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1、 .图书分类号：密 级：毕业设计(论文)高层建筑耐火钢控轧控冷工艺研究RESEARCH ON THE CONTROLLED ROLLING AND COOLING PROCESS OF HIGH-RISE BUILDING FIRE-RESISTANT STEEL 学生姓名 班 级09材控2学号20090610213学院名称机电工程学院专业名称材料成型及控制工程指导教师 2013年5月22日徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果
2、。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名：
3、日期： 年 月 日 日期： 年 月 日徐州工程学院毕业设计(论文)摘要钢结构作为当代建筑的一种重要形式，代表了当今建筑结构的发展趋势。然而，有一个钢结构的致命缺陷是防火性能差。为了防止火灾引起的钢结构建筑的灾难性破坏，确保人员、财产的安全，因此建筑标准规定用耐火涂层保护钢结构。但是，喷涂耐火涂层的长期工作会危害工人的健康，并且延长了工期，增加了建造成本。此外，耐火涂层还减少了建筑物的有效使用面积，喷涂作业的飞溅物还易引发环境污染。因此，安全、环保、提高劳动生产率和降低成本是当代建筑不可避免的发展趋势，在这一发展趋势下，耐火钢应运而生。本论文采用了实验室试制的耐火钢，对它们的力学性能进行了检测与
4、分析，并通过在不同的温度下回火，研究了回火温度及回火时间对实验钢微观组织的影响，探讨了耐火钢性能与微观组织之间的关系。本文利用Gleele1500热模拟机对含Cr、Mo、Ti和Nb等合金元素的建筑用耐火钢进行了研究，结果表明，含有铁素体和粒状贝氏体组织的试验钢有优良的综合性能，经过550回火后可很好的满足450MPa级建筑用耐火钢的各项技术要求，这为工业化大生产提供了理论指导。关键词 耐火钢；控轧控冷工艺；屈强比AbstractSteel structure of Modern architecture is an important form of structure, the repres
5、entative of the current structure of the new trend of development. But steel structure buildings have a fatal shortcoming, that is poor fireproof performance. In order to prevent fire to steel structure construction caused catastrophic damage, to ensure the peoples safety and property, so the buildi
6、ng standard refractory coating protection of steel structure. However, spraying refractory coating work health hazards to workers, extended the time limit for a project, increase construction costs. In addition, refractory coating also reduces the building the effective use area, spray splashes also
