1、2022年5月31日17时12分1第第 4 章章 钢材控制冷却理论基础钢材控制冷却理论基础了解控制冷却各阶段冷却的目的，不同轧材控冷的方法及强韧化机理。4.1控冷各阶段的冷却目的和冷却方式的选择了解控制冷却的目的，不同冷却阶段的控制特点。4.2轧后快速冷却的强韧化机制制掌握板材、线材控冷的方法及强韧化机理。2022年5月31日17时12分共32页 第2页4钢材控制冷却理论基础钢材控制冷却理论基础4.1热轧钢材轧后冷却目的及分类4.1.1控冷目的：为改善钢材的组织状态，提高钢材性能。缩短热轧钢材的冷却时间，提高轧机的生产能力。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
2、，同时减小珠光体团的尺寸，细化珠光体片片间距轧后控制冷却还可以防止钢材在冷却过程中由于冷却不均产生不均匀变形，而使钢材扭曲或弯曲。利用余热进行轧后余热淬火或进行形变热处理，将形变强化和相变强化相结合，提高钢的强韧性，简化工艺程序，减少热处理加热次数，节省能耗2022年5月31日17时12分共32页 第3页轧后控制冷却的冷却介质n热轧钢材采用轧后控制冷却的冷却介质可以是气体、液体以及它们的混合物其中液体，特别是水做为冷却介质最为常用。具体的冷却方法因产品品种、轧后冷却目的小同而异。2022年5月31日17时12分共32页 第4页控制冷却对高温终轧的钢材作用n高温终轧钢材，轧后处于奥氏体完全再结晶
3、状态，如果轧后空冷，则变形奥氏体晶粒将在冷却过程中长大，相变后得到粗大的铁素体组织。冷却缓慢，奥氏体转变的珠光体粗大，片层间距加厚，力学性能较低。2022年5月31日17时12分共32页 第5页控制冷却对低温终轧的钢材作用 n低温终轧钢材，终轧时奥氏体处于未再结晶温度区域。n变形影响使相变温度提高，终轧后奥氏体很快就相变，形成铁素体。n在高温下形成的铁素体成长速度很快。n如果轧后采用的是慢冷，铁素体就有足够的长大时间，到常温时就会形成较粗大的铁素体，从而降低了控制轧制细化晶粒的效果。n对HSLA钢，采用控轧控冷能得到更加细小的铁素体+贝氏体，甚至全部为细小贝氏体组织，使强度，低温韧性和焊接性能
4、升高2022年5月31日17时12分共32页 第6页 控制冷却对高碳钢和高碳合金钢轧制后的作用n对于高碳钢和高碳合金钢轧制后控制冷却的目的则是防止变形后的奥氏体晶粒长大n降低以致阻止网状碳化物的析出量和降低级别，保持碳化物的固溶状态，达到固溶强化的目的n减个珠光体球团尺寸，改善珠光体形貌和片层间距，从而改善钢材的性能。2022年5月31日17时12分共32页 第7页 结论结论n控制冷却钢材的性能取决于轧制条件和冷控制冷却钢材的性能取决于轧制条件和冷却条件却条件。n轧材冷却之前的组织状态，取决于控制轧轧材冷却之前的组织状态，取决于控制轧制工艺参数制工艺参数n控制冷却的条件控制冷却的条件(开冷温度
5、、冷却速度、开冷温度、冷却速度、终冷温度等终冷温度等)对相变前的组织和相变后的对相变前的组织和相变后的相变产物、析出行为、组织状态都有影响。相变产物、析出行为、组织状态都有影响。n为获得理想的控制冷却钢材的性能，就要为获得理想的控制冷却钢材的性能，就要将控制轧制和控制冷却很好的结合起来。将控制轧制和控制冷却很好的结合起来。最终目的：在不降低韧性的前提下提高强度最终目的：在不降低韧性的前提下提高强度2022年5月31日17时12分共32页 第8页带钢表面局部换热区描述带钢表面局部换热区描述2022年5月31日17时12分共32页 第9页4.1.2控制冷却分类控制冷却分类n可分为轧制中间段冷却和轧
