钢材轧制控制方法

控制轧制的应用【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，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。

控制轧制工艺是一项节约合金、简化工序、节约能源消耗的先进轧钢技术，它能通过工艺手段充分挖掘钢材潜力，大幅度提高钢材综合性能，给冶金企业和社会带来巨大的经济效益。

本文一直围绕着控制轧制，以控制轧制为中心，简单地介绍了控制轧制的概念，种类，优缺点以及控制轧制的强化机理，一直延伸至控制轧制在现实板带生产中的应用。

【关键字】控制轧制、强度、韧性、板带【绪论】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，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、韧性和焊接性能的目的。

1、控制轧制的概念1.1控制轧制的定义控制轧制是指在比常规轧制温度稍低的条件下，采用强化压下和控制冷却等工艺措施来提高热轧钢材的强度、韧性等综合性能的一种轧制方法。

控制轧制钢的性能可以达到或者超过现有热处理钢材的性能。

控制轧制工艺包括把钢坯加热到最适宜的温度，在轧制时控制变形量和变形温度以及轧后按工艺要求来冷却钢材。

通常把控制轧制工艺分为三个阶段，如图1所示：1）变形和奥氏体再结晶同时进行阶段，即钢坯加热后粗大化了的γ晶粒经过在γ再结晶区域内的反复变形和再结晶而逐步得到细化的阶段；2）低温奥氏体变形阶段，当轧制变形进入γ未再结晶区域内时，变形后的γ晶粒不再发生再结晶，而呈现加工硬化状态，这种加工硬化了的奥氏体具有促进铁素体相变形核作用，使相变后的α晶粒细小;3)(γ+α)两相区变形阶段，当轧制温度继续降低到A r3温度以下时，不但γ晶粒，部分相变后的α晶粒也要被轧制变形，从而在α晶粒内形成亚晶，促进α晶粒的进一步细化。

图1 控制轧制的三个阶段（1）—变形和奥氏体再结晶同时进行阶段；（2）—低温奥氏体变形阶段；（3）—(γ+α)两相区变形阶段1.2 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力学性能有很大的提高。

例如控制轧制可以使铁素体晶粒细化，从而使钢材的强度得到提高，韧性得到改善。

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，自然地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。

1.3 控制轧制的种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。

1.3.1 γ再结晶型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。

据资料统计，再结晶型的控制轧制较普通轧制，可使抗拉强度σb提高10％～30％，冲击韧性αk 提高20％～50％。

根据钢中Nb含量的不同，要达到完全再结晶所需的临界变形量和变形温度如图2所示。

从图中可以看出Nb对再结晶临界变形量的影响是：碳素钢的再结晶临界变形量较小，对变形温度的依赖也小。

而含Nb钢的再结晶临界变形量都很大，而且对变形温度的依赖也很大。

临界变形量随可溶解的Nb含量的增大而加大。

变形温度降低，临界变形量加大。

变形温度越低，则临界变形量增大得越多。

图2 碳素钢和含Nb钢的临界变形量与变形温度的关系1—含0.03％Nb的钢，加工条件：1150℃固溶处理60min,空冷到变形温度，按要求变形量轧制，轧后水冷2—含0.02％Nb的钢，加工条件：同1，但在轧前的轧制温度保温30min；3—碳素钢，加工条件：同21.3.2 未再结晶型控制轧制它是将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。

因此，变形的奥氏体晶粒被拉长，晶粒内产生大量变形带，在相变过程中在r晶界和变形带上形成α核，使α的形核点增多，相变后铁素体晶粒α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，比如铌、钛、钒的低碳钢。

1.3.3 两相区控制轧制它是将钢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A r1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。

一般来说，两相区的轧制温度稍低些，有利于提高钢板的强度。

例如，日本森川博士的研究结果表明：在A+F 两相区中的高温区进行轧制时，钢材的韧性最好，降低轧制温度，则韧性反而变坏，如图3所示。

两种钢的轧制温度与强度和韧性的变化规律是一致的。

图3 （A+F）两相区控轧时轧制温度和钢的性能关系A钢—铁素体+珠光体；B钢—低碳贝氏体钢（控轧条件：850℃以下，总压下率恒定为47％）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。

综上所述，在三个阶段中，轧制时发生的组织和物理的变化如图4所示，实际控制轧制工艺是这三个阶段的合理组合。

从生产经验中得出，在700～1000℃之间，终轧温度每降低100℃，铁素体晶粒直径变小3～4μm，并能对力学性能产生相应效果。

图4 钢的显微组织及控轧工艺对钢的屈服强度和脆性转化温度的影响1—铁素体-珠光体；2—控制轧制的铁素体-珠光体；3—贝氏体；4—控制轧制贝氏体；5—调质回火索氏体2、控制轧制的机理所谓强度是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。