7、 causes environmental pollution. Therefore, safety, environmental protection, reduce costs and improve labor productivity is the development trend of Modern architecture, refractory steel precisely in order to adapt to this trend of development and. This paper adopts laboratory of refractory steel,
8、has carried on the mechanical properties of testing and analysis and by different temperatures during tempering, tempering temperature and tempering Time on the effect on microstructure, on the microstructure and mechanical properties of the relationship between the refractory steel. By using the Gl
9、eele1500 thermal simulation machine containing Nb, Ti, Mo and Cr alloy steel were studied, the results show that, with ferrite and granular bainite steel has good comprehensive performance, after 550 tempering can well satisfy the 450MPa fire resistant steel for buildings the technical requirements
10、for the industrialized production, which provides theoretical guidance. Keywords fire-resistant Controlled rolling and Controlled Cooling yield-strength ratio34目 录摘要AbstraCt1 绪论11.1 引言11.2耐火钢1 1.2.1耐火钢的概念1 1.2.2耐火钢的性能指标2 1.2.3影响耐火钢高温强度的因素4 1.2.4国外耐火钢的现状及发展5 1.2.5国内耐火钢的现状及发展61.3控扎控冷技术7 1.3.1控制轧制7 1.3
11、.2控制冷却81.4研究的背景、意义和目的12 1.4.1研究意义12 1.4.2研究背景12 1.4.3研究目的121.5研究内容122 450MPa级低屈强比耐火钢的研究132.1化学成分132.2实验方案13 2.2.1实验材料13 2.2.2实验方法142.3实验结果15 2.3.1力学性能检验结果15 2.3.2实验钢的显微组织172.4讨论20 2.4.1铁素体晶粒组织对屈强比的影响20 2.4.2珠光体、贝氏体含量对屈强比的影响20 2.4.3终轧温度对屈强比的影响22 2.4.4终冷温度对屈强比的影响222.5本章小结233 合金元素对450MPa级低屈强比耐火钢的影响24 3
12、.1微合金的发展243.1.1微合金的特点243.1.2微合金元素在耐火钢中的作用25 3.1.2.1微合金对钢料常温力学性能的影响26 3.1.2.2微合金对钢料高温力学性能的影响27 3.2本章小结28结论29致谢30参考文献311 绪论1.1 引言高层建筑钢是现代大都市的标志，美国纽约的曼哈顿帝国大厦自1931年建成以来，其世界第一高楼的记录不断被打破。最近落成的迪拜塔，以其令人难以想象的高度超过了台北101大楼，成为无可争议的大金世界第一。20世纪摩天大楼主要集中在美国、日本等发达国家，但9.11事件之后，我国高速增长的经济促进了高层建筑的发展，到2009年年底全国100m以上的高层建
