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1、2008级轧钢（1）班毕业论文论文题目：中厚板的控制轧制和控制冷却学校名称：河北理工大学继续教育学院专业名称：轧 钢学 号：20080710215姓 名：仇占明指导教师：汪青山2010.11.21目 录一、引言1二、TMCP的概念和特征2三、中厚板的控制轧制基础3四、中厚板控轧工艺过程的新方法7五、低碳贝氏体钢的发展7六TMCP钢在不同领域应用的状况10七中厚板的控制冷却设计13八加速冷却设备15九今后的展望18十结论15参考文献17中厚板的控制轧制和控制冷却摘 要60年代以后，对中厚板热变形过程中钢的组织变化进行了多方面的深入系统的研究工作。进一步证实了坯 料加热.热轧和轧后的冷却条件对钢板

2、的组织和性能有极大的影响，引起冶金工作者的重视，为形成中厚板的控制轧制和控制冷却工艺及其机理创造了有利条件，打下了基础。目前，这相研究已经日趋完善，形成了新的中厚板工艺控制轧制和控制冷却，即TMCP技术。关键词：中厚板 控制轧制 控制冷却 组织 性能。一、引言TMCP (Thermo Mechanical Control Process：热机械控制工艺)作为提高钢材的强度、韧性和焊接性的材质控制工艺技术，它是以厚板为中心进行开发的。所谓TMCP就是在热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制(CR Control Rolling)的基础上，再实施空冷或控制冷却(加速冷却ACC：Ac

3、celerated Cooling)的技术总称，本文从狭义上是指控制轧制后的加速冷却技术，简称为TMCP。虽然在20世纪50年代已采用了轧制后直接淬火工艺，但尚未达到批量化生产。其原因是轧制长度受到限制、冷却均匀性(材质和形状)等课题尚未解决等。其后，经过冶金学和冷却控制设备的研究，到了20世纪80年代开发出了TMCP技术。自TMCP开发以来已经历了20多年的时间，在这期间TMCP的应用范围不断扩大，目前已成为生产厚板不可或缺的技术。另外，TMCP还是一项节约合金和能源的工艺。从环保方面来看，它是一项意义深远的技术。TMCP钢是一种高强度、高韧性钢，焊接性比常规轧制钢的好，能提高焊接施工效率，

4、因此受到用户的好评，其应用领域除了造船领域外，还涉及了海洋结构件、干线管和建筑等各种领域。目前TMCP钢已占日本厚板产量的20左右。尤其是，在抗拉强度490MPa以上的高强度钢中，TMCP钢的占有量实际上达到40左右，TMCP钢的市场占有率已越来越大。而且，今后随着用户对钢的强度和韧性要求的进一步提高，还将对钢的新功能提出要求，因此TMCP将会得到进一步的发展。二、TMCP 的概念和特征TMCP的特征是，与常规轧制钢和正火钢相比，它不依赖合金元素，通过水冷控制组织，可以达到高强度和高韧性，而且在碳当量极低的情况下能够生产出相同强度的钢材，因此可以降低或省略焊接时的预热温度。碳当量低可以降低焊接

5、热影响区(HAZ：Heat Affected Zone)的硬度，不容易形成因显微偏析而产生的局部硬化相，由此容易确保焊接部的韧性，通过与后述的热影响区组织控制技术的组合，即使在大线能量焊接时也能确保良好的韧性。对于即使在低碳当量下也能生产强度和韧性好的TMCP钢的组织控制想法做一说明。TMCP钢通常要微量添加Nb、Ti和A1等元素，这些元素的碳氮化物(NbCN、TiN和AIN等)在加热阶段利用Pinning的效果来控制奥氏体晶体的粗大化。加热后采用普通轧制法在奥氏体再结晶温度区域中反复进行轧制。组织会因此反复地恢复和再结晶，奥氏体晶粒度发生细化，在此情况下进行空冷后由奥氏体产生的等温加工过程中

6、的珠光体组织会比板坯当初的凝固组织大幅度细化。这是一种对常规轧制钢板的轧制组织控制的一种想法。但是，其组织细化存在着极限，例如，为提高钢的韧性，可以采用正火热处理来细化组织；为提高强度，可以采用添加各种合金元素的办法。而TMCP钢是在奥体再结晶后，再在被称作奥氏体未再结晶区域的低温区域中反复进行轧制，从而将形变带导入变形的奥氏体中。在添加Nb的钢中，由于有效抑制了轧制中因NbCN应变诱发析出的再结晶，因此未再结晶区域的温度升高，即使不实施极低温轧制，也会导入大量的形变带。从奥氏体向铁素体转变时，该形变带还能作为相变核起作用。利用轧制后的水冷，可以抑制晶粒的生长，获得超细的铁素体组织或贝氏体组织

