温轧机(钢坯轧制过程温度确定的研究)

Posted 2023-06-01

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温轧机(钢坯轧制过程温度确定的研究)

不同的钢种、不同的板坯规格、采用不同的轧机型式，以不同的轧制速度进行轧制，对于轧制不同厚度的成品而言，要求采用不同的钢坯加热温度和和钢坯的加热时间。

本文以成品不同温度时的晶相组织为依据，结合不锈钢轧制时的热应力分析，再参考铁碳相图，制定成品不同厚度的终轧温度，再通过建立轧制过程热模型，反算出板坯的出炉温度，从而对各种形式的加热和轧制提供加热依据。

1、不锈钢加热温度的确定依据

对于金属的压力加工来说，金属轧制前的加热，是为了获得良好的塑性和较小的变形抗力，加热温度主要根据加工工艺要求，由金属的塑性和变形抗力等性质来确定。不同的热加工方法，其加热温度也不一样。

金属的塑性和变形抗力主要取决于金属的化学成份、组织状态、温度及其它变形条件。其中，温度影响的总局势是，随温度升高，金属的塑性增加，变形抗力降低，这是因为温度升高，原子热运动加剧，原子间的结合力减弱，所以变形抗力降低，同时可增加新的滑移系，以及热变形过程中伴随回复再结晶软化过程，这些都提高了金属的塑性变形能力。但是，随着温度的升高，金属的塑性并不直线上升的，因为相态和晶粒边界同时也发生了变化，这种变化又对塑性产生影响。

钢的加热温度不能太低，必须保证钢在压力加工的末期仍能保持一定的温度（即终轧温度）。由于奥氏体组织的塑性最好，如果在单相奥氏体区域内加工，这时金属的变形抗力最小，而且加工后的残余应力最小，不会出现裂纹等缺陷。这个区域对于碳素钢来说，就是在铁碳平衡图的AC3以上30-50℃，固相线以下100-150℃的地方，根据终轧温度再考虑钢在出炉和加工过程中的热损失，便可确定钢的最低加热温度。钢的终轧温度对钢的组织和性能影响很大，终轧温度越高，晶粒集聚长大的倾向越大，奥氏体的晶粒越粗大，钢的机械性能越低。所以终轧温度也不能太高，根据铁碳相图最好在850℃左右，最好不要超过900℃，也不要低于700℃。

金属的加热温度，一般来说需要参考金属的状态相图、塑性图及变形抗力图等资料综合确定。确定轧制的加热温度要依据固相线，因为过烧现象和金属的开始熔化温度有关。钢内如果有偏析、非金属夹杂，都会促使熔点降低。因此，加热的最高温度应比固相线低100-150℃。

不锈钢属于一种高合金钢，钢中含有较多的合金元素，合金元素对钢的加热温度也有一定的影响，一是合金元素对奥氏体区域的影响，二是生成碳化物的影响。

对于不锈钢中合金元素如镍、铜、钴、锰等，它们都具有与奥氏体相同的面心立方晶格，都可无限量溶于奥氏体中，使奥氏体区域扩大，钢的终轧温度可相应低一些，同时因为提高了固相线，开轧温度（即最高加热温度）可适当提高一些。对于不锈钢这样的高合金钢，其加热温度不仅要参照相图，还要根据塑性图、变形抗力曲线和金相组织来确定。

轧制工艺对加热温度也有一定的要求。轧制道次越多，中间的温度降落越大，加热温度

应稍高。当钢的断面尺寸较大时，轧机咬入比较困难，轧制的道次必然多，所以对断面较大或咬入困难的钢坯，加热温度要相应高一些。加工方法不同，加热温度也不一样。对于热轧薄板，加热温度不能太高，否则在轧制过程中容易出现粘连现象。

合金状态图是选择加热温度的重要依据。以部分二元合金状态图为例，固相线决定了加热温度上限，为了防止金属过热和过烧，上限温度比溶点低100-200℃，即相当于合金熔点的0.8-0.9倍。加热温度的下限由终轧温度所确定。对于完全固溶状态的合金，随温度的降低不会出现固态相变，终轧温度一般相当于合金熔点的0.6-0.7倍，这样可以保证热加工所要求的塑性和变形抗力。但也有例外，某些合金处于单相区脆而硬，塑性较差，而在两相区塑性较好，此时加热温度定在两相区较好。由此可以看出，合金状态图只能给出大概的温度范围，是否合适，还必须同时参考金属的塑性图。

