控轧控冷8

第八章控制轧制与控制冷却技术的应用8.1在双相钢钢板中的应用8.2钢筋的控制轧制和控制冷却8.3应用简例第一节在双相钢钢板中的应用双相钢的组织和性能特点1.双相钢的组织形貌特指的双相钢是由铁素体和约20％左右的马氏体构成的高成型性的低合金高强度双相钢，由板条马氏体和5％以下的残余奥氏体所构成的高强度高韧性结构钢，以及由马氏体和奥氏体或铁素体和奥氏体构成的双相不锈钢。双相钢中，低温相变产物所占的体积比，依用途而异，可以在一定范围内变化。也就是说，双相钢的组织形态和构成相的相对量有着广泛的调整范围．通过不同工艺控制可以得到不同相的比例。并且以台金化及通过工艺参数的控制来改变马氏体和铁素体的形态和分布从而在很大范围内改变钢的力学性能。双相钢的组织和性能特点显微组织：马氏体（贝氏体）+铁素体基体。马氏体呈岛状分布在铁素体晶之间。力学特性：抗拉强度高、屈服强度低、连续屈服、加工硬化率高、延伸率高、成型性良好。双相钢的生产方法（1）热处理双相钢（2）热轧双相钢双相钢的生产方法（1）热处理双相钢采用热处理手段生产的双相钢称做热处理双相钢。这类钢是以热轧或冷轧带材为原料，其初始组织一般是铁素体和珠光体。热处理双相钢的原料组织状态，对其加热制度、冷却制度和其后的组织性能是有影响的。而原料的组织状态又与它的轧制工艺有密切关系。双相钢的生产方法（1）热处理双相钢钢带经加热后进入奥氏体和铁素体两相区，然后控制其冷却速度使奥氏体转变成马氏体或其它低温相变产物。这种热处理所产生的组织叫做临界间双相(Intercriticaldualphase)简称“IDP”。另一种热处理工艺是将热轧或冷轧钢带加热到奥氏体化程度，转变成单一奥氏体组织，然后控制冷却速度，在冷却过程中先使奥氏体一部分发生铁素体转变，并控制残留奥氏体数量，再进行快冷，使残余奥氏体转变成马氏体，形成双相钢，这种钢称为奥氏体双相钢(Austenitedualphase)简称“ADP”。双相钢的生产方法（2）热轧双相钢采用合适的比学成分，控制轧制和控制冷却工艺，可以直接热轧成双相钢钢板或带钢。目前，普遍采用的工艺是控制带卷的卷取温度，即分为中温卷取型和低温卷取型两类。双相钢的生产方法中低温卷取型热轧双相钢其原理是适当加入Cr、Mo等元素合金化后，控轧后奥氏体在连续冷却过程中先析出一定数量铁素体，然后在介于A→F和A→B转变温度区间内．由于奥氏体的稳定化，在A→F相变过程中碳在奥氏体中富聚，而使残余下的奥氏体变得十分稳定。在此温度下进行卷取，即使在相当小的板卷冷却速度下也不会发生A→B相变，最后采用快冷，使A→M相变，在室温下获得F+M组织。这种轧制方法需要选用合适成分和合理的控制轧制和控制冷却工艺制度、卷取温度在500～600℃左右，因而称为中温卷取型。双相钢的生产方法中低温卷取型热轧双相钢这种直接热轧双相钢，除了省去了附加热处理工序外，其焊接性和疲劳特性也较热处理双相钢好。而其缺点则表现在性能的一致性方面，难以准确控制马氏体和铁素体的比例，性能的波动取决于工艺参数的波动，难以沿带钢全长及宽度方向上获得一致的性能。另外钢的合金元素含量偏高，变形抗力较大，生产薄规格钢板时比较难以控制钢温。双相钢的生产方法低温卷取型热轧双相钢中温卷取型热轧双相钢为提高奥氏体的淬透性，必须加入Cr和Mo合金元素以抑制A→P的相变，这将导致成本提高。为克服这一缺点，日本几家冶金工厂首先利用热连轧后具有较长的输送辊道和轧后强制冷却设备的优势，开发了低温卷取型热轧双相钢。这一工艺特点是：在热轧阶段采用控制轧制工艺，轧后在输出辊道上采用快速冷却，将热钢带迅速冷却到Ms温度以下，并进行卷取。双相钢的生产方法低温卷取型热轧双相钢控制轧制工艺的终轧温度应控制在Ar3附近（变形条件下的Ar3），甚至可以降低到析出少量铁素体的A+F两相区以促进A→F相变。但是，温度不能太低，以防止出现变形的铁素体组织。若终轧温度太高，铁素体晶粒粗大，而且也易出现A→B相变。