控轧控冷与热模拟作业-东北大学

1.根据热模拟的实验类型，介绍热模拟试验机的主要功能。

热模拟试验机能用小试样迅速准确的再现材料热加工过程中结构、组织及性能的变化。

实验类型主要有：热处理实验、单道次压缩实验、多道次压缩实验、拉伸试验、焊接实验和锤头自由控制实验。

(1)热处理实验
热处理试验可以反映热处理工艺对材料组织变化的影响，为获得优越的微观组织和优良的使用性能提供基础理论和技术依据，并实现材料性能的定量分析和预报。

热处理试验所能完成的试验功能为：在没有外力强制变形的情况下，实现各种热处理变化，如加热、冷却或淬火等，分析热处理过程中的温度、尺寸及组织性能的变化情况。

①静态再结晶实验
钢铁材料随温度的变化，组织性能会发生改变，热模拟实验结合金相实验及其他性能检测手段很容易实现研究目的。

例如，中厚板控轧时，为了避免在部分再结晶区轧制，保证未再结晶区内有足够的变形量，粗轧结束至进精轧之前必须实行严格的待温制度。

为了了解再结晶奥氏体在保温时间内的演变过程，进行系列热模拟实验，得到再结晶奥氏体演变过程。

②不同冷却速度对组织的影响
钢铁材料随冷却速度不同，组织性能会发生改变，可通过热模拟实验将材料加热到一定温度保温后，以不同冷却速度进行冷却，结合金相实验及其他性能检测手段，研究不同冷却速度对组织变化的影响。

③静态CCT实验
设计实验方案，输入时间温度参数。

一般在一定温度保温一段时间，使试样奥氏体均匀，然后以一定的冷速降到某一温度。

同时，利用高灵
敏径向传感器测量试样直径的变化。

绘制整个实验过程试样的直径变化量-温度曲线；用切线法找到相变开始点、中间和结束点，记下这些点的温度-时间坐标。

依次按照不同冷速对各个试样进行实验，直到一组试样做完。

最后根据此组实验结果的相变点温度-时间坐标绘制CCT图，即得到实验钢的静态CCT图。

④高温淬火实验
设计实验方案及工艺图，将实验钢加热至不同的温度，保温一定时间，迅速淬火，获得实验钢的原始奥氏体组织，经腐蚀后观察奥氏体的组织形貌。

结合不同加热温度下淬火得到的组织，可分析加热温度对奥氏体晶粒的影响。

⑤连续退火实验
热力模拟实验机若带有板带退火系统，可用于板带连续退火工艺的物理模拟。

通过设定不同的退火工艺参数，对退火后试样作力学性能检测和金相分析，可分析工艺、组织与性能的关系，从而确定最佳工艺参数。

(2)单道次压缩实验
热力模拟实验机具有多功能模拟能力和实验功能，可以完成许多种试验。

从试验设计角度来说，单道次压缩试验所能完成的试验功能为：在热处理的同时，对试样进行一定的压缩变形。

平面应变压缩、扩散焊、动态CCT、应力松弛、热裂纹敏感、应变诱导、控轧控冷、动态再结晶实验课通过设计单道次压缩实验来实现。

①单道次应力-应变曲线
单道次应力-应变曲线在两种不同情况下的测定：a、相同应变速率不同温度下的应力-应变曲线；b、相同温度不同应变速率下的应力-应变曲线。

实验钢在不同温度下进行不同应变速率的应力-应变曲线。

首先，
可选定变形速率，进行不同变形温度的单道次压缩实验进行分析，可分析流变应力随着变形温度的变化，以及动态再结晶过程，还可分析应力峰值对应的应变随变形温度的变化等。