塑性图是确定加热温度的主要依据，它给出了金属塑性最高的温度范围，加热温度的上限应取在塑性最高的区域附近。

根据状态图和塑性图确定加热温度范围后，还要用变形抗力图（变形抗力随温度的变化曲线）来进行校正，以保证整个热加工过程在金属变形抗力最小的范围内来完成。

2、不锈钢在加热过程中不同于碳钢的特点

1）本质粗晶粒钢在700-800度时晶粒开始长大，但本质细晶粒钢在930-950度温度下尚不足长大，只有在超过这个温度以后才开始粗化，并随温度的继续升高，它的长大趋势比本质粗晶粒还要大。

2）对于钢的晶粒粗大，加热温度及时间有着决定性的作用，合金元素增大晶粒长大的倾向，按其影响程度的强弱顺序为Mn、P、C，减少晶粒长大倾向的是V、Ti、Ai、Zr、W、Mo、Cr、Si、Ni，大多数合金钢结构的过热敏感性都要比碳钢低。

3）铁素体不锈钢含碳量一般较低0.12%以下，含有12%-30%的Cr，则较马氏体的为高，其组织基本上是铁素体，它加热到较高的温度只有一小部分转变为奥氏体，大部分仍为铁素体，含铬较高的在加热过程中一般不发生相变，含铬越高，则塑性和耐蚀性提高，但其退火或正火后的组织为铁素体及少量的碳化物组成，碳含量越高则硬度和耐磨性越高。铁素体不锈钢铬含量超过17%时，在475度会发生脆性、б相脆性及高温脆性。

4）不锈钢在进行焊接时热影响区温度在600-800度时最容易产生晶间腐蚀。

5）奥氏体不锈钢属于面心立方结构，膨胀系数较大约是碳钢的1.5倍，导热系数约是碳钢的1/3，比电阻约是碳钢的4倍。高络不锈钢的导热系数与碳钢相比约是碳钢的1/2，比电阻约是碳钢的3倍。马氏体不锈钢加热前需要进行预热，因其导热系数较低，表面热影响区域又硬又脆。铁素体不锈钢加热至900℃时，热区域晶粒显著变粗，使其在低温下的延伸性和韧性变差，冷却后容易产生裂纹。

6）含铬大于14％的低碳铬不锈钢，含铬大干27％的任何含碳量的铬不锈钢，以及在上述成分基础上再添加有钼、钛、铌、硅、铝、、钨、钒等元素的不锈钢，化学成分中形成铁素体的元素占绝对优势，基体组织为铁素。这类钢在淬火（固溶）状态下的组织为铁素体，退火及时效状态的组织中则可见到少量碳化物及金属间化合物。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。

7）马氏体钢

这类钢在正常淬火温度下处在y相区，但它们的y相仅在高温时稳定，M点一般在3OO℃左右，故冷却时转变为马氏体。

马氏体不锈钢的机械性能、耐腐蚀性能、工艺性能与物理性能，均和含铬12~14%的铁素体-马氏体不锈钢相近。由于组织中没有游离的铁素体，机械性能比上述钢要高，但热处理时的过热敏感性较低。

8）马氏体—碳化物不锈钢

Fe-C合金并析点的含碳为0.83%，在不锈钢中由于铬使S点左移，含12%铬和大于0.4%碳的钢，以及含18%铬和大于0.3%碳的钢均属于过共析钢。这类钢在正常淬火温度加热，次生碳化物不能完全溶于奥氏体，因此淬火后的组织为马氏体和碳化物组成。

属于这一类的不锈钢牌号不多，却是一些含碳比较高的不锈钢，含碳量偏上限的3Crl3钢在较低的温度下淬火，也可能出现这样的组织。由于含碳量高，钢中虽含有较多的铬，但其耐腐蚀性能仅与含12~14%锗的不锈钢相当。这类钢的主要用途是要求高硬及耐磨的零件，如切削工具、轴承、弹簧及医疗器械等。

9）铁素体不锈钢

铁素体不锈钢在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11%~30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素，这类钢具导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，因而限制了它的应用。

