第四节 控制轧制和控制冷却-ppt

这是一篇关于第四节 控制轧制和控制冷却-ppt的思维导图，主要内容包括：二、控制冷却，一 、控制轧制。控制轧制CR(Controlled Rolling) 是在调整钢的化学成分的 基础上，通过控制加热温度、轧制温度、变形制度等工艺参数， 控制奥氏体状态和相变产物的组织状态，从而达到控制钢材组织性能的轧制方式。

第四节 控制轧制和控制冷却-ppt

• 一 、控制轧制
  • 1. 什么是控制轧制?
    • 控制轧制CR(Controlled Rolling) 是在调整钢的化学成分的 基础上，通过控制加热温度、轧制温度、变形制度等工艺参数， 控制奥氏体状态和相变产物的组织状态，从而达到控制钢材组织性能的轧制方式。控制轧制也可以更广泛地理解为对从轧前的加 热到最终轧制道次结束为止的整个轧制过程进行最佳控制，以使 钢材获得预期良好的性能。
  • 2. 控制轧制的任务是什么?
    • 控制轧制的任务是通过对加热温度、轧制过程中各个道次的 轧制温度、压下量等轧制参数的控制与优化来进行奥氏体状态的 控制，为后面冷却过程中得到细小的相变组织积累条件。控制轧 制的要点是奥氏体状态的控制，主要包括奥氏体晶粒尺寸的大 小、内含能量的高低、内部缺陷的多少等。
  • 3. 控制轧制的主要特征是什么?
    • (1)变形带的形成是控制轧制的基本特征之一。在常规的 热轧中，α晶粒仅聚集在γ晶界，而在控制轧制中，α晶粒既聚 集在晶粒内也在晶界上形核。
    • (2)控制轧制的第二个重要特征是在两相区变形过程中亚 结构的形成。亚结构尺寸越小，它的强化效果越强。
    • (3)控制轧制的另一个特征是铁素体晶体织构的形成。
  • 4. 控制轧制的优点是什么?
    • 控制轧制和一般热轧工艺相比，优点有：
    • (1)通过控制轧制细化晶粒，使钢材的强度和低温韧性有 较大幅度的提高。
    • (2)控制轧制工艺为防止原始奥氏体晶粒长大而降低了坯 料的加热温度，并通过控制冷却替代(或部分替代)了轧后的 调质处理，这样既可以节省能源，又简化了生产工艺。
    • (3)可以充分发挥微量合金元素V、Nb 和 Ti的作用，不仅 起到沉淀强化的作用，而且细化了晶粒，同时使轧后钢材的韧性 得到了改善。
  • 5. 控制轧制的分类方法是什么?
    • 控制轧制是控制热轧时的温度、压下量等条件使其最佳化， 人为地调整奥氏体相变状态的一种技术。控制轧制可以分为以下 三个类型：奥氏体再结晶区控制轧制(又称为I 型控制轧制或 称一阶段控轧)、奥氏体未再结晶区控制轧制(又称为Ⅱ型控制 轧制或称二阶段控轧)和(γ+α)两相区控制轧制(或称三阶 段控轧)。应用广泛和典型的控制轧制是Ⅱ型控制轧制，其一般 工艺参数为：板坯出炉温度控制在1050～1150℃之间，高温段 (奥氏体再结晶区)的累计压下率占总压下量的60%～80%。
  • 6. 什么是临界变形量?
    • 在一定温度下，不论发生动态还是静态再结晶，都有一个临界变形量的要求。静态再结晶进行所必需的临界变形量与温度有 关，温度越低，所需要的变形量就越大。临界变形量还受初期晶 粒度的影响，初期晶粒度越细，所需要的变形量就越小，再结晶 后的晶粒也越细。变形量越大，再结晶后的晶粒越细。
  • 7. 什么是奥氏体再结晶区控轧(I 型控制轧制),再结晶型控 制轧制的变形特点是什么?
    • 奥氏体再结晶区控轧是指轧制温度在奥氏体再结晶温度 (TR) 之上(大约950℃)的轧制。通过再结晶控制使奥氏体晶 粒细化，导致最终组织细化。
    • 再结晶型控制轧制的变形特点是：钢在变形的同时发生动态 回复和不完全动态再结晶，在轧制后或两道次之间发生静态回复 和静态再结晶。随着变形和再结晶的交替进行，钢的温度不断下 降，奥氏体晶粒逐步细化，奥氏体晶界面积增大，为奥氏体向铁 素体相变形核提供更多的位置。相变后铁素体晶粒细化，铁素体 晶粒度可达8～9级。为了达到完全再结晶，应保证轧制温度在 再结晶温度以上，而且要有足够的变形量。
  • 8. 在奥氏体再结晶区控轧( I 型控制轧制)时的原则是什么?
