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收藏词条   编辑词条 控制冷却

创建时间:2008-08-02

热轧后对钢材进行的旨在控制相变组织和提高钢材力学性能的冷却。

控制冷却是在精轧机后输出辊道上设置一个一定长度的冷却带,钢材热轧后通过冷却带,按一定的冷却制度进行的冷却。冷却制度根据钢的化学成分和对钢材的组织性能的要求决定。

钢材的轧后控制冷却,是20世纪50年代兴起的技术,问世以后发展很快,已应用在线材、带钢、厚板、钢管和型钢的生产上。在控制冷却的发展史上,线材控制冷却是最早的。1957年美国路易斯(D.Lewis)提出,在精轧机和卷取机之间的输送管中喷水对线材进行冷却。1959年克鲁姆(E.J.Crum)发明的一种“loopro”线材控制冷却方法得到应用。由于能源危机和石油工业的发展,促进了控制冷却在带钢生产上的应用。采用控制轧制和轧后控制冷却工艺可生产出高寒地区应用的具有高强度和好的低温韧性的管线用钢。厚板生产应用控制冷却(见钢板控制冷却)比带钢生产要晚些,1980年在日本福山制铁所厚板厂建成世界第一个厚板在线控制冷却装置。近年来控制冷却在钢管和型钢生产上也有应用(见钢管控制冷却和型钢控制冷却)。

理论基础    

轧后控制冷却的机理根据钢材冷却的3个阶段而有所不同。

 

(1)第一阶段——从终轧到Ar3,温度区间。终轧后,特别是在奥氏体末再结晶区轧制后,在奥氏体内产生了大量位错和变形,奥氏体晶粒产生了很大变形。在相变前如进行定强度的冷却,既可阻止在高温下奥氏体晶粒的长大,又可阻止碳化物过早析出,同时也可适当固定位错,增加相变的过冷度,为变形奥氏体以后的相变作好组织上的准备。

(2)第二阶段——从Ar3到以后的相变温度区间。在此温度区间奥氏体发生相变。冷却速度在这个温度区间起着决定的作用。图l是09MnNb钢860oC终轧时的动态CCT曲线。从图中可见,如以0.5-2oC的冷却速度进行冷却,则得到的相变组织是l叨F+P。在得到F+P的范围内,冷却上速度越大,得到的珠光体比例越多,珠光体的片层间距也越小,铁素体晶粒也细小。如以5一15oC/s的冷却速度进行冷却,则可得到F+B组织。在得到F+B的范围内冷却速度越大,得到的贝氏体比例越大,贝氏体组织也越细小。在第二阶段,选择适当的冷却速度是非常重要的。而冷却速度的选择则要根据钢的化学成分和所要求的钢材性能来决定。

(3)第三阶段——第二阶段后的空冷。空冷主要起自回火和消除由前段快冷产生的应力的作用,也有增大析出强化和使相变组织均匀化的作用。

强韧化机理       

经控制冷却的钢材,其强度和韧性都有提高,尤其是强度提高很大。强韧化机制包括:铁素体晶粒的细化,由贝氏体或其他相的强化,析出强化(见强韧性控制)的增大。与控制轧制钢材相比,控制冷却钢材的强度提高量(Δσs’Δσb)可近似用下式表示:

                     Δσs=Ky(Δd-1/2)+Δσppt+α             (1)

                      Δσb=Ky(Δd-1/2)+Δσppt’+KBfB+β                (2)

式中Ky,K为霍尔-佩奇(Hall-Petch)公式中与晶粒度有关的系数;d为铁素体晶粒直径;KB为贝氏体的强化系数;fB 为贝氏体体积百分数,%;Δσppt,Δσppt’为由控制冷却产生的析出强化的增大量;α、β为修正量。

                          

冷媒的冷却能力   

水属于沸腾型冷媒,在钢铁生产中多采用水冷却。在金属学中常用冷却速度来表示冷却能力,因为它很直观,但冷却速度不能用于传热计算的边界条件。在机械工程和化学工程中一直是采用传热系数h和热流束q作为传热计算的边界条件。h和q是客观的,h和q的关系是:

          Q=h(θs-θc)

式中θs是钢材表面温度;θc是冷媒温度。传热系数h能定量地表示冷媒的冷却能力,它对选择冷媒的种类和冷却方法,对冷却设备的设计和钢材加工中的传热现象的分析,都是很有用处的。

钢材的表面温度θs和表面性状、水量密度、流动状态及水的温度等对水冷却的传热系数h有着复杂的影响。因此在各种冷却条件下h值的变化是比较大的,根本原因是蒸气膜的破坏方法左右着热量的传递。钢材表面温度θs对水的冷却能力有很大的影响。如图2所示,θs在200~300oC范围内(核沸腾区)冷却能力最大,在400~600℃以上的范围内(膜沸腾区)冷却能力则变小。水量密度对冷却能力也有较大影响。水量密度增加,则冷却能力也增大,图2中曲线上移,而曲线的形状基本不变。水温对冷却能力有一定的影响,水温上升则冷却能力下降,特别是在浸渍冷却和层流冷却时应该考虑这个因素。钢材的表面性状对冷却能力也有影响。由于钢材的材质和表面粗糙度不同,液滴“濡湿”状态和莱顿弗罗斯特点(Leidenfrost)也不同,这就说明表面性状对冷却能力是有影响的。从图2中可见钢材表面的氧化铁皮的厚薄对冷却能力的影响。

