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1、2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 119 冷却工艺对钢板带状组织影响的研究 方 琪 1，王 磊1，王丙兴1，赵德文1，吴 迪1， 王国栋 1，刘相华1 李 凡 2，肖江山2，杨 军2 （1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳； 2.鞍钢新钢铁股份有限公司中板厂，鞍山） 摘摘 要：要：通过工业试验，研究了冷却工艺对普碳钢带状组织和力学性能的影响。结果表明：在相同的控制轧制工艺 下，通过调整开轧温度与终轧温度，与空冷相比，可以使试验钢的带状组织明显减轻，屈服强度提高 3590MPa， 延伸率降低约 3。得到了最佳的控制冷却工艺参数。 关键词：
2、关键词：带状组织；分段冷却；Q295；中厚板 Effect of Cooling Process on Banded Structure and Mechanical Property of Media Plate FANG Qi1, WANG Lei1, WANG Bingxing1, ZHAO Dewen1, WU Di1, WANG Guodong1, LIU Xianghua1, LI Fan2, XIAO Jiangshan2, YANG Jun2, （1. State Key Lab of Rolling and Automation, Northeastern Universit
3、y, Shenyang； 2. Medium Plate plant of Anshan New Iron and Steel Co., Anshan) Abstract: Effect of controlled cooling process on banded structure and mechanical property of Q295 plate were studied by industrial tests. The results show that in the same control rolling condition, yield strength increase
4、 3590MPa compared with air cooling steels and the elongation reduces 3% by adopting anterior segment principal cooling. The mechanical property of test steel can meet the requirements of Q390 national standards. Key words：banded structure; two-step cooling process; Q295; media plate 1 前言 随着现代工业的不断发展
5、，汽车、机械制造等行业对钢材强度要求不断提高的同时，还要求钢 材的韧性良好以及优良的成形性能等。但是对于普通碳锰钢，由于连铸坯中的元素偏析导致普通C Mn钢中厚板热轧产生的带状组织对板材性能的负面影响一直是困扰中厚板生产的问题。 在奥氏体 低温区通过形变诱导铁素体相变(DIFT)和动态再结晶来细化晶粒 13，并采用控制冷却来生产超级 钢的工艺已进行了广泛的研究并取得了良好的成果。不过这种强烈塑性变形的应变值较大，在生产 设备能力有限的情况下于应用中受到限制，在所生产的CMn钢中，仅依靠控制轧制工艺也无法很 好的解决带状组织的问题。因此，结合较优的控制轧制工艺对中厚板进行冷却工艺控制是减轻带状
6、组织的最佳方法。本文结合鞍钢中板厂的生产实际，主要研究在相同的轧制条件下，不同的冷却工 艺参数对钢板的带状组织以及性能的影响，为生产工艺的制定提供依据。 2 试验材料和试验方法 2.1 试验材料及轧制工艺 高温控制轧制+控制冷却试验在鞍钢中板厂二辊四辊中板轧机上进行，试验所用坯料为 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 120 230mm1550mm1500mm 的连铸坯。其化学成分见表 1 所示。 表 1 试验钢的化学成分（质量分数, %） Table 1 Chemical constitution of test steel（mass，%） C Si
