棒线材控制轧制和控制冷却技术

棒线材控制轧制和控制冷却技术

樗里子

（1.材料成型及控制工程 27）

【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。控制冷却技术是轧钢生产的关键技术,受到冶金界的高度重视。本文对控制轧制和控制冷却的概念、基础理论、分类及其在线材生产中的应用等情况进行了介绍。控轧控冷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。

【关键词】 控制轧制 控制冷却 广泛应用 领域

Abstract：Controlled rolling is a new technology for rolling process of hot rolling process, which can combine the thermal plastic deformation and solid phase transformation with the reasonable control of metal heating system, deformation and temperature. Control cooling technology is the key technology of steel rolling production, and it is highly valued by the metallurgical industry. In this paper, the concept, basic theory, classification and application of control cooling of rolling and controlled cooling are introduced in this paper. Controlled rolling and controlled cooling has been widely used in hot strip, medium and heavy plate, steel, rod and wire and steel pipe and other fields.

Key Word：Controlled rolling Control cooling Wide application Field

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棒线材等。在20世纪80年代 , 在荷兰阿姆斯特丹举行的世界钢铁会议上指出:在轧钢技术方面,今后主要集中在控制轧制、加强冷却以及棒线材的无头轧制等3项技术上。可见,控制轧制和控制冷却技术作为提高产品的组织性能,降低钢材生产成本,提高企业经济效益上起着巨大的作用。因此,随着时间的推移,控制轧制和控制冷却在棒线材中的生产应用和生产实践上在理论研究的基础上已取得了迅猛发展。

2.控制轧制和控制冷却的机理

2. 1控制轧制机理

热塑性变形过程中或变形之后的钢组织的再结晶在控制轧制中起决定作用,奥氏体晶粒的细化是控制轧制的基础。热变形从形变的角度考虑是降低变形抗力和提高钢的塑性变形能力 。从组织控制的角度考虑是: 完成钢的奥氏体组织的控制 ; 在一定的奥氏体组织条件下进行形变 ,通过对形变条件的控制,实现对变形过程中组织的控制为相变做组织准备; 控制相变过程,以获得要求的组织和性能。不同的相变前的奥氏体组织 ,相变后组织就会不同 ,性能就不同。奥氏体化条件不同 、 形变条件的不同,热变形过程中会出现不同的动态回复过程 ( 动态回复、动态再结晶) 、 静态回复过程( 静态回复、静态再结晶) ,而不同的回复过程会形成各种热变形条件下钢的组织变化

。

2. 2控制冷却机理

高温终轧的线材,轧后处于奥氏体完全再结晶状态 ,应采用轧后快速冷却。因为如果轧后慢冷 ,则变形奥氏体晶粒将在冷却过程中长大 ,相变后得到粗大的铁素体组织 。由于冷却缓慢,由奥氏体转变的珠光体粗大,片层间距加厚。这种组织的力学性能较低 。对于低温终轧的线材 ,终轧时奥氏体处于未再结晶温度区域,由于变形影响Ar 3 温度提高,终轧后奥氏体很快就相变,形成铁素体。这种在高温下形成的铁素体长大速度很快。如果轧后采用慢冷,铁素体就有足够长大时间 ,到常温时就会形成较粗大的铁素体,从而降低了控制轧制细化晶粒的效果 。轧后快冷实质上是控制轧制后细化了的变形奥氏体组织。

经过快速冷却 ,相变组织相应变化 ,钢中析出物的大小 、数量 、 析出部位发生变化,从而使钢材的强韧性得以提高 。对于高碳钢和高碳合金钢轧制后控制冷却的机理则是防止变形后奥氏体晶粒长大 ,降低以致阻止网状碳化物的析出量和降低级别,减少珠光体球团尺寸,改善珠光体形貌和片层间距,从而改善钢材的性能

3 棒线材品种钢开发的控轧控冷技术关键

3.1 棒线材控制轧制说到底是对奥氏体状态的控制,其工艺技术关键表现为:·低温变形可以导致晶粒细化, 因此希望尽量降低加热温度,同时又考虑到降低变形抗力, 故一般棒线材加热温度为 1100℃～ 1250℃。