其次，可选定温度，以不同的应变速率下单道次压缩的应力-应变曲线进行分析。

可分析流变应力随着变形速率的变化，以及发生动态再结晶的临界应变的变化和动态再结晶过程，还可分析流变应力随变形量的变化以及加工硬化过程。

②变形抗力曲线的测定
金属的变形抗力值对于确定轧机负荷和制定合理的轧制工艺规程是不可缺少的。

可将试样加热到一定温度保温，冷速到一定温度保温，然后冷却到变形温度，保温后进行变形。

分别以不同的变形条件，即变形程度、应变速率和变形温度到室温，记录应力－应变曲线，回归出变形抗力模型，可研究变形程度、变形温度和变形速率对变形抗力的影响。

③单道次变形过程参数对组织性能的影响
变形过程中参数是影响材料组织性能的重要因素。

可将试样加热到一定温度，然后冷却不同的变形温度，进行单道次压缩，压缩不同的变形量，然后以不同的冷速冷却到室温。

结合金相观察，可分别研究变形温度、变形量、冷却速率对组织性能的影响。

④动态CCT曲线的测定
动态CCT采用单道次压缩或多道次压缩完成实验。

将试样加热到一定温度，冷却某一温度后进行单道次压缩，然后以不同冷速冷却到室温。

同时，利用高灵敏径向传感器测量试样直径的变化。

绘制整个实验过程试样的直径变化量-温度曲线；用切线法找到相变开始点、中间和结束点，记下这些点的温度-时间坐标。

依次按照不同冷速对各个试样进行实验，直到一组试样做完。

最后根据此组实验结果的相变点温度-时间坐标绘制CCT图，即得到实验钢的动态CCT图。

⑤平面变形压缩实验
对于平面应变压缩实验，试样宽度与压头宽度之比在6~10以上，以保证宽度方向的变形忽略不计。

为保证压头之间变形均匀，压头宽度和试样厚度之比应在2~4之间。

应变速率可随试样厚度变薄而升高，从而更有益于进行薄带材的热轧模拟研究。

将试样加热到一定温度保温，冷却到一定温度进行单道次压缩，然后冷却，经实验得到不同变形温度下的应力-应变曲线。

⑥应力松弛实验
试样在高温被压缩后，在保持压头位置不变情况下，会产生随保温时间的延长而发生应力逐渐减小的所谓”应力松弛”现象。

应力松弛过程，在微观上，实质是弹性变形转变为塑性变形的过程。

这种应力降低为”软化”，由于静态恢复和静态再结晶所引起的。

由于多道次热轧和热锻中静态再结晶是细化奥氏体晶粒的主要机制，因此可通过等温双道次模拟实验及应力松弛方法研究软化百分数和静态再结晶分数，从而研究道次间发生的静态再结晶行为。

可测定微合金碳氮化物在奥氏体中发生应变诱导析出的应力松弛方法，可得到不同温度下的等温应力松弛曲线。

由此可以确定析出的开始和结束时间，得到析出-时间-温度曲线(PTT曲线)，研究沉淀析出行为。

(3)多道次压缩实验
多道次压缩试验比较广泛的应用于连轧的模拟，其中每一次均为恒应变速率压缩，最多允许10道次变形。

多道次压缩实验用于模拟热连轧的力能参数，每道次都设计为恒应变速率变形过程。

与单道次压缩实验相比，除了变形参数的设定不一样外，其它都相同。

多道次连轧、双道次压缩、道次间隔模拟和动态再结晶动力学实验可通过多道次压缩实验来实现。

采用热模拟多道次变形方法模拟试样在各温度下变形，可通过制定不同工艺参数分析不同温度、不同变形量和不同变形速率下应力-应变曲线，结合金相组织，可分析轧制温度、变形量、变形速率、保温时间和轧制道次等工艺参数对材料的组织性能影响；也可通过应力-应变曲线，研究变形中动态再结晶过程。

(4)拉伸实验
拉伸试验是研究金属变形抗力的试验方法之一。

试验时，在拉伸变形体积的应力状态为单向拉伸，并均匀分布。

由于在选择拉伸试验时，很难保证其内部组织均匀，其内部各晶粒，甚至一个晶粒内部的各支点的变形和应力也不可能完全均匀。

但从拉伸变形的总体看，是能够保证得比较均匀的拉伸变形的，其不均匀变形程度要比压缩实验小得多。

①拉伸实验
将试样加热到一定温度保温，冷却到不同的拉伸温度，拉断后空冷。

冷却后测量断口直径并记录最大载荷。

绘成不同温度下试样断面收缩率和抗拉强度随温度变化曲线，可研究温度对断面收缩率和抗拉强度的影响，可确定最佳塑形温度区间，从而选择最佳开轧温度。

②零塑形、零强度温度的测定
在热模拟机上分别采用加热法和凝固法进行拉伸实验，加热法即将试样均温区加热到固定相线一下固定拉伸温度，保温后再拉伸变形，凝固法即现将试样均温去加热到熔化状态，保温后冷却到固相线以下固定拉伸温度后保温，最后在恒温下进行拉伸变形。