    • 控制轧制粗轧过程一般通过奥氏体不断再结晶细化晶粒，在 此阶段，道次变形量必须大于再结晶临界变形量，以确保发生完 全再结晶，防止出现异常粗大的奥氏体晶粒。与普碳钢相比，含 Nb钢的临界变形量与初始奥氏体晶粒大小和变形温度有更大的 相关性。
    • (1)要尽量减少道次间停留时间，要连续轧制，不要间歇， 尤其在γ区的高温侧(动态再结晶区),使道次间的再结晶晶粒 来不及长大。
    • (2)道次变形量应大于临界变形量，使全部晶粒能进行再 结晶。总之，I 型控制轧制时每道次的变形量应尽可能大于临界 变形量。这样就能使奥氏体晶粒逐道细化，最后得到充分细小的 奥氏体晶粒。
  • 9. 什么是奥氏体未再结晶区控轧(Ⅱ型控制轧制)?
    • 未再结晶型控制轧制是在奥氏体区的温度下限范围内进行轧制，不发生再结晶的温度范围一般在Ar₃~950℃区间，其温度的 变化取决于钢的化学成分和变形量的大小。在形变奥氏体内产生 的大量晶体学缺陷提供了铁素体相变的形核地点，导致铁素体晶粒细化。
    • 未再结晶型控制轧制的变形特点是：轧后变形的奥氏体不发 生再结晶，奥氏体晶粒被压扁和拉长，形成了位错、变形带和胞 状组织等形式的应变积累奥氏体。应变积累不仅可以增加铁素体 形核位置和形核率，而且可以产生形变诱导铁素体和铁素体的动 态再结晶，使晶粒细化。由于形核位置增多和分散，所以铁素体 晶粒细小，也使珠光体细小和分散，铁素体晶粒度可达11～12 级。但是如果在未再结晶区变形量不足，就会得到粗细不均的铁 素体晶粒。对于含铌、钒、钛的钢，在未结晶区的变形量应控制 在40%～50%或更大。同时含有这些微量合金元素的钢，由于 再结晶温度升高，奥氏体未再结晶区扩大，因而有利于实现未再 结晶区的轧制。
  • 10. 对含铌、钒、钛的钢在未结晶区变形量应在多少为宜?
    • 对于含铌、钒、钛的钢，不同轧制道次和不同道次变形量对 奥氏体晶粒具有变形带的晶粒比例和晶界密度有明显影响。随着 道次数减少，道次变形量加大，具有变形带的晶粒比例增大，晶 界密度也增大。这有利于形成细小分散的铁素体组织。将在未结再晶区的变形量控制在40%～50%或更大时，由于钢中含有这些 微量合金元素，会使再结晶温度升高，奥氏体未再结晶区扩大， 因而有利于实现未再结晶区的轧制。
  • 11. 控制轧制的技术要点是什么?
    • 控制轧制是一项人为地使奥氏体中尽可能多地形成铁素体相变核的晶格异质 (Heterogeneity), 并有效地将铁素体晶粒细化 的技术。控制轧制的技术要点具体归纳为：
    • (1)尽可能降低加热温度，即将开始轧制前的奥氏体晶粒 微细化。
    • (2)使中间温度区(例如900℃以上)的轧制道次程序 (道次压下量)最佳化，通过反复再结晶使奥氏体晶粒微细化。
    • (3)加大奥氏体未再结晶区的累计压下量，增加奥氏体每 单位体积的晶粒面积和变形带面积。
    • 从机理上考虑，关于铁素体晶粒的微细化，上述(1)、 (2)、(3)的效果可以认为是叠加的。
  • 12. 奥氏体晶粒大小和变形量对铁素体晶粒细化有什么影响?
    • 奥氏体晶粒大小和变形量对铁素体晶粒细化有很大影响。在 γ→ α相变温度区冷却时，奥氏体中铁素体相的形核率越大，则 铁素体晶粒细化程度越大。铁素体形核率与相变时奥氏体晶界面 积和形变带的数量有关。在低于再结晶温度区域轧制时变形程度越高，奥氏体晶界面积和形变带数量越高。
  • 13. 什么是两相区控轧 (或Ⅲ型控制轧制)?
    • 两相区轧制是指在Ar₃ 温度以下的(γ+α)两相区轧制。 轧制时，未相变的γ晶粒更加伸长，在晶内形成更多的变形带。 另外，已相变后α晶粒受到压下时，于晶粒内部形成亚结构。 在轧后的冷却过程中，前两者发生相变形成微细的多边形铁素体 晶粒，而后者则因回复变成内部含有亚晶粒的α晶粒。因此， 两相区控轧钢材的组织为大倾斜角晶粒和亚晶粒的混合组织。
    • 在两相区轧制的钢板强度和韧性变化取决于轧制温度和压下 量相互影响的结果。在两相区的高温区进行轧制，韧性比在单相 奥氏体区轧制时好，达到最佳。但是随着两相区终轧温度的降低，钢的韧性恶化。
  • 14. 什么是亚动态再结晶?
    • 热变形过程中已经形成，但尚未长大的动态再结晶晶核，当 变形停止，且变形温度足够高时，这些晶核不需要孕育期而继续 长大，此过程称为亚动态再结晶。
    • 亚动态再结晶的驱动力是形变奥氏体晶粒内不均匀的位错 密度。
  • 15. 再结晶行为对组织性能的影响是什么?
