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1、内蒙古科技大学本科生课程论文题 目：控轧和控冷在中厚板生产中的应用学生姓名：学 号：专 业： 班 级：指导教师：控轧和控冷在中厚板生产中的应用摘要中厚板生产的控制轧制、控制冷却及其相结合的TMCP 技术是改善组织和力学性能的重要手段。控制轧制用于控制奥氏体晶粒大小和形态，新发展了中间冷却（IC）、驰豫-析出控制（RPC）和高温终轧（HTP）等奥氏体晶粒控制方法；控制冷却用于控制相变组织类型，促进了细化晶粒和相变强化，先后开发了直接淬火（DQ）、间断直接淬火（IDQ）、在线热处理（HOP）和直接淬火-分配（DQP）等新技术。介绍了其基本原理、特点和对钢板组织和力学性能的控制效果。分析了各种TMC
2、P 新技术的发展路径，以及通过TMCP降低生产成本、提高企业经济效率中的优势及存在的问题。关键词：中厚板；控制轧制；控制冷却；组织Development and Application of Controlled Rolling andControlled Cooling for Plate ProductionAbstract It is an important measure to improve the microstructure and mechanical properties, which in clued controlled rolling (CR) and control
3、led cooling (CC), TMCP combined by CR and CC. The controlled rolling process is used to control austenite grain size and its morphology. New technology including IC, RPC and HTP is developed to control the austenite. The controlled cooling process is used to control the phase transformation and micr
4、ostructure type, enhance the fining grain and phase transformation strengthening. Direct quenching (DQ),interrupted direct quenching (IDQ) and heat treatment online process(HOP) and direct quenching and partitioning process (DQP) are introduced, including their principle, characteristics and effect
5、on the steel micros and mechanical properties. The track of new TMCP technology development, the advantage and the problems for the plate mill lowering the fabricating cost and rising the commercial benefit by TMCP are analyzed in view of market and technique.Key words: plate; controlled rolling; co
