控轧控冷技术在钢材生产中的应用

控轧控冷技术在钢材生产中的应用

马明珍

（辽宁科技大学，材料成型及控制工程）

[摘要]：钢材生产的控制轧制、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,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。本文简述了控制轧制和控制冷却在管线材成产、中厚板生产、棒线材生产中的应用。分析了目前国内TMCP的现状以及发展前景及趋势。

[关键词]：控制轧制；控制冷却；组织；管线材；中厚板；棒线材

Application of controlled rolling and controlled cooling in steel production

（Institute of equipment manufacturing of Liaoning Technology School,Yingkou,1233010109）

Abstract：Medium plate production of controlled rolling and controlled cooling and TMCP of combining technology is important means to improve organization and mechanical properties. Control is used to control the austenite grain size and shape of rolling, controlled cooling is used to control the phase transition of tissue types, promoted the refine the grain size and phase transformation strengthening. This article has summarized the controlled rolling and controlled cooling in the plate to produce, the application of the wire rod, tube, wire production. Analysis of the current domestic status quo and the development prospect and trend of TMCP.

Key Words: Controlled rolling; Controlled cooling; Organization; The thick plate; Tube wire; Rod wire

1．引言：21世纪80年代以来，高速线材的轧制速度己突破100m/s,由于轧制速度的提高，导致轧件的温升增加，使终轧温度高于1000℃，线材成品表面的氧化铁皮增多、晶粒粗大、钢材的显微组织和机械性能极不均匀。控制轧制中水冷和轧后的散卷冷却，以便得到组织性能良好的线材;保证轧件的轧制温度，控冷控轧就显得至关重要，因此，合适的控轧控冷参数是轧制生产线水平高低的重要标志之一而此时仅仅依靠传统的控制轧制技术远远不够。于是在奥氏体控制轧制的基础上, 还需要控制冷却速度来控制相变本身, 于是开始了真正意义的控轧控冷技术的应用。控制轧制可以在道次间控制冷却还可以减少待温时间，提高轧机小时产量。在道次间采用控制冷却，可以精确地控制

终轧温度，减少轧件停下来等待降温的时间。利用轧后钢材余热，给予一定的冷却速度控制其相变过程，从而可以取代轧后正火处理和淬火加回火处理，节省了二次加热的能耗，减少了工序，缩短了生产周期，从而降低了生产成本。

2.控制轧制和控制冷却概念及其分类：

2.1控制轧制：控制轧制是在有目的地控制工艺参数的条件下，在奥氏体相区或在奥氏体与铁素体两相区进行轧制，然后空冷或控制冷却速度以得到理想组织的轧制工艺，即对从轧前的加热到最终轧制道次结束为止的整个轧制过程实行最佳控制，以使钢材获得预期良好性能的轧制方法。通过充分细化晶粒和获得均匀分布的第二相组织来控制轧制以提高钢的综合性能。根据热轧过程中变形奥氏体的再结晶状态和相变机制不同，可将控制轧制分为再结晶区控轧、未再结晶区控轧、两相区控轧。[1]

2.2控制冷却：控制冷却是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。由于热轧变形的作用，促使变形奥氏体向铁素体转变温度的提高，相变后的铁素体晶粒容易长大，造成力学性能降低。为了细化铁素体晶粒，减小珠光体片层间距，阻止碳化物在高温下析出，以提高析出强化效果而采用控制冷却工艺。

2.3 TMCP：控制轧制和控制冷却技术结合起来，能够进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合性能，并能够降低合金元素含量和碳含量，节约贵重的合金元素，降低生产成本。

3．控轧控冷在钢材生产中的应用：

3.1控轧控冷在管线钢生产中的应用：

对管线钢采用控制轧制工艺，分别在奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制，奥氏体再结晶百分数随着变形量的增大及变形温度的升高而增加。当变形量一定时，随着变形温度的升高，奥氏体再结晶百分数显著增加。当变形温度一定时，随着变形量的增大，奥氏体再结晶百分数增加趋势较平缓。在奥氏体再结晶区轧制时，奥氏体经过多次静态再结晶而细化。但是,由于轧制温度较高，随着道次间隔时间的延长, 再结晶奥氏体晶粒会长大，因此,第Ⅰ阶段轧制开轧温度不能过高。在奥氏体再结晶区轧制细化晶粒的作用是有限的,为了得到更细的晶粒, 还要在奥氏体未再结晶区轧制以及轧后加速冷却。[2]