13、筑有1500余幢1，其中仅上海就有200多幢；建成和在建的300m以上摩天大楼有60幢2，占全球的3/4以上，天津拥有的数量最多（14幢），重庆位居第二（7幢）。如今我国到处可见高耸入云的塔吊和鳞次栉比的高楼大厦，它中的每一根钢筋、每一块水泥和玻璃都记录着共和国腾飞的辉煌。尽管高层建筑是人们心目中评价城市规模的一把尺子，然而，“高处不胜寒”，拔地而起的高层建筑需要有抵御强风、暴雨、雷击、地震、自重以及其他各种灾害的能力，因而要求为其承担载荷的钢铁材料要具有比普通材料更优越的综合性能，即除了应有的强度、韧性和塑性外，还要有良好的Z向性能、抗震性能和耐火性能。建筑业是中国国民经济的支柱产业，也是中
14、国钢材消费量最大的行业。中国正处于工业化快速发展的时期，基础设施规模较大，同时城镇化水平正在不断提高，因此对建筑用钢材的需求量迅速增加，并将在相当长时间内有一个稳定需求3。在钢结构建筑中，存在两大问题：钢的腐蚀和火灾时钢构件的软化。在自然气候下，钢材受蚀减薄5年可达1mm以上。另一方面，当钢的温度达到350摄氏度及其以上时，钢的屈服强度下降至规定的室温屈服强度的2/3或更低，低于钢结构要求的屈服强度。因此，建筑物所使用的钢材在高温状态下会因强度降低而失去承载能力，致使建筑物倒塌而造成人员伤亡和财产损失。为使钢构件的温度在火灾期间不超过350摄氏度，钢结构必须用耐火涂层加以保护，这样就会使得建筑
15、成本增加、工期延长，同时在喷涂耐火材料时，还会危害人的身体健康并造成严重的环境污染；此外，建筑的有效空间也因防火包覆而减少并影响美观。由此，特别提出了开发耐火钢的课题。在美国9.11事件后，钢结构建筑用的钢防火性能更加引起了人们的高度重视4。1.2 耐火钢1.2.1耐火钢的概念对火灾有一定抵抗能力的钢材我们称之为耐火钢，在日本耐火钢被归属于焊接结构用轧制钢材一类，在我国它被归属于建筑用低合金结构钢的范畴。耐火钢与普通的建筑用钢不同，普通的建筑用低合金结构钢如15MnV 、16Mn等在达到350左右温度时他们的屈服强度将降至室温时的2/3以下，这低于建筑结构要求的屈服强度（承载许用应力）。因此必
16、须喷涂耐火绝热涂层，这不仅费工费时，对操作人员的身体健康也有影响。建筑结构的质量增加了，室内空间因而相应减少，建造成本增加。为减少直到不用绝热涂层，钢材被要求能够在高温下保持较高的强度水平，于是耐火钢自此产生。耐火钢生产中通过加入铌、钼等元素合金化，使其能够在350600的高温下13小时内仍保持较高的强度水平，从而增加建筑物抵抗火灾的能力，提高建筑物的安全及稳定性。耐火钢合金元素含量对比普通建筑用低合金结构钢，显然要稍高一些。1.2.2耐火钢的性能指标高层建筑一旦发生火灾,将造成巨大的人员伤害和财产损失。例如,发生于2001年震惊世界的9.11事件中，美国纽约世贸大厦遭到飞机撞击后1小时，两座
17、高达417m的摩天大楼相继轰然倒塌。事后经研究证明，世贸大厦姊妹楼倒塌的直接原因并非由飞机的强大撞击所造成，而是飞机爆炸后燃油所释放的巨大热量，使大厦钢结构框架难以再承受巨大的负荷，最终导致两座雄伟的建筑变为一片废墟。这个事件提醒人们，高层建筑用钢不仅要具有良好的强韧性、理想的抗震性能，还要有耐火性能。2002年年初，国内某废钢用户购得因9.11事件倒塌的纽约世贸中心一批建筑废钢，为了了解20世纪70年代初国外建筑用钢板的主要特点及其实物质量，在这些废钢中分拣出若干试样进行了化学成分、常规性能及高温性能的分析实验，得到了具有参考价值的数据，如表1-1和1-2所示。表1-1纽约世贸大厦钢板的化学
