控制轧制工艺：优点、缺点及在钢材生产中的应用

1.1 控制轧制工艺

控轧工艺包括将钢坯加热到适当温度、控制轧制时的变形量和变形温度以及按工艺要求对钢材进行轧制后的冷却等。控轧过程通常分为三个阶段，如图1.1[2]所示：（1）变形与奥氏体再结晶同时发生的阶段，即钢坯加热后，粗化的γ相呈现加工硬化状态。这种加工硬化的奥氏体具有促进铁素体相变形、使相变后α晶粒细化的作用；

（2）在（γ+α）两相变形阶段，当轧制温度继续降至Ar3温度以下时，不仅γ晶粒会发生轧制变形，而且相变后的部分α晶粒也会发生轧制变形，从而在α晶粒内部形成亚晶粒，促进了α晶粒的进一步细化。

1.2 控轧工艺的优缺点

控制轧制的优点如下：

1、在提高钢的强度的同时，还能提高钢的低温韧性。

16Mn钢中板采用普通热轧生产工艺轧制，以18mm厚中板为例，其屈服强度σs≤330MPa，-40℃时冲击韧性Ak≤431J，断口形态95%为纤维状断口。当钢中添加微量铌时，仍采用普通热轧工艺生产时，采用控轧工艺生产时，-40℃时Ak值会降低到78J以下，但采用控轧工艺生产时，-40℃时Ak值可达728J以上。通常热轧工艺生产的低碳钢α晶粒仅达到7~8级，采用控轧工艺生产的低碳钢α晶粒可达12级以上（按ASTM标准）。控轧工艺最大的优点是通过细化晶粒，同时提高强度和低温韧性。

2、能充分发挥铌、钒、钛等微量元素的作用。

在普通热轧生产中，钢中添加铌或钒主要起沉淀强化作用，结果热轧钢材强度提高，韧性降低，因此很多钢材都要经过正火处理后交货。采用控制轧制时，铌会产生明显的细化晶粒的作用和一定的沉淀强化作用，大大提高轧制钢材的强度和韧性，铌的含量只要万分之几就很有效。钢中加入钒有一定的沉淀强化作用，细化晶粒作用较弱，因此它提高了钢材的强度，并不降低韧性。钢中加入钛虽然在加热过程中有细化原γ晶粒的作用，但在普通轧制条件下，钢中的钛不能在轧制变形过程中起到细化γ晶粒的作用，达不到同时提高钢材强度和韧性的效果。 采用控轧工艺生产含钛钢时，钢中的Ti(C、N)可起到沉淀强化和细化晶粒的双重作用。例如有文献报道，采用控轧工艺生产的含钛钢强度的75%来自沉淀强化，25%来自晶粒细化。由于适度的细化晶粒作用，使钢的低温韧性得到提高。

控轧工艺的缺点：要求较低的轧制变形温度和一定的道次压下率，从而增大了轧制负荷。另外，由于要求较低的终轧温度，大尺寸产品在轧制道次间需要等待温度，降低了轧机的生产率。为此，世界各国纷纷开始对轧机进行技术改造，采用大负荷轧机，安装抬辊，在道次间进行中间冷却等措施，以减少轧制等待时间，提高轧机的生产效率。

1.3 控制冷却的工艺特点

控制冷却的优点：

1、节约能源，降低生产成本。利用钢材轧制后的余热，给予一定的冷却速度，控制其相变过程，可取代轧后的正火处理和调质处理，节省二次加热的能耗，减少工序，缩短生产周期，从而降低成本。

2、可降低奥氏体转变温度，细化室温组织。轧后控制冷却可降低奥氏体转变温度。对于同一晶粒级别的奥氏体，低温相变会明显细化α晶粒，明显细化珠光体层间距。例如，终轧温度为800℃的16Mn钢，当轧后冷却温度由0.5℃/s提高到9.5℃/s时，α晶粒平均直径由12μm细化为7.5μm，σs由360Pa提高到420Pa。

3、可降低钢的碳当量。采用轧后控制冷却工艺，可减少钢中的碳含量和合金元素添加量，从而达到降低碳当量的效果。低碳当量对焊接性能、低温韧性和冷成型性能均有利。这是各国追求的工业用钢规模化生产最经济的工艺路线。

4、道次间控制冷却可减少候轧时间，提高轧机小时产量。道次间控制冷却可精确控制终轧温度，减少轧件停车等待冷却的时间。控轧时，为保证在奥氏体未再结晶区轧制，一般采用候轧温轧工艺。候轧温轧延长了轧制节奏，降低了产量。为减少对产量的影响，采用多根坯料循环交叉轧制的方法。虽然已作出一些补救措施，但需要建设离线旁路辊和转运设备，增加了场地和设备。采用道次间控制冷却，在保证均匀冷却的条件下，可取消候轧温轧和循环轧制。从而提高产量。例如，在生产3.0mm厚、1000mm宽的热轧卷时，启动连轧机架间冷却装置，可使轧机小时产量由550t提高到720t。

1.4 轧制及冷却工艺参数控制特点

与普通轧制工艺相比，控轧控冷工艺参数控制具有以下特点：

1、控制钢坯加热温度。钢坯加热温度根据对钢的性能要求而确定，对于要求强度较高，韧性稍低的微合金钢，加热温度可高于1200℃；对于以韧性为主要性能指标的钢，加热温度必须控制在1150℃以下。

2、控制最后几道轧制道次的轧制温度。一般要求最后一道轧制道次的轧制温度接近Ar3温度，有时也把最后一道轧制温度控制在（γ+α）两相区。

3、要求在奥氏体未再结晶区给予足够的变形，对于微合金钢，要求900~950℃以下总变形量大于50%，对于普通碳钢，通常要积累多次变形才能达到奥氏体再结晶。

4、钢材轧后冷却速度、开始快冷温度、结束快冷温度或卷取温度，都是为获得必要的组织而要求的。通常，轧后第一冷却阶段的冷却速度应较大，第二阶段的冷却速度应根据钢材的不同性能要求而有所不同。

提高轧制控冷钢强度和韧性的各种因素总结如表1-1所示

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