4控制轧制和控制冷却的理论及实践

RAL东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室控制轧制与控制冷却理论及实践RAL在TMCP技术方面的进展•所谓TMCP（Thermo-MechanicalControlProcess）,就是在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程中的温度制度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制，显著改善钢材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材料。•第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞典等国钢铁厂所采用的“低温大压下”技术奠定了TMCP工艺的雏形。•五十年代末，Nb、V、Ti等微合金化元素的应用推动了TMCP工艺技术的日趋成熟。•TMCP工艺技术可以说是20世纪最伟大的科技进步成果之一，目前TMCP已成为国内外板带钢生产的主导工艺；随着超细晶粒钢的研究开发，新一代TMCP工艺技术已经出现。板带轧制过程中的组织性能控制TMCP工艺简介TMCP控制轧制控制冷却母材性能焊接性能强度韧性固溶强化沉淀强化相变强化位错和亚结构强化晶粒细化基体韧化(低碳、加Ni)减少杂质(P、S和游离N)降低裂纹因子（Pcm）在HAZ中形成铁素体和珠光体(加入Ti或REM-B-Ti)在HAZ中细化a晶粒(加入Ti或REM-B-Ti)减少游离氮焊接裂纹敏感性在大热功率焊接接头的HAZ韧性合理选择化学成分热处理（常化）热处理(淬火+回火)冶金学因素生产方法性能指标钢的性能与冶金学因素、生产工艺之间的关系板带轧制过程中的质量性能控制1.板带产品的质量性能指标1.1板带产品的形状、尺寸1.2板带产品的力学性能2.板带轧制过程中的质量性能控制2.1钢材热轧过程中的组织性能变化2.2板带轧制过程中的组织性能控制2.3板带钢生产工艺优化的典型示例分析3.板带轧制技术的新进展3.1高性能钢板的研究开发3.2超快速冷却技术的工业应用1.板带产品的质量性能指标板带轧制过程实质是钢材在外力的作用下产生塑性变形的过程，它不仅可使钢材获得所必需的尺寸和形状，而且也使之获得所必须的组织和性能。形状：泛指板面的平直度（板形），浪形、瓢曲、旁弯等缺陷的有无尺寸：泛指宽度、长度和厚度；横向厚度偏差和纵向同条差是控制的关键组织：铁素体晶粒度，珠光体百分含量，带状级别，魏氏组织，夹杂物数量、大小、形状及分布状态等性能：力学性能（屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等）；工艺性能（冷弯、冲压、焊接性能等）；理化性能（耐蚀、耐火、电磁性能等）1.1板带产品的形状、尺寸图1用凸形辊轧制矩形件示意图由于种种原因钢材在塑性变形过程中总是处于不均匀变形状态，其不同变形的各部分受整体性限制而产生相互平衡的附加应力，因附加应力的性质和数值不同而出现各种不同的板形缺陷，如：中浪、单边浪、双边浪、瓢曲和镰刀弯等。根据不同的设备特点，通过改变轧辊凸度、轧辊交叉、轧辊横移、轧辊弯曲和不均匀的轧辊冷却等措施，对板形施行有效的控制。板带钢断面形状的控制1.2板带产品的力学性能板带产品的技术标准示例表1GB6653-1994焊接气瓶用钢的化学成份表2GB6653-1994焊接气瓶用钢的力学性能表3日本JISG3116高压瓦斯容器用钢的力学性能1.2板带产品的力学性能图2低碳钢拉伸时的应力－应变曲线强度指标比例极限σP－应力、应变能保持比例关系时的最大应力弹性极限σe－完全卸载后不出现任何明显残余应变的最大应力屈服强度σS－有明显上、下屈服点时，用下屈服点对应的应力表示，无明显屈服点时，以试样残余应变达到0.2％时的应力表示，标为σ0.2抗拉强度σb－试样在拉断前所承受的最大应力1.2板带产品的力学性能塑性指标断面收缩率Ψ％－拉伸前后试样横截面的相对减缩量延伸率δ％－拉伸前后试样的相对伸长量。