6、后控制冷却可分为轧制中间段冷却和轧后控制冷却n一般可把轧后控制冷却过程分为三个阶段，称为一般可把轧后控制冷却过程分为三个阶段，称为一次冷却、二次冷却和三次冷却一次冷却、二次冷却和三次冷却(空冷空冷)。v一次冷却是指从终轧温度度开始到变一次冷却是指从终轧温度度开始到变形奥氏体向铁素体开始转变温度形奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3，或二次碳化物开始析出温度或二次碳化物开始析出温度Arcm这个这个温度范围内的冷却控制温度范围内的冷却控制v一次冷却包括一次冷却包括控制开始快冷温度控制开始快冷温度、冷冷却速度却速度和和快冷终止温度快冷终止温度。2022年5月31日17时12分共32页 第10页冷却的目的
7、：冷却的目的：控制变形奥氏体的组织状态控制变形奥氏体的组织状态，阻止奥氏体晶粒的长大阻止奥氏体晶粒的长大，阻止碳化物析出，阻止碳化物析出，固定因变形而引起的位错固定因变形而引起的位错，降低相变温度、降低相变温度、为相变做组织准备。为相变做组织准备。相变前组织状态直接影响相变机制和相交产物相变前组织状态直接影响相变机制和相交产物的形态、粗细大小和性能。的形态、粗细大小和性能。冷却的开始快冷温度越接近终轧温度细化变形冷却的开始快冷温度越接近终轧温度细化变形奥氏体和增大有效晶界面积的效果越明显。奥氏体和增大有效晶界面积的效果越明显。2022年5月31日17时12分共32页 第11页二次冷却控制二次冷
8、却控制二次冷却：相变开始温度到二次冷却：相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却相变结束温度范围内的冷却控制。控制。 目的是控制钢材相变时的目的是控制钢材相变时的冷却速度和停止控冷的温度。冷却速度和停止控冷的温度。保证钢材快冷后得到所要求保证钢材快冷后得到所要求的金相组织和力学性能。的金相组织和力学性能。2022年5月31日17时12分共32页 第12页三次冷却三次冷却(空冷空冷)n指相变后至室温范围内的冷却。指相变后至室温范围内的冷却。n低碳钢相变全部结束后，冷却速度对组织没有影低碳钢相变全部结束后，冷却速度对组织没有影响。响。n含含Nb钢在空冷过程中会发生碳氮化物析出对生钢在空冷过程中会发生
9、碳氮化物析出对生成的贝氏体产半轻微的回火效果。成的贝氏体产半轻微的回火效果。n高碳钢或高碳合金钢相变后空冷时将使快冷时来高碳钢或高碳合金钢相变后空冷时将使快冷时来不及析出的过饱和碳化物继续弥散析出。如相变不及析出的过饱和碳化物继续弥散析出。如相变完成后仍采用快速冷却工艺，可以阻止碳化物析完成后仍采用快速冷却工艺，可以阻止碳化物析出，保持其碳化物固溶状态达到固溶强化的目的。出，保持其碳化物固溶状态达到固溶强化的目的。2022年5月31日17时12分共32页 第13页4.1.34.1.3常用的具体的冷却方法常用的具体的冷却方法n设备选择依据：以冷却目的为依据，根设备选择依据：以冷却目的为依据，根据
10、产品形状特点，性能要求，考虑设备据产品形状特点，性能要求，考虑设备冷却能力冷却能力大小和范围，大小和范围，冷却均匀程度，冷却均匀程度，冷却能力调整的难易，耗水（气）多少，冷却能力调整的难易，耗水（气）多少，对水质要求，冷却能力稳定性以及维修对水质要求，冷却能力稳定性以及维修难易程度选择难易程度选择2022年5月31日17时12分共32页 第14页4.1.34.1.3常用的具体的冷却方法常用的具体的冷却方法n( 1)喷水冷却喷水冷却(喷流冷却喷流冷却)n水从压力喷嘴中以一定压力喷出水流，而水流水从压力喷嘴中以一定压力喷出水流，而水流为连续的，没有间断现象，但是呈紊流状态。为连续的，没有间断现象，