7、，尤其是在冷却速度快的情况下，能获得马氏体组织。结果，在铁素体贝氏体型的抗拉强度490MPa级的钢中，采用正火法时，晶粒的细化极限为10微米左右，而采用TMCP化时，晶粒可细化至5微米。 近代工业发展对热轧非调质钢板的性能要求越来越高，除了具有高强度外，还要有良好的韧性、焊接性能及低的冷脆性。目前世界上许多国家都利用控轧和控冷工艺生产高寒地区使用的输油、输气管道用钢板、低碳含铌的低合金高强度钢板、高韧性钢板，以及造船板、桥梁钢板、压力容器用钢板等这些中厚板品种中。三、中厚板控制轧制基础3.1控制轧制的三阶段控制轧制的三阶段控制轧制工艺包括把钢坯加热到最适宜的温度，在轧制时控制变形量和变形温度以

8、及轧制按工艺要求来冷却钢材。通常将控制轧制工艺分为三个阶段:3.1.1奥氏体区控制轧制阶段在奥氏体区高温部分轧制，再结晶和轧制过程同时(小于is)进行不完全动态再结晶，形成粗大晶粒。在高温下轧制，要，晶粒发生动态再结晶的条件是，高变形量和低轧制速度，这与现有轧机条件完全不适应。因此，在高温区轧制不能引起完全动态再结晶和形成细小的再结晶晶粒。低温奥氏体变形阶段(1000左右)，通过反复变形和再结晶，使按静态再结晶机制发生晶粒显著细化，但是奥氏体晶粒细化是有极限的，大约为20um。3.1.2未再结晶区域轧制阶段这是形变和相变同时进行的阶段。在这个阶段，y晶粒被拉长，同时产生滑移带。奥氏体晶界的增加

9、和滑移带的出现，为铁素体形核提供了有利条件，进而得到细晶粒铁素体。3.1.3.(+)两相区控制轧制是加工硬化和继续相变的阶段。在该阶段中，使己经相变的铁素体晶粒变形，引入大量位错和亚结构等;同时使未相变的奥氏体晶粒也引入大量的变形带，作为相变时铁素体的形核点;因此进一步细化铁素体晶粒，产生加工硬化，提高强度，改善韧性。在实际 的 控制轧制中，一般采用上述几种方式的组合，即在奥氏体变形高温阶段，通过奥氏体再结晶区控轧，得到等轴细小的奥氏体再结晶晶粒:在奥氏体未再结晶区变形得到“薄饼形”未再结晶的晶粒，晶内出现高密度的形变孪晶和形变带从而有效增加晶界面积;在(+)两相区变形时，一方面奥氏体晶粒被拉

10、长，另一方面己相变的铁素体晶粒内部出现亚结构。同样为铁素体晶粒提供新的形核点，使形变组织更细密。3.2控制轧制工艺的机理和特点控制轧制工艺是指钢坯在稳定的奥氏体区域（Ar3）或在亚稳定区域（Ar3Ar1）内进行轧制，然后空冷或控制冷却速度，以获得铁素体与珠光体组织，某些情况下可获得贝氏体组织。现代控制轧制工艺应用了奥氏体的再结晶和未再结晶两方面的理论，通过降低板坯的加热温度、控制变形量和终轧温度，充分利用固溶强化、沉淀强化、位错强化和晶粒细化机理，使钢板内部晶粒达到最大细化从而改变低温韧性，增加强度，提高焊接性能和成型性能。所以说，控制轧制工艺实际上是将形变与相变结合起来的一种综合强化工艺。控

11、制轧制一般有控温轧制和热机轧制两种。在控温轧制中，为了获得所要求的目标值，必须在规定的温度范围内进行总变形。第一个负荷道次的开轧温度是事先通过出炉温度规定的。轧制的温度范围由规定的终轧温度决定。一般情况下，只有轧制过程在规定的时间内中断，并将轧件送到停歇场上进行冷却，这个终轧温度才能得到保证。在这种轧制方式中，轧制中断时的钢板厚度没有规定，轧制钢板可以取消常规的正火处理。热机轧制是在规定的温度范围内按照所规定的压下量进行轧制，又分为两阶段轧制和三阶段轧制。在两阶段轧制中，轧制过程中断一次，并使轧件冷却到下一阶段所要求的轧制温度。在三阶段轧制中，轧制过程中断两次。轧制阶段是由该阶段中预先给定的厚

12、度压下量和完成该厚度压下量时的温度范围决定的。由此产生了中间厚度和各阶段之间的轧制时间。控轧的目的是在热轧条件下，通过细化铁素体晶粒，生产出韧性好、强度高的钢材。例如，正常轧制工艺铁素体晶粒最好的情况是78级，直径大于20m，而控制轧制工艺得到的铁素体晶粒为12级，其直径为5m，这样细的晶粒是控制轧制最突出的优点。控制轧制工艺还可以充分发挥微量元素的作用，含有微量Nb、V、Ti等元素的普通低碳钢采用控制轧制工艺，能获得更好的综合性能。四、中厚板控轧工艺过程的新方法中厚板的质量很大程度上取决于对轧制工艺过程的控制。常规方法有许多不足之处，原始凸度的设定无法对不同规格、不同材质的轧件进行跟踪控制；