18、成分 （质量分数，%）CSiMnCrMoPS0.210.020.880.090.0080.0140.015表1-2 纽约世贸大厦钢板的力学性能钢板厚度/mmReL/MPaA/%ReL(600)/MPaReL/Rm Rm/MPaAkV (0)/J612263361150.5647140从表1-2可知，世贸大厦所用钢材的屈强比很低，说明世贸大厦具有较好的抗震性能。但同时也可以看出，其耐火性能明显不足（600下钢的屈服强度只有115MPa），这表明当时高层建筑用钢还没有考虑耐火性能的要求。因此有理由相信，耐火能力不足导致了这两座摩天大厦在大型波音飞机高速撞击后岿然不动，却在燃烧几十分钟后轰然倒塌。耐
19、火耐候钢作为新一代建筑用钢，必须具有抗层状撕裂性能、焊接性能、耐火性能和防腐性能良好等优点。耐火钢性能的基本要求是，在600下保温2小时，屈服强度不低于标准要求屈服强度最低值的2/3。普通建筑用钢（如Q235、Q345）屈服强度在350以上高温时陡降，低于室温强度的2/3，不能满足耐火要求。为了防止火灾对钢结构建筑带来的灾难性破坏，必须对钢结构喷涂很厚的防火漆层进行保护，对钢结构建筑喷涂防火材料造成成本成倍增加，且工期延长，美观受到影响，建筑的有效空间也因防火包覆而减少。另外，喷涂作业的飞溅还会造成环境的污染。因此，减少防火涂层，有效降低建筑成本和提高劳动生产率，是当代建筑用钢的发展的大趋势，
20、耐火钢正是在这一趋势下应运而生的。1987年3月，新耐火钢设计法在日本建筑省颁布，该法律规定，高层建筑必须具有一定的耐火能力，减少或省掉喷涂耐火材料，而且对钢材耐火时间也提出相应的要求。为了达到建筑部门对耐火钢材的要求，以欧洲一些钢铁公司以及新日铁为首的日本钢铁公司已经着手研究和开发新型耐火钢种。设定耐火温度是耐火钢技术要求的关键，建筑物的耐火能力不仅取决于采用的结构钢本身的耐高温性能，并且与防火涂层的厚度有关。提高钢的耐火温度，可减少防火涂层6。20世纪70年代，法国Creusot-Loire公司研制出耐9001000的含Mo钢，由于Mo含量过高，所以至今没有使用。90年代初期，欧洲一些国家
21、和日本的新日铁公司对不同钢材的高温性能进行了研究。结果表明，所有钢的屈服强度在500600范围内均急剧下降。当温度达到700以上时，钢的屈服强度降到50MPa以下。对轧制后的钢材进行直接淬火-回火处理，虽然提高了钢的常温屈服强度，但在600以上高温区，其屈服强度降低很大，然而轧制状态下钢材在600左右屈服强度降低较少。耐火钢的耐火性能可用较高温度（耐火温度）下的屈服强度与室温屈服强度之比来表征。 式（1.1） 式中，ReL-UT为耐火温度（UT）下的屈服强度；ReL-RT为室温（RT）下的屈服强度。设定耐火温度需要考虑发生火灾时承载钢材所处的环境温度和开发钢材的经济性。若耐火温度设定在700，
22、必须添加大量的合金元素才能保证钢的高温强度，这不仅对钢的使用性能造成很大影响，而且大大增加了建筑成本，也降低了钢材的焊接性能。相反，若耐火温度设定在500，虽然合金元素的数量有一定的减少，但耐火钢使用的最初目的却无法达到。经过综合分析，将耐火钢温度设定在600，虽然能节省一定数量的合金元素，但达不到使用耐火钢的最初目的。经过综合分析，将耐火温度定为600，而将耐火性能（r）的门槛值定为2/3。日本JISG3136标准规定450MPa和490MPa级低屈强比耐火钢的成分指标如表3-1和表3-2所示。1.2.3影响耐火钢高温强度的因素1)生产工艺 生产工艺对耐火钢的性能有着显著的影响。提高钢坯的加
