钢材的控制轧制

钢材的控制轧制

吕雉

材料成型及控制工程12

[摘要]控轧控冷是对热轧钢材进行组织性能控制的技术手段，目前已经广泛应用于热轧带钢、中厚板、型钢、棒线材和钢管等钢材生产的各个领域。控轧控冷技术能够通过细晶强化、相变强化等方式，使钢材的强度韧度得以提高。

[关键词] 控轧控冷；钢材生产；提高强度韧度

Controlled rolling of steel

Material forming and control engineering12

Abstract：Controlled rolling and controlled cooling is a technical means for the control of the microstructure and properties of hot rolled steel. It has been widely used in various fields such as hot strip, medium plate, steel bar, rod and steel tube. Controlled rolling and controlled cooling technology can improve the strength and toughness of the steel by means of fine grain strengthening and phase transformation strengthening.

Key Words：Controlled rolling and controlled cooling; Steel production; Improving strength toughness

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（Ar 3 ～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.控制轧制的阶段划分通常将控制轧制分为3个阶段:

奥氏体再结晶阶段(>1 000℃)。在这一温度范围内,奥氏体变形和再结晶同时进行,因再结晶而获得的细小奥氏体晶粒,将导致铁素体晶粒的细化。

奥氏体非再结晶阶段(950℃~Ar3)。在这一温度范围内,形变使奥氏体晶粒被拉长,在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带,同时微合金碳、氮化物因应变诱导析出,因而增加了铁素体的形核位置,细化了铁素体晶粒。

(γ+α)两相区轧制阶段(Ar3~Ar1)。在这一温度范围内,奥氏体和铁素体均发生变形,形成亚结构。亚晶强化使强度进一步提高。实践表明,非再结晶区变形突破了再结晶区所能达到的奥氏体晶粒尺寸极限,在一定的变形量下,非再结晶的晶粒细化也会达到某一极限,这一极限只有通过两相区变形才能突破。

4.控制轧制工艺的优点和缺点

可以在提高钢材强度的同时提高钢材的低温韧性。

采用普通热轧生产工艺轧制16Mn钢中板，以18mm厚中板为例，其屈服强度σs≤330MPa，-40℃的冲击韧性Ak≤431J，断口为95%纤维状断口。当钢中加入微量铌后，仍然采用普通热轧工艺生产时，当采用控制轧制工艺生产时，-40℃的Ak值会降低到78J以下，然而采用控制轧制工艺生产时。然而采用控制轧制工艺生产时-40℃的Ak值可以达到728J以上。在通常热轧工艺下生产的低碳钢α晶粒只达到7~8级，经过控制轧制工艺生产的低碳钢α晶粒可以达到12级以上（按

ASTM标准），通过细化晶粒同时达到提高强度和低温韧性是控轧工艺的最大优点。

5.可以充分发挥铌、钒、钛等微量元素的作用。

在普通热轧生产中，钢中加入铌或钒后主要起沉淀强化作用，其结果使热轧钢材强度提高、韧性变差，因此不少钢材不得不进行正火处理后交货。当采用控制轧制工艺生产时，铌将产生显著的晶粒细化和一定程度的沉淀强化，使轧后的钢材的强度和韧性都得到了很大提高，铌含量至万分之几就很有效，钢中加入的钒，由于具有一定程度的沉淀强化的同时还具有较弱的晶粒细化作用，因此在提高钢材强度的同时没有降低韧性的现象。加入钢种的钛虽然具有细化加热时原始γ晶粒的作用，但在普通轧制条件下钢中的钛不能发挥细化轧制变形过程中γ晶粒的作用，仍然得不到同时提高钢的强度和韧性的效果，当采用控制轧制工艺生产含钛钢时，才能使钢种的Ti（C,N）起沉淀强化和晶粒细化的双重作用，如有的文献中报导控制轧制生产的含钛钢的强度75%来自沉淀强化，25%来自晶粒细化。由于有中等程度的晶粒细化效果，钢的低温韧性提高。控制轧制工艺的缺点：要求较低的轧制变形温度和一定的道次压下率，因此增大了轧制的负荷。此外由于要求较低的终轧制温度，大规格产品需要在轧制道次之间待温，降低轧机的生产率。为此世界各国开始对轧机进行技术改造，采用大负荷轧机，安装升降辊道，道次间中间冷却来减少轧制待温时间，提高轧机生产效率。

6.控制轧制