通过不同温度下钢的断面收缩率和强度曲线，得到试样的热塑性曲线(Ψ-T)和热强度曲线(σ-T)，可得到实验钢的零塑形和零强度温度，可为连铸工艺中塑形强度变化温度区间提供依据，避免产生裂纹。

(5)焊接实验
在实际焊接过程中，焊接接头除了受热循环外，还同时经历应力、
应变循环。

这是由于焊接过程中各部位经受不均匀的加热和冷却，使焊
件中产生不均匀的膨胀、收缩而引起局部弹塑性应变，从而在接头中形
成了内应力、应变场，往往导致焊接后的残余应力和变形。

焊接实验即
指模拟焊接热循环(焊件上某一点在焊接热源作用下经受的热过程，即该
点的温度随时间的变化过程)的试验。

可定量的反映与描述影响个热循环
参数的主要因素及其相互关系，同时也是计算焊接应力、应变的基础，
预测接头组织和性能的依据。

①焊接热循环参数对组织性能的影响
在热模拟机上模拟钢板所经历的焊接过程，可选用模拟工艺分别为：加热温度和冷却速度t8/5一定，改变峰值温度，模拟一定焊接热输入条
件下焊接HAZ不同区域；加热温度和峰值温度一定，改变冷却速度t8/5，
模拟不同热输入量条件下的CGHAZ。

结合金相观察，可研究不峰值温
度和冷却速度t8/5对组织性能的影响。

②焊接热影响区连续冷却转变实验(SH-CCT)
为研究焊接接头熔合线附近的热影响区的组织状态，可将试样加热
到接近熔点温度，然后以不同的冷却速度进行冷却，这样制定的焊接热
影响区连续冷却转变曲线图称之为SH-CCT图。

可通过此图，一方面评
定该钢种的可焊性或预测焊接影响的组织和性能，另一方面为制定合理
的焊接工艺特别是焊接线能量提供技术依据。

(6)锤头自由控制实验
该实验用于锤头的快速和慢速控制。

时间和锤头位置对应关系即指
一定的时间锤头移动相应的位移。

2.结合现场热连轧机组和中厚板机组，叙述控轧控冷工艺流程。

(1)热连轧带钢控轧控冷工艺
①工艺参数确定
加热制度：坯料的最高加热温度的选择应该考虑对原始奥氏体晶粒大小、晶粒均匀程度、碳化物的析出程度以及开轧温度和终轧温度的要求。

但加热温度过低，将存在部分未溶微合金碳氮化物，它们不可能产生阻止奥氏体再结晶的作用。

加热温度过高，则使奥氏体晶粒显著粗化，因此粗大的奥氏体晶粒将削弱形变晶粒细化效果。

变形量的控制：在轧制钢板时，随着轧制温度和变形量的不同，将奥氏体区分为完全再结晶区、部分再结晶区和未再结晶区根据需求可选择合理的轧制类型，以控制变形量，达到细晶强化。

终轧温度的制定：随着终轧温度的降低，铁素体晶粒得到进一步细化。

但是，终轧温度不宜过低，终轧温度过低时，进入两相区轧制，得到不均匀的混晶组织，出现带状组织。

实际生产中为了获得更高的强韧性，一般终轧温度不宜太高。

轧后冷却速度的控制：较高的冷却速率可以细化显微组织，提高钢的强度。

但是，当冷却速率过大时，会提高钢板的屈强比。

卷曲温度的控制：随着终冷温度的降低，钢板过冷度增大，形核点增加，晶粒得到细化，其力学性能提高。

如果终冷温度过低，冷却后也没有足够的温度使过饱和的碳氮化物析出，影响轧材性能。

②控制轧制
控制轧制工艺的主要参数是：钢的奥氏体化温度(即轧制前的板坯或钢锭的加热温度)；轧制的温度制度；轧制的变形制度(其中包括各道次的压下量分配，特别是终轧前的压下量分配)以及在某一温度范围内的总压下率；每道次之间的停留时间和轧后钢板和带钢的冷却制度，对带钢来说板卷的卷取温度和冷却制度也是很重要的。