11）马氏体不锈钢

马氏体不锈钢通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢，通俗地说，是一类可硬化的不锈钢。粹火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合。

3、不锈钢热过程数学模型建立的必要性

1、铁素体不锈钢轧制开发难度较大，这主要与铁素体钢在加热过程中，晶粒长大倾向大。晶粒长大，晶界变少，结合性能变坏,就会恶化热加工性能，因此，必须建立加热和轧制过程数学模型，对其最高的加热温度和轧制制度进行了严格控制。不锈钢如果也像一般的合金钢那样加热，热加工中就会产生各种各样的产品缺陷。

2、通过数学模型优化控制不锈钢板坯在炉内的升温曲线和在炉时间，在尽可能提高产量的前提下，板坯的升温过程采取前慢后快的方法，以防止板坯在炉内的过热过烧和晶粒粗大的现象发生。

3、根据对不锈钢带卷边损生产过程统计，产品质量主要发生在带卷的边部和头尾部。

在粗轧机的轧制过程中板带需要轧边，板带边部散热面积较大，粗轧机轧完以后，板带头尾、边部与中间温差一般在50度以上，精轧机轧完以后，这种现象就更加明显，板带头尾与中间温差一般在150度以上，板带边部与中间温差一般在100度以上，板带头尾、边部温度较低，其塑性变形就较差，轧制过程中就容易产生问题。这就需要建立轧制过程数学模型，对板带轧制温度进行准确的控制。

4、为在加热炉内控制板坯两头的加热温度，根据下部炉膛烧咀布置和温度特点，合理制定板坯的的布料规则和前后板坯之间的间距。同时根据出料端炉头板坯位置紧临出料炉门，出料端端墙没有布置供热烧咀，其温度较低，并且其位置处设有摄像头和激光定位仪，致使该处的炉膛温度更低。为防止在炉内加热好的板坯在此处的温度降低，应合理控制炉头坯的位置，并在停轧时采取板坯后退以避开低温区的措施，保证炉头板坯的正常加热。同时针对下部炉膛烧咀的热气流上浮,容易从板坯之间的空隙通过,致使空隙较大的区域炉气温度高,空隙较小的区域炉气温度低,容易造成板坯的加热不均。

5、合理控制炉内气氛，减少氧化烧损。含Ni3%～6%的钢的氧化铁皮与金属的“相间嵌入”状态。因为Ni比Fe难与氧化，在Fe-Ni合金的氧化皮形成过程中，固溶体中的Fe优先进行扩散（向外和氧化），因而使Ni在氧化层内面局部富集。而在热加工温度下Ni周围的铁终究也是要氧化的，所以富集Ni有金属基体与氧化皮呈严重的“相间嵌入”状态，氧化铁皮难于脱落。

为解决含镍低碳钢的氧化铁皮脱落和减少氧化烧损问题，采取少氧化加热的方法，即采用明火式无氧化加热炉加热板坯，这时生成的氧化铁皮难于脱落，但因为氧化铁皮很薄，酸洗后不影响板材表面质量。

6、采用数学模型精确控制加热炉生产过程中的各种参数，充分利用设备停轧时间、定修时间、轧线清理时间、换钢种时间，及时对设备的控制精度进行检查和调整，确保设备功能完善、控制准确、水量分布合理、轧制模型计算准确、板带跟踪定位准确、张力控制合理，板带轧制过程中板形良好、宽度和厚度控制准确，无板带头尾跑偏和起套或拉断的不正常现象发生。

7、对不锈钢入炉前后与碳钢和其它钢种的过渡进行研究。在碳钢钢坯的后面装入不锈钢板坯前，应根据碳钢和不锈钢不同的加热特性，碳钢与不锈钢之间应留一定的空位，不锈钢装完以后，在装碳钢前也应在炉内留出一定的空位，以便为后续轧制碳钢提供升温时间。

8、精轧机的弯辊力和串辊位置对于板形的影响较大，必须进行优化和调整；板带侧吹调整对轧制过程中的温降非常重要，关系到板带表面温度的高低，应以板带表面冷却水吹净为基准，不能产生调整过大或分布不均的现象发生；精轧最后一个道次的压下量应适当减小，以保证成品板带的板形。

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