系数。

应用DSS的主要目的是要生产出横向厚度均匀一致的产品。

3 GCr15控轧新工艺的模拟研究

近年来，一些工作者研究了轴承钢的热加工性能以及形变球化和再结晶，定量地确定了流变应力和破断应变与变形过程中的变量（应变、应变率、温度和相变）之间的关系；研究奥氏体加渗碳体的双相区形变球化，确定了变形温度和变形量是控制球化的主要因素，奥氏体化后变形有利于双相区形变球化；借助于热扭转实验机用停顿变形方法，研究了轴承钢热轧过程中的再结晶行为，确定了静态和动态再结晶，与变形温度、道次应变和道次间隔时间等之间的关系，以及在双相区发生的动态软化现象。这一系列的工作为正确制定轴承钢控制轧制工艺提供了科学的依据。

轴承钢的各种生产工艺中，在900℃以上奥氏体单相区轧制后快冷至850～800℃的双相区内再次轧制是最有前途的新工艺。该工艺对控制轧制的推广应用、改善轴承钢的质量及提高其疲劳寿命、节省能源等方面均有重要意义。

试验表明：（1）用热扭转试验机实现了热变形模拟轴承钢控轧新工艺，证实了轴承钢经高温奥氏体单相区变形、再在奥氏体与渗碳体的双相区内变形，然后经快速球化退火，其

碳化物级别和硬度均达到了对该冶金产品的标准要求。（2）在高温奥氏体单相区内变形，道次间隔期间发生静态再结晶，其再结晶完成的程度随变形道次的增加而提高。部分再结晶的应变累计效应，促进了动态再结晶的发生。在奥氏体与碳化物双相区内，除静态和动态再结晶过程之外，碳化物的形变球化也能引起明显的动态软化。（3）轴承钢采用控轧新工艺所需的终轧轧制力和轧制力矩，用平均流变应力计算公式估算，比传统轧制工艺约提高40%。

4 低碳贝氏体钢的发展

在控轧的早期，主要是提高钢材的强度和获得较细的晶粒，继而在高强度的基础上，对韧性也有了相应的要求。目前已经转向更高强度、更好的韧性和较大的厚度，同时要求不恶化焊接性能。天然气输送用的管线钢要求较高的横向冲击贮存能。提高再结晶温度以下总的热轧变形量能够达到改进、提高韧性方法的效果。

在控轧的含铌钢中降低含碳量、提高含锰量的发展过程中，开发了被命名为低碳贝氏体钢和针状α-钢的低碳高锰（0. 06%）相变强化钢。与传统的α珠光体钢相比，这种钢表现出连续的屈服及拉伸强度提高的特征。尽管含碳量较低，管材成形后，屈服点却有所提高。在屈强比比较低的钢材中，快速加工硬化能够超过任何因包申格效应而引起的屈服强