简述控制轧制与控制冷却在棒线轧制生产中的应用

简述控制轧制与控制冷却在棒线轧制生产中的应用

张江平

摘 要 对控制轧制与控制冷却的概念，控制原理，控制轧制与控制冷却在

棒线材生产中的应用，意义及发展现状进行了介绍，并对现代棒线材生产中控制轧制与控制冷却所存在的问题进行简单的介绍。

关键词 控制轧制，控制冷却，棒线材轧

A BSTRAC the paper gives an introduction to the Controlled rolling and

Controlled Cooling as well as their application in rod and wire product.Then it gives the introduction to the application of Controlled rolling and Controlled Cooling i in rod and wire produc resently.

KEYWORDS rollingcontrol coolingcontrol

（2）控制冷却（Controlled Cooling）

1前言

是控制轧后钢材的冷却速度达到改善

控制轧制与控制冷却相结合能钢材组织和性能的目的。 将热轧钢材的两种强化效果相加，进2.2 控制轧制与控制冷却的原理 一步提高钢材的强韧性和获得合理的（1）控制轧制的原理 综合性能。随着控制轧制与控制冷却 单地说,控制轧制的操作如图1机理研究的不断深入，除了在中厚板，所示,即通过全部热轧条件(加热温度、热连轧带钢生产中采用控制轧制与控轧制温度、道次压下量)的最优化,人为制冷却工艺之外，在棒线材生产中也地调整奥氏体的状态,使其在后续的冷取得了比较成熟定型的控制冷却工艺。却过程中相变为细晶铁素体和期望的控制轧制和控制冷却是热轧生产中的相组织,以得到良好的强度和韧性的组新技术和新工艺，是金属塑性加工专合的加工过程。 业的理论与实践不可缺少的一个重要组成部分，是金属压力加工专业的前沿技术。

2控制轧制与控制冷却

2．1 控制轧制与控制冷却的概念 （1） 控制轧制（Controlled rolling）是在热轧过程中对金属加热制度、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，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。

控制轧制的关键在于轧制是在比通常轧制温度低的范围内进行,通过低

温轧制能够实现铁素体的大幅度晶粒细化,这样即使成分相同,也能得到比正火或淬火、回火更好的强度和韧性。 （2）控制冷却的原理

控制冷却的实质是晶粒细化和相变强化,即在控制轧制之后,对奥氏体到铁素体相变温度区间进行某种程度奥氏体进行控制冷却,则不仅在变形后的奥氏体晶界面或变形带产生晶核,在奥氏体晶粒内也会生成铁素体核,能产生明显的晶粒细化效果。

2.3 控制轧制与控制冷却的分类 （1）控制轧制的分类

根据变形温度的不同控制轧制工艺分为三个阶段(如图2所示):

的快速冷却,使相变组织细晶化,甚至相变成新的组织,然后再空冷的工艺,可在不损坏韧性的情况下提高强度,以获得更高的强度和更优良的韧性。根据实际经验,对再结晶奥氏体进行控制冷却时,铁素体发生某种程度的晶粒细化,但效果并不明显。如果对未再结晶

1)再结晶区变形。又称为Ⅰ型控制轧制或常规轧制,轧制温度大于950℃,这种类型是在奥氏体变形过程中和变形后自发产生奥氏体再结晶的区域中轧制,一般温度较高,在1000℃以上。

奥氏体晶粒因重复发生静态再结晶而细化。奥氏体细化导致铁素体细化。晶粒细化有某一极限值(约10～20μm)。

2)未再结晶区变形。又称为Ⅱ型控制轧制或常化轧制,轧制温度为

950℃～Ar3,在此区间轧制时钢不发生奥氏体再结晶现象,塑性变形使奥氏体晶粒拉长,晶粒内部出现大量变形带、孪晶和位错,增加形核点,促进奥氏体边界及晶粒内部的形核率和形核速度,可以获得细小均匀块状铁素体晶粒(约5～10μm)。

3)(γ+α)两相区变形。又称为Ⅲ型控制轧制或热机轧制,轧制温度小于Ar3,奥氏体产生加工硬化,铁素体产生亚结构,亚结构使强度提高,脆性转变温度降低,晶粒细化(约3～5μm) （2）控制冷却的分类