在管线钢控制轧制和控制冷却的诸多工艺参数中,冷却速率和终冷温度至为重要。随着高强度管线钢的开发,高的冷却速率和低的终冷温度已成为管线钢控制冷却中的关键技术。

3.1.1高的冷却速率和低的终冷温度的主要作用表现在：

通过高的冷却速率和低的终冷温度的实施,可使管线钢获得细小的针状铁素体或贝氏体组织,从而达到高强韧的目的。冷却速率和终冷温度对管线钢强韧性的影响可以看出,随着冷却速率的提高和终冷温度的降低,可提高管线钢的强韧特性。

在加速冷却中较高的冷却速率不仅有利于通过相变强化获得高强度,而且有利于通过细化相变的显微组织获得高韧性,因而可采用合金含量较低的材料达到高的强韧要求。由于冷却速率的增加可降低管线钢的合金加入量,因而不仅降低了钢材的成本,还有利于钢材冶金性能和焊接性的提高。

随着海洋管线和大变形管线的发展,对管线钢的壁厚提出了要求。采用高的冷却速率,可使厚钢板温度的离散性小,组织和力学性能均匀。一般认为,大于30℃/s的冷却速率对厚板的均匀性是有利的。

3.1.2双相组织的控轧、控冷技术

大变形管线钢是近年来油气管线钢的一个重要发展方向。大变形管线钢的主要性能特点是在保证高强韧性能的同时具有低的屈强比、高的均匀塑性变形伸长率和高的形变强化指数。大变形管线钢的基本组织特征是双相组织。这种双相组织可通过低C、超低C的多元微合金化设计和特定的控轧、控冷技术获得。大变形管线钢双相组织通常有贝氏体+铁素体(B+F)和贝氏体+马/奥岛(B+M/A)两类。

3.1.3超细晶粒的控轧、控冷技术

为获取超细晶粒,在传统的控轧、控冷技术的基础上,近年来开发出形变诱导铁素体相变(DIFT)技术和驰豫-析出-控制相变(RPC)技术。

3.2控轧控冷在中厚板生产中的应用：

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。

目前从理论和实践上, 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、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。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, 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。[3]

3.2.1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]。

3.2.2 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（DQ－T）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。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。

3.3控轧控冷在棒线材生产中的应用

3.3.1连续式小型轧机

目前,连续式小型棒材轧机上应用最广泛的是棒材的轧后余热淬火及自回火工艺,又称为QTB或QTR工艺。该工艺是利用终轧后轧件自身的热量, 使之通过专门设定的穿水冷却水箱,准确控制轧件的冷却速度,从而获得所需要的组织和性能的一种方法。此工艺可以利用普通低碳钢来替代微合金钢 和低合金钢,且轧件具有较高的强度、较好的韧性和焊接性,近年来被广泛用于热轧带肋钢筋生产。经过余热淬火处理

的钢筋,其强度指标可以大大提高,且具有很大的灵活性,即同一成分的钢筋采用不同的冷却制度,能获得不同强度级别的钢筋。 棒材的控制冷却工艺包括三个热处理阶段:1)淬火阶段。棒材离开终轧机后立即进入有数个冷却水箱组成的淬火线,表面得到淬火组织;2)回火阶段。棒材离开水冷箱之后,由于经过穿水急冷的钢筋横断面上温差很大,经随后的热传导过程,芯部的热量逐渐向表面扩散,使得表面淬火组织得到自回火处理;3)自然冷却阶段。这个阶段在冷床上完成

3.3.2热轧带肋钢筋

实现热轧带肋钢筋轧后超快速冷却的关键工艺设备是超快速冷却水冷器。国内现有的余热淬火水冷器需要进行改造，才可以提高冷却效率，实现热轧带肋钢筋轧后超快速冷却。该工艺的使用可以做到不改造主要设备，不需降低作业率，不需低温轧制，不需余热淬火。由于强化了冷却效果，可以提高冷床的冷却效率，从而提高产量。[4]