23、热温度,钢中的Nb、Mo合金元素充分溶解,固溶量增加,钢中贝氏体体积分数因而相应增加,但是奥氏体晶粒也会因为加热温度的升高而长大,这会导致铁素体晶粒粗化,降低钢的韧塑性,因此需要综合考虑。加热温度一般控制在11001300之间，在900以下钢的室温强度和高温强度都会降低随着终轧温度的升高而降低 ,在900附近达到最低值,然后随终轧温度的升高而增加。在终轧温度低于800时,是奥氏体和铁素体两相区轧制，钢的强度会因为铁素体产生加工硬化而升高,一般的钢材都会采取低温控轧来获得其良好的低温韧性。而对于建筑用耐火钢来说, 不必着重强调其低温韧性，因此可在较高的温度下终轧,当终轧温度约为1000时,钢的组
24、织粗化,其高温强度随着贝氏体体积分数增加而相应有所提高。经空冷和炉冷的金相组织为少量的粒状贝氏体和多变形铁素体,而粒状贝氏体主要是钢料水冷后的组织, ,耐火钢的高温强度随着冷却速度的提高而逐渐增加,但韧性和塑性逐渐降低,这点还需结合情况再全面考虑。2)微合金在耐火钢中的作用（1）耐火钢中Mo 对其性能的影响 Mo是提高钢的高温强度的合金材料中最为有效的一种,大部分的Mo以固溶的形式存在于铁素体中,强化了铁素体基体。Mo在铁素体中扩散速度在高温下较慢,因而可显著提高钢的蠕变强度和高温强度,并且在高温时Mo与N、C结合形成氧化物,发生钉扎作用。Mo对过冷奥氏体的稳定性还有提高作用,钢中贝氏体体积分
25、数随着Mo的加入而相应增加,高位错密度的贝氏体组织的存在使得耐火钢得到了良好的高温性能。同时渗碳体内Mo的固溶度仅为4%,极易析出碳化物,这些碳化物可以导致其在高温下的二次硬化,使高温屈服强度增强。通过Mo的加入，在别的碳化物质点也会形成相应偏析层,偏析层的作用可有效防止碳化物的聚集长大,使其高温屈服强度得到提高。此外,碳化物的析出驱动力也会因为Mo的加入而降低,碳化物的形核过程得到延缓,碳化物会更加细小地在基体中呈现弥散分布,从而高温屈服强度得到强化。随w(Mo)的增加,室温下钢的强度稍有降低,而高温下钢的强度却呈线性增加,Mo的加入使得钢材室温屈强比下降,这有效提高了钢结构的抗震性。 (2
26、) 耐火钢中Nb对其性能的影响 Nb能够产生析出,从而表现出显著的析出强化效果,Nb与C、N原子能形成析出相Nb(CN),这一析出相的硬度大，熔点高。当它开始析出时,Nb(CN)通过与基体保持的半共格联系,提高了位错运动阻力,而且由于第二相质点的强度大,位错运动产生的弯曲大,因而材料的屈服强度会有相应的增加,在热处理制度不同的情况下,Nb(CN)的尺寸有着良好的稳定性,所以高温下Nb（CN）的析出相不容易发生溶解、聚集长大的现象,这对钢在高温下的组织稳定性无疑有着一定的提高作用。(3) 耐火钢中V、Ti、Cr对其性能的影响 V、Ti微合金化元素与Nb的作用相似,微量的Ti在钢中会生成难溶的细小
27、弥散的第二相粒子TiN,钉扎奥氏体晶界,对热影响区奥氏体晶粒的长大有抑制作用,能够提高焊后韧性,而且这种弥散分布细小析出相对奥氏体晶粒的加热时的长大,拉伸过程中塑性滑移都会起到一定的阻碍作用。钢中的析出物在高温下通常容易聚集长大，因而减弱析出物的析出强化,但V的碳化物在析出时因为与基体保持共格,会通过在周围产生很强的应力场,从而有效的阻碍位错运动,使钢得到强化,且在高温下V的碳化物稳定,不易溶解及聚集长大。Cr可以有效地提高钢的抗蠕变性能和高温抗氧化性,可以使钢的高温强度得到有效提高,但同时它的影响比较复杂,因为Cr在铁素体中的扩散系数较高,与碳容易结合，形成碳化物,析出温度为500,但其容易
28、聚集长大,稳定性较差。另外Cr的加入会使得Mo2C的组织稳定性降低,并降低二次硬化温度。(4)C对耐火钢性能的影响 另外,因为作为一种焊接结构用钢,为提高钢的焊接性能,其碳含量必须得到控制,目前一般将建筑用耐火钢的碳含量控制在0.2%以下。单独添加某种金属元素会使得钢的高温强度得到提高,复合添加多种金属元素使得钢的高温强度提高得更加显著,各种金属之间有着协同作用,如Mo通过在碳化物周围偏析,阻止了NbC颗粒的粗化,从而使得钢的高温强度得到进一步提高。因此，研究人员开发出来了多种体系的微合金钢,如低碳Mn2Mo2Nb2Ti合金钢、低碳Mn2Mo2V合金钢、及Mn2Mo2Nb等合金钢。随着工艺水平
