控轧控冷技术的发展和应用

摘 要：文介绍了控轧控冷工艺的发展历史、工艺原理以及控轧控冷技术的应用，热轧和控轧控冷之间的关系，说明了采用控轧本控冷技术是生产高性能钢材的必然趋势。

关键词：控轧控冷；棒线材；奥氏体晶

钢材的控轧控冷工艺主要是用于生产板材的技术。该技术的核心是在轧制过程中通过控制加热温度、轧制过程、冷却条件等工艺参数，改善钢材的强度、韧性、焊接性能。该项技术问世20年来，经过不断地完善和巩固，已经逐步扩展到海洋结构用钢、管线、型材等各个领域。

一、控轧控冷技术的发展

控制轧制（C-R）和控制冷却（C-C）技术的研究始于1890年至二次世界大战期间的德国，当时科研人员对钢铁制品的热加工条件、材质及显微金相组织之间的关系进行了非系统的零散研究，只是定性地揭示了热加工条件和材质间的关系。到了20世纪60年代初期，在美国科研人员定性地解释了热轧后的钢材继续发生奥氏体再结晶的动力学变化后，这才从理论上某种程度地解释了控制轧制技术。到了20世纪60年代末期，科研人员通过试验发现，添加微量元素铌（Nb）对提高单纯轧制钢材的强度有效。随后进一步的研究表明，造成铌系钢材高强度的原因，是由于微细铌碳氮化合物的铁素体析出相强化造成的。同期英国钢铁研究机构（BritishIronandSteelresearchassocition）对轧制钢材的显微结构和机械性能的定量关系、铌、钒（V）的强化机理，控制轧制原理等进行研究，证实了依靠物理冶金基础，进行合理的合金成分的设计和轧制条件的设定，便能达到所期望的钢材目标性能值和显微组织。到了20世纪70年代，对钢材强度、低温韧性、焊接性能要求更高了，而此时仅仅依靠传统的控制轧制技术远远不够。于是在奥氏体控制轧制的基础上，还需要控制冷却速度来控制相变本身，于是开始了真正意义的控轧控冷技术的应用。

二、控轧控冷技术的基本原理

控轧控冷技术的基本原理就是控制热轧条件，经过相变过程在奥氏体（γ）的基体上，形成高密度的铁素体（α）晶核，从而在相变后，达到细化钢材的组织结构。经过研究发现铁素体的形核位置通常是在奥氏体的相界面、由热变形和变形带造成的退火孪晶的内界面。而控制奥氏体相结构变化的关键因素是相变温度

，在普通的热轧中，由于不涉及任何形式的控制轧制，基本是根据产品断面的形状进行轧制，精轧后的温度通常在1050～900℃之间，则生产的钢材奥氏体晶粒尺寸粗大。所以在生产普通的C-Mn钢过程中，通过控制轧制温度，把精轧道次安排在950～800℃范围内，经过大量的研究表明在该温度范围内轧制，钢材奥氏体相晶粒发生再结晶，再结晶后的奥氏体相转变生成铁素体，则达到细化晶粒的目的。通过进一步研究表明，细化奥氏体晶粒的方法是把轧制尽量安排在奥氏体的非再结晶温度范围内，但是，在这一范围内，由于奥氏体的再结晶点和Ar3温度点接近，范围较窄，所以，在生产中并没有取得多大的效果。而通过添加合金元素铌（Nb），能够升高再结晶点100℃，同时又发现铁素体生核点不是在奥氏体的相界面上，而是在由于再结晶点上升而造成的非再结晶区温度范围内缩减所造成的孪晶晶界和变形带上，这些界面作为铁素体相成核场所的内界面。因此，在铌钢的精轧中，对产品进行金相分析显示轧制产品中存在结晶区有相当部分的奥氏体晶粒被细化。而在950～900℃进行轧制，则没有再结晶的发生。

三、控轧控冷技术的应用

（一）棒线材超快速冷却的应用

实现超快速冷却的关键工艺设备是超快速冷却水冷器。水冷器由多节冷却管组成，总长度一般不大于20m，当轧制速度小于20m/s时，水冷器总长度小于13m。每节冷却管在轧件入口端由环状缝隙喷射一定压力的冷却水，冷却水与轧件同向运动，但是速度高于轧件，冷却水在轧件的出口端流出。由于采用环状缝隙冷却，轧件冷却均匀，可以彻底消除现有的余热淬火水冷器存在的大规格产品上冷床后弯曲、小规格“堵钢”的问题；在大生产条件下可以彻底解决小于10mm 热轧直条钢筋4切分轧制的“堵钢”问题。应保证所使用的每一节冷却管的水量充足，即不用的水管要求关闭冷却水，尽管冷却时间短，水冷器还是具有前段强冷和后段强冷的区别，根据轧件的不同规格和成分的区别，通过调节可以在一定范围内调节材料的屈强比。国内现有的余热淬火水冷器需要进行改造，才可以提高冷却效率，实现控轧控冷后超快速冷却。该工艺的使用可以做到不改造主要设备，不需降低作业率，不需低温轧制，不需余热淬火。由于强化了冷却效果，可以提高冷床的冷却效率，从而提高产量。

（二）H型钢超快速冷却的应用

由于常规控制冷却系统的冷却能力不足，需要较大的建设长度，同时翼缘和腹板冷却条件不同，会造成不同部分极大的温差，所以我国H型钢轧机的控制冷却一直是空白，这在一定程度上限制了H型钢轧机的技术进步和高附加值减量化产品的开发。发挥超快速冷却技术的优势，对翼缘和腹板等不同部位的冷却装置进行精细化设计，开发具有自主知识产权的H 型钢超快速冷却系统。

四、传统的热轧和控轧控冷之间的关系

传统意义上的热轧产品铁素体相晶核大量在奥氏体晶界上产生，而控轧控冷轧制后产品的铁素体相晶核既可以在晶粒内部成核，也可以在晶界上成核，这就导致了两者在铁素体晶粒最后结构上的不同。事实上，可以把变形带当成奥氏体相的晶界，也就是铁素体相的潜在的成核地，这就意味着一个变形带将一个奥氏体晶粒网分成几个块。由于未再结晶奥氏体晶粒含有变形带，促进奥氏体向铁素体的转化，所以控轧工艺可以在中等淬透性钢中产生细小的铁素体相，而没有采取控轧则转化成贝氏体（β），韧性很差。由上面的分析，从变形奥氏体转变为铁素体产生的铁素体晶粒要比从再结晶无应力的奥氏体转变铁素体的晶粒要细。因此，制造变形态奥氏体这一步在细化晶粒方面是非常重要的，它可以通过抑制或延缓变形后的再结晶来实现。

五、结语

控制轧制和控制冷却始终与微合金化紧密联系在一起，因为Nb等微合金元素的加入，可以显著提高钢材的再结晶温度，使材料很大一部分热加工区间位于未再结晶区，从而大大强化了奥氏体的硬化状态。