卷取温度必须低于M点温度，一般在200℃以下，否则也易出现A→B相变，同时也易出现铁素体的时效和马氏体的自回火。卷取温度太低，需要加大卷取能力，也会使板带的屈强比偏高和板形恶化。双相钢的生产方法低温卷取型热轧双相钢为实现上述工艺，钢中加入Si是有利的，它促进C由F向A中扩散，促使A→F相变，从而提高了奥氏体的稳定性，因而卷取前允许用较小的冷速。Si还可以提高Ar3温度，有利于铁素体的析出。Mn和Cr可以提高奥氏体的淬透性能，从而发展了Mn-Cr和Si-Mn系的低温卷取型热轧双相钢。第二节钢筋的控制轧制和控制冷却一、钢筋轧后控制冷却的特点及其基本原理二、钢筋轧后控制冷却的方法及类型三、钢筋轧后控制冷却实例引言螺纹钢筋为建筑工程中混凝土构件所用钢材，在国民经济建设中需用量很大。而且随着建筑行业的迅猛发展，对热轧螺纹钢筋的性能要求越来越高。对于工业发达国家，如德国、美国等国家的建筑用钢已淘汰了低强度的Ⅱ级钢筋这一等级，并以具有强度高，综合性能好的Ⅲ级或Ⅳ级钢筋来替代。而我国建筑用钢筋的80%为20MnSiⅡ级钢筋，因此，研制和开发高强度钢筋，大力推广应用400~500MPa级螺纹钢筋已是势在必行。引言400MPa级的Ⅲ级钢筋的生产工艺目前主要有两种，一种是在20MnSi中加入微量合金元素钒（或铌、钛），即进行成分控制，通过加入微合金元素来控制晶粒大小，从而提高热轧螺纹钢筋性能。但是，加入合金元素将提高生产成本，不利于市场竞争。另一种就是采用控轧控冷的方法，钢筋的控轧控冷是通过控制钢材在轧制过程中的温度变化和轧后冷却过程的工艺参数，以得到细小均匀的相变组织，从而获得强度、塑性、韧性均好的优良产品。用水代替合金元素的作用，可节约合金元素，显著降低生产成本；同时可简化工序，降低能耗，具有显著的经济效益和社会效益。引言引言钢筋的控制冷却又称为钢筋轧后余热处理或轧后余热淬火。该工艺是利用钢筋终轧后在奥氏体状态下直接进行表层淬火，随后由其心部传出余热进行自身回火，以提高塑性，改善韧性，使钢筋得到良好的综合性能。这种工艺简单，节约能耗，改善操作环境，钢筋外形美观，条形平直，收到较大的经济效益，在国内外得到广泛的应用。引言钢筋的综合性能．如屈服强度，反弯，焊接性能，疲劳强度，冲击韧性等，决定于钢的化学成分、变形条件、终轧温度、钢筋直径、冷却条件、冷却速度和自回火温度等因素。其整炉与整支钢筋的组织性能稳定性与均质性同生产工艺参数的控制、钢筋长度、冷却设备型式、水质、水温及其控制有密切关系，合理的选择轧后控制冷却工艺是获得钢筋所要求性能的关键。钢筋轧后控制冷却的特点及其基本原理（1）可以在轧制作业线上，通过控制冷却工艺，强化钢筋，代替重新加热进行淬火、回火的调质钢筋。利用控制冷却强化钢筋与一般热处理强化钢筋比较，由于利用轧制余热，不需要重新加热，节约了燃料及热量消耗，缩短生产周期，提高生产率．降低了生产高强度钢筋的成本，而且还具有更高的综合力学性能。其原因在于：在利用轧制余热淬火之前已发生奥氏体再结晶，使晶粒细化，奥氏体晶界的位置已经改变，新晶界的形成时间又很短，杂质原子还来不及向晶界偏聚，因而改善了低温力学性能。在轧制后淬火前尚未发生奥氏体再结晶情况下，保持着低温形变热处理对低温力学性能的良好影响。钢筋轧后控制冷却的特点及其基本原理（2）选用碳素钢和低合金钢，采用轧后控制冷却工艺，可生产不同强度等级的钢筋，从而可能改变用热轧按钢种分等级的传统生产方法，节约合金元素，降低成本以及方便管理。（3）设备简单，对于一般老式横列式型钢轧机不用改动轧制设备，只需在精轧机后安装一套水冷设备。在某些情况下，为了控制终轧温度或控制轧制而在中间轧机或精轧前安装中间冷却或精轧预冷装置。钢筋轧后控制冷却的特点及其基本原理（4）在奥氏体未再结晶区终轧后快冷的轧制余热强化钢筋在使用性能上存在一个缺点，即应力腐蚀开裂倾向较大。裂纹主要是在活动的滑移带上位错堆积的地方形核。具有低温形变热处理效果的轧制余热淬火，提高了位错密度，阻止了位错亚结构的多边形化，因而形成了促进裂纹的核心。