控軋控冷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

摘 要：文介紹了控軋控冷工藝的發(fā)展歷史、工藝原理以及控軋控冷技術(shù)的應(yīng)用，熱軋和控軋控冷之間的關(guān)系，說明了采用控軋本控冷技術(shù)是生產(chǎn)高性能鋼材的必然趨勢。

關(guān)鍵詞：控軋控冷；棒線材；奧氏體晶

鋼材的控軋控冷工藝主要是用于生產(chǎn)板材的技術(shù)。該技術(shù)的核心是在軋制過程中通過控制加熱溫度、軋制過程、冷卻條件等工藝參數(shù)，改善鋼材的強度、韌性、焊接性能。該項技術(shù)問世20年來，經(jīng)過不斷地完善和鞏固，已經(jīng)逐步擴展到海洋結(jié)構(gòu)用鋼、管線、型材等各個領(lǐng)域。

一、控軋控冷技術(shù)的發(fā)展

控制軋制（C-R）和控制冷卻（C-C）技術(shù)的研究始于1890年至二次世界大戰(zhàn)期間的德國，當(dāng)時科研人員對鋼鐵制品的熱加工條件、材質(zhì)及顯微金相組織之間的關(guān)系進行了非系統(tǒng)的零散研究，只是定性地揭示了熱加工條件和材質(zhì)間的關(guān)系。到了20世紀(jì)60年代初期，在美國科研人員定性地解釋了熱軋后的鋼材繼續(xù)發(fā)生奧氏體再結(jié)晶的動力學(xué)變化后，這才從理論上某種程度地解釋了控制軋制技術(shù)。到了20世紀(jì)60年代末期，科研人員通過試驗發(fā)現(xiàn)，添加微量元素鈮（Nb）對提高單純軋制鋼材的強度有效。隨后進一步的研究表明，造成鈮系鋼材高強度的原因，是由于微細(xì)鈮碳氮化合物的鐵素體析出相強化造成的。同期英國鋼鐵研究機構(gòu)（BritishIronandSteelresearchassocition）對軋制鋼材的顯微結(jié)構(gòu)和機械性能的定量關(guān)系、鈮、釩（V）的強化機理，控制軋制原理等進行研究，證實了依靠物理冶金基礎(chǔ)，進行合理的合金成分的設(shè)計和軋制條件的設(shè)定，便能達到所期望的鋼材目標(biāo)性能值和顯微組織。到了20世紀(jì)70年代，對鋼材強度、低溫韌性、焊接性能要求更高了，而此時僅僅依靠傳統(tǒng)的控制軋制技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。于是在奧氏體控制軋制的基礎(chǔ)上，還需要控制冷卻速度來控制相變本身，于是開始了真正意義的控軋控冷技術(shù)的應(yīng)用。

二、控軋控冷技術(shù)的基本原理

控軋控冷技術(shù)的基本原理就是控制熱軋條件，經(jīng)過相變過程在奧氏體（γ）的基體上，形成高密度的鐵素體（α）晶核，從而在相變后，達到細(xì)化鋼材的組織結(jié)構(gòu)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)鐵素體的形核位置通常是在奧氏體的相界面、由熱變形和變形帶造成的退火孿晶的內(nèi)界面。而控制奧氏體相結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵因素是相變溫度

，在普通的熱軋中，由于不涉及任何形式的控制軋制，基本是根據(jù)產(chǎn)品斷面的形狀進行軋制，精軋后的溫度通常在1050～900℃之間，則生產(chǎn)的鋼材奧氏體晶粒尺寸粗大。所以在生產(chǎn)普通的C-Mn鋼過程中，通過控制軋制溫度，把精軋道次安排在950～800℃范圍內(nèi)，經(jīng)過大量的研究表明在該溫度范圍內(nèi)軋制，鋼材奧氏體相晶粒發(fā)生再結(jié)晶，再結(jié)晶后的奧氏體相轉(zhuǎn)變生成鐵素體，則達到細(xì)化晶粒的目的。通過進一步研究表明，細(xì)化奧氏體晶粒的方法是把軋制盡量安排在奧氏體的非再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，但是，在這一范圍內(nèi)，由于奧氏體的再結(jié)晶點和Ar3溫度點接近，范圍較窄，所以，在生產(chǎn)中并沒有取得多大的效果。而通過添加合金元素鈮（Nb），能夠升高再結(jié)晶點100℃，同時又發(fā)現(xiàn)鐵素體生核點不是在奧氏體的相界面上，而是在由于再結(jié)晶點上升而造成的非再結(jié)晶區(qū)溫度范圍內(nèi)縮減所造成的孿晶晶界和變形帶上，這些界面作為鐵素體相成核場所的內(nèi)界面。因此，在鈮鋼的精軋中，對產(chǎn)品進行金相分析顯示軋制產(chǎn)品中存在結(jié)晶區(qū)有相當(dāng)部分的奧氏體晶粒被細(xì)化。而在950～900℃進行軋制，則沒有再結(jié)晶的發(fā)生。

