鄭芳垣

（福建三鋼（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 福建 三明 365000）

在中厚板生產(chǎn)過程中，軋后控制冷卻對(duì)鋼板的最終質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用，而終冷溫度是決定中厚板組織性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)之一[1]。大部分中厚板生產(chǎn)廠軋后冷卻所使用的介質(zhì)主要為水，該介質(zhì)溫度受環(huán)境溫度的影響較大，雖然生產(chǎn)廠建有相應(yīng)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，但往往水溫仍隨著季節(jié)的變化而產(chǎn)生較大變化。中厚板軋后經(jīng)過這些不同溫度的冷卻水進(jìn)行冷卻后，其性能也隨之出現(xiàn)較大的波動(dòng)。因此，通過分析中厚板在不同季度對(duì)應(yīng)冷卻水溫下控制冷卻后的組織變形行為，可以為不同季節(jié)下的中厚板生產(chǎn)冷卻工藝提供有效指導(dǎo)。

1 試制鋼材的化學(xué)成分及方案

實(shí)驗(yàn)材料來(lái)源于某鋼廠生產(chǎn)的Q345B低合金鋼板，厚度規(guī)格為20 mm，化學(xué)成分見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼板的化學(xué)成分 %

試樣在不同氣候條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中試樣1在夏季環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試樣2、3在冬季環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試樣1和試樣2的冷卻工藝參數(shù)相同，用以比較相同冷卻參數(shù)情況下，組織、性能及溫度場(chǎng)趨勢(shì)的區(qū)別。試樣1和試樣3的終冷溫度相同，用以比較相同終冷溫度下，組織、性能及溫度場(chǎng)趨勢(shì)的區(qū)別。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表2所示，在相同的輥速、冷卻水開啟組數(shù)和開冷溫度等冷卻參數(shù)情況下，式樣1的終冷溫度相比式樣2低19℃，而要獲得相同的終冷溫度，式樣3相比式樣1要多開啟3組冷卻水。通過對(duì)試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)見表3，試樣1的屈服強(qiáng)度385 MPa，試樣2與試樣1相比，在相同的輥速、冷卻水開啟組數(shù)和開冷溫度等冷卻參數(shù)情況下，屈服強(qiáng)度性能低了20 MPa，而試樣3與試樣1相比，在相同的終冷溫度下，性能低了10 MPa。實(shí)驗(yàn)表明氣溫的變化對(duì)終冷溫度及性能影響較大。

表2 控冷工藝參數(shù)

表3 實(shí)驗(yàn)鋼板的性能

3 分析與討論

為了進(jìn)一步深入研究冷卻過程，根據(jù)一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程的顯示差分法[2]，通過數(shù)值模擬冷卻過程，結(jié)合CCT曲線，見下頁(yè)圖1，分析鋼板在冷卻過程中的組織變形行為。

3.1 不同冷卻工藝對(duì)金相組織的影響

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼板的CCT曲線與連續(xù)冷卻曲線

通過對(duì)試樣進(jìn)行金相組織分析，見下頁(yè)圖2，表面組織中，試樣1為貝氏體+少量鐵素體，其深度為0.8 mm；試樣2為貝氏體+鐵素體+珠光體，其深度為0.14 mm；試樣3為貝氏體+鐵素體，其深度0.3 mm；從表面組織上看，表面的過冷奧氏體向鐵素體的晶格改組通過切變方式進(jìn)行，產(chǎn)生了中溫轉(zhuǎn)變組織貝氏體，而試樣1的冷卻強(qiáng)度更大（開冷溫度-終冷溫度），過冷組織層更深。在1/4組織中，試樣一的組織為鐵素體+珠光體（31%），晶粒度級(jí)別為10.5級(jí)；試樣2的組織為鐵素體+珠光體（28%），晶粒度級(jí)別為9.6級(jí)；試樣3的組織為鐵素體+珠光體（29%），晶粒度級(jí)別為10.1級(jí)；從1/4組織上看，雖然3個(gè)試樣都形成了平衡相變組織，但試樣一的珠光體量最高，主要原因是熱軋后鋼板通過快速冷卻方法減少了先共析鐵素體量，增加了偽珠光體量，從而使強(qiáng)度得到提高，同時(shí)，隨著過冷度的增大，臨界晶核半徑減小、臨界形核功顯著降低，促進(jìn)了鐵素體形核，使鐵素體晶粒度等級(jí)更高，也會(huì)使強(qiáng)度得到提高。在心部組織中，心部組織均存在偏析，為鐵素體+珠光體+貝氏體，由于心部偏析使錳元素在心部富集，而錳是穩(wěn)定奧氏體的元素，造成CCT曲線右移，容易在心部產(chǎn)生中溫組織甚至低溫轉(zhuǎn)變組織[3]，因此在較小的冷速下，存在偏析的鋼板也容易在心部產(chǎn)生貝氏體組織，該組織的產(chǎn)生受偏析程度影響更大。