6、ntrolled cooling; microstructure.前言综合近几年来，由于国内中厚板生产能力的不断扩大，受国际金融危机和后金融危机影响导致钢材消费市场滞涨，原料成本不断增加，中厚板生产厂的利润空间不断被压缩。冶金企业如何在这一轮经济调整中，实现产品转型、技术升级和成本控制成了决定企业经营效益的关键。经过多年的建设，国内很多中厚板生产厂具备了一定技术装备优势、产品和技术的研发能力，根据市场需求和技术装备特点，确立自己的产品战略定位。但是，由于技术和产品的趋同日益明显，现在已经很难找到大批量的、独家生产的短线、高附加值的产品。中厚板生产企业开始在不断挖掘成本潜力、精细化生产上投入力量
7、，力求提高效益，摆脱目前企业的困境。本文综合以上文献，就控制轧制和控制冷却技术的发展轨迹做出简单的阐述，认识新材料、新工艺、新装备在提高产品性能、降低生产成本中的作用，给国内中厚板技术开发进步提供参考。1控扎和控冷技术上世纪五、六十年代开始控制轧制工艺研究，并应用于中厚板生产。控制轧制技术的关键有二：一是控制轧制温度，尤其是终轧阶段温度；二是控制变形程度。按照变形温度和再结晶程度控制轧制通常划分为三个阶段：1) 在奥氏体再结晶区（温度：TTnr 未再结晶温度）结束终轧的一阶段轧制；2) 在奥氏体未再结晶区(温度：Ar3TTnr)结束终轧的两阶段控制轧制；3) 在奥氏体+铁素体两相区（温度：Ar
8、3(Ar3-40 )）结束终轧的三阶段控制轧制。研究表明：在奥氏体再结晶温度区间，增加变形量可以细化再结晶奥氏体晶粒，过渡增加变形量，再结晶奥氏体晶粒细化趋势减弱。微合金元素对再结晶温度的影响规律在没有被发现之前，碳钢或碳锰钢控制轧制的基本手段是“低温大压下”，即是在接近奥氏体向铁素体相变温度上进行变形，主要原因是没有微合金元素的影响，钢的奥氏体再结晶温度和相变温度接近，低温大变形可以保证奥氏体的再结晶细小，阻止奥氏体晶粒的长大。如果实现未再结晶控轧和两相区控轧，就需要更低的温度。而在未再结晶区变形不需要“低温大压下”，通过多道次的累积变形可以达到同样的效果，同样可以增加奥氏体内部储存的变形能
9、，提高奥氏体“硬化”程度1。2单机架轧机的中厚板控轧控冷生产由于人们对控制轧制和控制冷却的机理认识在不断的深化,并且经济的水平也在不断的提高,现代化的生产水平和检验手段越来越高超,使其控制轧制和控制冷却的技术也被要求不断在完善。主要就是被应用于钢材的生产中,特别是在中厚板的生产中是最为普遍的。在日常的生产中就会发现,轧机控轧对轧机的产量影响是比较大的,在目前很多的国家中,在对中厚板的生产过程中都是去开发比较适合自己家生产的轧制方案,在轧制的过程中最好在配合上冷却的装置,更加完美,使得产品能够更加的强韧,并且并没有比较高的成本损耗,又提高竞争的能力。控轧控冷在不断的被完善和发展,另外在加上一些现
10、代化的技术和手段不仅仅能够生产出低碳的钢,并且还能够生产出含有合金元素的高强度的钢2。并且这些设备配合使用,还能够生产出高碳钢和合金钢。这些钢能够广泛的应用于板材和带材的生产,还能够用于棒材和型材等等型号材料的生产。还能够用于产铁素体珠光体钢,还能够生产低碳贝氏体钢。控制轧制的目的是在热轧条件下生产出韧性好、强度高的钢材。法是两阶段轧制法. 控制轧制的主要作用是细化铁素体晶粒, 提钢材强度, 改善韧性.控制轧制。为提高控制轧制轧机产量, 通常采用交叉轧制、缩短中间冷却时间和控制冷却等措施,综合加热、轧制和控制冷却三个方面可节能3.3 5 1G J t/其中省去常化热处理工序, 每吨钢板可节约成