7、Mn P S 0.14 0.294 1.306 0.011 0.008 由于控制轧制参数受生产设备能力所限，无法进行低温大压下的轧制工艺，文献4根据热模 拟试验结果认为，合适的再结晶控轧温度在 920以上，最好在 960以上结束再结晶轧制过程；未 再结晶控轧应在不超过 850以下到 Ar3之间进行。 考虑到鞍钢中板厂轧机能力及设备布置为二辊 四辊纵列式，考虑到设备的轧制能力，拟采用再结晶区轧制以及部分再结晶区与未再结晶区轧制 2 个阶段控制轧制。为此，确定试验工艺为：钢坯加热温度为 1250，均热段温度为 1200，均热时 间为 180min；粗轧温度为 11001050，道次压下率大于 8%
8、；轧件在传送辊道上摆动降温，待温 厚度为 30mm；四辊轧机的开轧温度控制在 95010，终轧温度控制在 83010，平均压下率大于 7%，总压下率大于 55%。 2.2 轧后控制冷却试验 轧后控制冷却制度的确定：中厚板轧后控制冷却的目的是防止变形奥氏体晶粒的长大，降低奥 氏体向铁素体的转变温度，减少铁素体晶粒的长大，细化珠光体组织。与控制轧制工艺的合理配合， 可加强强韧化效果。本厂在轧后设有层流喷水冷却，可通过控制水流量和开启不同的冷却集管组来 实现冷却过程的控制。中厚板轧后控制冷却的目的是与控制轧制工艺的合理配合，防止变形奥氏体 晶粒的长大，降低奥氏体向铁素体的转变温度，减少铁素体晶粒的长
9、大，细化珠光体组织，减轻钢 的带状组织，提高产品的力学性能。采用轧后层流喷水冷却，通过控制水流量来实现冷却速度的控 制。轧后冷却强度越大，越有利于消除带状珠光体组织，得到的组织越细小，钢材的强度越大，但 应保证钢材内部不产生裂纹，否则，钢板塑性和韧性被严重破坏；终冷温度越低，越有利于阻止铁 素体晶粒的长大，提高强度，但若终冷温度过低，则使钢板综合性能下降。综合考虑以上情况，采 用两种冷却制度，具体的工艺参数如表 2 所示。考虑到工厂正常生产时 12mm 厚钢板采用空冷方式 冷却，故作为对比，1 号试验钢采用空冷方式进行冷却。 表 2 控制冷却过程中的工艺制度 Table 2 Processin
10、g system of controlled cooling 工艺方案 开冷温度/ 终冷温度/ 试验钢编号 760770 600630 28 735745 570600 914 2.3 试验钢微观组织及性能检验 试验后于现场在试验钢中部取样。制作金相试样并用 4%的硝酸酒精溶液浸蚀后采用 Leica 原装 图像分析系统进行金相组织分析。另取试验钢中部试样进行横向拉伸试验。 3 试验结果 3.1 试验钢力学性能检验结果 表3列出了实验钢实测控制冷却温度参数以及在不同冷却工艺条件下的拉伸性能和带状组织级 别。从实验结果可以看出,开冷温度的提高和采用以前段冷却为主的方式进行冷却有利于实验钢强度 的提
11、高,带状组织级别降低。 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 121 表 3 试验钢板的实测控冷参数及性能 Table 3 the measurement cooling parameters and properties of test plates 钢板编号 开冷温度 / 终冷温度 / s /MPa b /MPa 5 /% 带状组织 1 746 728 355 525 27.54 2 771 633 395 515 23 2.5 3 768 613 415 515 22.52 4 768 603 395 515 24 2 5 767 614 390 5
12、10 24.52.5 6 770 615 430 525 22 2 7 766 627 390 515 24 2.5 8 770 600 445 560 27 1.5 9 744 646 380 500 28 3 10 741 571 400 510 27.52.5 11 743 586 390 510 29 3 12 740 593 375 495 25.53 13 742 598 400 505 27.53 14 737 570 370 500 27 2 3.2 试验钢金相检验结果 不同冷却条件下对应的实验钢的金相组织照片如图1所示。 （a）1 号 （b）4 号 （c）14 号 图 1 试
