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鋼坯軋制過程溫度確定的研究 不同的鋼種、不同的板坯規(guī)格、采用不同的軋機型式，以不同的軋制速度進行軋制，對于軋制不同厚度的成品而言，要求采用不同的鋼坯加熱溫度和和鋼坯的加熱時間。本文以成品不同溫度時的晶相組織為依據(jù)，結(jié)合不銹鋼軋制時的熱應(yīng)力分析，再參考鐵碳相圖，制定成品不同厚度的終軋溫度，再通過建立軋制過程熱模型，反算出板坯的出爐溫度，從而對各種形式的加熱和軋制提供加熱依據(jù)。對于金屬的壓力加工來說，金屬軋制前的加熱，是為了獲得良好的塑性和較小的變形抗力，加熱溫度主要根據(jù)加工工藝要求，由金屬的塑性和變形抗力等性質(zhì)來確定。不同的熱加工方法，其加熱溫度也不一樣。金屬的塑性和變形抗力主要取決于金屬的化學成份、組織狀態(tài)、溫度及其它變形條件。其中，溫度影響的總局勢是，隨溫度升高，金屬的塑性增加，變形抗力降低，這是因為溫度升高，原子熱運動加劇，原子間的結(jié)合力減弱，所以變形抗力降低，同時可增加新的滑移系，以及熱變形過程中伴隨回復再結(jié)晶軟化過程，這些都提高了金屬的塑性變形能力。但是，隨著溫度的升高，金屬的塑性并不直線上升的，因為相態(tài)和晶粒邊界同時也發(fā)生了變化，這種變化又對塑性產(chǎn)生影響。鋼的加熱溫度不能太低，必須保證鋼在壓力加工的末期仍能保持一定的溫度（即終軋溫度）。由于奧氏體組織的塑性最好，如果在單相奧氏體區(qū)域內(nèi)加工，這時金屬的變形抗力最小，而且加工后的殘余應(yīng)力最小，不會出現(xiàn)裂紋等缺陷。這個區(qū)域?qū)τ谔妓劁搧碚f，就是在鐵碳平衡圖的AC3以上30-50℃，固相線以下100-150℃的地方，根據(jù)終軋溫度再考慮鋼在出爐和加工過程中的熱損失，便可確定鋼的最低加熱溫度。鋼的終軋溫度對鋼的組織和性能影響很大，終軋溫度越高，晶粒集聚長大的傾向越大，奧氏體的晶粒越粗大，鋼的機械性能越低。所以終軋溫度也不能太高，根據(jù)鐵碳相圖最好在850℃左右，最好不要超過900℃，也不要低于700℃。金屬的加熱溫度，一般來說需要參考金屬的狀態(tài)相圖、塑性圖及變形抗力圖等資料綜合確定。確定軋制的加熱溫度要依據(jù)固相線，因為過燒現(xiàn)象和金屬的開始熔化溫度有關(guān)。鋼內(nèi)如果有偏析、非金屬夾雜，都會促使熔點降低。因此，加熱的最高溫度應(yīng)比固相線低100-150℃。不銹鋼屬于一種高合金鋼，鋼中含有較多的合金元素，合金元素對鋼的加熱溫度也有一定的影響，一是合金元素對奧氏體區(qū)域的影響，二是生成碳化物的影響。對于不銹鋼中合金元素如鎳、銅、鈷、錳等，它們都具有與奧氏體相同的面心立方晶格，都可無限量溶于奧氏體中，使奧氏體區(qū)域擴大，鋼的終軋溫度可相應(yīng)低一些，同時因為提高了固相線，開軋溫度（即最高加熱溫度）可適當提高一些。對于不銹鋼這樣的高合金鋼，其加熱溫度不僅要參照相圖，還要根據(jù)塑性圖、變形抗力曲線和金相組織來確定。軋制工藝對加熱溫度也有一定的要求。軋制道次越多，中間的溫度降落越大，加熱溫度應(yīng)稍高。當鋼的斷面尺寸較大時，軋機咬入比較困難，軋制的道次必然多，所以對斷面較大或咬入困難的鋼坯，加熱溫度要相應(yīng)高一些。加工方法不同，加熱溫度也不一樣。對于熱軋薄板，加熱溫度不能太高，否則在軋制過程中容易出現(xiàn)粘連現(xiàn)象。合金狀態(tài)圖是選擇加熱溫度的重要依據(jù)。以部分二元合金狀態(tài)圖為例，固相線決定了加熱溫度上限，為了防止金屬過熱和過燒，上限溫度比溶點低100-200℃，即相當于合金熔點的0.8-0.9倍。加熱溫度的下限由終軋溫度所確定。對于完全固溶狀態(tài)的合金，隨溫度的降低不會出現(xiàn)固態(tài)相變，終軋溫度一般相當于合金熔點的0.6-0.7倍，這樣可以保證熱加工所要求的塑性和變形抗力。但也有例外，某些合金處于單相區(qū)脆而硬，塑性較差，而在兩相區(qū)塑性較好，此時加熱溫度定在兩相區(qū)較好。由此可以看出，合金狀態(tài)圖只能給出大概的溫度范圍，是否合適，還必須同時參考金屬的塑性圖。塑性圖是確定加熱溫度的主要依據(jù)，它給出了金屬塑性最高的溫度范圍，加熱溫度的上限應(yīng)取在塑性最高的區(qū)域附近。