11、本27.6元. 由此可见,控轧控冷工艺生产的钢板是很经济的. 具有韧性好、强度高的钢材。从理论和实践上,已 由于人们对控制轧制和控制冷却机理的认识 总结出两种典型的控制轧制方法。一种是在奥氏 不断深化,加之现代化的设备和检测控制手段,使 体控制轧制的目的, 就是在热轧条件下生产出具有韧性好、强度高的钢材。从理论和实践上, 已总结出两种典型的控制轧制方法。一种是在奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区轧制, 它们分别称为高温区轧制和中温区轧制。这就是所谓的两阶段轧制方法: 第一阶段轧制要在950 以上结束, 第二阶段轧制要在Ar点以上结束, 在这两个轧制阶段中要有一次中间冷却。另一种是在奥氏体再结晶区
12、、奥氏体未再结晶区和奥氏体铁素体两相区轧制, 这就是三阶段轧制方法, 其中约奥氏体铁素体两相区轧制, 又称为低温区轧制。在这三个轧制阶段中有两次中间冷却。如图1 所示, 第一阶段是变形与再结晶同时进行的阶段, 通过反复变形和再结晶, 使奥氏体晶粒显著细化; 第二阶段是变形与相变同时进行的阶段, 在这个阶段中, 奥氏体晶粒被拉长, 同时产生滑移带, 奥氏体晶界的增加和滑移带的出现, 为铁素体形核提供了有利条件, 进而得到了细晶粒铁素体; 第三阶段使已经相变的铁素体晶粒变形, 引入大量位错和亚结构等, 同时使未相变的奥氏体晶粒继续引人大量变形带, 由此进一步细化了铁素体晶粒, 并产生加工硬化。因此
13、, 可以把第三阶段看成是加工硬化与继续相变阶段。控制轧制的主要作用是细化铁素体晶粒。所以又把它称为细化铁素体晶粒的技术, 是以提高钢材强度、改善韧性为目的。加速冷却是控轧后或高温轧制后, 使钢板在线冷却, 可以进一步细化铁素体晶粒, 并且获得铁素体和贝氏体的复相组织, 使钢材强度有更大提高, 韧性又不降低。轧后的加速冷却可以促使珠光体带状组织消失, 使钢材的层状撕裂作用减小再结晶区和奥氏体未再结晶区轧制,它们又分控轧控冷技术日趋完善,广泛用于钢材生产3。3控轧控冷工艺的应用条件下3.1Q345 中厚板的生产工艺研究为把握Q345 钢奥氏体再结晶区道次变形量对组织和力学性能的影响规律,将试验钢加
14、工成宽70mm 的阶梯形试件,加热到1 150 保温1 h 后在设定的温度点充分均温, 单道次轧制成厚14 mm钢板,每个台阶对应的变形量分别为10 %、20 %、30 %和40 % ,轧后空冷试样对应每种变形量分别沿横向加工成标准V 型缺口冲击试样和棒状拉伸试样,测定常规力学性能并选择典型试样进行微观组织察。(1) 采用再结晶方法细化奥氏体晶粒时,道次变形量宜控制在15 %20 % ,最大道次变形量30 %。这有利于避免混晶形成,减少相变后生成魏氏组织的几率。(2) 降低进精轧温度或增加待温厚度,有利于提高有效应变累积的百分数,促进铁素体形核、增强推荐的较好精轧温度区间为820880 ,待温
15、厚度为2215 倍成品厚度。(3) 采用加速冷却促进铁素体相变时,推荐的冷却速度为1518 / s ,终冷温度为650700 ,以避免过量的脆性相形成而导致钢材塑、韧性降低。相变驱动力,获得均匀细小的铁素体+ 珠光体组织4。3.2自动控轧控冷系统在棒材生产线的应用控轧控冷和热处理技术是现代轧钢生产中节约能源、提高产品竞争能力的新技术和新工艺，也是将轧制工程学、塑性加工理论、金属材料学、传热学和流体力学等学科结合为一体的一门新学科，是金属压力加工专业的前沿技术。控轧控冷广泛应用于各种带钢、中厚板、宽厚板的生产实践中，但目前国内大量的棒线材生产线在设计时定位较低，仅考虑普通的圆钢或螺纹钢生产，不具
16、备控轧控冷工艺条件。有不少棒线材生产线已经自主研发出控轧控冷的生产工艺，但是开始也往往缺少完善的检测和控制技术，造成钢材性能不稳定、可控性差、不合格品多等等现象，因此采用自动控轧控冷系统是棒材生产线的发展趋势。控轧控冷和热处理技术是现代轧钢生产中节约能源、提高产品竞争能力的新技术和新工艺，也是将轧制工程学、塑性加工理论、金属材料学、传热学和流体力学等学科结合为一体的一门新学科，是金属压力的生产实践中，但目前国内大量的棒线材生产线在设计时定位较低，仅考虑普通的圆钢或螺纹钢生产，不具备控轧控冷工艺条件。有不少棒线材生产线已经自主研发出控轧控冷的生产工艺，但是开始也往往缺少完善的检测和控制技术，造成