29、的提高，生产技术的发展,研究人员还开发了无Mo的Nb2Ti和Nb2V微合金化耐火钢,通过使Ti、Nb、V微合金针状铁素体组织中的高温析出从而来提高钢的高温强度。1.2.4 国外耐火钢的现状及发展2001年震惊世界的9.11事件中，美国纽约世贸大厦遭到飞机撞击后1h，两座高达417m的摩天大楼相继轰然倒塌。事后经研究证明，世贸大厦姊妹楼倒塌的直接原因并非由飞机的强大撞击所造成，而是飞机爆炸后燃油所释放的巨大热量，使大厦钢结构框架难以再承受巨大的负荷，最终导致两座雄伟的建筑变为一片废墟。这个事件提醒人们，高层建筑用钢不仅要具有良好的强韧性、理想的抗震性能，还要有耐火性能。钢的耐火性能从未有过的被重
30、视起来。美国、日本、德国、法国现如今走在耐火钢研发的最前线。近年来,世界经济增长势头强劲，钢铁工业更是在2004年第一次超过了10亿t,预计钢铁产量在将来还将呈现持续增长的势头7。而在世界范围内,钢铁工业无疑一直是耐火材料行业的主要用户,而钢铁工业的强劲发展趋势也印证了耐火材料行业在未来总的发展方向。尽管在钢铁生产中耐火材料起着重要作用,但随着日渐激烈的市场竞争和不断变化的商业环境,使得耐火钢行业受到了严重的影响。但随着钢铁产量的不断增长,世界钢铁业对耐火钢产品的需求还是相当可观的。尽管耐火材料用户行业的产量预计将呈增长趋势,但由于世界范围内大多数行业的耐火钢消耗呈下降趋势,吨钢耐火钢的消耗在
31、降低(发达国家现在为8.5-10kg),故耐火材料行业应朝着提高质量、增加品种、开发和生产出高附加值、性价比先进的产品的趋势发展。耐火材料行业为了适应钢铁工业的不断发展,开发使用了优质、高效、长寿、多功能的耐火钢产品,改进和提高了现有耐火钢制品的质。1.2.5 国内耐火钢的现状及发展 耐火钢具有与普通建筑用钢相当的焊接性能、室温力学性能及其它性能,不仅可以裸露使用在一般的气候条件下,还可以提高其涂装性,涂在耐火钢上的涂层远比普碳钢上的涂层失效年限长。耐火钢的耐火性要求在600时屈服强度(ReL)下降值不大于规定的室温屈服强度标准的1/3。耐火钢可通过减少防火包覆和防火涂料的使用量,从而降低成本
32、、减少污染、缩短工期,是一种可持续发展的、具有绿色环保功效的经济类钢材。目前,耐火钢已开始在国内一些耐火耐候等级高要求的大型商务楼、厂房、民居等建筑钢结构得以应用,住宅建筑行业为耐火钢的发展提供了广阔的空间。随着技术的创新，科学的发展,工程材料为适应环境保护的需要提出了更为严格的要求,钢筋的耐腐蚀性、耐火性能已成为科研人员的主要研究课题,在工业化国家，长时间使用寿命的各种耐腐蚀钢筋正在不断得到需求和应用。中国建筑用钢材在2010年总消费量约1亿9千万吨,约占国民钢材总消费量的53%,其中纹钢筋消费量在7200万吨,占建筑用钢的38%，线材消费量达到5200万t,占建筑用钢的27%，薄板的消费量
33、达到2400万吨，占建筑用钢的13%。中国钢铁工业科技进步脚步的加快，先进装备的研发，生产技术的改良，以及产能的高速提高，使建筑用钢材国产化的目标基本上已经实现。高技术含量、高附加值钢材的深入研究及其进行的大量投入,将使国内的高端产品的质量和性能上一新台阶,且基本实现立足于国内。虽然国内外耐火钢研究还再存在着一定的差距，但随着国内外相关领域人才的引进，生产设备的引入及研发，国外先进经验不断被国内科研机构消化吸收，并总结出了一套适合国内钢材生产需要的完备知识体系，我国耐火耐候钢正在一步步的走上国产化的道路。1.3控轧控冷1.3.1控制轧制20世纪20年代，就研究钢在热加工时的温度和变形量等条件对