因集中变形受试样形状和尺寸的制约，国标规定拉伸试样的尺寸比例应为L0/D0=5或10，所以对应长短试样分别标为δ5或δ10此外，通过拉伸试验还可测定塑性应变比R、应变硬化指数n值和屈强比σs/σb值等用以评价板带产品的冷成型性能1.2板带产品的力学性能冲击韧性图3冲击试验原理将规定形状和尺寸的试样置于固定支架上，然后释放具有一定位能的重锤，把一次冲断试样所作的功AKV或AKU除于试样的原始面积F0所得的值定义为冲击韧性，以aKV或aKU，表示，单位J。图4夏比V型缺口试样1.2板带产品的力学性能测定不同温度下的aK值，可得到温度与aK值的关系曲线，曲线上冲击值显著的温度称为韧－脆转变温度，也叫脆性转变温度脆性转变温度的测定方法：（1）能量法：取曲线上韧－脆状态下冲击韧性平均值所对应的温度（2）取断口结晶区面积为总面积50％时所对应的温度，以50％FATT表示（3）塑变量法：取试样相对收缩变形为1％时所对应的温度韧－脆转变温度1.2板带产品的力学性能冷弯性能将规定形状尺寸的试样，弯曲至规定程度，检验板材承受弯曲塑性变形的能力，并显示其缺陷，若试样弯曲外表面及侧面无裂纹、裂缝、裂断或起层即可判为合格。执行国家标准GB232－88按弯曲角度α和弯心直径d的具体要求分为：弯曲到某一规定角度α；弯曲到两臂平行；弯曲到两臂接触等三种类型。变形前奥氏体晶粒变形后晶粒被拉长铁素体形核相变完成冷却轧制2.1钢材热轧过程中的组织性能变化2.板带轧制过程中的组织性能控制2.1钢材热轧过程中的组织性能变化（1）变形速率不变时，同一应变条件下，变形温度越高，所对应的真应力越低（2）变形温度不变时，同一应变条件下，变形速率越低，所对应的真应力也越低，且真应力的峰值向真应力变小的方向移动（3）相同变形温度、速度条件下，随应变的增加，曲线呈现由高变低并逐渐趋于稳定的形态图5.0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb钢在0.6Tm以上温度变形时的应力－应变曲线钢材热变形时的应力－应变曲线规律Ⅰ阶段：动态回复变形的开始阶段加工硬化速率较大，随应变继续增加，软化速率增大，部分位错消失、亚晶形成，曲线趋于平缓Ⅱ阶段：动态再结晶随变形量增加金属内部畸变能增加，达到一定程度时驱动形变奥氏体产生动态再结晶Ⅲ阶段：动态再结晶稳定阶段动态再结晶全部完成后，继续变形时，应力基本不变或呈规律的稳定状态ⅠⅡⅢ图6典型应力－应变曲线的三个阶段2.1钢材热轧过程中的组织性能变化钢材热变形时的应力－应变曲线规律热加工过程中所形成的不稳定组织，在热加工的间隙时间里或加工后的缓冷过程中将继续发生静态软化。以右图所示0.68％C钢，780℃对应不同应变值变形后保温不同时间的软化规律如下：(a)当变形量远小于静态再结晶的临界变形量时，加工硬化组织不能完全消除软化过程为：静态回复(b)当变形量大于静态而小于动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复＋静态再结晶(c)当变形量刚超过动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复＋亚动态再结晶＋静态再结晶(d)当变形量达到动态再结晶稳定阶段的变形量时，软化过程为：静态回复＋亚动态再结晶2.1钢材热轧过程中的组织性能变化热变形后的静态软化图7Q345钢不同温度不同变形量时的奥氏体组织从图7可以看出，随着变形温度的降低，奥氏体发生再结晶的临界变形量增大：①高温区轧制，10－20%的变形量足以使再结晶充分进行；②部分再结晶区轧制时，临界变形量在30%以上，否则道次间隙时间内静态再结晶来不及发生1100℃1000℃950℃900℃10%20%30%40%热变形后的静态软化过程再结晶奥氏体的长大过程图8Q345钢不同停隔时间的奥氏体组织01020304050606080100120140160180200晶粒尺寸，um保温时间，s心部晶粒尺寸边部晶粒尺寸图9奥氏体晶粒的长大过程2.1钢材热轧过程中的组织性能变化abcdef再结晶行为对组织性能的影响10152025303540452602803003203403603804001050oC950oC900oC850oC屈服强度,Mpa变形量,%图10变形量对强度的影响510152025303540451020304050607080901050oC1000oC950oC900oC850oC横向冲击功,J变形量,%图11变形量对冲击功的影响在1000℃以上的高温再结晶区轧制时，Q345钢的屈服强度和冲击功均比950℃以下的低温区轧制时低。