棒线材控制轧制与控制冷却技术的研究

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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）