分析新一代控制轧制和控制冷却技术与创新的热轧过程

2023-10-22张海涛

中国设备工程 2023年18期

张海涛

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

在轧制过程中添加合金元素，并且热处理优化强化热轧钢的性能。但是利用这些措施将会增加整体成本，同时会延长整体生产周期，虽然提高了钢材产品的强度，但是却降低了钢材的性能，而且还会影响焊接性能。而利用控制轧制和控制冷却技术，有利于控制热轧过程的形变，同时可以提高钢材冷却速度，合理优化钢材的组织形态和综合性能。为了充分发挥出控制轧制和控制冷却技术的作用，需要提高创新力度，推广利用新一代控制轧制和控制冷却技术，并且注意控制热轧过程。

1 概述控制轧制和控制冷却技术

在板材轧制过程中，在精轧机组中引入轧件，通常是处于奥氏体单向区域，在轧制后需要进行空冷。在终轧过程中因为会快速提高温度，将会充分扩散碳原子，而且在热轧过程中将会产生形变问题，同时会提前析出二氧化碳物，经过冷却处理后，轧件将会产生明显的网状态化物和粗片状珠光体组织。为了优化轧制产品性能，需要根据钢材原有成分合理控制轧件温度和轧制过程，进一步提高产品质量。

1.1 控制轧制技术

控制轧制技术指通过合理的调整，保障钢化学成分，并且可以合理控制变性制度和加热温度以及轧制温度等参数，同时可以控制相变产生物和奥氏体状况，因此满足轧制工作的需求。

1.2 控制冷却技术

控制冷却技术指在热轧处理钢材后，合理利用冷却条件，通过控制相应条件，把控相变条件和相变之后的钢材性能。

1.3 低温轧制技术

低温轧制工艺指在精轧机组后引入轧件后，科学的控制温度，保障热机轧制温度符合相关要求。在轧制过程中利用低温轧制技术，在利用低温轧制工艺的过程中通常是利用中轧机组和粗轧机组，通过科学处理精轧机组，在实际操作前，工作人员需要合理设置冷却段和恢复段，在轧件进入精轧机组之间即可降低温度，而且有利于保障温度的可控性。此外，利用热机轧制方式可以保障轧件的质量，而且可以细化组织结构，有利于改善低温韧性和机械性能，同时可以提高轧件抗疲劳强度。

对比常规的轧制技术，控制轧制和控制冷却技术具有较大的差异性，利用控制轧制和控制冷却技术的过程中，主要包括热机轧制和常规轧制两种形式。热机轧制指的是奥氏体处于稳定的状态，对比相对温度区间，奥氏体温度相对较低，有利于成型加工。而常规轧制技术指的是奥氏体温度低于再度结晶区域的时候，开展成形加工工作。

利用低温控制轧制技术的过程中，需要合理使用机械设备，利用冷却机构合理控制冷却装置，保障实际冷却温度符合相关标准。不同类型的轧件进入精轧机中，而不同轧件需要利用不同管道温度，而且轧件会产生变形等问题，不利于保障尺寸精准性，要求工作人员合理配备精轧机的轧线。

2 控制轧制和控制冷却技术的工艺特点

控制轧制技术指合理控制热轧过程中的金属加热制度和温度制度，有效结合热塑性形变和固体相变，从而获得小的晶粒组织，优化钢材综合力学性能。利用控制轧制技术可以控制奥氏体晶粒，因此增强钢材的强度和焊接性能等。控制冷却技术通过控制钢材冷却温度，优化钢材组织性能。利用热轧形变的作用，有利于提高奥氏体向铁素体转变温度，实现相变后可以变大铁素体晶粒，为了合理细化铁素体晶粒，需要合理减小珠光体片层的距离，避免在高温环境中析出碳化物，保障整体强化效果。利用控制轧制和控制冷却技术可以提高钢材的形变强度和韧性。对比普通热轧工艺，控制轧制和控制冷却技术具有以下的特点。