17、钢材性能不稳定、可控性差、不合格品多等等现象，因此采用自动控轧控冷系统是棒材生产线的发展趋势。控轧控冷的工艺流程和技术原理:控轧是指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，使塑性变形和固态相变相结合，以获得细小晶粒组织，综合力学性能。控轧控冷的主要工艺流程为：钢坯加热一粗、中轧轧制精轧控制冷却5。3.3中厚板轧制中间冷却过程研究 目前，控扎冷轧工艺在中厚板的生产中已经相当广泛，采用控扎冷轧生产中厚板需要进行中间带温以控制轧制温度提高产品性能，待温过程主要通过空冷实现，但空冷冷却速率小，待温时间长，轧制效率低，特别是对于轧制区域小的生产线，无法采用多批交叉轧制的方法提高轧制
18、效率。对待温钢板喷水即可解决，增大待温过程的冷却速度，提高轧制效率。由于中间坯的长度较短，控制方式。,主要研究内容和成果如下: (1)给出计算中间坯温度场的二维有限差分模型,确定了冷却计算参数的取值。特别对中间冷却换热过程进行了的介绍,说明高温中间冷却换热以膜沸腾换热为主,在高温区换热系数随温度变化较小。应用现场实测数据验证了模型和参数的选取是合理的。 (2)基于冷却原理建立了中间冷却控制过程计算模型,根据已知参数实现冷却过程参数,水流密度、开启集管数量、集管排布、摆动冷却次数等冷却过程参数的计算和设定。确定了中间坯的摆动范围,并对中间坯的摆动过程进行位置跟踪,以顺利实现冷却过程。 (3)对厚
19、板坯的冷却过程进行了深入研究。得出空冷时随板坯厚度的增加冷却速率减小,冷却结束时表面与中心的温差增大。水冷时随着水流密度增加,冷却结束时表面温度降低,厚度方向温度均匀性变差。在水流密度变化较小时水流密度对返红时间影响较小,水流密度为60120l/(m2min)时返红时间为3133s。返红时间随着厚度的增大而增加,厚度从30mm增加到60mm,返红时间从10s增加到32s。 (4)分析了不同冷却方式对中间冷却过程温度场的影响。得出通过集管的间隔开启和分段冷却的方法可以有效降低表面与心部的温差,提高厚度方向温度的均匀性。经过分析得出中间冷却时水冷温降比的选择范围为0.80.9。 (5)中间冷却过程
20、的模拟和热轧实验结果表明:中间冷却可以在不降低产品综合性能基础上,缩短待温时间30%左右,提高生产效率6。3.4控轧控冷工艺在2500mm中厚板生产线上的应用中厚钢板的微合金化+控扎控冷的生产工艺是一种先进优质的生产工艺，可以取代多种钢板的热轧+离线热处理，传统生产工艺，有效降低生产成本,是生产高强度，高韧性的优质钢材的生产方向。为扩大二扎2500mm中厚板生产线的板材品种，满足市场对各种高强度，高韧性优质中厚板的需要，二轧立足现有设备开具有自己特色的控扎空冷工艺7。3.5 Q550热轧中厚板的控轧控冷（TMCP）工艺优化武钢Q550高强度钢原来主要采用调质工艺生产，但是受成本限制，调质工艺逐
21、渐被控轧控冷工艺取代，特别是近年来随着中厚板生产装备水平的大幅提高，采用TMCP工艺生产Q550高强钢已是主流趋势。武钢在2003年ACC冷却系统投入使用后，开展了高强度中厚板轧后直接淬火回火（DQT）工艺代替调质工艺的研究，通过轧后直接淬火代替离线淬火生产高强度结构钢，以改善钢材的组织和力学性能。1）1635mm 厚钢板通过控轧DQT工艺，完全可以取代调质工艺生产，钢板综合力学性能满足技术标准的要求；2）对于1635mm 厚度规格的钢板，最佳DQT工艺为终轧温度800850，最佳回火工艺为700（253.0h）min；3）Q550钢采用低碳微合金化成分设计，保证了钢板具有良好的强韧性匹配的同