控制冷却包括一次冷却、二次冷却和三次冷却(空冷)三个不同的冷却阶段,其目的和要求是不相同的。

1)一次冷却。是指从终轧温度开始到奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3或二次碳化物开始析出温度Arcm范围内的冷却,其目的是控制热变形后的奥氏体状态,阻止奥氏体晶粒长大或碳化

物析出,固定由于变形而引起的位错,加大过冷度,降低相变温度,为相变做组织上的准备。一次冷却的开始快冷温度越接近终轧温度,细化奥氏体和增大有效晶界面积的效果越明显。

2)二次冷却。是指热轧钢材经过一次冷却后,立即进入由奥氏体向铁素体

3)三次冷却。是指相变之后直到室温这一温度区间的冷却参数控制。对于一般钢材,相变后多采用空冷,冷却均匀,形成铁素体和珠光体。此外,固溶在铁素体中的过饱和碳化物在慢冷中不断弥散析出,形成沉淀强化。对一些微合金化钢,在相变完成之后仍采用快冷工艺,以阻止碳化物析出,保持其碳化物固溶状态,以达到固溶强化的目的。2.4控制轧制与控制冷却的发展 控制轧制是轧钢领域 的一项新 工艺 ，它是提高钢材产品质量和创造 名牌产品的既经济又有教的手段 ．从本世纪60年代末到70年代 ，世界上许 多国家对控制轧制技术无论在理论方 面还是在 应 用方面都做了许多工作 ，取得了显著成效 ，并公认控制轧制技术是 80年代、90年代的一个主要发展方向 ，将控轧、控冷技术作为主要推广项目。虽然控轧、控冷技术的研究我国起步较晚 ，但已获得了可喜的进展。在生产上，提高产品的性能合格率 ，提高牌号以及利用国内富有资源创造名牌产品等已初见成效 ，在科研方面，许多单位继地开展了控轧工艺和机理方面研究 ，并发表了一些水平较高的论文．

3 控制轧制与控制冷却在棒线材生产中的应用

3.1棒线材相关概念 （1）棒线材定义

棒材:简单断面型钢一般成根供应，又称棒材，主要包括圆钢和螺纹钢筋。

或碳化物析出的相变阶段,在相变过程中控制相变冷却开始温度、冷却速度和停止冷却温度等参数,就能控制相变过程,从而达到控制相变产物形态、结构的目的。

近年来，随着生产技术的发展，小型棒材亦可成卷供应。

线材:是热轧生产中断面最小，长度最长而且成盘卷状交货的产品。线材的品种按断面形状分，有圆形、六角形、方形、螺纹圆形、扁形、梯形及Z字形等，主要是圆形和螺纹圆形。 （2）目前棒线材生产工艺 a.棒线材生产一般工艺流程：

原料准备→称量→装料→加热→轧制→控制冷却→检查→打捆→收集→称量→入库

b.棒材生产中的控制轧制和控制冷却的目的视钢种及其对性能的要求不同而不同，有的是为了提高棒材的综合力学性能，高碳钢和轴承钢棒材是为了减少或消除网状碳化物，为下一步球化热处理创造良好的组织条件。而不锈钢棒材则是为了轧制余热进行直接淬火，以控制Cr-C化合物的析出。还有的是为了解决冷床能力不足而解决轧后快速冷却工艺等。因而，采用什么样的控制轧制与控制冷却工艺，取决于生产的要求。

c. 由于高速线材轧机以高速连续的方式生产大盘重的线材产品，终轧温度比普通线材轧机更高，采用传统的成盘自然冷却将使产品质量恶化。为避免传统成盘自然冷却造成的二次氧化严重、轧后线材的力学性能低并严重不均匀，高速轧机生产线材采用轧后控制冷却工艺。