11、但是呈紊流状态。采用这种水流破断以前的连续喷流的冷却方法采用这种水流破断以前的连续喷流的冷却方法叫做喷流冷却，或叫做高压喷水冷却。叫做喷流冷却，或叫做高压喷水冷却。q特点特点n这种冷却方法穿透性好，在水膜比较厚的时候这种冷却方法穿透性好，在水膜比较厚的时候采用。采用。n一般应用在中厚钢板轧后冷却和钢板淬火。一般应用在中厚钢板轧后冷却和钢板淬火。n在型钢冷却中进行局部冷却也可使用。该冷却在型钢冷却中进行局部冷却也可使用。该冷却方法水的喷溅利害，所以水的利用率较差。方法水的喷溅利害，所以水的利用率较差。2022年5月31日17时12分共32页 第15页( 2)( 2)喷射冷却喷射冷却n 将水加压由
12、喷嘴喷出的时，如果超过连续喷将水加压由喷嘴喷出的时，如果超过连续喷流的流速时则水流发生破断，形成液滴群冲击流的流速时则水流发生破断，形成液滴群冲击被冷却的钢材表面。被冷却的钢材表面。n这种用液滴群冷却的方法叫做喷射冷却。这种用液滴群冷却的方法叫做喷射冷却。n该方法适合于一般冷却及各种用途的喷嘴。该方法适合于一般冷却及各种用途的喷嘴。n用用同一喷嘴同一喷嘴所能控制的冷却能力范围不太宽，所能控制的冷却能力范围不太宽，并且需要比其它方法施加更高的压力。并且需要比其它方法施加更高的压力。 2022年5月31日17时12分共32页 第16页(3)(3)雾化冷却雾化冷却 n用加压空气使水雾化，水和高压高速
13、气流一起从喷用加压空气使水雾化，水和高压高速气流一起从喷嘴喷出形成雾状，这种冷却方法叫做雾化冷却。嘴喷出形成雾状，这种冷却方法叫做雾化冷却。n为提高冷却能力用空气加速水滴为提高冷却能力用空气加速水滴n为控制冷却能力用空气使水滴微细化，而不给予太为控制冷却能力用空气使水滴微细化，而不给予太大的动能，这一般称为雾化或叫做雾冷大的动能，这一般称为雾化或叫做雾冷n缺点缺点n由于使用了空气造成联合喷嘴结构和配管系统比较复杂，由于使用了空气造成联合喷嘴结构和配管系统比较复杂，设备费用增加、噪音大和车间雾气较大。设备费用增加、噪音大和车间雾气较大。n优点优点n调整冷却能的范围却较大，可以实现单独风冷、弱调整
14、冷却能的范围却较大，可以实现单独风冷、弱水冷、喷水冷水冷、喷水冷n冷却比较均匀。冷却比较均匀。2022年5月31日17时12分共32页 第17页(4)(4)层流冷却层流冷却n以一定压力的水从喷嘴喷出形成喷流，当喷射的以一定压力的水从喷嘴喷出形成喷流，当喷射的出口速度比较低时，形成平滑的喷射喷流。这种出口速度比较低时，形成平滑的喷射喷流。这种平滑的层状喷流落到一定距离时，出于水的加速平滑的层状喷流落到一定距离时，出于水的加速度影响而破断成液滴流，破坏了层流状态。度影响而破断成液滴流，破坏了层流状态。n这种层流喷流的冷却方法叫做层流冷却。这种层流喷流的冷却方法叫做层流冷却。n喷流可在一较长距离内保
15、持水的层流状态，获得喷流可在一较长距离内保持水的层流状态，获得很强的冷却能力。很强的冷却能力。n该方法一般在要求强冷时使用。目前钢板生产中该方法一般在要求强冷时使用。目前钢板生产中采用管层流和板层流二种方式。采用管层流和板层流二种方式。2022年5月31日17时12分共32页 第18页 层流冷却层流冷却2022年5月31日17时12分共32页 第19页2022年5月31日17时12分共32页 第20页(5)(5)浸水冷却浸水冷却n将热轧钢材直接浸入冷却水中进行快速冷却的方将热轧钢材直接浸入冷却水中进行快速冷却的方法叫做浸水冷却。法叫做浸水冷却。n缺点缺点n冷却能力很难控制、冷却不均匀易引起轧件