国内热连轧带钢轧机上控制工艺的应用。

A．武钢1700热连轧机根据其设备特点和条件，采用控制和轧后控制冷却工艺生产出X60、X65级管线用钢。

为了获得良好的钢板综合性能，在冶炼时采用了相应新技术，进行低碳、低硫、碳化合物变性处理，并进行NB的微合金化。

连铸坯加热温度控制在1180℃~1220℃，终轧温度为830℃，通过轧后层流冷却控制板卷取温度为630℃。

板厚8mm，宽度1250mm板卷。

板卷的力学性能全部达到API标准中X60和X65级板的要求，达到API标准中X60和X65级板的要求。

B．梅钢1422mm热连轧机组采用控制控冷生产出耐候钢。

生产工艺为：50t顶底复吹转炉冶炼→钢包脱氧合金化→吹Ar气体→板坯连铸→加热→中款带热连轧机组轧制→层流冷却→卷曲→成品入库。

耐候钢进行微合金控制。

控制轧制工艺为：热铸坯热装热送。

由于钢中含铜，加热炉内控制为弱氧化性气氛，控制审问速度。

出炉温度控制为1200±50℃，钢坯头尾及水印温度不大于50℃。

粗轧R1开轧温度大于1100℃，粗轧1~5道次的辊缝制分别为131mm、90mm、60mm、37mm、24mm。

粗轧出口中间坯厚为25mm。

精轧入口钢温大于950℃，实际控制在1015~1022℃，出口厚度控制为2.9~3.0mm，出口宽度为530~540mm，精轧出口温度为880~884℃。

轧后水冷及卷曲，为了避免带钢头部温度过低而不易卷曲，设定层流冷却时，带钢头部可减少冷却水开放单元数。

另外可根据带钢厚度规格、温度及卷曲情况可适当增减冷却单元数，以保证卷曲温度控制在620~690℃，目标值为680℃。

C．莱钢1500mm热连轧管线带钢的控轧控冷工艺。

工艺流程为：连铸坯热装或冷装，加热→粗除鳞箱除鳞→E1、R1可逆粗轧→热卷想→
开卷→飞剪切头尾→E2、F1~F6精轧机组→层流冷却→卷曲→卸卷、打捆→检查、称重→收集→入库。

采用控制轧制工艺：连铸坯出炉温度1150~1200℃，高压水除鳞，E1、R1四辊可逆轧机轧制3~5道次，轧后中间坯进入热卷想，成卷，最高带坯温度达1100℃。

再经开卷、切头，进入精轧机组(1架立辊和6架四辊精轧机)，在精轧机架间设有喷水冷却装置以控制板带的终轧温度。

终轧温度控制在950~850℃。

轧后进入层流冷却装置冷却到卷曲温度650~550℃。

有效冷却宽度为1450mm，长度约70m。

③控制冷却
热轧带钢采用轧后轧后控制冷却需综合考虑带钢的控制轧制条件，如轧制温度、变形制度、轧后冷却模式、卷取温度等。

带钢的轧后冷却有喷流冷却、喷雾冷却、水幕冷却和管层流冷却等几种方式。

热连轧层流冷却线一般分为主冷区和精冷区，有的在主冷区前还设强冷区，以增大冷却速率，生产双相钢和多相钢。

生产薄带钢时，在层流冷却区内有控制带钢边部遮挡装置。

Carlam厂在热轧生产线卷取机和层流冷却装置之前安装了快速冷却装置(UFC)，其主要参数为：冷却段长7.3m，UFC至卷取机距离25m，冷却水集管15组，冷却水最大流量5500m3/h，喷射宽度1750mm，水压0.35MPa，采用开闭控制模式。

该厂采用这一冷却工艺，通过控制轧制和采用LC(管层流冷却)+UFC可实现分段冷却，可以得到不同的冷却速率，不同的卷取温度，以及不同的力学性能和组织结构玩群不同的产品。