但是，在奥氏体再结晶区终轧的轧制余热强化钢筋，由于再结晶过程消除了晶内位错，而不出现应力腐蚀开裂倾向的缺点。（5）控冷后的钢筋表面容易出现红锈，影响钢筋的外观质量。钢筋轧后控制冷却工艺：三个过程第一阶段：表面淬火阶段(急冷段)，钢筋离开精轧机在终轧温度下，尽快地进入高效冷却装置，进行快速冷却。其冷却速度必须大于使表面层达到一定深度淬火马氏体的临界速度。钢筋表面温度低于马氏体开始转变点(Ms)，发生奥氏体向马氏体相转变。该阶段结束时，心部温度很高，仍处在奥氏体状态。表层则为马氏体和残余奥氏体组织。表面马氏体层的深度取决于强烈冷却持续时间。钢筋轧后控制冷却工艺：三个过程第二阶段：自回火阶段，钢筋通过快速冷却装置后，在空气中冷却。此时钢筋各截面内外温度梯度很大，心部热量向外层扩散，传至表面的淬火层，使已形成的马氏体进行自回火。根据自回火温度不同，可以转变为回火马氏体或回火索氏体。而表层的残余奥氏体转变为马氏体。同时邻近表层的奥氏体根据钢的成分和冷却条件不同而转变为贝氏体、屈氏体或索氏体组织。而心部仍处在奥氏体状态。该阶段的持续时间随着钢筋直径和第一阶段冷却条件而改变。经常，心部奥氏体已经开始转变为铁素体。钢筋轧后控制冷却工艺：三个过程第三阶段：为心部组织转变阶段，钢筋在冷床上空冷一定时间后，断面上的热量重新分布，温度趋于一致，同时降温。此时心部由奥氏体转变为铁素体和珠光体或铁素体、索氏体和贝氏体。心部产生的组织类型取决于钢的成分，钢筋直径，终轧温度和第一阶段的冷却效果和持续时间。轧后控制冷却对钢筋性能的主要影响因素为终轧温度、第一阶段冷却速度和持续时间及钢的化学成分。除钢的化学成分外，其他的各个因素决定了自回火温度。而自回火温度很大程度上决定了钢筋的力学性能。钢筋轧后控制冷却的方法及类型根据在快冷前变形奥氏体发生再结晶的情况可以分为两类：一类是变形的奥氏体已发生充分的再结晶，变形对奥氏体位错、亚结构的影响已通过再结晶而消除。形变热处理的效果已很小或者完全没有，这样就只有相变强化，而没有形变强化，强化效果较小。这样强化处理的钢筋，虽然综合力学性能略低，但其应力腐蚀稳定性较高。另一类是轧制后到快冷前，变形的奥氏体尚未发生再结晶，或者只发生了部分再结晶，这样，就保留或部分保留变形对奥氏体的强化作用，形变热处理效果较大，可以提高钢筋的综合力学性能，但应力腐蚀开裂倾向较大，这也可用分段淬火及淬火后自回火或加热回火来解决。钢筋轧后控制冷却的方法及类型由于钢筋的直径、钢的化学成分决定的淬透性、冷却速度和冷却温度不同，因此轧后淬火所得组织也不同。直径为8.2mm的Q235钢，如冷却速度快和冷却温度低，可以在整个横截面上得到低碳马氏体。直径较大的钢筋。如直径大于12mm，很难沿整个截面上得到马氏体组织。一般表面层得到马氏体组织，通过自回火转变为回火马氏体。而心部得到索氏体、贝氏体及铁素体等。这两种组织类型的钢筋，屈服强度都可以达到784MPa以上，抗拉强度在980MPa以上。但是，具有低温回火或未回火的低碳马氏体组织的钢筋在焊接时热影响区的组织和性能变化较大。而稳定性更大的索氏体组织的钢筋，在焊接时热影响区的组织和性能变化较小，从这一点来看，后者较好。钢筋轧后控制冷却的方法及类型按照冷却方式，钢筋轧后控制冷却方法有两种：（1）轧后立即快冷工艺，在冷却介质中快冷到规定温度或快冷一定时间后就中断快冷，随后空冷进行自回火。（2）分段冷却工艺，先在强烈的冷却介质中并在很短时间内把表面层过冷到马氏体转变点以下，形成马氏体，立即中断快冷，空冷一定时间，使很薄的表面层中的马氏体回火到A1温度以下，形成回火索氏体，再进行二次快冷一段时间后中断快冷，之后，再空冷，使心部得到索氏体、贝氏体及铁素体组织。称为二段冷却。湍流式强制冷却器湍流式强制冷却器钢筋轧后控制冷却实例莱钢锻压厂的工艺平面布置钢筋轧后控制冷却实例预冷段现厂安装终冷段现厂安装钢筋轧后控制冷却实例实验结果：Φ12mmQ335钢筋σ