钢材轧制控制方法

控制轧制的应用

【摘要】控制轧制是在热轧过程中通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。控制轧制工艺是一项节约合金、简化工序、节约能源消耗的先进轧钢技术，它能通过工艺手段充分挖掘钢材潜力，大幅度提高钢材综合性能，给冶金企业和社会带来巨大的经济效益。本文一直围绕着控制轧制，以控制轧制为中心，简单地介绍了控制轧制的概念，种类，优缺点以及控制轧制的强化机理，一直延伸至控制轧制在现实板带生产中的应用。

【关键字】控制轧制、强度、韧性、板带

【绪论】对低碳钢、低合金钢来说，采用控制轧制工艺主要是通过控制轧制工艺参数，细化变形奥氏体晶粒，经过奥氏体向铁素体和珠光体的相变，形成细化的铁素体晶粒和较为细小的珠光体球团，从而达到提高钢的强度、韧性和焊接性能的目的。

1、控制轧制的概念

1.1控制轧制的定义

控制轧制是指在比常规轧制温度稍低的条件下，采用强化压下和控制冷却等工艺措施来提高热轧钢材的强度、韧性等综合性能的一种轧制方法。控制轧制钢的性能可以达到或者超过现有热处理钢材的性能。

控制轧制工艺包括把钢坯加热到最适宜的温度，在轧制时控制变形量和变形温度以及轧后按工艺要求来冷却钢材。通常把控制轧制工艺分为三个阶段，如图1所示：1）变形和奥氏体再结晶同时进行阶段，即钢坯加热后粗大化了的γ晶粒经过在γ再结晶区域内的反复变形和再结晶而逐步得到细化的阶段；2）低温奥氏体变形阶段，当轧制变形进入γ未再结晶区域内时，变形后的γ晶粒不再发生再结晶，而呈现加工硬化状态，这种加工硬化了的奥氏体具有促进铁素体相变形核作用，使相变后的α晶粒细小;3)(γ+α)两相区变形阶段，当轧制温度继续降低到A r3温度以下时，不但γ晶粒，部分相变后的α晶粒也要被轧制变形，从而在α晶粒内形成亚晶，促进α晶粒的进一步细化。

图1 控制轧制的三个阶段

（1）—变形和奥氏体再结晶同时进行阶段；（2）—低温奥氏体变形阶段；

（3）—(γ+α)两相区变形阶段

1.2 控制轧制的优点

1）许多试验资料表明，用控制轧制方法生产的钢材，其强度和韧性等综合力学性能有很大的提高。例如控制轧制可以使铁素体晶粒细化，从而使钢材的强度得到提高，韧性得到改善。

2）简化生产工艺过程。控制轧制可以取代常化等温处理。

3）由于钢材的强韧性等综合性能得以提高，自然地导致钢材使用范围的扩大和产品使用寿命的增长。从生产过程的整体来看，由于生产工艺过程的简化，产品质量的提高，在适宜的生产条件下，会使钢材的成本降低。

4）用控制轧制钢材制造的设备重量轻，有利于设备轻型化。

1.3 控制轧制的种类

控制轧制是以细化晶粒为主，用以提高钢的强度和韧性的方法。控制轧制后奥氏体再结晶的过程，对获得细小晶粒组织起决定性作用。根据奥氏体发生塑性变形的条件（再结晶过程、非再结晶过程或γ+α转变的两相区变形），控制轧制可分为三种类型。