34、显微组织和力学性能的影响。1925年德国人哈内门(H.Hanemann)等作了这方面的实验和工厂试验。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，把终轧的温度控制在900以下，给予2030的压下量,生产出具有良好韧性的钢材。1958年发现含微量铌的低碳钢，通过适当的轧制工艺，可提高强度和韧性，使控制轧制技术得到进一步发展。1968年美国采用控制轧制法生产出性能良好(s42.2kgf/mm)的含铌钢板,用来制造大口径输油管。澳大利亚和加拿大用控制轧制法生产出输油管和其他结构用的高强度钢板。60年代中期，英国钢铁研究协会进行了一系列研究，提出降低钢的含碳量改善延性和焊接性，利
35、用铌或钒获得高的强度，采用控制轧制法来保证钢的韧性；还研究了铌对奥氏体再结晶的抑制作用，以及对细化奥氏体晶粒的有效作用等。60年代后期，日本用控制轧制法生产出低温韧性好的钢板，发展出一系列新的生产工艺8。控制轧制是将金属塑性变形同固态相变结合在一起，使材料在加工时通过轧制温度、变形量、变形速率等控制获得所需外形和尺寸的同时，获得理想组织和优异强韧性的热轧技术。这是不但能生产出强度、韧性都很高的钢材，而且还可以节约能耗。控制轧制对轧机的设备生产控制水平、强度和动力均提出了较高要求。 控制轧制工艺主要使用在含有微量元素的低碳钢种中，钢中常含有钒、钛、铌,其总量一般小于0.1%。控制轧制主要是通过控
36、制轧制的参数，包括变形量、温度等，从而控制再结晶过程，获得所需要的组织和性能。钢的再结晶开始温度会随着某些元素的加入升高很多，同时适当地降低轧制温度，使多道次变形的效果得到叠加，再结晶在较低的温度和较大的变形量下进行，使钢材获得符合要求的组织和性能。根据塑性变形、再结晶和相变条件，控制轧制可分为三阶段9。在奥氏体再结晶区控制轧制，在奥氏体再结晶温度以上的温度范围（950）内进行轧制时，使变形和再结晶交替进行，达到细化奥氏体晶粒的目的。由细化的奥氏体变成的铁素体，其晶粒也是细化的，从而也钢的韧性也就得到了相应的提高。 在奥氏体未再结晶区控制轧制，在奥氏体再结晶开始温度到Ar3以上进行轧制，使奥氏
37、体晶粒拉长，同时在晶内形成大量变形带，增加了奥氏体向铁素体转变时的晶核生成能，获得极细小的铁素体晶粒，从而钢的韧性得到提高，并会在钢中形成铌的碳化物和氮化物，以抑制再结晶。 在奥氏体和铁素体两相区控制轧制，在奥氏体和铁素体两相区温度范围内(Ar3以下)进行轧制时,伴随着珠光体析出的硬化和加工硬化从而提高了钢的强度，降低韧性-脆性的转变温度。但是由于产生了织构，板厚方向的强度和冲击韧性都降低了。控制轧制技术已在生产中取得成效，应用范围不断扩大。除含微量铌、钒、钛的钢外，含锰钢和硅锰钢的控制轧制也取得成效。把控制轧制的原理应用于各种钢材（如不锈钢、轴承钢等）生产中，改进轧制工艺制度，以提高钢材的综
38、合性能，就形成了“广义的”控制轧制的概念。中国蕴藏着丰富的含铌、钒、钛矿物，为应用、发展控制轧制技术提供了良好的资源条件。中国自1975年系统地研究了控制轧制技术，已在生产铌钢、钒钛钢和低锰钢等低合金高强度结构钢方面取得成效。1.3.2控制冷却热轧后对钢材进行的旨在控制相变组织和提高钢材力学性能的冷却。控制冷却是在精轧机后输出辊道上设置一个一定长度的冷却带，钢材热轧后通过冷却带，按一定的冷却制度进行的冷却。冷却制度根据钢的化学成分和对钢材的组织性能的要求决定。钢材的轧后控制冷却，是20世纪50年代兴起的技术，问世以后发展很快，已应用在线材、带钢、厚板、钢管和型钢的生产上。在控制冷却的发展史上，