圖2 實(shí)驗(yàn)鋼板的金相組織圖（500倍）

通過冷卻實(shí)驗(yàn)及金相組織分析可知，隨著冷卻強(qiáng)度的提高，鋼板表面的貝氏體組織層越厚，四分之一組織的偽珠光體量越高，鐵素體的晶粒度越細(xì)，使鋼板的強(qiáng)度得到提高。

3.2 冷卻過程對(duì)鋼板組織性能的影響

根據(jù)CCT冷卻曲線與試樣數(shù)值模擬表面冷卻曲線進(jìn)行合并，見圖3。從趨勢(shì)圖上看，3個(gè)試樣的冷卻過程差別并不是很大，首先從過冷奧氏體中析出先共析鐵素體，由于冷卻過程首先在鋼板表面進(jìn)行，鋼板表面溫度更低，受到鋼板心部熱傳導(dǎo)的影響，表層溫度逐漸升高。隨后，在空冷過程中過冷奧氏體首先進(jìn)行珠光體轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度降低至600℃以下時(shí)，剩余過冷奧氏體進(jìn)行貝氏體轉(zhuǎn)變。

圖3 實(shí)驗(yàn)鋼板的連續(xù)冷卻曲線

圖3-1中試樣3在發(fā)生奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變前，由于提前開啟水組，位于高溫階段的時(shí)間較短，與試樣一相比性能更低，晶粒度更為粗大，主要原因?yàn)樵谝欢囟认?，奧氏體晶粒長(zhǎng)大會(huì)造成總的晶界面積逐漸減小，晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力減小，當(dāng)晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力和第二相彌散析出粒子的阻力相平衡時(shí)，奧氏體晶粒停止長(zhǎng)大，在發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變之前，奧氏體已經(jīng)處于穩(wěn)定形狀，因此對(duì)組織及性能影響較小。圖3-2為奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)圖，由圖可知，試樣2在更高的溫度下進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變，過冷度相對(duì)更低，組織相對(duì)更加粗大，試樣1與試樣3相比，組織轉(zhuǎn)變前溫度更高，組織轉(zhuǎn)變后溫度更低，在更高的冷卻強(qiáng)度下，促進(jìn)了鋼中的微合金元素和合金元素在鐵素體晶內(nèi)大量、微細(xì)、彌散地析出，使鐵素體基體得到強(qiáng)化，同時(shí)冷卻強(qiáng)度的增大也促進(jìn)了晶粒形核，有助于形成更為細(xì)小的鐵素體晶粒，從而提高了強(qiáng)度。

3.3 空冷過程對(duì)鋼板組織性能的影響

鋼板在熱軋塑性變形及冷卻相變膨脹過程中，鋼板內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和空位，使點(diǎn)陣中的一部分原子偏離其平衡位置，造成點(diǎn)陣畸變，儲(chǔ)存能升高，它使鋼板的硬度、強(qiáng)度升高，而塑性和抗腐蝕性能降低。通過數(shù)值模擬相變完成后的空冷過程溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，在不同氣溫條件下，試樣的冷卻曲線相差不大，主要原因是試樣的溫降范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣溫的變化，而試樣溫降影響的數(shù)量級(jí)和氣溫影響的數(shù)量級(jí)相同[4]，通過數(shù)值模擬溫度場(chǎng)及實(shí)測(cè)溫度情況均可以看出，相變完成后的空冷過程差異性較小，對(duì)性能影響不大。

圖4 實(shí)驗(yàn)鋼板空冷連續(xù)冷卻曲線

4 結(jié)論

1）氣溫變化主要通過影響冷卻水溫及水冷過程中的換熱系數(shù)使鋼板的冷卻速度發(fā)生變化而影響鋼板性能。

2）在珠光體轉(zhuǎn)變的冷卻過程中，過冷奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變之前，由于過冷奧氏體的晶粒已趨于穩(wěn)定，冷卻速度對(duì)組織性能影響較小。

3）過冷奧氏體向鐵素體及珠光體轉(zhuǎn)變過程中，相同的終冷溫度下，冷卻速率越大，鐵素體晶粒尺寸越小，偽珠光體量越大，使強(qiáng)度得到提高。

4）相變完成后的空冷過程中，氣溫變化與鋼板溫降相比影響較小，對(duì)性能的影響也較小，因此當(dāng)氣溫升高時(shí)，為避免產(chǎn)生性能波動(dòng)造成性能不合格，應(yīng)降低終冷溫度或提高冷卻速度。