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【摘 要】伴随工业经济的不断发展,许多新技术、新理念在冶炼行业中得到广泛应用,例如自动化、生产条件控制,以实现改进性能、加强结构使用效果的要求。结合当前实况,首先概述了控制轧制与控制冷却的相关理论,这两项技术也是工业生产中改进钢材组织结构、改进热变形和钢材性能的重要部分。接着探讨了棒线材生产中这两项技术的具体应用,控制轧制主要有两段变形模式和三段变形模式,控制冷却则是经由热淬火(QTB)、自回火(QTR)等环节,控制冷却环节的温度变化过程,实现改进钢材性能的效果。对此进行研究,旨在为此领域研究提供些许借鉴。
【关键词】棒线材;控制冷却;控制轧制;奥氏体
1.控制轧制与控制冷却的理论分析
1.1对钢材性能造成影响的组织结构因素
出于多元化的用途,人们对所用钢提出了各种各样的要求,如机械、物理、化学、工艺等方面的性能需求。钢的微结构和组织是满足人们对其使用的需求,且影响其性能的不可分割的因素[1]。若要获得满足性能要求的钢材,首先要注意需要什么样的组织结构,其制造过程不仅需要轧制控制,还需要从成分设计、成分控制、杂质排除、铸坯质量等冶炼工艺上进行配套改进,科学合理的控制和调整钢材的轧制、冷却等环节。当前为了实现良好的综合控制,引入了自动化控制系统来辅助生产,控制钢材制造过程中的组织结构。
在轧制过程中,通过控轧控冷(TMCP),其中的再结晶、相变、微合金元素析出、晶粒形核与长大等即会改进钢材组织结构。以强韧性为例,钢材强韧性能的加强可通过:固溶强化;晶界强化和亚晶强化;相变强化;应变强化;分散强化等[2]。
1.2热变形中钢的组织变化分析
热变形可被视为归原和再结晶过程的变形,包括固化加工及后归原过程。从变形的角度看,热变形是钢的变形阻力降低和塑性变形能力提高的过程。从组织监测的角度来看:在一定条件下奥氏体组织的检查控制,也是通过变形条件进行的变形组织控制,做好相变准备;控制相变过程,获得所需的组织和特性[3]。
相变前的各种奥氏体组织,相变后的结构、性能、特点也会有所不同,引发其相变的变形条件不同。在热变形过程中会出现不同的动态复原过程或静态复原过程,不同的反应过程将形成不同的结构变化的钢材热变形。因此,轧制基本上是通过控制轧制条件来进行控制的,能够改变所制造钢材的组织和特性。
1.3冷却中钢的组织变化
冷却条件包括:开始冷却温度、冷却速度和冷却结束温度。可将冷却控制划分为有不同控制目标的三个阶段:相变前组织准备(形变完成至相变前),控制相变前的组织高温态;相变时(相变开始到相变完成),控制相变过程的相变反应;相变后(相变完成至恢复室温),控制该过程的组织状态。在不同冷却条件下,应注意形变奥氏体的变化。
2.棒线材生产中控制轧制与控制冷却技术的应用
2.1控制轧制
考虑到小型轧机轧制工艺参数中的变形状态很难调整,孔型设计很难确定。因此,小型棒材轧制主要通过控制各机床温度,控温轧制很大程度的影响了实际生产效果,及变形条件是否符合控制轧制的要求。这不仅能生产坚韧性佳、细晶组织的钢材,还兼有简化脱碳过程和热处理环节的作用。例如可通过轧制控制和冷却控制来生产非调质钢,可以生产有高强度的标准冷镦件,该原料可以不经过酸洗前的退火及冷镦后的调质,节省退火时间,提高生产效率。
控制轧制的常见变形模式有:
1)兩段变形模式,包括奥氏体再结晶型及未再结晶型两个阶段的控制轧制。其特点是加热温度更低,以防原始奥氏体晶粒过度形成。首先在奥氏体再结晶温度范围内进行粗轧制,经变形细化过程得到奥氏体晶粒;再在奥氏体未再结晶型的中轧环境,利用950 ℃以下的温度条件来实现60 %~70 % 的累计变形量,至奥氏体向铁素体转变(Ar3)停止轧制。产品中有大量变形奥氏体未再结晶晶粒,经相变生成微细铁素体晶粒。
2)三段变形模式,包括奥氏体再结晶型、未再结晶型和奥氏体与铁素体两相区轧制三个阶段。较两段变形模式,其特点是多了一个阶段的精轧,为Ar3 与Ar1 间的两相区轧制,根据钢材的参数设计终轧时间。产品中有更多的微细铁素体晶粒形成,未再结晶奥氏体晶粒也主要位于变形带上,相变微细铁素体晶粒及亚结构、位错等更多。
2.2控制冷却
在棒线材生产过程中,轧制产品应从热轧的高温降至常温状态,这一环节的温度变化情况和冷却速度决定了产品的内部组织、机械性能和氧化表面。根据钢材的种类,冷却控制对奥氏体在热变形后的状态、相位前组织有影响,还能够更直接地影响到相变机制、析出行为、相变产品组织结构。通过有机地结合轧制控制和冷却控制,以达到最佳效果。
在棒材的控制冷却,连续的小型轧机中最普遍使用的是轧制后热淬火(QTB)和自回火(QTR),通过在轧制后利用自身热能,通过专门安装的穿水冷却箱控制钢的冷却速度。这一技术可用于普通低碳钢板对微合金、低合金钢的替代,而轧制强度、韧性和可焊性较好,在热轧肋筋的生产中被广泛应用。也就是说,在棒材只选用普通低碳钢的条件下,可以使钢筋强度指标达到不同级别。
棒材的控制冷却由三个热处理阶段组成:
1)淬火,将终轧的棒材立即送入包含多个冷却水箱的淬火线进行表面淬火;2)回火,经水冷箱的棒材因穿水急冷而在横断面上有较大温差,经热传导自回火处理后芯部与表面温度更接近;3)自然冷却,在冷床上将棒材回冷至常温状态。
3.结语
控制轧制和冷却控制反映了工艺生产技术控制,可以改善材料、创新材料。材料成型过程也是一个物理冶金过程,为改进和提高技术质量提出了新的路径。为了获得理想的轧制钢材,除了成分的合理设计,还必须注意冶炼过程的各个环节,例如连续的浇注和轧制。对于企业来说,为了提高产品质量、技术发展和研究,工程师必须克服专业限制,扩大知识。全面、系统和相互关联地分析问题,以了解问题的实质。
参考文献:
[1]傅呈勋,高帆.应力波技术在棒线材轧机减速机监测诊断中的应用[J/OL].冶金自动化:1-10[2020-12-16].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2067.TF.20201117.1039.002.html.
[2]陈银库.棒线材控制轧制和控制冷却技术的研究与应用探究[J].硅谷,2013,6(23):30+12.
[3]曹树卫.棒线材控制轧制和控制冷却技术的研究与应用[J].河南冶金,2005(03):23-25+38.
(作者单位:南京钢铁股份有限公司)