13、不均匀冷却方法具有响应太慢的缺点。戴维.麦基公司对板形自动控制系统及冷却液的喷射装置进行了独特的设计，其中彼此分隔开的冷却和润滑系统（SLC）和动态轧制工艺系统（DSS）收到了很好的效果。4.1分隔开的冷却和润滑系统（SLC）板带材轧制大多数采用乳液来实现冷却润滑。在采用乳液冷却润滑的过程中，普遍存在乳液稳定性差、使用寿命短，尤其是轧后板带材表面质量达不到最佳程度等问题。利用分隔开的冷却和润滑系统可避免常规乳液冷却润滑给制品带来的缺陷。该系统有两个连在一起的钢质冷却箱。每个冷却箱分别封住上工作辊和支承辊的辊面及下工作辊和支承辊的辊面，从而使每一个对轧辊和冷却箱构成一个隔离系统。上下两个冷却箱之

14、间有一道缝，需轧制的带材由此通向辊缝，实现轧制。在轧制过程中把冷却系统和润滑系统分隔开，这就意味着在具备冷却润滑综合功能的基础上，还可以分别按各自独特的功能去进行配制。SLC系统可最大限度地发挥冷却和润滑的功能，从而使轧机的功率密度大大提高。4.2动态轧制工艺系统（DSS）戴维.麦基公司利用计算机预测了全带材轧制的主要过程。充分利用计算机来建立轧制过程中的数学模型，本质上就是在线的模型参数估计。其中最为典型的例子是动态轧制工艺系统。该系统主要安装在热轧机组上，用于板形和断面形状的控制。由建立的数学模型和程序，根据预测的结果，连续地由轧机自适应功能进行控制。与通常的反馈式AGC系统不同之处，在于

15、这个系统采用两个基本自适应等级。第一级为轧机控制的自适应，即包括轧辊的弯辊力、压下量的方式、运行速度和轧辊冷却液的分布等，使产品质量达到始终稳定一致。第二级是预测模型所用系数的自适应，即利用在轧制过程中测得的参数经过趋势回归分析来实现。接着按实测值与模型预测值的误差值作为一个函数来调整模型的系数。应用DSS的主要目的是要生产出横向厚度均匀一致的产品五、低碳贝氏体钢的发展在控轧的早期，主要是提高钢材的强度和获得较细的晶粒，继而在高强度的基础上，对韧性也有了相应的要求。目前已经转向更高强度、更好的韧性和较大的厚度，同时要求不恶化焊接性能。天然气输送用的管线钢要求较高的横向冲击贮存能。提高再结晶温度

16、以下总的热轧变形量能够达到改进、提高韧性方法的效果。在控轧的含铌钢中降低含碳量、提高含锰量的发展过程中，开发了被命名为低碳贝氏体钢和针状-钢的低碳高锰（0.06%）相变强化钢。与传统的珠光体钢相比，这种钢表现出连续的屈服及拉伸强度提高的特征。尽管含碳量较低，管材成形后，屈服点却有所提高。在屈强比比较低的钢材中，快速加工硬化能够超过任何因包申格效应而引起的屈服强度的降低。这种钢的组织是典型的针状铁素体或低碳贝氏体。同时在常规轧制后，即晶粒发生相变之后，会保持以前晶粒的清晰边界。5.1低碳贝氏体钢在普通轧制状态下,为达到必要的强度可添加Si、Mn、Cr、Ni和Mo等元素，或借助正火后的加速冷却使金

17、相组织中出现一种粒状组织，是-Fe基体上分布块状或条状M/A相的结构，称之为粒状贝氏体。如不采取细化晶粒或补充回火以充分分解这种粒状贝氏体，对钢的韧性将有不利的影响，强韧性很难兼顾。因此，采用控轧工艺，在以较低的碳含量维持必要的韧性的同时，又改善了钢的焊接性。5.2 针状铁素体钢为适应高寒地带大口径石油天然气输送管线工程对材料高强度、低温韧性、可焊性及良好成型性的要求，发展了C-Mn-Mo-Nb系针状铁素体（AF）钢。这种钢控轧状态的屈服点可达470530MPa，夏氏冲击功可达165J，50%剪切断口的转变温度（FATT）不低于-60。它同第一代铁素体-珠光体管线钢相比，具有更好的焊接性能、抗