2.1 合理控制钢坯加热温度

利用控制轧制和控制冷却技术的过程中，需要根据钢材性能控制加热温度，因为微合金钢的强度要求较高，但是缺乏韧性，需要控制加热温度在1200℃以上，如果钢材的主要性能标准为韧性，需要控制加热温度在1150℃范围内。

2.2 控制最终轧制道次轧制温度

最终道次轧制温度通常接近于Ar3 温度，而且在一些条件中，需要控制终轧温度在（y+α）两相区间中。

2.3 奥氏体在未结晶区提供足够变量

在棒材轧制过程中，如果微合金钢的温度在900 ～950℃，而且形变总量大于50%，利用控制轧制和控制冷却技术累计普通碳钢的多道次形变，实现奥氏体再结晶。

2.4 满足性能要求

利用控制轧制技术支护，有利于合理控制钢材冷却速度和冷却温度等要素，因此，要保障显微组织的完整性。通常在轧制后的首次冷却过程中，冷却速度比较大，随后需要根据钢材性能控制冷却速度。

3 新一代控制轧制和控制冷却技术的基本概念

社会经济不断发展，逐渐加剧资源和能源短缺问题，人们也承受着较大的环境压力，因此需要解决这些问题，实现人与自然和谐相处的发展目标。在制造业领域需要实现资源循环再利用，针对控制轧制和控制冷却技术，需要坚持减量化的原则，落实减量化的生产方法，提高钢铁产品的附加值，而新一代的控制轧制和控制冷却技术的核心为超快冷技术。

3.1 HTP 轧制工艺

热连轧过程具有高速性和连续性，而且会产生较大的变形，即使轧制温度比较高，完成连轧工作之后将会获取硬化的奥氏体。利用现代热连轧机的时候，无需利用低温大压也可以硬化奥氏体。在连轧过程中不断累积应变，不仅不需要低温大压下，甚至无需添加合金或者微合金元素。因此利用新一代控制轧制和控制冷却技术，高温轧制过程是重要的特点，这里的高温主要是针对低温大压下，在实际工作中需要利用正常轧制温度，无需利用接近于相变点低温。新一代控制轧制和控制冷却技术需要合理利用轧制温度，无需坚持低温大压下的原则，因此对比低温大压下的过程，可以大幅度降低轧制负荷，同时可以放松设备条件的限制，无须高强化的建设轧机等轧制设备，有利于节省建设投资，保障轧制过程的操作性，避免产生安全事故，同时可以延长轧制工具的使用寿命，在提高产量的同时可以降低工作成本。针对待温的材料，可以实施超快速冷却方式，无须进行待温，有利于显著提高生产效率。

3.2 超快速冷却

因为利用常规轧制方式，终轧温度相对加高，如果没有采取控制措施，因为再结晶将会快速软化材料，导致采取失去硬化状态。因此在冷却过程中需要采取合适的措施避免软化奥氏体。通过利用超快冷却技术可以超快速的冷却钢材，在极短的时间内材料即可通过奥氏体相区，从而在动态相变点附近冻结硬化奥氏体，有助于实施奥氏体硬化状态控制和相变控制。

为了在高速冷却状态中控制板带材的平直度，可以针对中厚板生产特点，开发新式冷却系统，利用这一系统可以保障高速冷却的均匀性，为了均匀化的超快速冷却板带材，因此可以保障板带材产品的平直度。

3.3 精确性的控制超快速冷却终止点

在轧制后，可以快速冷却终轧温度，并且达到动态相变点。轧件达到预定温度后，需要立即停止超快速冷却工作。因为超快速冷却终止点直接影响后续相变过程的类型和相应的相变产物，这就需要控制超快速冷却终止点。通过细分冷却装置，精细化配置调整手段，有利于有效控制终止温度。

3.4 控制冷却路径

实施超快速冷却后，需要根据性能要求控制钢材的冷却路径，进一步优化材料性能。利用这一特点可以获得不同的材料，实现柔性化轧制生产，同时可以高效地开展炼钢和连铸工作。

精确控制冷却路径的时候，利用现代控制冷却技术可以优化控制效果，可以利用相变强化作为强化措施，在相互结合固溶强化和细晶强化以及析出强化等手段，进一步改善材料强度和综合性能，满足人们的材料需求。

