实现控制轧制的应用方法.docx
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实现控制轧制的应用方法
实现控制轧制的应用方法
摘要:
控制轧制是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,使热塑性变形与固态相变结合,以获得细小晶粒组织,使钢材拥有优异的综合力学性能的轧制工艺。
本文简述了控制轧制的原理及分类,简单分析了控制轧制对金属性能强化的原理,着重对线材和管线钢的控制轧制在其生产过程中各个环节的应用特点和发展趋势进行介绍。
通过实例对控制轧制在实际生产中的影响进行分析,并以此为依据扩展控制轧制在生产中的应用。
关键字:
控制轧制、线材控制轧制、管线钢控制轧制
前言
进入20世纪60代后,由于对能源需求量的增加,以北美为中心的输送管线敷设非常盛行,对用厚板或热轧卷进行焊接制造管线钢的需求不断增加。
从60年代到70年代,管线钢成为开发控制轧制且提高钢韧性和强度的原动力。
60年代初期在美国发现添加微量Nb对轧后钢材的强度提高有效,使焊接性好的高强度管线钢在实际中得到运用。
从此在北美、奥地利等国含铌钢大量运用于管线钢,成为改善低温韧性而启用的控制轧制技术的一部分。
自此控制轧制在各种钢材的生产中被广泛应用。
1控制轧制的概念
1.1控制轧制概念
控制轧制就是在调整钢的化学成分的基础上,通过控制加热温度,轧制温度,变形制度等工艺参数,控制奥氏体组织的变化规律和相变产物的组织形态,达到细化组织,提高强度和韧性的目的。
1.2控制轧制分类
控制轧制是以细化晶粒为主,用以提高钢的强度和韧性的方法。
控制轧制后奥氏体再结晶的过程,对获得细小晶粒组织起决定性作用。
根据奥氏体发生塑性变形的条件(再结晶过程、非再结晶过程或γ-α转变的两相区变形),控制轧制可分为三种类型。
如图1所示。
图1三种控制轧制示意图
1.2.1再结晶型的控制轧制
它是将钢加热到奥氏体化温度,然后进行塑性变形,在每道次的变形过程中或者在两道次之间发生动态或静态再结晶,并完成其再结晶过程。
经过反复轧制和再结晶,使奥氏体晶粒细化,这为相变后生成细小的铁素体晶粒提供了先决条件。
为了防止再结晶后奥氏体晶粒长大,要严格控制接近于终轧几道的压下量、轧制温度和轧制的间隙时间。
终轧道次要在接近相变点的温度下进行。
为防止相变前的奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒长大,特别需要控制轧后冷却速度。
这种控制轧制适用于低碳优质钢和普通碳素钢及低合金高强度钢。
1.2.2未再结晶型控制轧制
它是钢加热到奥氏体化温度后,在奥氏体再结晶温度以下发生塑性变形,奥氏体变形后不发生再结晶(即不发生动态或静态再结晶)。
因此,变形的奥氏体晶粒被拉长,晶粒内有大量变形带,相变过程中形核点多,相变后铁素体晶粒细化,对提高钢材的强度和韧性有重要作用。
这种控制工艺适用于含有微量合金元素的低碳钢,如含铌、钛、钒的低碳钢。
1.2.3两相区控制轧制
它是加热到奥氏体化温度后,经过一定变形,然后冷却到奥氏体加铁素体两相区再继续进行塑性变形,并在Ar1温度以上结束轧制。
实验表明:
在两相区轧制过程中,可以发生铁素体的动态再结晶;当变形量中等时,铁素体只有中等回复而引起再结晶;当变形量较小时(15%-30%),回复程度减小。
在两相区的高温区,铁素体易发生再结晶;在两相区的低温区只发生回复。
经轧制的奥氏体相转变成细小的铁素体和珠光体。