采用热轧带肋钢筋超快速冷却技术，可以在少用或者不用合金元素的情况下，利用335MPa级的20MnSi生产HRB400、HRB500螺纹钢筋，大幅度提高产品质量，降低生产成本。[5]

4.国内研究历史及现状

国内控轧控冷技术的研究与应用,起步较晚。始于70年代初,先后列为国家“六五”、“七五”、“八五”科技攻关项目,有关大专院校、科研院所及生产厂, 结合常用钢种和国内轧机条件, 在控轧控冷技术的基础理论研究与实际应用方面做了许多卓有成效的工作, 如测定了

钢种的基础数据对Nb、V、Ti微合金元素在钢中的作用,形变奥氏体再结晶,控轧控冷工艺与组织性能的关系,微合金元素碳氮化物固溶析出,钢的变形抗力等进行了广泛深入研究。在这一期间，建立了控制轧制模拟实验室、棒材和板材控制冷却实验室、计算机控制工艺参数模拟实验室等，为开展控制轧制控制冷却基础理论工作研究和开发新工艺打下了坚实的基础，为研制新品种创作了有力的条件，同时某些生产厂应用控轧控冷取得了提高产品质量和性能合格率的好效果。另外还在重钢五厂建成了国内第一条独具特点的控轧控冷生产试验线。这些工作为我国进一步发展和应用这项具有明显经济效益的轧钢新技术奠定了可靠的基础。目前控制轧制技术已成为国内外钢材生产的主导工艺；随着超细晶粒钢等的研究开发，新一代控制轧制工艺技术已经出现。

5.发展趋势：

迄今为止，TMCP在热轧板材方面的生产应用已十分广泛，但在无缝钢管，尤其是中大直径无缝钢管领域，其工业推广目前尚处起步阶段，需经制管企业根据各自工艺及装备条件有步骤地组织实施，不断实践、不断完善。无缝钢管的生产具有相对较高的开轧、终轧温度以及相对有限的减壁变形率；另一方面，与其他长材相比，无缝钢管具有较大的轮廓断面尺寸、较大的规格变化范围,从而使其在线热处理的控制与实施面临较多的变数；加之其机组生产效率、设备能力和材料

热塑性等因素的影响,使得TMCP在无缝钢管生产中的实施与应用受到很大约束。TMCP的实施原则就是要在这样的约束条件下，在对特定产品的使用性能、物理冶金、钢种成分、工艺参数和测控手段等各方面进行量身定制的基础上，尽可能地利用和发掘在线调控的工艺资源，通过灵活调节轧件形变与温度变化的幅值及速率，经济、高效地赋予该产品以预期的性能。[6]

6.结语：

随着国家淘汰落后产能的加大，降低生产成本，提高钢材性能的控轧控冷技术应用前景将十分广阔。目前，控轧控冷技术得到快速发展，用这种技术生产的钢材产品也得到广泛应用。于传统轧制技术相比，他不仅可以生产普通建筑钢材，同时也能满足各种低合金、高强度、高韧性的钢材。

〔参考文献〕

[1] 王有铭，李曼云，韦光. 钢材的控制轧制与控制冷却[M].北京: 冶金工业出版社，1993

[2] 赵明纯，单以银，等. 控轧控冷工艺对X60管线钢组织及力学性能的影响[J].金属学报，2001，37(2)：179-183

[3] 袁国，王昭东，王国栋，等. 控制冷却在板带材开发生产中的应用［J］. 钢铁研究学报，2006，18（1）

[4] 吴迪，王国栋，赵宪明. 利用新一代TMCP生产Ⅲ，Ⅳ级热轧带肋钢筋的理论与实践［C］,2009 年全国建筑用钢筋生产、设计与应用技术交流研讨会会议文集. 北京，2009.

[5] 曹树卫. 棒线材控制轧制和控制冷却技术的研究与应用.河南冶金报，2005,，06.

[6] 王国栋. 以超快速冷却为核心的新一代TMCP技术［J］.上海金属， 2008， 30（2）：1-5

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