3.2 棒线材生产中的控制轧制 由于小型棒线材轧机的轧制工艺参数中变形制度难于调整,即由孔型设

计确定,要通过改变各道次变形量来适应控制轧制变形量的要求是极其困难的。因此在小型棒线材轧机上只能采取控制各轧机上的温度来进行控制轧制,即控温轧制。通过控制轧制温度,使变形条件在一定程度上满足控轧要求。速度决定了产品内在组织、力学性能及表面氧化铁皮生成量,因此对产品质量有着极其重要的影响,所以,钢材轧后如何冷却,是整个线材生产过程中产品质量控制的关键环节。控制冷却工艺是利用控制轧件轧后不同的冷却速控制轧制除了能生产具有细晶组织、强韧性好的钢材外,还可以减少脱碳、简化或取消热处理工序。例如非调质钢,利用控制轧制并配合控制冷却,可以生产冷镦用高强度标准件原料,使用这种原料,原标准件生产中酸洗前的退火工序和冷镦后的调质工序可以简化或取消,对于某些轧后要求球化退火的钢材可节约退火时间。

小型棒线材轧机的控制轧制有以下两种变形制度:

a.两段变形制度。即奥氏体再结晶型和未再结晶型两阶段的控轧工艺。这种工艺的特点是选择低的加热温度以避免原始奥氏体晶粒过分长大,但使粗轧在再结晶温度范围内轧制,利用变形奥氏体再结晶细化奥氏体晶粒;中轧及精轧机组的轧制温度在950℃以下,即处于奥氏体未再结晶区变形,累计变形量为60%～70%,在接近奥氏体向铁素体转变温度(Ar3)时终轧,可以得到具有大量变形带的奥氏体未再结晶晶粒,相变后可得到细小的铁素体晶粒。 b.三段变形制度。即奥氏体再结晶型、未再结晶型和奥氏体与铁素体两相区轧制的三阶段的控轧工艺。这种工艺的特点是粗轧在奥氏体再结晶区反复轧制细化奥氏体晶粒,中轧在950℃以下的未再结晶区轧制并给予60%～70%的总变形率,精轧在Ar3与Ar1之间的两相区轧制并终轧,这样得到细小的铁素体晶粒及具有变形带的未再结晶奥氏体晶粒,相变后可得到细小的铁素体晶粒并有亚结构及位错。 3.3 棒线材生产中的控制冷 在棒线材生产过程中,轧制出来的产品必须从轧后的高温红热状态冷却到常温状态,棒线材轧后的温度和冷却度,来控制钢材的组织和性能。通过轧后控制冷却能够在不降低轧件韧性的前提下进一步提高钢材的强度,并且缩短热轧钢材的冷却时间。根据钢种的不同,控制冷却钢的强韧性取决于轧制条件和冷却条件。控制冷却条件对热变形后奥氏体状态、相变前预组织有影响,对相变机制、析出行为、相变产物组织形貌更有直接影响。控制冷却可以单独使用,但将控制轧制和控制冷却工艺有机地结合使用,可以取得最佳的效果。

a.棒材的控制冷却

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。

b. 线材的控制冷却 线材的控制冷却技术包括轧后水冷和风冷两部分,水冷普遍采用了温度自动闭环控制,而风冷在散卷运输辊道上来完成。一般情况下,将线材轧后控 制冷却过程分为三个阶段,第一阶段的主要目的是为相变做组织准备及减少二次氧化铁皮,通常采用快速冷却,冷却到相变前温度,即吐丝温度;第二阶 段为相变过程,主要控制冷却速度;第三阶段相变结束,除有时考虑到固溶元素的析出采用慢冷外,一般采用空冷。 各钢种的成分不同,他们的转变温度、转变时间和组织特征各不相同, 即使同一钢种只要最终用途不同,所要求的组织和性能也不尽相同。因此,工艺上对线材控制冷却提出的基本要求是能够严格控制轧件冷却过程中各阶段的冷却速度和相变温度,使线材产品既能保证性能要求,又能尽可能地减少氧化烧损。 3．4控制轧制与控制冷却在棒线材生产中的应用的意义 由于连轧棒材生产线中。钢材是在规定的孔型 系统中完成的，变形条件基本固定，不可能进行大范围的变形量调整。全连轧棒材生产线在生产螺纹钢筋时，主要是采用控制开轧温度和终轧温度的手段来改善变形奥氏体的组织状态，提高钢材综合性能。 过去几十年来，作为热轧钢材性能的强化手 段，或是添加合金元素，或是轧后再进行热处理。 这些措施既增加了成本，又延长了生产周期，对于 产品使用性能，多数情况下是在提高强度的同时降 低了韧性，对焊接性能也造成影响。但控制轧制和 控制冷却则不同，它是通过控制热轧过程中的变形 及轧后钢材的冷却速度，达到充