18、延性、断裂能力、抗天然气中硫化氢腐蚀和氢诱发裂纹性能、抗大气腐蚀性能。5.3 超低碳贝氏体钢通过控轧工艺的最佳化，新型超低碳贝氏体钢可得到具有高密度位错亚结构的均匀细小贝氏体组织和高强度、高韧性及可焊性配合的综合机械性能。低碳贝氏体钢的化学成分必须是：即使在大断面缓慢冷却的情况下，也能在贝氏体转变区发生相变，从而获得一个高强度。与此相反，它在高的冷却速度下却不允许形成马氏体，此外这种钢必须具有高韧性以防止裂纹形成和脆性断裂。如果能成功地通过适当的化学成分和轧制时的快速冷却使-相变的温度降低，就可在600650的温度进行轧制。这样就可以通过晶粒细化和高的位错密度进一步强化。为了转变成贝氏体，可通

19、过加入Mo、B延迟铁素体和珠光体转变时间，还可以通过加入Mn、Ni来改变转变温度。Nb具有双重作用，固溶状态下，可推迟铁素体的形成;而在析出的情况下，通过奥氏体晶粒细化来降低淬透性。V、Ti具有相似但稍差一些的作用。碳当量的降低必然会抑制马氏体的形成，与高碳贝氏体相比，在改善焊接性能和韧性方面还具有特殊意义。此时的碳含量低于0.01%0.10%。含有低碳贝氏体钢的组织由上贝氏体和下贝氏体及马氏体的混合体组成。此外，在碳含量低于0.10%时还有另外的成分，名称不统一，如无碳贝氏体、针状铁素体、分解铁素体或密实铁素体等等。这种组织的特点通常是针状，并通过不规则晶胞而造成大量位错。应该把这种组织与“

20、真正的”贝氏体区别开来，因为它不是由奥氏体分解形成的，而且不含碳化物。与马氏体相反，该组织不是通过一个分解过程产生，主要是通过一个快速进行的再扩散过程产生的。改善上贝氏体组织韧性的方法还有控制较小的奥氏体晶粒度以及降低碳含量，尽管密实铁素体表现出较高的强度，但含有多边形铁素体和含量密实铁素体的钢在晶粒度相同时，具有同样的脆性转变温度。含碳约0.10%0.20%的B-Mo钢其屈服极限约为500MPa，加入铌钒钛，提高锰含量，可使韧性大大改善。进一步发展的目标是：（1）不含硼的Mn-Mo-Nb钢。这种钢具有由多边形铁素体和密实铁素体组成的一种晶粒非常细的混合组织。轧制状态下得到550600MPa的

21、屈服极限，还可以通过回火再提高。回火产生了时效硬化，并消除了贝氏体组织和马氏体晶界的应力。（2）含碳量低于0.01%、锰含量达到5%的钢。一般来说，脆性转变温度可通过碳含量的降低和锰含量的提高得到改善。高的锰含量可以抑制多边形铁素体的形成。如果锰作为合金元素单独使用时，则会产生脆化现象。因为没有微合金元素造成的细晶粒硬化作用。可以期望含低碳贝氏体组织加钼的调质钢在较薄的厚度范围内进行控轧，其屈服极限可以达到680MPa；或用价格较低的合金元素B来代替部分较贵重的合金元素。由于可以达到非常低的脆性转变温度，因此，含低碳贝氏体组织的钢就能与镍合金低温钢相竞争。故除了强度和韧性外，发展的主要着眼点是

22、在焊接中和焊接后或在振动疲劳负荷条件下钢的加工和使用特性。含极低碳贝氏体组织的钢，在轧制状态下的屈服极限可达600MPa，回火后可达700MPa，在这种钢中起附加作用的大量的亚晶界和高的位错密度，其金相组织为针状铁素体。六、TMCP钢在不同领域应用的状况 TMCP钢最初是应用于造船业，后来扩大到所有使用厚钢板的领域。TMCP钢的应用范围之所以如此扩大是因为TMCP钢所具有的特性，它不仅能满足用户的要求，而且还由于对TMCP技术和支持该技术的各种技术要素进行了不懈的开发，因此它能满足厚板的各种利用领域的不同要求，从而自然就使TMCP钢的使用可能性和应用范围扩大了。以下，就在厚板具有代表性的利用领

23、域中TMCP钢的应用状况进行介绍。6.1造船用钢板 TMCP钢首先在造船领域迅速扩大应用。TMCP钢的出现还促进了高强度钢(HT)的扩大应用。从大型油船中HT钢的使用量变化来看，随着TMCP钢的出现，HT钢的使用量已由原来的2030提高到6070，而且甚至还使用了屈服点为390MPa级的钢。由于提高了HT的使用比例和采用高屈服点的钢，因此能大幅度减轻船舶的自重和节能，为提高经济效益和环保做出了很大的贡献。另外，从提高运送效率的观点来看，集装箱船的大型化也取得了显著的发展。最近，装载量超过6000个集装箱的大型集装箱船已应用于实际。其船体的船舷外板和舱口挡板等重要构件使甩了板厚超过60mm、屈服