    • (1)热变形后的再结晶行为因变形量和轧制温度的变化可 分为再结晶区、部分再结晶区和回复区等三个区域。
    • (2)采用再结晶区轧制时，整个体积发生再结晶，形成均 匀的细晶粒组织。
    • (3)在部分再结晶区轧制时，形成部分再结晶和未再结晶 的混合组织。
    • (4)在回复区域轧制时，多数晶粒产生回复，部分晶粒生 成粗大晶粒。
  • 16. 控制轧制工艺主要取决于什么?
    • 
    • 控制轧制的操作如图5-1所示，关键在于轧制是在比通常轧制温度低的范围内进行。对低温韧性要求高时，须将加热温度降低到正火温度。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。
  • 17. 什么是层状撕裂，影响层状撕裂的因素有哪些?
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    • 层状撕裂是一种发生在热影响区或平行于板表面的热影响区 附近的阶梯状裂纹，它最容易沿着脆化区和拉长的硫化锰等区域 发生。当钢发生分层的敏感性很大时，很可能发生层状撕裂。
    • Z方向断面收缩率/%
  • 18. .TMCP艺是什么?
    • 将控制轧制和控制冷却技术结合起来，能够进一步提高钢材 的强韧性和获得合理的综合性能，并能够降低合金元素含量和碳 含量，节约贵重的合金元素，降低生产成本，这种生产方式称为 TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)。采 用 TMCP 工艺， 产品组织结构为细晶铁素体或铁素体+贝氏体组织，与普通生产 工艺相比，通过控轧控冷生产工艺可以使钢板的抗拉强度和屈服 强度平均提高约40～60MPa, 在低温韧性、焊接性能、节能、降 低碳当量、节省合金元素以及冷却均匀性、保持良好板形方面都 有无可比拟的优越性。采用TMCP 技术生产的钢板约占30%~50%,生产的钢板厚度最大已达120mm, 日本、美国、欧洲等 广泛采用控轧与控冷生产工艺生产各种高强结构板、船用钢板、 压力容器钢板、管线用钢板等。
    • 具有代表性的TMCP 轧制工艺如图5-3所示，可分为四个阶 段，即奥氏体再结晶区轧制、未再结晶区轧制、两相区轧制及轧 后快速冷却。
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  • 19. TMCP 工艺参数的控制原则是什么?
    • (1)加热温度的控制：当钢材加热温度超过1000℃以后， 随加热温度的升高奥氏体晶粒呈显著增大趋势。因此，对普碳钢 加热温度宜控制在1050℃或更低些；对含铌或含钛的微合金化 钢，考虑到合金元素的充分固溶，可将加热温度控制在1150℃ 左右。
    • (2)轧制温度的控制：轧制温度控制主要是强调对终轧温 度的控制，终轧温度越高，奥氏体晶粒越粗大，相变后易出现魏氏组织，一般要求最后几道次的轧制温度要低，终轧温度尽可能 地接近奥氏体开始转变的温度，对低碳结构钢约为830℃或更低 些，对含铌钢可控制在730℃左右。
    • (3)变形量的控制：通常要求在低温区保证足够的变形量， 在再结晶区轧制时，要求道次变形必须大于临界变形量，并采用 不间隔的连续轧制。由于普碳钢的未再结晶区间很窄，为实现完 全再结晶、避免混晶组织出现，必须充分重视道次变形量的设 定，而含铌钢在720～950℃的较宽温度区间内应变均可以累积， 因此更重视总变形量的设定。
    • (4)冷却速度的控制：
      • 1)“水是钢的最有效合金化添加剂”高度概括了加速冷却在钢材生产中的作用；
      • 2)加速冷却可提高相变驱动力、降低Ar₃ 温度、使铁素体 细化；
      • 3)促使强韧的低碳贝氏体形成并呈小岛状弥散分布，提高 钢材强度；
      • 4)铁素体细化的同时，珠光体也得到细化，珠光体片层间 距减小，带状组织基本消失；
      • 5)在不降低强度的前提下，可减少钢中碳当量，有利于改 善焊接性能。
    • (5)冷却制度的控制：冷却制度的控制主要包括冷却开始 温度、冷却速度和冷却终了温度的合理控制：
      • 1)当奥氏体的有效晶界面积较小，即终轧温度较高，奥氏 体晶粒比较粗大时，冷却速度过快，会使钢中的贝氏体含量显著 增大，虽然强度指标会明显提高，但塑、韧性会相对降低。因此，应针对具体钢种和具体的力学性能要求将冷却速度控制在合理的范围内。
      • 2)对微合金化热轧钢板的冷却终了温度或卷取温度的控制，应结合具体钢种，在充分把握不同终冷温度下，沉淀相的数量、大小和分布状态对相关力学性能的影响规律后，精确控制终冷温度。
  • 20. TMCP 技术的要点是什么?
    • (1)尽可能降低加热温度，即将开始轧制前奥氏体晶粒微 细化。
    • (2)使中间温度区的轧制道次最优化，通过反复轧制、反 复再结晶使奥氏体晶粒微细化。
    • (3)加大奥氏体未再结晶区的压下量积累，增加奥氏体单 位体积内的晶界面积和形变带面积。
    • (4)通过冷却路径的控制，对奥氏体相变条件进行控制， 从而达到需要的组织性能，同时要保持钢板各个冷却部位的均匀 性和板形良好。
  • 21. 控轧工艺参数与钢材的组织性能的关系是什么?
