1、线材的控轧控冷研究摘要控制轧制和控制冷却技术在线材生产中具有重要作用,合理制定控轧控冷工艺就能改善线材的组织和性能。本文着重叙述了线材生产中控制轧制和控制冷却技术的机理、特点、方式、应用及斯太尔摩冷却工艺。关键词:线材生产； 控制轧制； 控制冷却 ；斯太尔摩冷却工艺1 控制轧制和控制冷却的机理线材的控轧控冷实质上是通过控制轧制工艺参数和轧后冷却参数来控制钢材的相变点和组织形态以生产出满足人们需要的钢种。1.1 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
2、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晶、静态回复过程、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。1.2 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
3、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 Ar3 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
4、而改善钢材的性能。2 线材控制轧制和控制冷却的方式及特点2.1 控制轧制的方式及特点线材为了获得高强度、高韧性的综合性能,可以采用不同的控制轧制工艺来达到。根据热扎过程中变形奥氏体的再结晶状态不同,相变机制不同,将其划分为四个阶段,图 1描述了四个阶段的组织变化情况。图 1 控制控冷的四个阶段第一阶段为再结晶奥氏体(区域轧制(约 950以上)。在高温轧制后急速进行再结晶,此阶段将因加热而粗化的奥氏体晶粒经反复轧制一再结晶进行细化,再结晶区轧制是通过再结晶进行奥氏体晶粒的细化,此阶段中奥氏体的进一步细化较为困难,它是控制轧制的准备阶段。第二阶段是未再结晶奥氏体区域轧制(约 950A r3之间)。
5、随着轧制温度的下降,奥氏体再结晶被抑制,仍保持加工硬化状态。随着压下量的增加,奥氏体晶粒伸长,同时晶粒内有大量形变带和位错。这是控制轧制最重要的阶段。第三阶段是在( )两相区轧制(约 Ar3 以下)。在此区轧制时,未相变的奥氏体晶粒更加伸长,同时,晶粒内形成了形变带及位错,在这些部位形成新的等轴铁素体晶粒。先析出的铁素体晶粒由于塑性变形,在晶粒内部形成大量的位错,经回复形成亚晶结构。这些亚晶结构使钢的强度提高,韧脆转变温度降低。两相区轧制使相变后的组织更加细小,同时产生了位错强化及亚晶强化,从而进一步提高了钢的强度和韧性。第四阶段为轧后加速冷却。在特定温度区(500600)内增加冷却速度,使未
6、相变的晶粒发生相变 ,变成微细的多边化晶粒。A 晶粒更加细密,且内部包含亚晶粒,这种包含亚晶粒的混合组织可使强度增大。采用什么类型的控制轧制工艺,取决于钢的化学成分,对成品钢材组织性能的要求,轧机的设备条件和工艺水平以及对轧机产量的要求等等。特别是轧机后面是否具备钢材控制冷却设备,冷却设备能力的大小都直接影响到控制轧制工艺的选择。2.2 控制冷却的方式及特点线材轧后的冷却方式分为自然冷却和控制冷却。线材轧后控制冷却过程分为 3 个阶段。(1)一次冷却从终轧温度开始到奥氏体向铁素体开始转变温度 Ar3 或二次碳化物开始析出温度 Ac范围内的冷却,其目的是控制热变形后的奥氏体状态,阻止奥氏体晶粒长
7、大或碳化物析出,固定由于变形而引起的位错,加大过冷度,降低相变温度,为相变做组织上的准备。一次冷却的开始快冷温度越接近终轧温度,细化奥氏体和增大有效晶界面积的效果越明显。(2)二次冷却热轧钢材经过一次冷却后,立即进入由奥氏体向铁素体或碳化物析出的相变阶段,在相变过程中控制相变冷却开始温度、冷却速度和停止冷却温度等参数,就能控制相变过程,从而达到控制相变产物形态、结构的目的。(3)三次冷却相变之后直到室温这一温度区间的冷却。一般钢材相变后多采用空冷,冷却均匀,形成铁素体和珠光体。此外,固溶在铁素体中的过饱和碳化物在慢冷中不断弥散析出,使其沉淀强化。对一些微合金化钢,在相变完成之后仍采用快冷工艺,
8、以阻止碳化物析出,保持碳化物固溶状态,达到固溶强化的目的。3 线材生产中控制轧制和控制冷却技术关键(1)控制钢的化学成分线材生产过程中,强度和韧性为主要的性能指标参数。其具体描述了钢材的加工性能和使用性能,碳素钢中的五大常存元素碳、锰、硅、磷、硫是确定钢性能的基础,也是影响线材内在质量的关键因素。对于高碳钢线材,碳含量的增加在改善强度的同时对面缩率和伸长率不利;锰含量的增加会提高线材的力学性能;合金铬的添加,在降低强度的同时对面缩率和伸长率有利。因此在冶炼高碳钢线材时,应尽量控制碳含量在成分范围的下限,提高锰含量。所以合理控制化学成分是线材生产的关键。(2)控制加热温度加热温度影响轧前的原始奥