由于碳在两相区的奥氏体中富集,碳以细小的碳化物析出。
因此,在两相区中只要温度、压下量选择适当,就可以得到细小的铁素体和珠光体混合物,从而提高钢材的强度和韧性。
在实际轧制中,由于钢种、使用要求、设备能力等各不相同,各种控制轧制可以单独应用,也可以把两种或三种控制工艺配合在一起使用。
控制轧制三个阶段的物理性能变化如表1所示。
表1控制轧制三个阶段的物理性能变化
温度
显微组织
强度
缺口韧性
屈服强度
加工硬化
析出硬化
转变温度
ESA100
析出物的数量
(100)织构
第
一
阶
段
≥950℃再结晶A区
A由反复的再结晶而细化dr=20-40µm
低(取决于晶粒尺寸)
-0
-0
高(取决于晶粒尺寸)
高
无
无
第
二
阶
段
950℃-Ar3不发生再结晶的A区
A晶粒被拉长导入变形带和拉错小使F晶粒细化
低(取决于晶粒尺寸)
-
0
-0
低(取决于晶粒尺寸)
高
微量
无
第
三
阶
段
<Ar3(A+F)区
A晶粒不再进一步细化,析出硬化和(100)织构的产生
高(晶粒尺寸和其他的影响)
少量
大量
极低(晶粒尺寸和其他影响)
低
大量
形成
1.3控制轧制的强化原理
金属性能强化对低碳钢、低合金钢来说,采用控制轧制工艺主要是通过控制轧制工艺参数,细化变形奥氏体晶粒,是经过奥氏体向铁素体和珠光体的相变,形成细化的铁素体晶粒和较为细小的珠光体球团,从而达到提高钢的强度、韧性和焊接性的目的。
(1)由γ→α相变引起的铁素体晶粒细化:
铁素体的细化取决于同一范围内的累积压下量,在奥氏体有效界面积增加的同时Ar3上升,铁素体比率增加,即加工奥氏体因低驱动压力或低过冷度而生成大量晶核。
(2)冷却速度对相变的影响:
提高冷却速度造成Ar3下降相变核增加,相变后的距离成长受到抑制,因此,铁素体晶粒得以细化。
(3)合金元素对相变的影响:
固溶状态的合金元素会使相变温度降低,使金相组织晶粒细化。
如图2所示。
图2微合金含量(铌、钒、钛)对热
轧状态下碳钢带晶粒大小的影响
1.4控制轧制的优点:
(1)许多试验资料表明,用控制轧制方法生产的钢材,其强度和韧性等综合机械性能有很大的提高。
例如控制轧制可使铁素体晶粒细化,从而使钢材的强度得到提高,韧性得到改善。
如图3所示。
(2)简化生产工艺过程。
控制轧制可以取代常化等温处理。
(3)由于钢材的强韧性等综合性能得以提高,自然的导致钢材使用范围的扩大和产品使用寿命的增长。
从生产过程的整体来看,由于生产工艺过程的简化,产品质量的提高,在适宜的生产条件下,会使钢材的成本降低。
(4)用控制轧制钢材制造的设备重量轻,有利于设备轻型化。
图3连续轧制中轧制温度对奥氏体组织和铁素体轧制的影响模式
2控制轧制在管线钢中的应用
2.1管线钢控制轧制的发展概况
20世纪60代后,由于对能源需求量的增加,以北美为中心的输送管线敷设非常盛行,对用厚板或热轧卷进行焊接制造管线钢的需求不断增加。
因敷设输送管线需要太量钢材要求通过材料的高强度化节省钢材和通过提高材料的焊接性降低现场焊接成本。
在确保管线安全性方面,也要求具有防止断裂大模扩散的良好的低温韧性。
随着这一时期大直径长距离管线网的铺设,天然气用管线的大规模破裂问题开始暴露。
美国煤气协会委托巴特尔纪念协会(BattelleMemorialInstistute(BMI)对此进行了大规模的研究。
其结果,发现管线裂纹时,管子的裂纹传播速度比作为压缩气体的天然气的减压速度(相当于气体中的音速)快,裂纹不减速并长距离传播。