    • 对于低碳钢、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，通过奥氏体向铁素体 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。为了达到 上述目的，需对控制过程中的工艺参数进行有效的控制，其中主 要是再加热温度、变形量和变形温度的控制。控轧过程中这些参 数的作用机制如图5-4所示。
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  • 22. 坯料的加热工艺对钢材性能有什么影响?
    • 铸坯在加热炉内的加热制度对钢板最终力学性能有很大的影 响。铸坯低温加热工艺已经成为目前控轧的必要技术之一。当钢 材加热温度超过1000℃以后，随着加热温度的升高，奥氏体晶 粒呈显著增大趋势。因此，对于普碳钢加热温度宜控制在 1050℃或更低些；对于含铌或含钛的微合金化钢，考虑到合金元 素的充分固溶，可将加热温度控制在1150℃左右。低温加热可 以使钢坯在具有较细化的奥氏体晶粒的温度下进行热变形，从而使起始晶粒尺寸减小，并降低粗轧过程中的轧制温度。这两种因 素都会提高粗轧最后阶段的再结晶晶粒的细化程度和均匀性，因 而可以显著提高中厚钢板的低温韧性和强度水平。同时，降低板 坯加热温度，还可缩短轧制过程中的待温时间，有效提高轧机生 产能力。
  • 23. TMCP工艺的优点有哪些?
    • 目前，钢的控轧控冷工艺，即TMCP工艺，作为提高钢材强 韧综合性能的重要手段，越来越被广泛地应用于各种类型的轧钢 工业生产中。它之所以被国内外许多轧钢厂所采用，是因为它具 有如下优点：
    • (1)代替常化、节约能源、能直接生产综合性能优良的许 多专用板，如造船、容器、锅炉、桥梁用板和汽车大梁板等，降 低生产成本；
    • (2)有效改善一般热轧钢板的强度和韧性，充分挖掘普通 钢种的性能潜力；
    • (3)与正火的同等强度级别钢相比，能降低钢的合金含量， 并且可以降低碳当量，提高焊接性能；
    • (4)可以简化传统的生产工序，减少人力、物力的消耗， 降低生产成本，提高产品竞争力；
    • (5)在保持同等性能的前提下，可以适当地提高钢板的终轧 温度，或者采用轧制道次和机架之间的冷却工序来加快中间坯冷 却，以减少待温时间，提高生产效率，在控轧的基础上提高产量。
  • 24. 控制轧制对道次变形量和终轧温度的要求是什么?
    • 在再结晶区控轧，道次变形量必须大于再结晶临界变形量的上限，以确保发生完全再结晶；在未再结晶区控轧，加大结晶临界变形量的上限，以确保发生完全再结晶。
    • 在未再结晶区控轧，加大道次变形量，可增加奥氏体晶粒中 变形带和位错密度，增大有效晶界面积，为铁素体相变形核创造 条件。含Nb钢在未再结晶区总压下率为55%时，不同轧制道次 数和不同道次变形量对奥氏体晶粒具有变形带的晶粒比例和晶界 密度有较明显影响。随道次数减少，道次变形量加大，具有变形 带的晶粒比例增大，晶界密度也增大，这有利于形成细小分散的 铁素体组织。
    • 在两相区控轧时，在压下量较小阶段增大变形量，钢的强度 提高很快，当变形量大于30%时，再加大压下量，强度提高平 稳(强度提高较为平缓),韧性得到明显改善(但韧性的改善较 为显著)。
    • 一般经验表明，在奥氏体再结晶区每道次10%的变形量、 总变形量为60%;在非再结晶区大于45%～50%的总变形量有利于晶粒细化。在两相区10%的变形量可提高强度，而且形成 弱的(100)织构，分离现象不明显。总之，大的变形量和低的 终轧温度都是必不可少的(改善钢材力学性能的必要条件)。
  • 25. 终轧温度过高及冷却速度过快会产生什么有害组织?
    • 终轧温度过高 (Ar₃ 以上),其奥氏体晶粒粗大，在快速冷 却时，就容易产生粗大晶粒、带状组织和混晶组织，严重降低钢板的延伸性能。冷却速度过快，容易产生魏氏组织或表面马氏 体、伪珠光体等急冷组织，加工性能变坏。
  • 26. 控制轧制对轧机有哪些技术要求?
    • (1)轧机要具有高的强度和刚度，通常轧制力不小于沿辊 长20kN/mm, 单辊轧制力矩不小于300N·m, 单电机功率不小于1kW。
    • (2)具有待温时能使轧件在轧机前或轧机后辊道、旁侧辊 道进行游动降温的功能，或者对轧件进行其他方式降温的设备。
    • (3)有足够的轧后输出辊道和轧后加速冷却系统 (ACC、 DC+ACC)。
    • (4)具有在轧机前、后实时对轧件进行温度、宽度、厚度 和轧机轧制压力、轧制力矩测量的仪表。
• 二、控制冷却
  • 1. 什么是控制冷却?