9、氏体晶粒大小,各道次的轧制温度及终轧温度影响道次之间及终轧后的奥氏体再结晶程度及再结晶后的晶粒大小。奥氏体化温度低,控制冷却后的力学性能好。(3)控制变形率与变形速度变形率和变形速度也是影响线材性能的关键因素之一。为了更好地通过变形再结晶细化晶粒,应采用比较大的变形量。对于高强度线材如果要考虑变形强化,就要考虑变形量与终轧温度的关系,以便得到变形强化与相变强化相结合的效果。在孔型确定的条件下,轧制速度决定了变形速度,变形速度影响各道次之间的再结晶程度及终轧后奥氏体的再结晶程度,因而影响形变热处理效果。(4)控制终轧温度对于线材生产,终轧温度的高低对其组织和性能有较大的影响。终轧温度决定奥氏体是
10、否发生再结晶,降低终轧温度可以减小变形奥氏体的再结晶程度,甚至可以完全抑制再结晶,保持奥氏体的变形状态,降低终轧温度还可使自回火温度降低,再生产过程中如果控制终轧温度在再结晶温度以上,终轧变形与再结晶结果会使晶粒细化。温度降低对细化有一定作用。(5)控制钢中的微合金元素控轧钢中加入微合金元素,其主要目的是为了与控制轧制相配合,达到最大程度的细化晶粒的目的。Nb,TiV 是最常用的细化晶粒的元素,它们能在钢中形成碳化物、氮化物或碳氮化物,这些析出物的细小质点可以钉扎晶界,具有强烈阻碍晶粒长大的作用。利用合金元素沉淀强化的作用,可以使钢的强度明显升高,但不采用控制轧制会使钢的韧性变坏。只有通过控轧
11、,在热变形过程中析出特定大小的质点,阻止再结晶后的晶粒长大,使晶粒细化,取得提高线材强韧性的目的。4 控轧控冷工艺在线材生产中的应用随着线材轧制速度的提高,轧后控制冷却成为必不可少的一部分。由于线材的变形过程由孔型所确定,要改变各道的变形量比较困难,轧制温度的控制主要取决于加热温度,在无中间冷却的条件下,无法控制轧制过程中的温度变化。现代线材轧机已能生产高精度的产品,各生产厂家均采用控制控冷工艺技术控制线材的质量性能。应用控轧控冷技术在改善钢材的综合性能方面取得了明显的效果。4.1 斯太尔摩冷却工艺线材从精轧机组出来后,立即进入有多段水箱组成的水冷段进行强制水冷,然后经夹送辊夹送进入吐丝机成圈
12、,并呈散卷状布放在连续运行的斯太尔摩运输机上,运输机上方或下方设有风机可进行风冷,最后进入集卷痛集卷收集。斯太尔摩控冷工艺最大的特点是为了适应不同钢种的需要,具有三种冷却形式,这三种类型的水冷段相同,它依据运输机的结构和状态不同而分为标准型冷却、缓慢型冷却和延迟型冷却。标准斯太尔摩运输机其运输速 0.25m/s1.4m/s,冷却速度为 4/s10/s,它适用于高碳钢线材的冷却。缓慢型冷却斯太尔摩运输机适用于处理低碳钢、低合金钢及合金钢之类的线材。延迟型冷却适用于处理各类碳钢、低合金钢及某些合金钢。由于延迟型冷却适用性广,工艺灵活,省掉了缓慢冷却型加热器,设备费用和生产费用相应降低,所以近十几年
13、所建的斯太尔摩冷却大多采用延迟型。斯太尔摩冷却工艺的优点是:冷却速度可以人为控制,这就容易保证线材的质量；与其他各种控冷工艺相比,斯太尔摩工艺较为稳妥可靠,三种类型的控制冷却方法适用范围广,基本能满足当前需要;设备不需要深的地基。缺点是投资费用较高,占地面积较大；风冷区线材降温主要靠风冷,因此线材的质量受空气和湿度的影响较大;由于主要依靠风机降温,线材二次氧化较严重。5 结束语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。今后控轧控冷技术的研究将仍然是线材生产中
14、的一项重要课题。参考文献：1王有铭,李曼云,韦光.钢材的控制轧制和控制冷却M(第一版).冶金工业出版社1995:1-972孙慎宏.控轧控冷及其作用分析J.特殊钢技术,2005,(4):24-273韦轶华.浅谈控制冷却技术在低碳钢轧制上的应用J.冶金标准化与量,2004,42(6):38-39,504冯运莉,杨海丽.微合金元素 Cr 对高碳钢线材组织性能的影响J.钢铁钒钛,2003,24(4):31-345刘浩林,黄胜永,常志刚等.对高速线材生产中的控轧控冷的分析J.河北冶金,2005,(5):23-24线材的控轧控冷研究学院：材料与冶金学院班级：金材 2011-2姓名：闫斯文学号：120113208026电话：15541223768