裂纹的传播速度与为此新开发的巴特尔落重试验(BettelleDropWeightTearTest,BDWTT)的延性断口率(剪力区:
shearAreaSA)有关,明确了使用温度下的延性断口率越高,裂纹传播速度越慢如图4所示。
鉴于此,要求高强管线钢具有严格的低温韧性。
在这样的要求下,各钢铁厂开始采用控制轧制来改善高强管线用厚板的低温韧性。
图4管线用厚板轧制中900℃以下的总压
下率和断裂转变温度的关系(100mm厚)
2.2控制轧制在管线钢中的应用
关于加拿大的管线钢控制轧制,有Sfelco的Jamieson等人的报告。
他们对板厚10mm左右API-5LX-X60级钢和50%FATT-25℃的管线钢原板的工厂试制作了阐述,并证实了前面已说明过的3个原则。
目标指向:
(1)在多道次轧制中尽可能多的重复加工、再结晶;
(2)加大各道次的压下率,特别是最终道次的压下率;
(3)在稍高于Ad温度能够得出所需规格的轧制计划。
对v系半镇静钢进行了试验.在850℃以下进行总计30%的轧制,在770℃温度下进行最终控制轧制。
他们指出,在这种情况下.高温段进行常规轧制后水冷至850℃:
再轧制的方法不能保证得到要求的低温韧性,需要在粗轧后渐进地在粗、精轧机之间的辊道上空冷和在精轧期间的空冷冷却至850℃后再进行轧制。
这可以通过在轧机同辊道上设置冷却罩,以便轧制途中经常有2块板坯待温,但是即使这样产量也要下降25%左右。
多道次轧制时轧制温度的影响如图5所示。
总之,对要求特别严格的低温韧性钢,不仅仅是轧制的最终阶段,还需将眼光放在整个轧制道次程序上。
图5多道次轧制时轧制温度的影响(实验室数据)
0.18C-1.36Mn各道次压下率20%,9个道次轧制到20mm厚,
轧制温度变化范围(开始—结束)为200℃
2.3.118-8型奥氏体不锈钢管控制轧制
某钢管厂应用控制轧制工艺提高0Cr18Ni10Ti管材成才率和综合性能以节约能源。
0Cr18Ni10Ti专用管材性能有极其严格的要求。
α相<2.0级、晶粒度3~8级、(TiN)小于3.0级等。
其中α相与晶粒度要求主要决定于热轧工艺。
轧制温度高时,会出现α相而使表面产生裂纹,温度太低则设备能力不足。
由于变形不均匀及温度不均匀会使晶粒大小不均。
为了解决有关问题,采用控制轧制工艺。
根据相图确定0Cr18Ni10Ti属于稳定奥氏体类不锈钢,它在常温下含有一定量的α相,最佳塑性温度为1100~1200℃,高于1200℃塑性降低,因此加热温度为1190~1200℃。
并采用带有扩散过程的加热制度(即加热到1150~1180℃,保温不小于1h),促使电渣重熔铸态组织均匀化、达到严格控制α相析出的数量。
由于大口径管壁内部变形量小,因此晶粒大,影响热轧后管材横断面上晶粒细化的主要参数是:
变形温度、变形速度、变形量和终轧后的冷却条件。
因此采用偏低的变形温度、用减少外径和壁厚(Φ245×50mm代替Φ250×40mm)的方法来增大管壁方向的变形渗透量;采用抢温快轧和轧后急速水淬方法控制热轧管体晶粒度并获取动态再结晶状态下形成精细组织,同时取消固溶处理工序。
当加热温度有1100℃升高到1200℃时α相急剧减少,1200℃为最低,超过1200℃时α相又开始析出,并随着保温时间加长而剧增。
因此采用严格控制管坯加热温度与时间对减少α相含量、提高金属塑性和改善管材表面质量具有显著效果。
变形量对细化晶粒有利,采用控制轧制方法,获得管材晶粒度大于4级的占81.25%。
随着变形量的增加,晶粒变细。
从金相轧制观察到,当ε=55.60%时管壁内壁区以产生部分动态再结晶。