以轧制温度同为1050℃而变形量不同的试样为例，当变形量由10%增加到40%时，屈服强度并没有上升，反而呈下降趋势，横向冲击值很低且随变形量的增加无明显变化；在950℃以下的低温区轧制时，不仅整体力学性能比高温区轧制时高，而且道次变形量对力学性能的影响比较显著，随变形量增加，屈服强度和冲击值都呈上升趋势，轧制温度越低，上升的趋势越显著。（a）12.9%（b）28.2%（c）39.57%图12Q345钢1050℃不同变形量轧制试样的室温组织再结晶行为对组织性能的影响（a）10.8%（b）18.9%（c）41%图13Q345钢900℃不同变形量轧制试样的室温组织返回图14变形温度和变形量对含铌钢再结晶行为和再结晶晶粒直径的影响热变形后的再结晶行为因变形量和轧制温度的变化可分为再结晶区、部分再结晶区和回复区等三个区域。采用再结晶区轧制时，整个体积发生再结晶，形成均匀的细晶粒组织在部分再结晶区轧制时，形成部分再结晶和未再结晶的混合组织在回复区域轧制时，多数晶粒产生回复，部分晶粒生成粗大晶粒再结晶行为对组织性能的影响2.1钢材热轧过程中的组织性能变化2.1钢材热轧过程中的组织性能变化静态再结晶的临界变形量为了使再结晶能够充分进行，则所给予的压下率必须大于对应条件下静态再结晶的临界变形量。该值随钢种和变形条件的不同彼此相差很大。普碳钢的临界变形量很小，且与温度的关系很弱，即普碳钢在较小的变形量、较宽的温度范围内均容易产生再结晶。而含铌钢的临界变形量却较大，在950℃以下的温度区域内要使含铌钢完成再结晶是很困难的。对于多道次的热轧过程，轧制道次间往往不能发生完全软化，前一道次的变形会对下一道次的变形产生累积作用。这种道次间的软化程度常用软化率FS表示。式中：σm—第1道次变形的最高应力σy0—第1道次加载时的屈服应力σy—第2道次加载时的屈服应力显然，道次间隔时间内完全软化时，FS=1；完全不出现静态回复时FS=0；通常情况下0FS1图15热轧道次间软化率测定示意图0ymymsF返回2.1钢材热轧过程中的组织性能变化再结晶软化曲线的测定再结晶软化曲线示例1001011021030.00.20.40.60.81.0750℃800℃850℃900℃950℃1000℃XsTime，s图16Q235钢静态再结晶软化率与道次间隔时间的关系图17含铌Q345钢静态再结晶软化率与道次间隔时间的关系1001011021030.00.20.40.60.81.0950℃900℃850℃800℃750℃700℃xsTime,s轧制后奥氏体晶粒铁素体形核相变后控冷后形变硬化的铁素体变形区晶粒边界位错亚晶边界长大水淬2.1钢材热轧过程中的组织性能变化奥氏体/铁素体相变行为奥氏体/铁素体相变形态热加工钢材的奥氏体/铁素体相变形态示意图形变诱导奥氏体/铁素体相变的特征Ⅰ型相变是一种不局限于轧材，即便由单纯的加热和冷却也能引起的普通相变形态，而Ⅱ型相变（形变诱导相变）是在无应变热平衡温度以上就生成了铁素体，因而相对地增加了铁素体的形核数和生成量，还能使珠光体的体积百分数降低。由于铁素体的强制相变，将使钢中的碳只能在残余的微小区域内极度浓缩，在铁素体晶粒细化的同时，珠光体也得到细化，浓缩区的淬透性提高，从而增加了生成类珠光体、贝氏体、马氏体等低温相变产物的可能性。•所谓TMCP（Thermo-MechanicalControlProcess）,就是在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程中的温度制度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制，显著改善钢材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材料。•第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞典等国钢铁厂所采用的“低温大压下”技术奠定了TMCP工艺的雏形。•五十年代末，Nb、V、Ti等微合金化元素的应用推动了TMCP工艺技术的日趋成熟。