    • 控制冷却 (Control Cooling) 通常是指加速冷却 (Acceler- ated Cooling) 或间断加速冷却(Interrupted Accelerated Cooling), 它是控制轧制技术的发展和完善。通过控制轧制之后的控制冷 却，可以对冷却过程的相变进行控制，实现相变强化、细晶强化 以及沉淀强化等多种强化方式的有效结合，可以在降低合金元素 含量或碳含量的条件下，进一步提高钢材的强度而不牺牲韧性。
  • 2. 加速冷却工艺的应用条件是什么?
    • 加速冷却工艺应是在控制轧制后从高于相变温度Ar₃、尽量 接近终轧温度时开始加速冷却，在相变温度区域(760～780℃ 至600～500℃)以3～15℃/ s 的冷速冷却，之后进行空冷。最 终获得提高强度、焊接性，保持韧性的优质钢板。实验证明，钢 板强度随冷却终止温度降低而提高。终冷温度在500～600℃,强度变化较小；在450℃以上钢的韧性变化不大，与控轧基本相 同，而在450℃以下则韧性急剧恶化。以海上平台用含铌微合金 钢为例，经从800℃强冷到550℃(冷却速度15℃/s), 比一般 控温轧制的钢板的屈服强度可提高50MPa, 与正火处理的相比， 约可提高150MPa。
  • 3. 控制冷却的任务是什么?
    • 控制冷却的任务是：对开始冷却温度、终了冷却温度、冷却 速度、冷却模式等冷却参数的控制与优化，对钢的相变过程进行 控制，从而获得最终需要的组织，如铁素体、珠光体、贝氏体、 马氏体或其他两相及多相组织。其控制的关键点是对奥氏体相变 条件的控制(开始温度、冷却速率、终了温度等)及如何保持 钢板各个部位的均匀冷却。
  • 4. 控制冷却是通过轧后哪三个阶段的工艺参数得到不同的组织的?
    • 控制冷却过程是通过控制轧制后三个不同冷却阶段的工艺参 数来得到不同的相变组织，这三个阶段分别称为一次冷却、二次 冷却和三次冷却。
    • 一次冷却是指从终轧温度到Ar₃ 温度范围内的冷却，其 目的是控制热形变后的奥氏体晶粒状态，阻止奥氏体晶粒长 大和碳化物析出，固定由于形变引起的位错，增大过冷度， 降低相变温度，为γ→ α相变做准备。一次冷却的起始温度 越接近终轧温度，细化奥氏体晶粒和增大有效晶界面积的效 果越明显。
    • 二次冷却是指钢材经一次冷却后进入由奥氏体向铁素体相 变和碳化物析出的相变阶段，控制相变开始冷却温度、冷却速 度和终止温度等，通过控制这些参数，达到控制相变产物的 目的。
    • 三次冷却或空冷是指对相变结束到室温这一温度区间的冷却参数的控制。
  • 5. 钢材进行控制冷却对冷却系统有什么要求?
    • (1)具有由低到高的宽范围冷却调节能力，调节响应速 度快；
    • (2)具有对冷却温度高精度控制的手段，保证各规格、各 品种钢板的冷却温度控制要求；
    • (3)具有对冷却钢板厚度、宽度、长度冷却均匀性的保证 措施；
    • (4)冷却效率高，能满足一定规格钢板的小水量也能达到 冷却目标温度的要求；
    • (5)系统可靠性高，能满足多批量、调节频繁的冷却要求， 或同一规格钢板长时间、大批量冷却温度稳定的要求；
    • (6)冷却系统的内外装置易于清理、维护和检修；
    • (7)具有加速冷却、直接淬火等控制冷却功能。
  • 6. 中厚板轧机在线加速冷却控制方式有几种?
    • 目前轧后加速冷却已成为一种成熟的处理工艺，主要控制冷 却的方式有层流冷却、雾化冷却、水幕冷却、直接淬火冷却等。 如日本住友开发的DAC技术；日本NKK开发的OLAC技术；日 本神户制钢开发的CONTCO0L技术；法国BERTIN和Cie 公司开 发的ADCO技术等。
  • 7. 控制冷却的强韧化机理是什么?
    • 控制冷却对控轧后的钢板进行水冷，降低相变温度，进一步 细化铁素体及珠光体组织，同时使 Nb 、Ti 、V微合金元素的碳 氮化合物更加弥散析出，进一步提高析出强化效应，可以明显提 高强度，并保持韧性不变。当冷却速度达到一定值时，轧后加速 冷却得到的相变组织从铁素体和珠光体组织变成更细小的铁素体 和贝氏体组织，贝氏体量随着冷却速度加快而增加，且生成的贝 氏体组织极细，从而使钢板强度进一步提高。同样的压下率，微细的贝氏体强度至少可以提高60～70MPa。
    • 体现钢韧性指标的脆性转变温度受多种因素影响。晶粒细化 使脆性转变温度降低，而析出强化效应增强；珠光体和贝氏体的 体积分量增加，使脆性转变温度升高。加速冷却后最终脆性转变 温度是降低还是升高，取决于上述两方面因素的综合作用结果。 只要选取合理的加速冷却工艺，就能在提高钢的强度的同时，维 持高的韧性指标。
  • 8. 加速冷却的优点是什么?