当变形量增大到66.10%时,细晶粒已经扩展至整个壁中区的面积,这时金属轧制为细小均匀等轴晶粒,孪晶少见,晶粒边界变成凸凹交错形状。
变形量达到70.7%时已大于临界变形量,因此出现动态再结晶,得到4级以上晶粒达到81.25%,改善管材塑性指标。
2.3.218-8型奥氏体不锈钢管控制轧制特点
(1)采用控制轧制方法严格控制加热温度,特别是采用带有高温扩散特点的加热制度,大大降低了α相含量,提高了金属高温塑性,改善了管材的内表面质量。
(2)应用控制轧制的理论严格控制轧制温度和利用高温立即淬火的方法,即保持了变形过程所形成亚结构组织,为管材具有最佳综合性能创造条件,又可省去固溶处理。
(3)利用控制变形制度以及动态再结晶过程,使晶粒细化。
3控制轧制在线材生产中的应用
3.1线材控制轧制概况
控制轧制在线材中的应用是20世纪70年代后才开始的。
由于线材的变形构成由孔型所确定,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(即开轧温度),在无中间冷却的条件下无法控制轧制过程中的温度变化。
因此在过去的线材轧制中控制轧制很难实现。
为了满足用户对线材的高精度、高质量要求,高速线材轧机得到发展无扭精轧机组机型进一步改进。
1984年以后,摩根公司提供的100m/s高速无扭机组均为V型结构。
新一代V型机组在结构上做了重大改进,两根传动轴接近底面基础,机组重心下降倾动力矩减少,增加了机组的稳定性。
在第一套V型机组问世以后,高速线材轧机将控制轧制技术引入了工艺设备等总体设计。
现代高速线材轧机已经能生产高精度的产品,如各生产厂家生产Φ5.5mm线材的尺寸偏差普遍可达±0.15mm,有些厂家可达不超过±0.1mm。
为了满足用户对线材精度提出的更高要求达到精密及极精密尺寸偏差(直径偏差=±(0.2%~0.3%)×直径)。
近年出现了精密尺寸规圆机,有三辊柯克斯(Kocks)三机架无扭精轧机及两辊三机架(或二机架)台克森(Tekisun)高精度轧机。
尤其是1985年摩根公司推出台克森双机架轧机与无扭精轧机配合,轧出Φ5.0~6.5mm线材,可保证直径偏差为±0.1mm。
台克森轧机可在700℃轧制,轧制能力大,可以进行控制轧制,可生产某些汽车用的非调质钢及快速球化钢。
在第一套V型机组问世后,摩根公司在高速线材轧机上引入控制轧制技术MCTR(MorganContralledTemperatareRolling),即控制轧制控温轧制有如下两种变形制度:
A二段变形制度
粗轧在奥氏体再结晶区轧制,通过反复变形及再结晶细化奥氏体晶粒;中轧及精轧在950℃以下轧制,是在γ相的再结晶区变形,其累计变形量为60%~70%,在Ar3附近终轧,可以得到具有大量变形带的奥氏体未再结晶晶粒,相变以后能得到细小的铁素体晶粒。
B三段变形制度
粗轧在γ再结晶区轧制,中轧在950℃以下的γ未再结晶区轧制,变形量为70%,精轧在Ar3与Ar1之间的双相区轧制。
这样得到的细小的铁素体晶粒及具有变形带的未再结晶奥氏体晶粒,相变后得到细小的铁素体晶粒并有亚结构及位错。
为了实现各段变形,必须严格控制各段温度,在加热时不要过高,避免奥氏体晶粒长大,并避免在部分再结晶中轧制形成混晶组织,破坏钢的韧性。
一般采用降低开轧温度的办法来保证对温度的有效控制。
根据几个生产厂应用控温轧制的经验,高碳钢(或低碳钢)、低碳钢的粗轧开轧温度分别为900℃、850℃,精轧机组入口轧件温度分别为925℃、870℃,出口轧件温度分别为900℃、850℃.