(2)中厚板控轧控冷工艺
①合理选择钢的化学成分
根据控轧控冷原理，对低碳钢和微合金钢采用控轧控冷工艺时，要适当调节或降低碳含量，根据各元素的作用合理加入微合金元素，可通
过合适的强化方式明显提高钢的综合力学性能。

②工艺参数确定
③控制轧制工艺
A．单机架中厚钢板轧机的控轧工艺
单机架轧机时，粗轧和精轧的控轧工艺在一个轧机上进行。

为了缩短中间待温时间，可采用两块或三块钢板交叉轧制，在轧机的前面或后面辊道上坯料待温或快冷的方式进行不同类型的空轧。

四辊单机架轧机多采用奥氏体高温再结晶型和未再结晶型的两阶段的控轧工艺。

为了增加变形奥氏体的再结晶数量，尽可能地达到完全再结晶，力争在高温下采用较大的道次压下量。

为了缩短在部分再结晶区的待温时间，也可在部分再结晶区的上限温度范围轧制一定到此并适当延长轧后的停留时间，有利于发生在结晶和组织均匀化。

钢达到奥氏体未再结晶区的温度范围，进行第Ⅱ阶段控轧，采用低温大压下原则，确保变形累积量达到50%~60%，有利于轧后奥氏体向铁素体相变形核，增加形核位置。

终轧温度尽量控制在接近A r3温度，防止晶粒长大，轧后立即相变。

相变后按需要采用相应冷却速度的控制冷却工艺。

B．双机架中厚板轧机的控轧工艺
在双机架轧机轧制时，一般在粗轧机进行高温再结晶型控制轧制，轧件在送往精轧机的运输辊道上进行中间待温或中间水冷，达到未再结晶区温度的上限温度，再送入精轧机进行未再结晶区控轧，轧到成品厚度。

如果再加上奥氏体和铁素体两相区的Ⅲ阶段控轧，则在奥氏体未再结晶区轧到中间厚度，送往机后快冷，相变析出一定数量铁素体，在进行两相区的控轧，轧至成品厚度。

为了让平衡两架轧机的轧制节奏，提高轧机产量，也可采用粗轧轧制后。

立即快速将轧件送到精轧机继续进行再结晶控轧，之后，板坯再进形中间厚度的待温冷却或快冷。

钢温降
到未再结晶区温度，再继续进行Ⅱ阶段或加入第Ⅲ阶段的控轧，至到轧成成品厚度。

④中厚板的在线控制冷却
中厚钢板控轧后的控制冷却设备的形式、冷却方式各不相同。

目前国内外中厚板生产中，所采用的轧后冷却方式有：高压喷嘴冷却、普通管层流和高密度管层流冷却、水幕冷却、雾化冷却、板湍流冷却、辊式淬火冷却和无压淬火冷却、喷淋冷却、风冷、空冷和缓冷或堆冷。

冷却设备从冷却方式分又可分为连续型和同时型两种。

前者是钢板连续通过冷却区，钢板一边行走一边冷却。

例如日本君津厂生产高强板，T始与T终各为780℃与500℃，V为1m/s，C采取14℃/s，现有冷却装置长度19.8m，安设位置在热矫直机后面。

同时型冷却装置长度取决于轧制的最大板长，再增加2m余量即可。

例如日本水岛厂和加古川厂轧后最大板长各为38m与42m。

而冷却装置长度各为40m与44m。

同时型冷却装置是钢板送入冷却装置后停下来，将整块板同时进行冷却，钢板冷至要求温度后，将钢板送出冷却区。

因为是同时冷却，故冷却比较均匀，钢板头尾性能比较一致，但设备比较大，一般比连续型大一半。

中厚板控冷装置种类繁多，型式五花八门，自立专利。

主要是满足ACC、ACC+DQ、DQ工艺的要求，使冷却均匀，钢板组织性能基本一致，瓢曲少、平直、残余应力小，冷却速度适应板厚与工艺的要求，冷却效率高，节约用水，结构简单，易于操作与维护，生产稳定，占用作业线短，投资省等。