                           

冷却制度的控制参数      

对使用单一冷却速度的常规冷却制度来说,主要控制开始冷却温度、冷却速度和终止冷却温度。对使用具有两个以上冷却速度的冷却制度来说,除控制开始冷却温度、终止冷却温度和几个冷却速度外,还要控制不同冷却速度间的转变温度。开始冷却温度是冷却开始时的钢材的温度。终止冷却温度是水冷终止空冷开始时的钢材的温度。开始冷却温度、冷却速度和终止冷却温度对钢材的组织和性能都有影响,因此必须根据钢材的化学成分和所要求的组织性能来选择。冷却速度和终止冷却温度是通过控制水量密度和冷却时间(调整冷却带长度和钢材的运行速度)来实现的。

方法及应用    

各种冷却方法的名称和定义因人而异,有的也相当不明确,根据日本平田的定义区分如下:

(1)层流冷却。把水加压从喷嘴喷射出来,形成喷流,在喷流的出口速度比较低时,形成平滑的层流喷流。该喷流在某一定距离落下,就产生轴对称的振动,致使喷流破坏,形成液滴流。在不产生振动的范围内,喷射距离较长,可得到强冷却,所以使用在喷射距离460远,并需要进行强冷却的地方。如在热轧输出辊道上采用的管层流冷却和幕状层流冷却。(见层流冷却)

(2)喷流冷却。若增加喷流出口速度,层流就变成了紊流喷流,在喷流表面产生疙瘩状的混乱而达到喷流破断,用达到破断前的连续的喷流进行冷却的方法叫喷流冷却。这种冷却方法穿透性好,在水膜厚的场合使用,如厚板的压力淬火和辊式淬火。

(3)喷射冷却。把水加压从喷嘴喷出时,在大于连续喷流的流速下,液流破断,形成液滴群,冲击固体表面,用这种液滴群进行冷却的方法叫喷射冷却。喷射喷嘴可控制的冷却能力范围不太宽,并且需要比上述冷却方法更高的水压;可用于钢板控制冷却的下部冷却。

(4)喷雾冷却。使用加压空气把水喷成雾状进行的冷却。使用空气的目的是:加速液滴,提高冷却能力;把液滴微细化,给予不太大的动能,微调冷却能力。由于使用空气和水,配管系统和喷嘴结构也稍变复杂,但能在从空冷到强水冷却的较广的范围内控制冷却的能力。当有必要在大范围内控制冷却能力和水的使用量受到限制并有必要进行强冷却时,喷雾冷却是有效的。

(5)浸渍冷却。把钢材浸在冷却水中进行冷却的方法。这是早就有的最简单的冷却方法。用此法冷却,对冷却能力的控制是困难的,冷却的均匀性也差。为此常使用水流或空气流对静止的冷却水进行搅拌,以提高冷却能力和冷却均匀性。

(6)管内流水冷却。水在管内或平行板问流动对钢材进行冷却的方法。对于冷却水平行于传热面流动和水冲击传热面两种情况来说,一般认为后者具有大的冷却能力。但实际上,没有自由表面的平行水流,有可能达到更大的冷却能力。

(7)空冷。把高温物体放置在自然条件下,不进行任何水或空气的强制冷却,只靠自然对流和辐射散失热量。

(8)强制风冷。该法是介于空冷和弱水冷之间的一种喷射气体的冷却方法,通常叫做风冷,广泛地应用于钢铁生产过程中。

以上8种冷却方法,在实际生产中应根据工艺需要进行选择,并优先考虑冷却能力(或可能达到的冷却速度)、冷却的可控制性和冷却的均匀性等特点。对于冷却装备还要考虑尽量节省水耗量、节省动力、节省投资、占地面积小、噪声小和维修方便等方面。

应用效果     

控制冷却的应用效果有:

(1)节省能耗,降低生产成本。利用钢材轧后余热,通过控制冷却控制相变过程,可以部分取代以前一直采用的轧后经再加热进行的正火或淬火一回火的热处理工艺。节省了再加热的能耗,减少了工序,缩短了生产周期,从而降低了生产成本。

(2)提高钢材强度改善钢材韧性。经控制冷却的钢材,强度可以提高很大,韧性也得到改善。

(3)降低碳当量提高焊接性能。对于某一强度级别的钢材,可以降低原钢种的碳含量和合金元素含量,使碳当量降低,从而提高焊接性能。另外还可能用给定化学成分的钢号,采用不同的控制冷却工艺,生产出不同级别的钢材来。

(4)控制冷却与控制轧制相结合,选择适当的化学成分,可创造出新的钢种。如已生产出含Ni3.5%的控制冷却型低温用钢,代替含Ni3.5%的热处理型低温用钢。控冷后得到非常细小的贝氏体组织,即使碳当量很低也能达到需要的强度,低温韧性也好。

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