在设计上,低碳钢可在800℃进入精轧机组精轧,常规轧制方案也可在较低温度下轧制中低碳钢材,以促使晶粒细化。
中轧机组前加水冷水箱可保证精轧温度可在900℃,而在精密轧机处轧制温度为700~750℃,压下量为35%~45%,以实现三阶段轧制。
如能在无扭精轧机入口处将钢温控制在950℃以下,粗、中轧可考虑在再结晶区轧制,这样可降低对设备强度的要求。
日本有的厂将轧件温度冷却至650℃进入无扭精轧机组轧制,再经斯太尔摩冷却线,这样可得到退化珠光体组织,到球化退火时,退火时间可缩短1/2。
3.2某厂双线线材轧机
某厂双线线材轧机从中轧机组的最后一个双线机架开始,预精轧机组为HV排列,在精轧机组前、后都有水冷段和恢复段,在环式吐丝机前安装有小储存的精轧机架,吐丝机后为斯太尔摩冷却线,在精轧机组内,在两组(HV)之间,其距离扩大了,一边容纳较长的水冷段。
图6中表示轧机以100m/s的终轧速度,终轧直径5.5mm低合金钢线材的温度曲线,这是通过模拟计算得到的。
1-表面温度;2-中心温度3-平均温度
(终轧温度750℃,终轧速度120m/s)
图6直径为5.5mm棒材的温度曲线
出炉温度为950℃,轧件经过中轧机组后温度高于初始道次温度,为了避免线材表面过冷,因此,对两个冷却段要分配恰当,总温降在300℃左右,但在高精度精轧机前要求得到750℃均衡温度。
由于在精轧机组轧件急速冷却,平均温度只升高了100℃轧件中心温度则升高了950℃。
因此,在精轧机组后需要继续冷却,使线材温度达到750℃左右,变形温度低,改变显微组织,可以采用两相区控制轧制,提高了线材的综合性能。
图7为直径5.5mm的线材以120m/s的终轧速度从精轧机组出来的温度曲线,此时终轧温度仍是750℃。
1-表面温度;2-中心温度;3-平均温度
出炉温度950℃,线材直径5.5mm,终轧速度100m/s
图7线材轧制时的温度曲线
3.3现代化高速线材轧机
目前有关的资料指出,一个满足控温轧制及轧后形变热处理要求的现代化高速线材轧机的组成及其平面布置如图8所示。
此布置的特点是:
首先是在第一中轧机组后、第二中轧机组中、预精轧前及预精轧后各设一组水冷箱,在精轧机出口处设置数组水冷箱,并具有平衡带,在无扭精轧机组内个机架设有水冷导管。
这些水冷段可以根据要求进行控温轧制;其次轧机设置采用V型配置的无扭精轧机组,并在无扭精轧机组后进行水冷,冷却后在吐丝机前安装两台台克森高精度精轧机。
采用这种轧机组合方式,除了对尺寸精度等有利外,由于可在低温下轧制,还可以用控制轧制工艺生产一些非调质钢,以简化热处理工艺等;最后在此机组上设有加勒特式线材卷取机,可生产大规模盘条。
图8现代高速轧机示意图
1~6-粗轧机组;7~12-中轧机组;13~16-二中轧机组;17~18-预精轧机组;
19~28-无扭精轧机组;29~30-精轧机组;31-水箱;32-慢冷线;
33-斯太尔摩冷却线;34-快冷型延迟型冷却;35-分离器
结语
经过多年的研究和发展控制轧制技术的应用已经逐渐成熟,在管线钢及线材的生产中控制轧制作为产品性能强化的手段,被广泛的运用到各个方面。
在如今社会发展中对金属材料强度、塑性等金属强度指标要求越来越高,而控制轧制给这些要求的实现带来了可能。
作为金属性能的强化手段之一,相信控制轧制会在今后生产中更好的发展与运用。
参考文献
[1]王有铭李曼云韦光.钢材控制轧制和控制冷却.冶金工业出版社,1999
[2]袁志学杨林浩.高速线材生产.冶金工业出版社,2005
[3][日]小指军夫.控制轧制控制冷却.冶金工业出版社,2002
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