·调整变形温度是控制高温奥氏体的重要手段,棒线材轧制多为部分机架或全部机架连续轧制, 因此调整空延时间余地很小 ,最好采用机架间水冷。

·调整轧线上轧件的温度是棒线材控制轧制的主要手段。其中包括加热温度和轧制各道次的温度,无疑这都与轧制线的设计有关。为了较好地实现各段变形,必须严格控制各段温度 ,在加热时温度不要过高 ,避免奥氏体晶粒过分长大 ,并避免在部分再结晶区中轧制形成混晶组织 ,破坏钢的韧性 。

·棒线材轧制时高温组织的控制 ,还通过合金化、改善冶炼工艺 、 调整加热温度等进行。

3.2控制冷却说到底是对奥氏体相变的控制, 其工艺技术关键表现为:·在未再结晶奥氏体进行控制冷却 ,晶粒细化效果明显。

·与空冷相比 ,以 10℃ s 的冷却速度冷却时, 转变温度不变,强度

上升明显。

·控冷后的组织 ,为细晶铁素体 + 分散的贝氏体的混合组织,提高度明显。

·产品性能要求通条均一性好, 因此对控冷装置要求较高 。 4棒线材控制轧制和控制冷却在生产中的应用

4.1棒线材生产中的控制轧制

由于小型棒线材轧机的轧制工艺参数中变形制度难于调整,即由孔型设计确定,要通过改变各道次变形量来适应控制轧制变形量的要求是极其困难的。因此在小型棒线材轧机上只能采取控制各轧机上的温度来进行控制轧制 ,即控温轧制。通过控制轧制温度 ,使变形条件在一定程度上满足控轧要求 。控制轧制除了能生产具有细晶组织 、 强韧性好的钢材外 ,还可以减少脱碳、 简化或取消热处理工序。例如非调质钢,利用控制轧制并配合控制冷却, 可以生产冷镦用高强度标准件原料, 使用这种原料, 原标准件生产中酸洗前的退火工序和冷镦后的调质工序可以简化或取消, 对于某些轧后要求球化退火的钢材可节约退火时间 ,深受用户青睐。小型棒线材轧机的控制轧制有以下两种变形制度:

1) 两段变形制度 。即奥氏体再结晶型和未再结晶型两阶段的控轧工艺。这种工艺的特点是选择低的加热温度以避免原始奥氏体晶粒过分长大, 但使粗轧在再结晶温度范围内轧制 , 利用变形奥氏体再结晶细化奥氏体晶粒; 中轧及精轧机组的轧制温度在950℃以下 ,即处于奥氏体未再结晶区变形, 累计变形量为 60%～ 70%, 在接近奥氏体

向铁素体转变温度( Ar 3 ) 时终轧, 可以得到具有大量变形带的奥 氏体未再结晶晶粒, 相变后可得到细小的铁素体晶粒。

2) 三段变形制度 。即奥氏体再结晶型 、未再结晶型和奥氏体与铁素体两相区轧制的三阶段的控轧工艺 。这种工艺的特点是粗轧在奥氏体再结晶区反复轧制细化奥氏体晶粒, 中轧在 950℃以下的未再 结晶区轧制并给予 60%～ 70% 的总变形率, 精轧在Ar 3 与 Ar 1 之间的两相区轧制并终轧 ,这样得到细小的铁素体晶粒及具有变形带的未再结晶奥氏体晶粒,相变后可得到细小的铁素体晶粒并有亚结构及位错 。

4.2 棒线材生产中的控制冷却

棒材，连续式小型棒材轧机上应用最广泛的是棒材的轧后余热淬火及自回火工艺 ,又称为 QTB 或QTR工艺 。该工艺是利用终轧后轧件自身的热量,使之通过专门设定的穿水冷却水箱, 准确控制轧件的冷却速度, 从而获得所需要的组织和性能的一种方法。此工艺可以利用普通低碳钢来替代微合金钢和低合金钢 ,且轧件具有较高的强度 、 较好的韧性和焊接性, 近年来被广泛用于热轧带肋钢筋生产。经过余热淬火处理的钢筋 ,其强度指标可以大大提高,且具有很大的灵活性 , 即同一成分的钢筋采用不同的冷却制度 ,能获得不同强度级别的钢筋 。棒材的控制冷却工艺包括三个热处理阶段 :