由于载荷有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。

衡量金属材料强度的指标有屈服极限、强度极限等，但经常采用屈服极限来表示。

所谓韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。

韧性越好，则发生脆性断裂的可能性就越小。

韧性可在材料科学及冶金学上，韧性是指当承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。

衡量韧性的指标有冲击韧性值和脆性转变温度。

控制轧制能使钢材强韧性化，其实质是通过调整各轧制工艺参数（如加热温度、变形量、终轧温度、轧后冷却）来控制钢在整个轧制过程中的冶金学过程（如奥氏体的再结晶、合金元素及其碳、氮化物的固溶和析出、相变、加工硬化、织构等），最后达到控制钢材组织和性能的目的。

控制轧制提高钢材强度及韧性的三个主要机理是：晶粒细化，碳、氮化物强化以及亚晶强化。

2.1 晶粒细化对于亚共析钢来说，铁素体晶粒越细，钢材的强度越高，韧性越好。

相变前的奥氏体晶粒越小，相变后的铁素体晶粒也越小。

控制轧制可以通过两种方法使奥氏体晶粒细化细化：一种是奥氏体加工和再结晶交替进行使晶粒细化；另一种是在奥氏体未再结晶区轧制。

降低钢坯加热温度得到较小的原始奥氏体晶粒，加大每一道次的变形量，降低终轧温度，都有利于奥氏体再结晶晶粒的细化。

为了实现在奥氏体未再结晶区轧制，需要提高奥氏体的再结晶温度，当钢中含铌、钛、钒等微量元素时，就具有这样的效果。

因为这些元素的碳化物和氮化物由奥氏体析出后，可以明显地抑制奥氏体再结晶，从而有效地提高奥氏体再结晶温度，使轧制过程能在非结晶区域进行。

2.2 碳、氮化物强化钒、铌、钛是比较强的碳化物或氮化物形成的元素，它们的碳化物或氮化物对钢的组织和性能发生强化作用，如图5所示。

图5 碳化物及氮化物形成元素的含量对奥氏体晶粒粗化温度的影响碳化物和氮化物在高温时溶解于奥氏体，奥氏体向铁素体转变后析出，对钢直接起弥散强化作用。

2.3 亚晶强化奥氏体晶粒的变化，在奥氏体+铁素体两相区域轧制时与在奥氏体再结晶温度以下轧制时相同。

已相变的铁素体晶粒经轧制（变形）产生亚晶粒、位错等使钢强化。

在两相区域轧制的钢材相变为铁素体晶粒（先形变后相变）和含有亚晶的铁素体晶粒（先相变后形变）的混合组织，从而使钢材的韧性和强度提高。

3、控制轧制在钢板生产中的应用控制轧制是属于形变热处理的一种形式，它首先在中厚钢板和热轧带钢生产中得到成功的应用。

控制轧制可以同时提高钢的强度、塑性和韧性，使之得到较高的综合力学性能。

钢材的性能改善是由以下三个组织所决定的：1)钢的组织细化；2）碳化物的弥散强化；3）获得多边形亚结构组织。

一般认为第一个和第三个组织因素的作用更重要。

晶粒的细化作用占强度提高效果的20～30％，而获得细小分散的亚结构组织能在提高强度的同时仍保持高塑性。

而弥散强化作用一般不希望太大，因为弥散强化使强度提高的同时，使钢的塑性和韧性急剧降低。

在控制轧制中碳化物的弥散强化（析出）作用主要作为细化晶粒的手段。

作为中厚钢板和带钢控制轧制工艺的主要参数是：钢的奥氏体化温度，即轧制前的板坯或钢锭的加热温度；轧制的温度制度；轧制的变形制度，其中包括各道次的压下量分配，特别是终轧前几道次的压下量分配，以及在某一温度范围内的总压下率；每道次之间的停留时间和轧后钢板与带钢的冷却制度，对带钢来说板卷的卷曲温度和冷却制度也是很重要的。

3.1钢板控制轧制的特点为了获得中厚钢板高强度、高韧性的综合力学性能，可以采用不同的控制轧制工艺来达到。

一般是在奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区进行轧制。

为了进一步提高钢的强度和降低钢的脆性转变温度，可在奥氏体和铁素体（γ+α）两相区进行一定程度的轧制。

如表1所示控制轧制技术在板带材中的应用。

表1 控制轧制在板带材中的应用在板带热轧过程中即可以采用单一类型的控制轧制，也可以采用两种或三种类型相配合的控制轧制工艺。

采用什么类型的控制轧制工艺，取决于钢的化学成分、对成品钢板组织性能的要求、轧机的设备条件和工艺水平以及对轧机产量的要求等。