24、点为390MPa级的钢，并能进行350450kJcm的超大线能量焊接(电气焊(EGW：Electro Gas Welding)单道次)。以TMCP为基础，通过和防止焊接热影响区(HAZ)显微组织粗大化技术的组合，对船体用钢进行了进一步的开发。另一方面，世界各地经常发生船舶大量原油流出事故和船舶触礁沉没事故，从安全方面来看，对船舶发生事故的关注越来越高。对此，为提高船体构造的安全性和可靠性，开发了高强度钢。为解决用户在钢板切割和焊接等施工时发生钢板变形的问题，开发了控制残留应力的钢板。由于采用完全的温度分布控制来使残留应力均匀化很困难，因此开发了低残留应力型TMCP钢板，它是从硬件(采用强力矫直

25、机进行矫直)和软件两方面对TMCP工序中发生的残留应力进行综合控制的。6.2海洋结构件用钢板近年来，海底能源资源的开发地点正在向深海域、北海北部和北极海等寒冷海域推移。海洋结构件的建造也随之大型化，同时它们所处的环境也非常严酷，因此使用钢材的厚度也变得更厚、韧性更高。而且，使用钢材的屈服强度由屈服点355MPa级向420MPa级发展，尤其是最近还使用了屈服点500MPa级的钢。为进一步提高海洋结构件用钢板安全可靠性，作为破坏韧性的评价值，使用了接头部的CTOD值(Crack Tip Opening Displacement：裂纹尖端开口位移)，例如要求在-10时CTOD的值为0.25mm的情况

26、增多。为适应这种要求，必须应用TMCP技术，而且，还开发了利用控制脱氧的高HAZ韧性钢。6.3 建筑和桥梁用钢板在经历了阪神大地震的教训后，在对钢板焊接部的韧性要求进一步提高的同时，对建筑物的大型化(高层化和大空间化)所需的厚钢板和大线能量焊接的要求也越来越高。作为与之相反要求相对应的钢材，TMCP钢被广泛采用。最近，还开发了利用微细氧化物、氮化物和硼等能应用于高HAZ的大线能量焊接用钢。另外，日本是多地震之国，从抗震性的观点来看，高层建筑物一般使用高强度低屈服比钢，它是利用钢材的塑性变形能能够吸收地震的能量。为达到低屈服比，必须控制软质铁素体的百分率及其粒度。在生产高强度低屈服比钢时，有轧制

27、后缓慢控制冷却的方法和将冷却开始温度控制在Ar3点以下的方法等，它们都充分利用了TMCP技术。在桥梁领域，随着钢桥合理化设计的发展，开始越来越多地要求使用厚度和强度比以往高的钢材，来减少桥梁的主要桁架数量，提高焊接施工效率(无需焊接预热)。为此，开始根据TMCP钢应用后的低焊接裂纹敏感性组成(PCM)进行钢成分的最佳设计，扩大了其在桥梁领域的应用。最近，开发了通过降低碳含量和适当添加合金形成贝氏体化的超低碳贝氏体钢。另外，还开发了抗拉强度500MPa级的形变热处理贝氏体钢，它是利用奥氏体区域的强压下加工来强化位错，同时利用轧制后的冷却来获得微细贝氏体组织。6.4线管用钢板在高强度和高韧性干线管

28、的开发中充分利用了TMCP技术，同时它还广泛应用于耐酸性气体的干线管的生产。为降低酸性环境下的氢诱发裂纹(HIC)，应减少会导致HIC产生的S，并通过添加Ca来控制硫化物的形态，同时减少对HIC敏感的硬化组织区。TMCP对减少组织非常有效，例如采用TMCP可进行低C和低合金的成分设计，进而在连铸时可降低Mn等在板厚中心部的合金偏析量，尤其是在生产厚板时采用加速冷却可以抑制C向板厚中心部的扩散等，因此TMCP对提高抗HIC能力是不可或缺的工艺，TMCP钢已应用于许多耐酸性气体的干线管项目。6.5 压力水管用钢板 高压输水管领域是陆地结构件中强度最高，且使用板材极厚的最典型的领域，至今通过热处理后

29、已开始使用抗拉强度780MPa级的钢。但是，最近从提高输送能力和经济性的观点来看，对钢板的强度要求进一步提高，因此通过利用TMCP（CR-DQT）技术，开发了厚度达100mm、抗拉强度950MPa级的极厚钢板。6.6油罐用钢板最近，在油罐用钢板领域中越来越多地要求钢板母材和焊接接头双方都具有高的裂纹传播停止性能。为适应这些要求，例如以前在LPG油罐(-50)一直使用35Ni钢等，但通过使用TMCP技术，开发了Ni含量比以往钢减少(15Ni)，而且具有很好的裂纹传播停止性能和经济性的厚钢板，并已应用于实际。本项目是为中厚板生产中采用控制轧制控制冷却工艺生产专用钢板以及提高中厚钢板的机械性能而开发