根據(jù)狀態(tài)圖和塑性圖確定加熱溫度范圍后，還要用變形抗力圖（變形抗力隨溫度的變化曲線）來進行校正，以保證整個熱加工過程在金屬變形抗力最小的范圍內(nèi)來完成。1）本質(zhì)粗晶粒鋼在700-800度時晶粒開始長大，但本質(zhì)細晶粒鋼在930-950度溫度下尚不足長大，只有在超過這個溫度以后才開始粗化，并隨溫度的繼續(xù)升高，它的長大趨勢比本質(zhì)粗晶粒還要大。2）對于鋼的晶粒粗大，加熱溫度及時間有著決定性的作用，合金元素增大晶粒長大的傾向，按其影響程度的強弱順序為Mn、P、C，減少晶粒長大傾向的是V、Ti、Ai、Zr、W、Mo、Cr、Si、Ni，大多數(shù)合金鋼結(jié)構(gòu)的過熱敏感性都要比碳鋼低。3）鐵素體不銹鋼含碳量一般較低0.12%以下，含有12%-30%的Cr，則較馬氏體的為高，其組織基本上是鐵素體，它加熱到較高的溫度只有一小部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，大部分仍為鐵素體，含鉻較高的在加熱過程中一般不發(fā)生相變，含鉻越高，則塑性和耐蝕性提高，但其退火或正火后的組織為鐵素體及少量的碳化物組成，碳含量越高則硬度和耐磨性越高。鐵素體不銹鋼鉻含量超過17%時，在475度會發(fā)生脆性、б相脆性及高溫脆性。4）不銹鋼在進行焊接時熱影響區(qū)溫度在600-800度時最容易產(chǎn)生晶間腐蝕。5）奧氏體不銹鋼屬于面心立方結(jié)構(gòu)，膨脹系數(shù)較大約是碳鋼的1.5倍，導熱系數(shù)約是碳鋼的1/3，比電阻約是碳鋼的4倍。高絡(luò)不銹鋼的導熱系數(shù)與碳鋼相比約是碳鋼的1/2，比電阻約是碳鋼的3倍。馬氏體不銹鋼加熱前需要進行預熱，因其導熱系數(shù)較低，表面熱影響區(qū)域又硬又脆。鐵素體不銹鋼加熱至900℃時，熱區(qū)域晶粒顯著變粗，使其在低溫下的延伸性和韌性變差，冷卻后容易產(chǎn)生裂紋。6）含鉻大于14％的低碳鉻不銹鋼，含鉻大干27％的任何含碳量的鉻不銹鋼，以及在上述成分基礎(chǔ)上再添加有鉬、鈦、鈮、硅、鋁、、鎢、釩等元素的不銹鋼，化學成分中形成鐵素體的元素占絕對優(yōu)勢，基體組織為鐵素。這類鋼在淬火（固溶）狀態(tài)下的組織為鐵素體，退火及時效狀態(tài)的組織中則可見到少量碳化物及金屬間化合物。鐵素體不銹鋼因為含鉻量高，耐腐蝕性能與抗氧化性能均比較好，但機械性能與工藝性能較差，多用于受力不大的耐酸結(jié)構(gòu)及作抗氧化鋼使用。這類鋼在正常淬火溫度下處在y相區(qū)，但它們的y相僅在高溫時穩(wěn)定，M點一般在3OO℃左右，故冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。馬氏體不銹鋼的機械性能、耐腐蝕性能、工藝性能與物理性能，均和含鉻12~14%的鐵素體-馬氏體不銹鋼相近。由于組織中沒有游離的鐵素體，機械性能比上述鋼要高，但熱處理時的過熱敏感性較低。Fe-C合金并析點的含碳為0.83%，在不銹鋼中由于鉻使S點左移，含12%鉻和大于0.4%碳的鋼，以及含18%鉻和大于0.3%碳的鋼均屬于過共析鋼。這類鋼在正常淬火溫度加熱，次生碳化物不能完全溶于奧氏體，因此淬火后的組織為馬氏體和碳化物組成。屬于這一類的不銹鋼牌號不多，卻是一些含碳比較高的不銹鋼，含碳量偏上限的3Crl3鋼在較低的溫度下淬火，也可能出現(xiàn)這樣的組織。由于含碳量高，鋼中雖含有較多的鉻，但其耐腐蝕性能僅與含12~14%鍺的不銹鋼相當。這類鋼的主要用途是要求高硬及耐磨的零件，如切削工具、軸承、彈簧及醫(yī)療器械等。鐵素體不銹鋼在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼。含鉻量在11%~30%，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)。這類鋼一般不含鎳，有時還含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素，這類鋼具導熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等特點，多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。這類鋼存在塑性差、焊后塑性和耐蝕性明顯降低等缺點，因而限制了它的應(yīng)用。馬氏體不銹鋼通過熱處理可以調(diào)整其力學性能的不銹鋼，通俗地說，是一類可硬化的不銹鋼。粹火后硬度較高，不同回火溫度具有不同強韌性組合。