目前，控冷装置中喷水方式选择是一个关键，采用比较多是水幕、层流、雾化和喷花中四种方式。

有单一的喷水方式，有两种或多种相配合，以达到快速、均匀、不同工艺的要求。

国内外典型中厚板控冷装置性应该说是使用比较好的，各种型式基本上齐全，有单一ACC、有ACC
和DQ共用，有ACC和DQ分开，也有预留将来上DQ的可能性。

3.详细叙述控轧控冷的发展，对比一下传统控轧控冷技术和新一代控轧控冷技术的区别。

(1)控轧控冷的发展
20世纪20年代就开始研究钢在热加工时，温度和变形等条件对显微组织和力学性能的影响。

1925年德国哈内曼等人做了这方面的试验和工厂实践。

第二次世界大战中，荷兰、比利时、瑞典等国一些没有热处理设备的轧钢厂，为了提高钢的强度和韧性，将终轧温度控制在900℃以下，并给予20％〜30%的道次压下率，生产出具有良好韧性的钢材。

这就形成了采用“低温大压下”碳钢的铁素体晶粒，提高强韧性的“制轧制”概念。

50年代末和60年代初期，美国和原苏联等国先后开展了钢的形变热处理工艺与钢材组织和性能关系的理论研究工作，它为控制轧制和控制冷却的机理研究和工艺的实践奠定了基础。

60年代初，英国斯温顿研究所的科研人员提出，铁素体-珠光体钢中显微组织与性能之间的定量关系，用表述各种强化机制作用的佩奇(Petch)关系式明确表明了热轧时晶粒细化的重要性。

在低碳含量(或低珠光体数量)的钢中，细化的铁素体晶粒加上弥散沉淀析出的碳化物质点提高了钢的屈服强度，同时也改善了钢的塑性和韧性。

60年代中期，英国钢铁研究会进行了一系列研究：降低碳含量改善塑性和焊接性能，利用Nb、V获得高强度，Nb对奥氏体再结晶的抑制作用以及细化奥氏体晶粒的各种途径。

60年代后期，美国采用控制轧制工艺生产出σs>422MPa的含Nb钢板，用来制造大口径输油钢管。

日本一些钢铁公司用控制轧制工艺生产出强度高，低温韧性好的钢板，并开
发出一系列新的控制轧制工艺，提出了相应的控制轧制理论。

在开发控制轧制工艺时，人们致力于降低终轧温度。

在热轧带钢时，热轧工艺保持不变，仅采用较低的卷取温度，可消除或减小板卷头部、中部和尾部的强度差。

钢的连续冷却转变曲线为选择合适的冷却速度和带钢卷取温度提供了第一手参考数据，说明轧后冷却速度和卷取温度对带钢组织和性能有直接影响，因而也引起了人们对控制冷却的重视。

以前人们采用普通喷嘴对钢材进行喷水冷却，但冷却不均匀，冷却效果不理想。

1957年：”层流”冷却系统首先被英国钢铁协会开发，并且应用在布林斯沃斯市的432mm热轧窄带钢车间。

1964年12月在美国克利夫兰市琼斯·劳林钢铁公司2030mm热轧宽带钢轧机上，采用层流冷却系统进行闸后控制冷却，将实验室试验结果应用到宽带生产，使之成为工艺的现实。

对厚度25.4mm的中板实行控制冷却是在美国匹兹堡市一座2286mm带钢轧机上试验的。

15年后，中板控制冷却菜首先被日本钢管公司实现，即1980年在福山工厂建成在线钢板加速冷却(OLAC)。

1983年新日铁、住友金属、神户制铁和川崎制铁分别在有关钢板厂建立控制冷却装备。

同时，在欧洲和美国等轧钢厂也相继使用。

中厚板钢材轧后快速冷却首先是在低温控制轧制(再结晶性型控制轧制)进行，随着人们对再结晶型控制轧制工艺发展的重视，轧后采用快速冷却工艺就更加意义重大。

随着控制冷却机理研究的不断深化及其实践，除了在中厚钢板、热轧带钢生产中采用控制冷却技术外，在线材生产中也取得了比较成熟定型的控制冷却技术斯太尔摩冷却法正式发表与1964年，它的问世基本解决了线材的拉拔性能问题。

近年来，控制冷却工艺已经成功运用到棒材、带肋钢筋、钢管以及型钢生产和合金钢生产中，并取得了明显的经济效。