30、的，并处于国际先进水平。在中厚板厂采用轧后在线控冷装置对中厚板进行轧后控冷是生产造船、锅炉、容器、石油、工程机械等专用钢板的必不可少的设施，它具有节约能耗、提高产品质量、减少合金元素、缩短生产周期等一系列优点。目前，国外大多中厚板厂大都采用了在线控冷装置。 对于中厚板厂生产的某些产品,如:锅炉板、压力容器板、造船板、低合金钢板、建筑用钢板、低碳管线钢、高强度机械用钢板以及一些待开发的新钢种等专用钢板需要采用控制冷却工艺来代替正火工艺，这样不但可以提高产品质量，而且可以节约大量能源消耗。国内、外以往经验表明，绝大多数中厚板产品完全可以采用控轧控冷工艺组织生产,而不再需要正火处埋。另外, 包括普通

31、碳素钢板在内的大多数钢板通过控制冷却也可以达到提高钢板性能合格率（约1%）和产品质量的目的。七、中厚板的控制冷却设计 7.1控制冷却目的几个阶段的作用钢材轧后控冷的目的是为了改善钢材组织状态，细化奥氏体组织，阻止或延迟碳化物在冷却过程中过早析出，使其在铁素体中弥散析出，提高强度。同时减小珠光体的尺寸细化珠体片层间距，改善钢材的综合力学性能。轧后控制冷却可以减少钢材表面的氧化铁皮生成量，防止钢材在冷却过程中由于冷却不均而产生的不均匀变形，造成钢材的扭曲或弯曲。 如果冷床能力不足，通过轧后控制冷却降低钢材进入冷床时的温度，可以部分或全部解决冷床能力不足的问题。 利用轧后余热进行余热淬火或进行变形热

32、处理，可以将变形强化和相变强化相结合，提高钢的强韧性，简化工艺程序，减少热处理次数，节省能耗。 控制轧后钢材轧后控制冷却一般分为三个阶段。即一般所说的一次冷却，二次冷却及空冷三个阶段：7.1.1一次冷却-轧后控制冷的第一阶段一次冷却是指从终轧开始到变形奥氏体向铁素体或渗碳体开始转变的温度范围内控制其开始快冷温度，冷却速度和控冷终止温度，在这段温度中采用快冷的目的是控制变形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大或碳化物过早析出形成网状碳化物，固定由于变形引起的错位，增加相变的过冷度，为变形奥氏体向铁素体或渗碳体和珠光体的转变做组织上的准备，相变前的组织状态直接影响相变机制，相变产物的形态，粗细大小和钢材

33、性能。经验表明，一次冷却的开始快冷温度越接近终轧温度，细化相变奥氏体的效果越好。7.1.2 二次冷却-轧后控制冷的第二阶段热轧钢材进行二次冷却之后，立即进入冷却的第二个阶段，即所谓二次冷却。二次冷却的目的是控制钢材相变时的冷却温度和冷却速度以及停止控冷的温度，以保证获得要求的相变组织和性能。7.1.3空冷-轧后控制冷的第三阶段 经过一次冷却和二次冷却后，相变全部结束，可以采用空冷进行冷却。由于快冷固溶在铁素体中的碳化物来不及析出，在空冷过程中随着温度的降低，不断在铁素体中弥散析出。7.2 中厚板控制冷却工艺设计 中厚板控制冷却工艺设计的内容如下：7.2.1冷却方式的选择板材的冷却方式主要依据以

34、下因素选择：冷却能力，冷却均匀程度，节省冷却介质，节省动力，可控性好，灵活可靠，对水质要求不高，容易维护保养并且能够用计算机控制。 冷却方式又分为：层流冷却：水从喷嘴的出口速度比较低，形成平滑连贯的水流直接落到板材表面，并在钢板上形成层流。 喷流冷却：也成为低压喷嘴冷却。水从喷嘴中以一定压力喷出，但水流没有达到破断的程度形成紊流，水直接喷射到钢板表面这种冷却方法穿透性好，在水膜厚的时候使用。 喷射冷却：也成为高压喷嘴冷却。水从喷嘴中以超出连续喷流的流速喷出，水流发生破断，形成水滴群，喷射到钢板表面进行冷却。 风冷：在冷床上进行风冷。 空冷：在空气中进行自然冷却。7.2.2水冷设备和系统设计按所