以超快速冷却技术为核心发展控制轧制和控制冷却技术，可以提供更多的技术手段，一方面可以控制奥氏体硬化状态，另一方面可以控制硬化状态下奥氏体相变过程，满足控制轧制和控制冷却技术控制目标。

4 基于新一代控制轧制和控制冷却技术的创新轧制过程

4.1 低成本双相钢生产

双相钢是一种重要的汽车用高强钢，在传统生产过程中，需要利用较长的层流冷却系统，而且要利用高价合金开展成分设计，限制到双相钢生产。在实际生产过程中，可以利用超快速冷却装置，利用普通的碳锰钢轧制出双相钢。双相钢的铁素体析出量关系到整体产品的塑性和强度，因此，需要精确性地控制双相钢中铁素体的含量。

4.2 抑制网状碳化物

在冷却车轮钢的过程中，在奥氏体晶界中呈网状析出二次碳化物，将会恶化车轮钢质量。因为网状碳化物基础温度通常处于700 ～900℃，大量析出碳化物的温度处于700 ～850℃。为了控制网状碳化物，需要在轧机后安装超快冷装置，可以超快地冷却轧件。利用这一措施可以控制网状碳化物的析出。冷却到较低温度后需要采取保温措施，可以分散细小析出碳化物，因此破除网状碳化物。在轧后实施快速冷却，增大过冷度之后，可以使组元的扩散系数因此降低，同时可以减少碳化物的尺寸，有利于提高车轮钢的质量。

4.3 控制碳氮化物析出过程

针对传统控制过程，在低温奥氏体区将会析出一定量的沉淀，而且析出物具有较大的尺寸，不利于保障钢材强韧性。利用新一代控制轧制和控制冷却技术，可以利用超快冷方式，在碳氮化物大量析出的温度区间快速通过轧件，因此控制碳氮化物沉淀析出，而且可以维持微合金元素处于固溶状态，从而进入东安忒素体相变区，并且在铁素体相中细微形成沉淀相，钢材的强韧性因此提高。

4.4 改善扩孔性能

利用超快冷技术的过程中，如果钢铁材料的碳含量分数处于0.3%～0.4%，那么在奥氏体变形后，将会通过共析转变温度区间，有效抑制共析转变。然后，利用低于共析转变的温度区间进行保温，有利于控制碳化物形态，材料的扩孔性能因此提高。利用传统的方法共析转变的产物呈现出片状珠光体，而利用超快冷技术轴，可以在铁素体基体上均匀的分散着细小的碳化物，这种钢的力学性能和扩孔性能比较好，可以在汽车制造行业推广利用。

4.5 低屈强比高强度钢板生产工艺

开发出低屈强比高强度钢板生产工艺之后，并且在现场试制，可以确定利用低屈强比高强度钢板生产工艺，完成轧制工作后，利用超快冷冷却到两相区，随后析出一定量的铁素体，随后利用淬火冷却轧件到室温，随后再离线回火。对比传统工艺，低屈强比高强度钢板生产工艺的工作流程比较短，而且包含的合金元素比较少，同时可以优化焊接性能，可以推动高性能和高强建筑用钢板的可持续发展，尤其在抗大变形的管线钢中适合利用低屈强比高强度钢板生产工艺。

4.6 开发低成本厚钢板

利用超快冷控制冷却路径，可以获得显著的效果。在铁素体析出区间设定超快冷的终止温度，这时过冷奥氏体将会产生铁素体相变，同时可以获得细化晶粒的铁素体集体组织。而且在超快冷过程中，在铁素体中将会析出微合金钢的碳氮化物，可以发挥出明显的强化效果，利用这一特点可以完善Super-OLAC 系统。为了满足造船行业集装箱船钢板加厚趋势，可以利用Super-OLAC 系统开发高强度船板，这种船板和传统船板具有相同的碳当量，但是具有更高的强度，可以满足用户使用需求。