13、验钢的光学显微组织照片 Fig.1 Microstructures of tested steel 从图 1 可以看出,实验钢典型的显微组织由铁素体和珠光体组成,组织的形貌由冷却制度决定。 在 830 终轧后进行空冷,其组织主要由多边形铁素体和珠光体组成，采用直线截点法测得平均晶粒尺 寸在 13.3m 左右，显微组织呈现严重的带状组织，检验结果带状组织 4 级（图 1a） ；当开冷温度控 制在 770左右，终冷温度在 600附近时，试验钢中的部分铁素体形貌产生了较大变化，由块状向 针状转变，切断了珠光体沿轧制方向的分布，测得其带状组织级别为 2 级（图 1b） ；而开冷温度降 低至 740左右
14、，终冷温度为 740时，试验钢中只有少量铁素体形态向针状转变，珠光体的条带厚 度变薄，但是还有明显的条带状分布， ，带状组织为 3 级（图 1c） 。 4 分析及讨论 （a） （b）（c） 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 122 4.1 带状组织的形成原因 带状组织产生的根本原因是连铸坯在凝固过程中碳和其他元素一起产生枝晶偏析。亚共析钢从 奥氏体状态冷却时，发生奥氏体向铁素体+珠光体转变，首先在 Ar3点温度开始析出先共析铁素体， 当冷却到 Ar1时才开始形成珠光体。显然，各个区域的 Ar3点温度相同，从而钢材内部可同时形成先 共析铁素体，就不会形成
15、带状组织。但是在实际生产中，连铸坯加热时，可以认为，C 作为间隙固 溶原子容易在奥氏体内部扩散分布教均匀，而置换固溶原子 Mn、Si、Cu、Cr 等均匀化比较困难， 仍处于枝晶偏析状态，导致先共析铁素体产生的不同时性：Ar3点温度较高的带内优先形成先共析铁 素体，而 Ar3点温度较低的部位自然后转变，由于富碳而形成珠光体。这样，就形成了铁素体珠 光体带状组织。但是，轧制条件和冷却条件的变化也影响到带状组织的出现和程度。 4.2 冷却工艺对试验钢带状组织的影响 中厚钢板的生产与其他热轧生产相比，终轧温度较高，道次间容易发生静态再结晶，并有可能 使轧件处于部分再结晶区轧制，导致混晶；而轧后到水冷段
16、的运行时间相对较长，则相同条件下， 终轧温度越高，材料在奥氏体区软化率越高。这些因素都减少了板材储存的热变形能，对带状组织 的减轻有不利的影响。 由于冷却速度的大小直接影响过饱和碳原子在富锰带的富集程度，所以对带状程度影响特别明 显。带状程度随冷却速度增大而减轻，当冷却速度足够大时，带状组织甚至消失。 5但如冷却速 度过大使钢中出现贝氏体甚至马氏体，这对钢板韧性是不利的。而开冷温度对钢板的带状程度影响 也很大。在相同的轧制工艺条件下，轧后采用较高的开冷温度（770左右） ，减少了试验钢在先共 析铁素温度区间的停留时间，并使试验钢中部分先共析铁素体转变为针状铁素体，还可以抑制铁素 体的晶粒长大，
17、降低了奥氏体中的固溶元素偏析程度，使试验钢的强度大幅度提高，且不影响钢材 的塑性；当开冷温度降低时（740左右） ，试验钢处于先共析铁素体的析出温度范围内，先共析铁 素体可以充分形核长大，且大部分成块状，使奥氏体中间隙固溶原子更加富集，在相同的冷却速度 下，对带状组织的减轻无明显作用。 总之，在热轧生产过程中，采用控制轧制和控制冷却工艺，既不显著增加生产工序和生产成本， 又能有效地消除带状组织，同时还可以改善力学性能，获得优越性能的产品。因此，对一般热轧钢 板采用控制轧制和控制冷却消除带状组织是最适宜的，是消除带状组织的经济而有效的技术措施。 5 结论 (1) 当试验钢的开冷温度控制在 770
18、左右，终冷温度控制在 600附近，试验钢的珠光体带状程 度有明显的减轻。 (2) 针对于鞍钢中板厂现有设备能力，精轧开轧温度控制在 960940、终轧温度控制在 820 830， 开冷温度可以控制在 770左右终冷温度不低于 600是试验钢板最佳综合性能的工艺 参数。 参考文献 1 Mintz B, Lewis J ,Jonas J J. Importance of Deformation Induced Ferrite and Factors Which Control its Formation J. Materials Science and Technology, 1997, 13 (
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