35、选择的水冷方式对水冷设备进行设计。新设计的控制冷却系统主要包括以下各项设计：水冷器的结构，水压，水量，水冷器的数量及布置，水路系统，仪表和控制系统。7.2.3控制冷却工艺参数设计。 根据控制冷却条件和钢板的组织性能要求，进一步选择和设计水冷工艺参数，其内容有：开始快冷温度，各水冷器的水压和水量，冷却时间，钢板移动速度，开启水冷器个数及顺序，钢板表面最高返红温度。然后根据钢板的控制冷却制度设计控制冷却程序，以便控制各工艺参数，达到预期的钢板组织和性能八、加速冷却设备从20世纪70年代后期开始加快研究利用轧制后的显热进行在线加速冷却生产高韧性、高强度钢板的技术。1980年日本厚板轧机首次在世界上采

36、用了在线加速冷却设备。在其后20年时间里，世界各国的厚板轧机也安装了加速冷却设备，通过将控制轧制技术和加速冷却技术的组合，厚板的生产已开始向低成分、高功能、省工序型的生产方向发展，为生产满足高质量要求的厚板做出了贡献。尤其是，将轧制后的钢板一下冷却至常温的DQ(Direct Quench：直接淬火)工艺也已应用于实际。该方法与以往的在线再加热（淬火.回火）方法相比，由于它能省略再加热工序，因此被广泛采用。8.1加速冷却设备的分类在线型加速冷却设备根据钢板的冷却输送方式的不同，可分为一下冷却方式和通过型冷却方式。一下冷却方式就是将冷却水一下子喷射到轧制后的整个钢板中进行冷却。从均匀冷却的观点来看

37、，通常是在冷却装置内进行振动。但是，由于冷却设备的长度必须超过钢板的长度、冷却结束时冷却水会滞留在钢板上面容易产生局部过冷却现象等，因此后来采用了使钢板一面通过，一面进行冷却的通过型冷却方式，它已成为加速冷却的主流方式。通过型冷却方式的加速冷却设备，其长度一般在20m左右。与以下冷却方式相比，它更加紧凑。另外，根据在冷却中一面将钢板进行约束，一面进行冷却，或在无约束下进行冷却的方法，可分为约束型冷却方式和无约束型冷却方式。约束型冷却方式是一面用上下辊约束钢板，一面进行冷却，因此能使上下水口比较接近钢板。上下水口一般是采用喷雾水口。无约束冷却方式是一种在带材热轧机的输出辊道上对钢板进行冷却的具有

38、代表性的冷却方式。为避免水口和钢板的冲突，因此采用了层流式方式，将水口的设置位置与轧制线保持一定的距离，尽管水口和钢板之间有一定的距离，但冷却能力也基本一样。关于在线加速冷却装置的设置位置，一种是设置在热矫直机前，另一种是设置在矫直机后，还有一种是设置两台矫直机，并在两台矫直机之间设置加速冷却装置。在热矫直机前设置加速冷却装置时，其优点是冷却开始温度可随意调整，不会妨碍轧机的生产能力，但在发生轧制变形的情况下，加速冷却装置的冷却均匀性稍稍变差。另外，在通过矫直机后进行加速冷却的方法因为是在对轧材形状矫正之后进行冷却，因此能进行约束型的加速冷却。但是，从轧制结束到加速冷却开始需要一定的时间，因此

39、冷却开始温度会因热矫直机的位置而变低。另一方面，在加速冷却前后设置矫直机方式的优点是，在消除轧制变形后能进行加速冷却，采用后面的矫直机能够消除加速冷却时发生的变形，但缺点是设备费高。 8.2 冷却水口加速冷却用的水口是用来冷却宽度大的钢板，因此重视冷却的均匀性。以下就主要冷却水口的特征进行介绍。 层流式水口。在水口出口喷流速度较慢的情况下，水流会变成层流，层流式水口就是利用这种层流的水流进行冷却的。即使水口和钢板有距离，也能得到高的冷却能力，因此无约束型冷却方式的冷却水口已取得很多的应用效果。层流式水口分为圆管层流式水口和扁平(缝、隙)层流式水口。前者由输送管形成圆柱形冷却水流，后者由缝隙状水

40、口形成平板状冷却水流。 缝隙喷射式水口。缝隙喷射水口是一种水口出口喷流速度较慢，喷流表面采用凸状紊流状态喷流进行冷却的冷却水口。当水口和钢板之间有一定距离时，紊流状态的冷却水流会形成雾化使冷却能力下降，因此采用了将水口靠近钢板的约束型冷却方式。 喷水式水口。喷水式水口是利用加压水形成的破断的液滴流进行冷却的冷却水口，在市场上能够便宜买到，是一种最普通的水口。应用于厚板冷却时要配置很多水口，因此喷射角度和喷射角等的选择很重要。 喷雾式水口。喷雾式水口是利用空气将加压的水细化，用细化的液滴群进行冷却的方法。为供给空气，配管变得复杂，但因为能够增大喷射角度，因此每根喷嘴的喷射范围大。另外，关于这些水