22、时还具有良好的焊接性能，满足了工程机械用钢需要，形成了批量供货能力。，不同控冷状态的钢板回火后强度不能满足性能要求。1号样控冷的钢板进行回火实验，冲击功和伸长率在采用700回火时最好8；2号样控冷的钢板进行回火实验，在不同的回火工艺条件下，各项性能都在要求范围内，伸长率在采用700回火工艺时最好；3号样控冷的钢板进行回火实验，在不同的回火工艺条件下，其冷弯及冲击大都不合格，伸长率也是在采用700回火时最好。所以20mm 厚试验钢的最佳回火工艺为700（253.0h）min。综上所述，2号样的冷却工艺最合适，因此试验钢20mm厚度规格钢板最佳DQ工艺为：终轧温度800850、开冷温度780、返红
23、温度250，最佳回火工艺为：700（253.0h）min。经现场实践，通过微调终轧温度及辊速等工艺参数，对于1635mm厚度规格的钢板均达到力学性能要求，考虑到板形问题，现场调试可得最优的控冷水比。结论1) 控制轧制与控制冷却技术及其结合形成的TMCP 工艺在控制高温奥氏体组织和低温相变组织中的作用突出，是改善中厚板力学性能的重要手段。2) 采用TMCP 基础上开发出来的DQ、IDQ、HOP、DQP 等在线热处理新技术，在生产高强度钢时可以部分替代离线QT 技术，缩短流程、降低能耗，提升经济效益。3) 中厚板厂需要根据产品的用途和相关标准要求，在TMCP 的工艺精调和优化上不断挖潜，把材料精细
24、设计、工艺优化和产品应用相结合，降低生产成本。4) TMCP 无法解决将产能过剩问题导致的深层次问题，无法解决企业生产工艺趋同和产品结构趋同的问题。由于控轧控冷的方法就能够生产出强度比较高,硬度比较高,以及一些比较优良的钢板。并且产品成本也是比较低的,因此这种方法在中厚板的生产中得带一个广泛的推广。来满足不同行业的生产要求。由于控轧控冷方法能生产出强度高韧性好及可焊性优良的钢板, 而且产品成本低, 因此这种方法在中厚板生产中得到了广泛迅速的推广。凡有条件的, 应对现有中厚板生产线加以改造, 使之可以应用控轧控冷生产方法; 对于新建的中厚板生产线, 一定使之具备控轧控冷生产条件,并开发出适合于条
25、件的生产工艺, 以满足机械制造业、船舶工业、石油化工工业及大型工程等对中厚板越来越高的要求。5）1635 厚钢板通过控轧DQT工艺，完全可以取代调质工艺生产，钢板综合力学性能满足技术标准的要求；6）对于1635mm 厚度规格的钢板，最佳DQT工艺为终轧温度800850，最佳回火工艺为700（253.0h）min；7）Q550钢采用低碳微合金化成分设计，保证了钢板具有良好的强韧性匹配的同时还具有良好的焊接性能，满足了工程机械用钢需要，形成了批量供货能力；8）为了进一步改善DQ钢板板形，应增加轧后预热矫直机和对ACC系统进行改造，拓宽DQ钢板的厚度生产范围。9）1635mm 厚钢板通过控轧DQT
26、工艺，完全可以取代调质工艺生产，钢板综合力学性能满足技术标准的要求；10）对于1635mm 厚度规格的钢板，最佳DQT工艺为终轧温度800850，最佳回火工艺为700（253.0h）min；11）Q550钢采用低碳微合金化成分设计，保证了钢板具有良好的强韧性匹配的同时还具有良好的焊接性能，满足了工程机械用钢需要，形成了批量供货能力；12）为了进一步改善DQ钢板板形，应增加轧后预热矫直机和对ACC系统进行改造，拓宽DQ钢板的厚度生产范围。参考文献1 王路兵. 高级别管线钢X100的试验研究 D. 北京科技大学,2008.2 王有铭，李曼云，韦光. 钢材的控制轧制与控制冷却M.北京: 冶金工业出版
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