    • (1)由于采用加速冷却可以实现晶粒细化、减少合金含量 (尤其是微合金元素的含量),降低了制造成本；
    • (2)由于减少合金含量而降低了碳当量，从而改善了钢材 的焊接性能；
    • (3)因不增加合金含量而提高钢的强度和韧性，提供了在 现有轧机条件限制下进入新市场的途径；
    • (4)热机械轧制工艺具有较大的弹性，具备较强的柔性化 生产能力，适合同一种不同级别钢的生产需求。
    • 在加速冷却条件下，产生细小的铁素体和珠光体组织；在强加速冷却条件下，产生针状铁素体和贝氏体组织结构。
  • 9. 什么是在线直接淬火，它的优点是什么?
    •    图5-5通过式冷却方式控制原理图
    • 在线直接淬火是利用轧后余热实现淬火的一种技术，一般用于生产抗拉强度大于600MPa的钢板，它的冷却终止温度小于300℃,而且采用高的冷却速度，获得的金相组织必须是贝氏体 加马氏体，而控制冷却一般用于生产抗拉强度低于600MPa、含铁素体加珠光体加贝氏体的钢板，它的冷却终止温度一般在 300℃以上。
    • (1)避免了钢板离线二次加热和淬火，简化了热处理工艺， 缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了加工成本；
    • (2)与离线二次加热、淬火、回火钢板相比，韧性更高；
    • (3)根据合金含量和终冷温度，直接淬火产品通常具有贝 氏体或马氏体组织结构。
  • 10. 加速冷却系统有哪几种冷却方式?
    • 加速冷却系统具备多种设备形式，按冷却方式可以归纳为三 种类型。
    • (1)同时冷却方式：钢板进入冷却装置后，同时向钢板全 长喷水使钢板达到规定的温度。为了避免因辊道与钢板下表面的 长时间接触造成冷却不均(出现黑印),冷却装置所在的辊道具 有摆动功能。冷却装置的长度比最大的控冷轧件长度略长。采用 这种冷却方式可减少钢板头尾温差。
    • (2)连续冷却方式(通过式冷却方式):钢板在通过控制冷 却装置的过程中，边前进、边冷却，使之从头到尾渐次达到规定 的总冷温度，控制原理如图5-5所示。这是目前世界上采用最多的冷却方式。
    • (3)兼容冷却方式：当钢板较厚较短时，可采用同时冷却 方式；当钢板较长时，可采用连续冷却方式。
  • 11. 冷却状态是什么?
    • 冷却状态是指钢板在控制冷却时是否处于压力约束状态。钢 板在辊压状态下称为约束型冷却，反之称为非约束型冷却。约束 型冷却装置主要用于直接淬火处理。
    • 通过改善冷却均匀性，一些新建的控制冷却装置实现了在非 约束型冷却方式下对钢板的直接淬火处理。
  • 12. 什么是集管层流冷却?
    • 所谓层流，就是使低水压的水从水箱或集水管中通过弯曲管 的作用形成无漩和无脉动的流股，也就是当喷射的出口速度比较 低时形成这种流股。这种流股从外观上看如同透明的棒一样，液 体质点间无任何混杂现象。这样的流股在一定的高度范围内降落 到钢板表面上会平稳地向四周流去(当钢板不动时)。从而扩大 了冷却水同板材的有效接触，大大提高了冷却效率。
    • 冷却水是以较低的压力从管状水嘴自然连续流出，形成平滑 的柱状水流，水流落到钢板表面后在一段距离内仍保持平滑层流 状态，有效击破水在钢板表面形成的稳定蒸汽膜(即所谓的稳 定薄膜沸腾),可获得较强的冷却能力。集管层流水嘴有U 形集 管和直形集管两种设计，按集管的排布又有高密度管层流和低密 度管层流两种方式。
  • 13. 集管层流冷却有什么特点?
    • (1)高密集管层流冷却使管层流的不足得以克服，冷却能 力接近水幕层流能力，同时又保持了集管层流的优点。
    • (2)分散布置的冷却集管不像水幕冷却那样冲击区集中， 相对来说使板厚方向的冷却较为均匀，冷却较为缓和，不易发生钢板表面的过度冷却，对厚钢板的冷却尤为重要。
    • (3)可以通过冷却集管上U 形管或直形管沿宽度上间距的 变化、管径的变化、各排U 形管或直形管交叉布置等设计，较 为容易地改变宽度方向上的冷却均匀性。
    • (4)可以采用连续冷却或同时冷却两种方式。采用同时冷 却方式有利于提高钢板纵向冷却均匀性，特别适合钢板冷却厚度 的扩大要求。
    • (5)能够灵活调节冷却能力。由于高密集管层流在保证喷 射水流呈层流状态下的流量调节范围宽，可以灵活选择开闭集管 数，能适应不同钢种和规格差别较大钢板的冷却精度要求。
    • (6)响应速度快，对控制信号有较高的响应速度，能够在 线快速开启和进行水流量的调节、控制。
    • (7)耗水量大，在四种冷却方式中耗水量最大。
    • (8)横向冷却均匀性不理想，是点状水冲击钢板，不如水 幕和气雾。
  • 14. 水幕层流冷却有什么特点?