41、口的基本冷却特性，进行了详细研究和整理。对于各种冷却喷嘴的导热率，根据水量密度(每单位体积供给的水量)和表面温度的函数进行了整理。 8.3关于防止变形措施的研究在加速冷却技术中，关键是要对宽幅钢板进行均匀冷却，使钢板材质均匀，同时确保钢板具有平直形状，也就是说，最大的课题就是防止钢板变形的措施。为提高加速冷却装置的冷却均匀性，进行了各种研究。其中，有将水口交叉安装的方法：有为使钢板上下均匀冷却，将下面的水量增大至上面水量22.5倍的冷却方法。另外，采用一下冷却方式时存在着钢板上面排水的问题，对此采取了提高上面冷却水口0N一0FF特性的措施，对水口的形式进行了研究。关于均匀冷却的研究，已向不会发

42、生变形的冷却技术方面发展，研究了冷却控制性能更高的冷却技术。关于厚板不良形状，主要是板宽方向上产生的上凸或下凸的翘曲，具有代表性的翘曲是C形翘曲、端部或尾部翘起来的L形翘曲、切成条状后发生切条状翘曲等。这些变形产生的原因之一是钢板四周出现的不可避免的温度下降。对此，在硬件方面，作为宽度方向板端部的冷却控制，提出了对宽度方向的水量分布进行冠冕状分布控制的方法；将喷向板端部的冷却水进行部分边缘遮蔽的方法；根据流量曲线和导热率，通过传热模型给板宽方向的最佳水量分布的方法。关于钢板的端部和尾部的冷却控制，提出了在钢板的端部和尾部通过时将冷却水进行前后遮蔽控制的方法。而且，由于热变形是因为钢板的上面和下

43、面较小的温度滞后差所引起的，因此研究了优化下面水口配置，减小上下冷却能力偏差的方法。尤其是，随着数值解析方法的发展，开发了能对因冷却曲线和温度滞后不同而产生的变形进行预测的技术。采用热弹性塑性解析法对C形翘曲进行了数值解析，研究了端部翘曲的控制，并对冷却中的翘曲进行了解析。通过这种解析技术和温度计测的组合，能在线对钢板的形状和质量进行判定，并根据切条钢板翘曲的解析和温度分布，建立了形状评价系统，对钢板的残留应力进行了评价。由上可知，通过均匀冷却来稳定材质和形状对加速冷却来说是很重要的因素，各钢铁公司都研究了各种不同的措施。 九、今后的展望 21世纪可以说是地球环境保护的世纪。最近全世界有关全球

44、变暖、地球环保和LCA(Life Cycle Assessment：生命周期评价)的争论说明了地球环境保护是一个多么紧迫、重要的课题，从保护地球环境的观点来看，今后节省资源、节省能源、安全性和长寿命化已成为全社会的要求。能够减少合金元素和省略热处理的TMCP已成为钢铁生产中越来越重要的技术。另外，对于钢结构件也要求它具有能满足社会的上述要求的特性。由此可以预测市场对TMCP钢的要求除了进一步提高强度和韧性外，还要求提高结构件的安全性和耐久性，提高焊接性、加工性和钢板的平直度等将成为大幅度提高钢板加工性的中心。能够节能的结构件的轻量化离不开高强度和高韧性，因此高强度钢得到了广泛应用。确保地震、火

45、灾和事故发生时的安全性已成为越来越重要的问题，高安全性钢和高抗断裂性钢也将成为高强度钢的生产标准。由于用户对能够大幅度延长钢结构件使用寿命的疲劳特性和耐蚀性高的钢材的需求，以及对加工经济性的要求越来越高，加之超大线能量焊接技术已被广泛采用，因此良好的加工性和切割时不会产生变形也将成为高强度钢的生产标准。为实现中厚板的特性要求，开发了TMCP新技术。今后有必要通过与其它技术的组合，探索TMCP钢的新功能。在逐步实现TMCP钢的新功能的同时，应根据市场的要求来、采取切实可行的措施，扩大TMCP技术的应用十、结论：控制轧制和控制冷却工艺是一相节约合金，简化工序，节约能源消耗的先进轧钢技术。它能通过工艺手段充分发挥钢材的潜力，大幅度提高钢材综合性能，给冶金企业和社会带来巨大的经济效益。虽然中厚板控制轧制和控制冷却技术比较完善，但它还是有待于21世纪年轻人继续开发，充分发挥控轧控冷的潜力，进一步提高中厚板的综合性能，以扩大中厚板市场。参考文献：1.吕立华 金属塑性变形与轧制原理北京 化学工业出版社 20072.景荣春 材料力学 北京 清华大学出版社 20063.孟延军 轧钢基础知识 北京 冶金出版社 20074.王志刚 金属材料与热处理 吉林 吉林大学出版社 20095.尹 楠 工程力学 北京 国防科技大学出版社 20096.束德林 工程材料力学性能 北京 机械工业出版社 2009