39、线材控制冷却是最早的。1957年美国路易斯(DLewis)提出，在精轧机和卷取机之间的输送管中喷水对线材进行冷却。1959年克鲁姆(EJCrum)发明的一种“LOOPRO”线材控制冷却方法得到应用。由于能源危机和石油工业的发展，促进了控制冷却在带钢生产上的应用。采用控制轧制和轧后控制冷却工艺可生产出高寒地区应用的具有高强度和好的低温韧性的管线用钢。厚板生产应用控制冷却(见钢板控制冷却)比带钢生产要晚些，1980年在日本福山制铁所厚板厂建成世界第一个厚板在线控制冷却装置。近年来控制冷却在钢管和型钢生产上也有应用。1)理论基础 轧后控制冷却的机理根据钢材冷却的3个阶段而有所不同。(1)第一阶段：从
40、终轧到Ar3温度区间。终轧后，特别是在奥氏体未再结晶区轧制后，在奥氏体内产生了大量变形和位错，奥氏体晶粒产生了很大变形。如在相变前进行定强度的冷却，既可阻止碳化物过早析出，又可阻止在高温下奥氏体晶粒的长大，同时也可增加相变的过冷度，适当固定位错，为变形奥氏体以后的相变做好组织上的准备。(2)第二阶段：从Ar3到以后的相变温度区间。奥氏体在此温度区间上发生相变。在这个温度区间冷却速度起着决定的作用。在得到F+P的范围内，冷却上速度越大，得到的珠光体比例越多，珠光体的片层间距也越小，铁素体晶粒也细小。如以5-15oC/s的冷却速度进行冷却，则可得到F+B组织。在得到F+B的范围内冷却速度越大，得到
41、的贝氏体比例越大，贝氏体组织也越细小。在第二阶段，选择适当的冷却速度是非常重要的。而冷却速度的选择则要根据钢的化学成分和所要求的钢材性能来决定。(3)第三阶段：第二阶段后的空冷。空冷主要起自回火和消除由前段快冷产生的应力的作用，也有增大析出强化和使相变组织均匀化的作用。2)强韧化机理经控制冷却的钢材，其强度和韧性都有提高，尤其是强度提高很大。强韧化机制包括：铁素体晶粒的细化，由贝氏体或其他相的强化，析出强化(见强韧性控制)的增大。3)冷媒的冷却能力水属于沸腾型冷媒，在钢铁生产中多采用水冷却。在金属学中常用冷却速度来表示冷却能力，因为它很直观，但冷却速度不能用于传热计算的边界条件。在机械工程和化
42、学工程中一直是采用传热系数h和热流束q作为传热计算的边界条件。h和q是客观的，h和q的关系是：Q=h(s-C) 式（1.2）式中s是钢材表面温度；C是冷媒温度。传热系数h能定量地表示冷媒的冷却能力，它对选择冷媒的种类和冷却方法，对冷却设备的设计和钢材加工中的传热现象的分析，都是很有用处的。钢材的表面温度s和表面性状、水量密度、流动状态及水的温度等对水冷却的传热系数h有着复杂的影响。因此在各种冷却条件下h值的变化是比较大的，根本原因是蒸气膜的破坏方法左右着热量的传递。钢材表面温度s对水的冷却能力有很大的影响，如图1-2。1 表面有厚的氧化层 2 表面有薄的氧化层图 1-2 表面温度与传热系数的关
43、系4)冷却制度的控制参数对使用单一冷却速度的常规冷却制度来说，主要控制开始冷却温度、冷却速度和终止冷却温度。对使用具有两个以上冷却速度的冷却制度来说，除控制开始冷却温度、终止冷却温度和几个冷却速度外，还要控制不同冷却速度间的转变温度。开始冷却温度是冷却开始时的钢材的温度。终止冷却温度是水冷终止空冷开始时的钢材的温度。开始冷却温度、冷却速度和终止冷却温度对钢材的组织和性能都有影响，因此必须根据钢材的化学成分和所要求的组织性能来选择。冷却速度和终止冷却温度是通过控制水量密度和冷却时间(调整冷却带长度和钢材的运行速度)来实现的。5)方法及应用各种冷却方法的名称和定义因人而异，有的也相当不明确，根据日本平田的定义区分如下： (1)层流冷却 把水加压从喷嘴喷射出来，形成喷流，在喷流的出口速度比较低时，形成平滑的层流喷流。该喷流在某一定距离落下，就产生轴对称的振动，致使喷流破坏，形成液滴流。在不产生振动的范围内，喷射距离较长，可得到强冷却，所以使用在喷射距离460远，并需要进行强冷却的地方。如在热轧输出辊道上采用的管层流冷却和幕状层流冷却。（2）喷