    • 冷却水以较低的压力从直缝条形水嘴自然连续流出，形成平 滑连续的幕状水流。由于水幕冷却不存在集管层流冷却各水流之 间对钢板冲刷时形成的缝隙和互相干扰，在宽度方向上水幕层流 冷却更为均匀和有效。水幕冷却与虹吸管层流冷却相比具有以下 特点：
    • (1)在冷却效果方面，冷却速度大，冷却能力高，能充分 发挥冷却水的冷却效率，从而缩短冷却区长度、节约冷却水，与 虹吸管层流冷却相比，可节约冷却水20%～30%;
    • (2)冷却均匀，提高钢板上、下面的纵、横向冷却均匀性， 从而可提高产品质量及合格率；
    • (3)根据产品工艺要求，每个水幕可改变水流幅宽和流量；
    • (4)在装置和系统方面，每个水幕之间的间距大，便于处理事 故和设备检修，由于设备简化，占地面积较小，故投资相应较少；
    • (5)由于水幕间有较大间距，形成的冷却系统为间歇冷却， 使钢板在冷却区多次反复地淬火-回火，有利于晶粒细化，性能 强化，可进一步挖掘钢材的内在潜力，提高经济效益；
    • (6)由于设备结构简单，坚固耐用，出水口缝隙大，不易 堵塞；对水质要求不严，一般活循环水都可使用，简化了循环水 净化系统；这种方式适合于老厂改造，对新厂的建设也可缩短输 出辊道长度；
    • (7)水幕冷却系统中，水幕装置的大流量与小流量配合使 用可调水幕系统，可以保证冷却速度和冷却能力的要求，控制灵 活，达到钢板控温的准确要求。
  • 15. 什么是气雾冷却?
    • 用加压的空气使水雾化，水和高速空气流一起从喷嘴喷射出 来的冷却方法称作气雾冷却。气雾冷却有两种作用：一是为了提 高冷却能力用空气加速液滴；二是为了控制冷却能力用空气使液 滴极微细化，而不需给太大的动量。适用于从空气冷却到强制水 冷极宽的冷却能力范围。
    • 该技术具有如下特点：
    • (1)具有理想的冷却均匀性。
    • (2)具有较宽的冷却流量调节范围。
    • (3)维修成本低，轧制线作业率高。
    • (4)易于实现高精度的全过程自动控制，适用于不同钢种 的快冷控制软件的开发，从而可与其他控制工艺获得最佳配合。
  • 16. 控制中厚板长度方向冷却均匀性的方法是什么?
    • 为了实现钢板长度方向的温度的均匀性，冷却系统在钢板通 过时，对钢板的全长进行物理分区，通过热金属检测仪表和辊道 速度检测对钢板的全长进行跟踪。根据钢板头部、尾部和中部区 段的温度，对各区段冷却参数(冷却数量)进行控制处理(通 常采取头部、尾部过钢时的开闭时间减少或遮蔽冷却水开启组0),可以消除钢板长度的头、中、尾的温度偏差和钢板上温度 的异常波动。对于钢板纵向上的整体温度梯度，通过辊道的微加 速的控制来减小或消除。控制原理见图5-6。
    • 
  • 17. 控制中厚板宽度方向冷却均匀性的方法是什么?
    • 钢板宽度方向上的温度均匀性的控制主要是通过冷却系统在 宽度方向水冷量凸形分布设计和边部遮蔽的调整实现的，见图5-7、图5-8。
    •    宽宽度B 图5 - 7 水冷量凸形分布 图5-8 边部遮蔽水冷
    • (1)中部与边部的出水量不同设计：宽度温度均匀性主要 靠上部层流冷却水采用横向凸形曲线的变流量分布。有资料介 绍，当钢板边部的水流速度为中心的75%时，可近似达到横向 均匀冷却的要求。
    • (2)边部遮挡：对钢板边部的冷却既要保证水流量的适度 减少，又要防止边部过冷。为了达到这两个目的，对钢板的边部 的冷却进行一定宽度的遮蔽，遮蔽的宽度与钢板的厚度有关，每 个上水冷的遮蔽挡板为前后交错布置。通常3000mm 以上宽板冷 却时，采用边部遮蔽冷却水的效果明显。
  • 18. 影响冷却系统的主要参数是什么?
    •  图5-9 最大冷却速度与板厚的关系
    • 影响冷却系统的主要参数是：
    • (1)冷却速率。图5-9为最大冷却速度与钢板厚度的关系，冷却速度随着板厚的增加而降低。如果冷却速率过高，厚板中心 与表面之间会出现较大的温差。对于厚钢板而言，沿厚度方向上 的热传导是限制性因素；对于薄钢板，表面热传递则是关键因素。
    • (2)钢板的平直度。众所周知，平直度差的钢板进入冷却 系统后，会引起冷却不均和恶化钢板的平直度。因此，在轧制时 很好地控制钢板的平直度对冷却来说是非常重要的。
    • (3)表面质量。钢板表面附着的厚氧化铁皮会导致钢板的 冷却不均。氧化铁皮的热传导率与钢相比较低，抑制了表面温度 的上升，从而破坏了稳定的膜态沸腾。因此，在轧制过程中，有 效地除鳞是必不可少的。
    • (4)温度的均匀性。设计和定位冷却系统时必须从两个方 面考虑温度的均匀性。为了保证钢板在冷却过程中温度均匀，必 须使用钢板边部的遮蔽，以防止钢板边部的过冷。为了防止头部 和尾部出现过冷，还必须对钢板头尾冷却水流量进行控制。钢板上表面的水流量也必须控制，防止上下表面冷却不均造成瓢曲。
  • 19. 冷却系统的冷却段长度如何确定?