16、弯曲、冷却能力很难控制、冷却不均匀易引起轧件弯曲、钢材组织不均匀、冷却能力随水温变化而变化很钢材组织不均匀、冷却能力随水温变化而变化很大等。大等。n这种冷却方法目前在生产中通过设备机构上的改这种冷却方法目前在生产中通过设备机构上的改进和自动程序控制等措施，在钢材冷却中仍被使进和自动程序控制等措施，在钢材冷却中仍被使用。用。n某些钢厂热轧钢管轧后快速冷却时就采用钢管浸某些钢厂热轧钢管轧后快速冷却时就采用钢管浸水法进行冷却。水法进行冷却。2022年5月31日17时12分共32页 第21页( 6)管内流水冷却管内流水冷却n水在管内及平行板之间流动，热钢材在其间通水在管内及平行板之间流动，热钢材在其间
17、通过并进行冷却的方法叫做管内流水冷却。过并进行冷却的方法叫做管内流水冷却。q分类（分类（由于水冷器型式不同，水流状态不同，冷却能力和效果有由于水冷器型式不同，水流状态不同，冷却能力和效果有很大差别）很大差别）n双层套管冷却器双层套管冷却器n环缝式冷却器环缝式冷却器n湍流式冷却器等。湍流式冷却器等。q特点特点n作为高效冷却设备用，它可以得到高度均匀的作为高效冷却设备用，它可以得到高度均匀的冷却效果冷却效果n在线材、棒材冷却中广为采用在线材、棒材冷却中广为采用2022年5月31日17时12分共32页 第22页不同冷却方法的冷却能力比较不同冷却方法的冷却能力比较2022年5月31日17时12分共32
18、页 第23页 4.2 4.2 控轧快冷的强韧化机制控轧快冷的强韧化机制n快速冷却的强化机理与控制轧制机理有本快速冷却的强化机理与控制轧制机理有本质不同。质不同。q轧后快速冷却实质是控制已经过轧制后细轧后快速冷却实质是控制已经过轧制后细化的变形奥氏体组织在快速冷却时化的变形奥氏体组织在快速冷却时相变组织相应的变化相变组织相应的变化钢中析出物的大小、数量钢中析出物的大小、数量析出部位发生的变化析出部位发生的变化目的：使钢材的强韧性得以提高的目的：使钢材的强韧性得以提高的2022年5月31日17时12分共32页 第24页1)轧后快速冷却对钢材强度的影响轧后快速冷却对钢材强度的影响q强化机理强化机理铁
19、素体晶粒细化铁素体晶粒细化珠光体片层间距减小珠光体片层间距减小贝氏体量的增多和碳、氮化合物的析出贝氏体量的增多和碳、氮化合物的析出2022年5月31日17时12分共32页 第25页 2)2)轧后冷却速度的影响轧后冷却速度的影响q工艺条件工艺条件n坯料厚度为坯料厚度为130mm，加，加热温度为热温度为1200度和度和1100 度，在度，在900 C以下的累积以下的累积压下率为压下率为70，终轧温，终轧温为为800 C，终轧厚度为，终轧厚度为20mm。n 轧后快速冷却采用喷雾轧后快速冷却采用喷雾冷却设备。冷却设备。n 精轧从精轧从780快速冷却到快速冷却到600度，平均最大冷却速度，平均最大冷却速
20、度为度为12s。其后空冷。其后空冷至常温。至常温。n快速冷却材的力学性能与快速冷却材的力学性能与冷却速度的关系下冷却速度的关系下2022年5月31日17时12分共32页 第26页3)Nb3)Nb、TiTi含量的影响含量的影响nNiNi和和TiTi是抑制轧制中是抑制轧制中奥氏体静态再结晶，奥氏体静态再结晶，同时具有析出强化能同时具有析出强化能力的微量元素力的微量元素n给出了控轧材和控冷给出了控轧材和控冷材的力学性能随材的力学性能随NbNb、TiTi含量不同的变化图含量不同的变化图n工艺条件工艺条件n加热温度为加热温度为1100nNb钢轧后以钢轧后以78snTi钢以钢以1012s的冷却速度进行冷却