1.3.1 γ再结晶型控制轧制

它是将钢加热到奥氏体化温度，然后进行塑性变形，在每道次的变形过程中或者在两道次之间发生动态或静态再结晶，并完成其再结晶过程。经过反复轧制和再结晶，使奥氏体晶粒细化，这为相变后生成细小的铁素体晶粒提供了先决条件。为了防止再结晶后奥氏体晶粒长大，要严格控制接近于终轧几道的压下量、轧制温度和轧制的间隙时间。终轧道次要在接近相变点的温度下进行。为防止相变前的奥氏体晶粒和相变后铁素体晶粒长大，特别需要控制轧后冷却速度。这种控制轧制适用于低碳优质钢和普通碳素钢及低合金高强度钢。据资料统计，再结晶型的控制轧制较普通轧制，可使抗拉强度σb提高10％～30％，冲击韧性αk 提高20％～50％。根据钢中Nb含量的不同，要达到完全再结晶所需的临界变形量和变形温度如图2所示。从图中可以看出Nb对再结晶临界变形量的影响是：碳素钢的再结晶临界变形量较小，对变形温度的依赖也小。而含Nb钢的再结晶临界变形量都很大，而且对变形温度的依赖也很大。临界变形量随可溶解的Nb含量的增大而加大。变形温度降低，临界变形量加大。变形温度越低，则临界变形量增大得越多。

图2 碳素钢和含Nb钢的临界变形量与变形温度的关系

1—含0.03％Nb的钢，加工条件：1150℃固溶处理60min,

空冷到变形温度，按要求变形量轧制，轧后水冷

2—含0.02％Nb的钢，加工条件：

同1，但在轧前的轧制温度保温30min；

3—碳素钢，加工条件：同2

1.3.2 未再结晶型控制轧制

它是将钢加热到奥氏体化温度后，在奥氏体再结晶温度以下发生塑性变形，奥氏体变形后不发生再结晶。因此，变形的奥氏体晶粒被拉长，晶粒内产生大量变形带，在相变过程中在r晶界和变形带上形成α核，使α的形核点增多，相变后铁素体晶粒α细化，对提高钢材的强度和韧性有重要作用。这种控制工艺适用于含有微量合金元素的低碳钢，比如铌、钛、钒的低碳钢。

1.3.3 两相区控制轧制

它是将钢加热到奥氏体化温度后，经过一定变形，然后冷却到奥氏体加铁素体两相区再

继续进行塑性变形，并在A r1温度以上结束轧制。实验表明：在两相区轧制过程中，可以发生铁素体的动态再结晶；当变形量中等时，铁素体只有中等回复而引起再结晶；当变形量较小时（15％～30％），回复程度减小。在两相区的高温区，铁素体易发生再结晶；在两相区的低温区只发生回复。经轧制的奥氏体相转变成细小的铁素体和珠光体。由于碳在两相区的奥氏体中富集，碳以细小的碳化物析出。因此，在两相区中只要温度、压下量选择适当，就可以得到细小的铁素体和珠光体混合物，从而提高钢材的强度和韧性。一般来说，两相区的轧制温度稍低些，有利于提高钢板的强度。例如，日本森川博士的研究结果表明：在A+F 两相区中的高温区进行轧制时，钢材的韧性最好，降低轧制温度，则韧性反而变坏，如图3所示。两种钢的轧制温度与强度和韧性的变化规律是一致的。

图3 （A+F）两相区控轧时轧制温度和钢的性能关系

A钢—铁素体+珠光体；B钢—低碳贝氏体钢

（控轧条件：850℃以下，总压下率恒定为47％）

在实际轧制中，由于钢种、使用要求、设备能力等各不相同，各种控制轧制可以单独应用，也可以把两种或三种控制工艺配合在一起使用。

综上所述，在三个阶段中，轧制时发生的组织和物理的变化如图4所示，实际控制轧制工艺是这三个阶段的合理组合。从生产经验中得出，在700～1000℃之间，终轧温度每降低100℃，铁素体晶粒直径变小3～4μm，并能对力学性能产生相应效果。

图4 钢的显微组织及控轧工艺对钢的屈服强度和脆性转化温度的影响

1—铁素体-珠光体；2—控制轧制的铁素体-珠光体；3—贝氏体；4—控制轧制贝氏体；

5—调质回火索氏体