三、控軋控冷技術(shù)的應(yīng)用

（一）棒線材超快速冷卻的應(yīng)用

實現(xiàn)超快速冷卻的關(guān)鍵工藝設(shè)備是超快速冷卻水冷器。水冷器由多節(jié)冷卻管組成，總長度一般不大于20m，當(dāng)軋制速度小于20m/s時，水冷器總長度小于13m。每節(jié)冷卻管在軋件入口端由環(huán)狀縫隙噴射一定壓力的冷卻水，冷卻水與軋件同向運動，但是速度高于軋件，冷卻水在軋件的出口端流出。由于采用環(huán)狀縫隙冷卻，軋件冷卻均勻，可以徹底消除現(xiàn)有的余熱淬火水冷器存在的大規(guī)格產(chǎn)品上冷床后彎曲、小規(guī)格“堵鋼”的問題；在大生產(chǎn)條件下可以徹底解決小于10mm 熱軋直條鋼筋4切分軋制的“堵鋼”問題。應(yīng)保證所使用的每一節(jié)冷卻管的水量充足，即不用的水管要求關(guān)閉冷卻水，盡管冷卻時間短，水冷器還是具有前段強冷和后段強冷的區(qū)別，根據(jù)軋件的不同規(guī)格和成分的區(qū)別，通過調(diào)節(jié)可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的屈強比。國內(nèi)現(xiàn)有的余熱淬火水冷器需要進行改造，才可以提高冷卻效率，實現(xiàn)控軋控冷后超快速冷卻。該工藝的使用可以做到不改造主要設(shè)備，不需降低作業(yè)率，不需低溫軋制，不需余熱淬火。由于強化了冷卻效果，可以提高冷床的冷卻效率，從而提高產(chǎn)量。

（二）H型鋼超快速冷卻的應(yīng)用

由于常規(guī)控制冷卻系統(tǒng)的冷卻能力不足，需要較大的建設(shè)長度，同時翼緣和腹板冷卻條件不同，會造成不同部分極大的溫差，所以我國H型鋼軋機的控制冷卻一直是空白，這在一定程度上限制了H型鋼軋機的技術(shù)進步和高附加值減量化產(chǎn)品的開發(fā)。發(fā)揮超快速冷卻技術(shù)的優(yōu)勢，對翼緣和腹板等不同部位的冷卻裝置進行精細(xì)化設(shè)計，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的H 型鋼超快速冷卻系統(tǒng)。

四、傳統(tǒng)的熱軋和控軋控冷之間的關(guān)系

傳統(tǒng)意義上的熱軋產(chǎn)品鐵素體相晶核大量在奧氏體晶界上產(chǎn)生，而控軋控冷軋制后產(chǎn)品的鐵素體相晶核既可以在晶粒內(nèi)部成核，也可以在晶界上成核，這就導(dǎo)致了兩者在鐵素體晶粒最后結(jié)構(gòu)上的不同。事實上，可以把變形帶當(dāng)成奧氏體相的晶界，也就是鐵素體相的潛在的成核地，這就意味著一個變形帶將一個奧氏體晶粒網(wǎng)分成幾個塊。由于未再結(jié)晶奧氏體晶粒含有變形帶，促進奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)化，所以控軋工藝可以在中等淬透性鋼中產(chǎn)生細(xì)小的鐵素體相，而沒有采取控軋則轉(zhuǎn)化成貝氏體（β），韌性很差。由上面的分析，從變形奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體產(chǎn)生的鐵素體晶粒要比從再結(jié)晶無應(yīng)力的奧氏體轉(zhuǎn)變鐵素體的晶粒要細(xì)。因此，制造變形態(tài)奧氏體這一步在細(xì)化晶粒方面是非常重要的，它可以通過抑制或延緩變形后的再結(jié)晶來實現(xiàn)。

五、結(jié)語

控制軋制和控制冷卻始終與微合金化緊密聯(lián)系在一起，因為Nb等微合金元素的加入，可以顯著提高鋼材的再結(jié)晶溫度，使材料很大一部分熱加工區(qū)間位于未再結(jié)晶區(qū)，從而大大強化了奧氏體的硬化狀態(tài)。