21、的冷却速度进行冷却2022年5月31日17时12分共32页 第27页TiTi含量不同的变化图含量不同的变化图nNbNb含量达到含量达到0.040.04时强度急剧时强度急剧提高，其后呈现出饱和倾向。提高，其后呈现出饱和倾向。当当NbNb量在量在0.040.04以上时，控轧以上时，控轧材和空冷材的强度差是材和空冷材的强度差是5050一一60MPa60MPa。n性能差别分析性能差别分析n加热温度使加热温度使NbNb固溶量变固溶量变化化n相变前奥氏体组织变化相变前奥氏体组织变化引起相变组织的细化引起相变组织的细化n快冷使贝氏体生成量变快冷使贝氏体生成量变化等因素的影响化等因素的影响。2022年5月31
22、日17时12分共32页 第28页4 4）轧后冷却速度和含）轧后冷却速度和含NbNb量与铁素体晶粒尺小和贝量与铁素体晶粒尺小和贝氏体体积率的关系氏体体积率的关系2022年5月31日17时12分共32页 第29页轧后快速冷却对钢材韧性的影响轧后快速冷却对钢材韧性的影响n钢的快速冷钢的快速冷却使材料强却使材料强度提高的同度提高的同时也使其韧时也使其韧性变化。性变化。2022年5月31日17时12分共32页 第30页5)5)控轧、控冷工艺参数对控轧、控冷工艺参数对CCTCCT曲线的影曲线的影响响n 通过钢在奥氏体再结晶区及未再结晶区域内的轧制变形及合理的轧后通过钢在奥氏体再结晶区及未再结晶区域内的轧制
23、变形及合理的轧后控制冷却来获得微细的室温组织。控制冷却来获得微细的室温组织。n需要正确地制定控冷工艺，必须充分了解热轧工艺参数对需要正确地制定控冷工艺，必须充分了解热轧工艺参数对轧后轧后CCTCCT曲线的影响规律。曲线的影响规律。n影响钢的轧后影响钢的轧后CCTCCT曲线位置与形状的控轧、控冷工艺参数包曲线位置与形状的控轧、控冷工艺参数包括：括：n（1 1）钢的加热温度，）钢的加热温度，n（2 2）奥氏体再结晶区轧制变形工艺参数（轧制温）奥氏体再结晶区轧制变形工艺参数（轧制温度和变形量）度和变形量）n（3 3）奥氏体再结晶未再结晶区轧制变形工艺参数）奥氏体再结晶未再结晶区轧制变形工艺参数n影响
24、最终形式表现在钢从奥氏体再结晶区热轧进入奥氏体影响最终形式表现在钢从奥氏体再结晶区热轧进入奥氏体未再结晶区热轧前的奥氏体粒尺寸未再结晶区热轧前的奥氏体粒尺寸2022年5月31日17时12分共32页 第31页奥氏体晶粒大小对奥氏体晶粒大小对CCT的影响的影响利用热加工模利用热加工模拟试验对不同拟试验对不同再结晶晶粒尺再结晶晶粒尺寸条件下的试寸条件下的试样以不同方法样以不同方法冷却冷却采用热膨胀法采用热膨胀法测得的测得的16Mn钢钢CCT细细 中中 粗粗轧后轧后 随着随着晶粒晶粒变细，整个向变细，整个向上向左方向移上向左方向移动动2022年5月31日17时12分共32页 第32页未再结晶区变形量的影响未再结晶区变形量的影响42270变形变形4848变形变形2727变形变形0 02022年5月31日17时12分共32页 第33页未再结晶区变形温度的影响未再结晶区变形温度的影响800830860钢在冷却过程中的组织转变钢在冷却过程中的组织转变1 等温处理等温处理 2 连续处理连续处理