    • 连续冷却方式冷却系统的长度主要取决于要求的冷却速度cR和钢板的移动速度v。CR可由钢板的厚度方向的硬度梯度△H、碳当量C 、 钢板厚度h 等参数确定，计算公式如下：L=(T始——T终)v/cR (5-4) 式中 T始——钢板开始冷却温度，℃; T终——钢板冷却后温度，℃;v——辊道输送速度，m/s; CR——冷却速度，℃/s: (5-5) a=2.86×10-³m/W K 0=4.63 e——密度； c——比热容。
  • 20. 加速冷却系统的布置要求有哪几方面?
    • 冷却系统的布置原则上要兼顾以下几方面：一是要靠近轧 机，轧件在轧机结束变形后，将产生晶粒组织的回复和再结晶， 因此要对轧后的钢板尽快进行加速冷却；二是使工艺检测仪表避 开冷却水及蒸汽的干扰，为测厚仪、测宽仪、板形仪、钢板平面 形状测量仪等测量钢板的仪器留出安装位置；三是留出控制轧制 的待(控)温轧制交叉轧制、旁通外移辊道游动降温需要的辊 道长度。不少中厚板厂采用延长机前及后辊道的方式进行钢板的 待(控)温轧制， 一般停留控温的轧件不少于3块，从而加长 轧机前后作业线的长度；四是矫直机对控制冷却系统位置的 影响。
  • 21. 中厚板轧后冷却不当会产生哪些缺陷，如何预防?
    • (1)残余应力缺陷。冷却不均会造成钢板内部应力加剧， 在钢板加工切条后会出现瓢曲或波浪现象。消除的方法是对冷却不均匀的钢板进行堆垛缓冷或者进行回火处理。
    • (2)组织缺陷。冷却速度过小，钢板易出现粗晶粒组织； 冷却速度过快，钢板易出现混晶的魏氏组织或在钢表面产生马氏 体、伪珠光体等激冷组织，这使钢板的加工性能大大降低。消除 过冷钢板组织缺陷的方法是对钢板进行回火处理。
    • (3)波浪缺陷。这主要是终冷温度过高，导致矫直温度过 高，造成钢板在辊道及冷床冷却过程的停顿，产生波浪。
    • (4)瓢曲缺陷。主要是相同冷区的上下水量匹配不当造成 的钢板上表面和下表面的冷却不一致，产生的钢板沿长度方向向 下或向上的弯曲；钢板的横向冷却不均，产生的钢板沿宽度方向 船形或拱形弯曲。
  • 22. 控轧控冷关键工艺参数有哪些?
    • 控轧控冷关键工艺参数有：坯料的加热温度、开轧温度、中 间坯料的一次或二次待温温度、待温阶段(或各道次)坯料厚 度、终轧温度、终轧后加速冷却过程中的开冷温度、终冷温度和 冷却速度。
  • 23. 什么是钢板的常化控冷工艺?
    • 常化控冷是指对热处理后钢板在高温按一定的冷却速度进行 冷却，在一定程度上改善组织和性能，同时细化铁素体和珠光 体，提高钢板的韧性、强度。降低钢中合金元素的添加，降低了 生产成本并提高了钢的焊接性能，这也是低碳成分系列特别是低 碳贝氏体类钢进行常化处理的一种不可缺少的条件。
    • 采用常化后加速冷却可以降低相变温度，也可抑制微合金元 素碳氮化物的长大，使其低温弥散析出，从而保证钢板强度。对 于低碳贝氏体类型钢，采用常化空冷无法得到需要的低碳贝氏体 组织，性能无法保证；采用常化加速冷却则可控制相变温度，保 证得到所需的低碳贝氏体组织。部分薄规格或中等厚度规格产品 可以采取常化后加速冷却实现淬火，生产调质钢板。
  • 24. 在线直接淬火(DQ) 和淬火+自回火(QST) 特点是什么?
    • 与再加热淬火钢相比，直接淬火钢由于省去再加热工序，节 省能源，提高了热处理设备的利用率，而降低了成本。此外直接 淬火钢的性能也优于再加热淬火钢。
    • 对在奥氏体再结晶区终轧的控制轧制钢进行淬火时，合金元 素尤其是碳氮化合物因轧制温度高而均匀地固溶于奥氏体中，使 淬透性提高，因此淬火后能增加钢材的强度和韧性。
    • 对在奥氏体未再结晶区终轧的控制轧制钢进行淬火时，钢材 本身由合金元素决定的固有的淬火能力对直接淬火后的钢材性能 有决定性的影响。对于高淬火性能钢淬火后由于加工热处理 (TMT) 效果，改善了马氏体的形貌，而使强度和韧性都得到提 高。对于低淬火性能钢淬火后，由于奥氏体未再结晶区的变形促 进了铁素体的析出，降低了淬火性能，使强度下降，韧性将视钢 种情况有所改善或稍有下降。
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