1、鐵素體不銹鋼軋制開發(fā)難度較大，這主要與鐵素體鋼在加熱過程中，晶粒長大傾向大。晶粒長大，晶界變少，結(jié)合性能變壞,就會惡化熱加工性能，因此，必須建立加熱和軋制過程數(shù)學模型，對其最高的加熱溫度和軋制制度進行了嚴格控制。不銹鋼如果也像一般的合金鋼那樣加熱，熱加工中就會產(chǎn)生各種各樣的產(chǎn)品缺陷。2、通過數(shù)學模型優(yōu)化控制不銹鋼板坯在爐內(nèi)的升溫曲線和在爐時間，在盡可能提高產(chǎn)量的前提下，板坯的升溫過程采取前慢后快的方法，以防止板坯在爐內(nèi)的過熱過燒和晶粒粗大的現(xiàn)象發(fā)生。3、根據(jù)對不銹鋼帶卷邊損生產(chǎn)過程統(tǒng)計，產(chǎn)品質(zhì)量主要發(fā)生在帶卷的邊部和頭尾部。在粗軋機的軋制過程中板帶需要軋邊，板帶邊部散熱面積較大，粗軋機軋完以后，板帶頭尾、邊部與中間溫差一般在50度以上，精軋機軋完以后，這種現(xiàn)象就更加明顯，板帶頭尾與中間溫差一般在150度以上，板帶邊部與中間溫差一般在100度以上，板帶頭尾、邊部溫度較低，其塑性變形就較差，軋制過程中就容易產(chǎn)生問題。這就需要建立軋制過程數(shù)學模型，對板帶軋制溫度進行準確的控制。 4、為在加熱爐內(nèi)控制板坯兩頭的加熱溫度，根據(jù)下部爐膛燒咀布置和溫度特點，合理制定板坯的的布料規(guī)則和前后板坯之間的間距。同時根據(jù)出料端爐頭板坯位置緊臨出料爐門，出料端端墻沒有布置供熱燒咀，其溫度較低，并且其位置處設(shè)有攝像頭和激光定位儀，致使該處的爐膛溫度更低。為防止在爐內(nèi)加熱好的板坯在此處的溫度降低，應(yīng)合理控制爐頭坯的位置，并在停軋時采取板坯后退以避開低溫區(qū)的措施，保證爐頭板坯的正常加熱。同時針對下部爐膛燒咀的熱氣流上浮,容易從板坯之間的空隙通過,致使空隙較大的區(qū)域爐氣溫度高,空隙較小的區(qū)域爐氣溫度低,容易造成板坯的加熱不均。5、合理控制爐內(nèi)氣氛，減少氧化燒損。含Ni3%～6%的鋼的氧化鐵皮與金屬的“相間嵌入”狀態(tài)。因為Ni比Fe難與氧化，在Fe-Ni合金的氧化皮形成過程中，固溶體中的Fe優(yōu)先進行擴散（向外和氧化），因而使Ni在氧化層內(nèi)面局部富集。而在熱加工溫度下Ni周圍的鐵終究也是要氧化的，所以富集Ni有金屬基體與氧化皮呈嚴重的“相間嵌入”狀態(tài)，氧化鐵皮難于脫落。為解決含鎳低碳鋼的氧化鐵皮脫落和減少氧化燒損問題，采取少氧化加熱的方法，即采用明火式無氧化加熱爐加熱板坯，這時生成的氧化鐵皮難于脫落，但因為氧化鐵皮很薄，酸洗后不影響板材表面質(zhì)量。6、采用數(shù)學模型精確控制加熱爐生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)，充分利用設(shè)備停軋時間、定修時間、軋線清理時間、換鋼種時間，及時對設(shè)備的控制精度進行檢查和調(diào)整，確保設(shè)備功能完善、控制準確、水量分布合理、軋制模型計算準確、板帶跟蹤定位準確、張力控制合理，板帶軋制過程中板形良好、寬度和厚度控制準確，無板帶頭尾跑偏和起套或拉斷的不正?，F(xiàn)象發(fā)生。7、對不銹鋼入爐前后與碳鋼和其它鋼種的過渡進行研究。在碳鋼鋼坯的后面裝入不銹鋼板坯前，應(yīng)根據(jù)碳鋼和不銹鋼不同的加熱特性，碳鋼與不銹鋼之間應(yīng)留一定的空位，不銹鋼裝完以后，在裝碳鋼前也應(yīng)在爐內(nèi)留出一定的空位，以便為后續(xù)軋制碳鋼提供升溫時間。8、精軋機的彎輥力和串輥位置對于板形的影響較大，必須進行優(yōu)化和調(diào)整；板帶側(cè)吹調(diào)整對軋制過程中的溫降非常重要，關(guān)系到板帶表面溫度的高低，應(yīng)以板帶表面冷卻水吹凈為基準，不能產(chǎn)生調(diào)整過大或分布不均的現(xiàn)象發(fā)生；精軋最后一個道次的壓下量應(yīng)適當減小，以保證成品板帶的板形。
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