分细化晶粒和改善 钢材组织状态，从而提高钢材的综合性能。它是通 过优化工艺控制来大幅度提高钢材的综合性能，具 有节约合金、简化工序、节能降耗等优点，由于它 具有形变强化和相变强化的综合作用，所以既能高钢材的强度，又能改善钢材的韧性和塑性。 4. 控制轧制与控制冷却在棒线材生产中的应用的发展现状 目前线材控冷轧制的主要方式有以下三种： (1)温度控制：系统根据安装在水箱前、后高温计所测得的轧件温度，参考控冷所要求的技术参数，持续计算出水箱所需的冷却水流量，并自动调节调节阀的开度，保证轧件温度满足 要求。 (2) 流量控制：系统根据冷却水流量的设定值进行调节，保证冷却水流量与设定值保持一致，而不考虑轧件本身的温度。 (3)人工控制：操作人员通过手动设置流量调节阀的开度，调节冷却水的流量。这种控制方式一般只用于设备调试及设备检修情况下使用。 主要方法有:斯泰尔摩法、热水浴法（ED法）、施劳曼法、流态冷床法、淬火-回火法、D-P法。 目前，线材的控制轧制与控制过程逐渐趋于数字化，自动化。宝钢在线材生产线上采用线材控冷过程计算机优化控制系统。采用温度跟踪法对典型坯料在轧制过程中的温度变化规律进行了实际测试，并利用实测数据对所建立的坯料控冷热过程数学模型进行了验证。与原有控制系统相比，主要增加和完善了如下功能： (a) 采用数字滤波技术，修改了原有的温控模式； (b) 增加了“数学模型优化控制模式”； (c) 具有增加新规程的功能。 5. 结语

控制轧制和控制冷却体现了工艺可以改进材质,可以创新材质。材料成形过程也是物理冶金过程,为工艺改进和质量提高提供了新的思路。要获得

满足人们需要的、理想的钢材,除了合理的成分设计外,还要重视冶炼、连铸、轧制工艺的各个环节。对企业而言,在提高产品质量、技术开发和研究工作中,工程技术人员要突破专业的束缚,扩大知识面,全面地、系统地、相互联系地分析问题,才能抓住问题的本质。

参考文献：

[1] 王有铭，李曼云，韦光.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[2] 张小平，等．近终形连铸技术[M]．北京：冶金工业出版社，2001. [3] 小指军夫著. 李伏桃,陈岿译. 控制轧制控制冷却. 北京:冶金工业出版社,2002.

[ 4 ] 田村今男等著. 王国栋,刘振宇,熊尚武译. 低合金钢的控制轧制与控制冷却. 北京:冶金工业社,1992. [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] 曹树卫.超级钢线材生产工艺研究及实践.轧钢，2006,06.

[7] 秦国庆.唐钢高速线材厂现场教材,河北理工学院教材科,1995,2. [8] 冯贺宾. H08Mn2Si钢轧制工艺研究,硕士论文,北京科技大学,1996,3. [9] 李克敏,陈礼斌.唐钢高线Φ10.0 mm普线及硬线新品种开发,轧钢专,1996,8.

[10]杨晓明。宝钢高速线材车间设计简介。轧钢，2000,02.

[11]宝钢线材控冷计算机优化控制系统.百度文库.

[12]乔德庸等。高速轧机线材生产[M].北京：冶金工业出版社，2007.

满足人们需要的、理想的钢材,除了合理的成分设计外,还要重视冶炼、连铸、轧制工艺的各个环节。对企业而言,在提高产品质量、技术开发和研究工作中,工程技术人员要突破专业的束缚,扩大知识面,全面地、系统地、相互联系地分析问题,才能抓住问题的本质。

参考文献：

[1] 王有铭，李曼云，韦光.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京：冶金工业出版社，2012.

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