1) 淬火阶段。棒材离开终轧机后立即进入有数个冷却水箱组成的淬火线, 表面得到淬火组织;

2) 回火阶段。棒材离开水冷箱之后, 由于经过穿水急冷的钢筋横断

面上温差很大, 经随后的热传导过程 ,芯部的热量逐渐向表面扩散 ,使得表面淬火组织得到自回火处理;

3) 自然冷却阶段。这个阶段在冷床上完成。

线材的控制冷却技术包括轧后水冷和风冷两部分 ,水冷普遍采用了温度自动闭环控制,而风冷在散卷运输辊道上来完成。一般情况下, 将线材轧后控制冷却过程分为三个阶段 ,第一阶段的主要目的是为相变做组织准备及减少二次氧化铁皮 , 通常采用快速冷却,冷却到相变前温度, 即吐丝温度 ; 第二阶段为相变过程,主要控制冷却速度; 第三阶段相变结束 ,除有时考虑到固溶元素的析出采用慢冷外, 一般采用空冷。各钢种的成分不同 ,他们的转变温度 、 转变时间和组织特征各不相同,

5线材控温轧制和控制冷却的目的

（1） 降低钢坯加热温度， 节能而且还能减少脱碳，控制晶粒尺寸可以增大轧件穿过水冷段的刚度， 减少事故发生率， 提高轧机作业率， 并为低温精密轧制创造了条件， 以生产更高质量的产品。

（2） 得到具有最佳的变形特性的线材。

（3） 得到具有均匀的组织和稳定性能的线材。

（4） 线材表面生成的氧化铁皮薄， 易于酸洗， 以降低酸洗成本。

（5） 由于线材的头、 尾与通条温度变化最小， 性能均匀， 减少了切头， 切尾的圈数。

（6） 对于螺纹线材， 预应力钢筋通过控温轧制和控制冷却工艺，不在增加微量合金元素的情况下， 提高其钢筋强度级别。

（7） 工艺技术先进， 生产可靠性大， 有很高的利用率。

（8） 各种生产技术经济指标先进， 能耗低

6 线材控温轧制和控制冷却的发展趋势

（1） 进一步降低线材坯料出炉温度。钢坯采用较低的出炉温度进行轧制， 除改善冶金性能外， 还能达到较低的总能量消耗。为了解决粗轧温降问题可以采用紧凑粗轧机来代替普通的粗轧机和中轧机组。

（2） 由于轧件进入精轧机组之前和进入精轧机架之间都经过中间水冷，使线材终轧温度控制在800℃左右， 这就大大的提高了线材的刚度， 并且减少了精轧后水冷段的冷却水量。因此， 控制冷却的水冷段将向缩短的方向发展，全轧线冷却轧件的水冷系统也将向全闭环控制回路发展。

（3）吐丝温度逐渐降低。由于采用了控温轧制，和常规轧制比较吐丝温度将普遍降低。

7结束语

进入新世纪以来 ， 随着我国经济的发展以及相应科学技术的发展 ，我国煤矿自动化产品越来越多 ，煤矿作业的自动化程度也是越来越高 ，涉及到煤矿工业中采煤方面、掘进方面、运输方面以及供电、排水方面 ，是当前我国煤矿生产和安全的技术保障 ，对当下我国煤矿自动化发展现状与应对途径进行分析具有重大的现实意义和必要性。未来煤矿企业应该建立企业级集控中心 ，这样就可以通过高效自动化设备以及快速传输网 ， 实现对井下全部流程和设备的集中监控 ，从而可以迅速作出检修决策 ，实现煤矿安全生产和高效运

营 ， 增强企业的市场竞争力控制轧制和控制冷却技术在线材生产中具有举足轻重的作用 ,因此正确制定控制轧制和轧后冷却工艺,对线材轧制过程进行科学合理的控制 ,才可以改善盘条的金相组织,提高盘条的力学性能和产品质量 。

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