劉 洪,孟慶格

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院1.梅鋼技術(shù)中心,江蘇 南京 210039;2.冷軋產(chǎn)品研究所,上海 201999)

冷軋后帶鋼的退火工藝是根據(jù)鋼的組織結(jié)構(gòu)在固態(tài)下可以進(jìn)行多種形式的轉(zhuǎn)變而發(fā)展起來的,是通過加熱、保溫和冷卻的方法來改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),從而消除鋼板在冷軋過程中造成的內(nèi)應(yīng)力和加工硬化,改善鋼的性能,恢復(fù)鋼的塑性變形能力;消除鋼中的殘余應(yīng)力,均勻鋼的組織和化學(xué)成分[1]。由于連續(xù)退火在產(chǎn)品表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、性能均勻性等方面有著傳統(tǒng)罩式退火所無法比擬的優(yōu)勢(shì),目前國內(nèi)各大冷軋板企業(yè)使用連續(xù)退火生產(chǎn)線的密度越來越大[2]。因此,為了能迅速、經(jīng)濟(jì)而準(zhǔn)確地研究連續(xù)退火工藝對(duì)產(chǎn)品性能的影響,工藝技術(shù)與研發(fā)人員需要有方便、靈活、精確的連續(xù)退火模擬裝置。

1 連續(xù)退火模擬裝置主要功能

本文介紹的連續(xù)退火模擬裝置主要用于連續(xù)退火熱處理工藝(加熱、均熱、冷卻、時(shí)效等)的模擬試驗(yàn),具有快速加熱功能、快速冷卻功能,主要包括測(cè)試、管道與儀表、電氣和安全四大模塊。

測(cè)試模塊是模擬裝置的機(jī)械本體,氣氛調(diào)節(jié)、快速加熱及快速冷卻都在測(cè)試模塊中進(jìn)行,測(cè)試模塊主要由提供氣氛的工藝腔、夾持及導(dǎo)電加熱工件的加熱鉗系統(tǒng)、快速冷卻工件的冷卻箱和支撐整體的安裝架構(gòu)成。

管道與儀表模塊是模擬裝置進(jìn)行氣氛調(diào)節(jié)、快速冷卻和吹掃的重要組成部分,其主要有N2供氣和流量壓力調(diào)節(jié)管道及儀表、氮?dú)浠旌蠚夤夂土髁繅毫φ{(diào)節(jié)管道及儀表、快速冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

電氣模塊主要用于為模擬裝置快速加熱提供加熱源及控制加熱速度、根據(jù)工藝控制管道的供氣壓力和流量、變頻驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)以控制冷卻速度、設(shè)備狀態(tài)量采集和分析,主要包括加熱電源系統(tǒng)、工藝控制PLC系統(tǒng)、氣氛分析系統(tǒng)、冷卻風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和人機(jī)界面。

安全模塊包括管道及廠房內(nèi)氣氛檢測(cè)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和應(yīng)急處理系統(tǒng)等。

1.1 快速加熱功能

連續(xù)退火模擬裝置中樣板的加熱采取中頻感應(yīng)電流電阻加熱方式,在中頻感應(yīng)系統(tǒng)中,樣板直接作為感應(yīng)次級(jí)線圈的一部分進(jìn)行加熱。加熱變壓器的副邊通過母排與樣板形成短路狀態(tài),由于樣板電阻比回路中其他組件大,電壓降主要集中在樣板上,從而導(dǎo)致樣板被加熱,如圖1所示。通過兩個(gè)固定夾鉗固定樣板,夾鉗連接導(dǎo)電母排并起到導(dǎo)電的作用,電流的大小反映加熱速率的大小[3]。采用這種裝置,樣板通過焦耳效應(yīng)直接加熱,因而在加熱過程中能實(shí)現(xiàn)快速加熱。本試驗(yàn)裝置樣板溫度控制在25～1 000 ℃范圍內(nèi),對(duì)于厚度為0.3 mm的樣板最高加熱速率能夠達(dá)到300 K/s。

圖1 中頻感應(yīng)電流電阻加熱原理Fig.1 Principle of resistance heating with medium frequency induction current

1.2 冷卻控制能力

樣板的冷卻通過位于樣板前面和后面的冷卻風(fēng)箱吹氣進(jìn)行。這些冷卻風(fēng)箱中注入的氣體與保護(hù)氣氛相同并且氣壓可調(diào),以便通過風(fēng)箱電動(dòng)機(jī)速率的頻率調(diào)整控制冷卻速率。

冷卻速率通過熱電偶測(cè)量控制。為了優(yōu)化冷卻工序的響應(yīng)時(shí)間,達(dá)到快速冷卻目的,按照所需的冷卻速率,冷卻風(fēng)機(jī)出口設(shè)定的總氣流先通過一個(gè)旁通管道以所需的流量值持續(xù)循環(huán)。需要快速冷卻時(shí)冷卻氣流從旁通管道切換轉(zhuǎn)到主管道,再從樣板兩側(cè)的冷卻風(fēng)箱噴射到樣板表面。本模擬裝置對(duì)于厚度為0.3 mm的樣板最高冷卻速率能夠達(dá)到120 K/s。

1.3 控制系統(tǒng)

連續(xù)退火模擬裝置完全由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)操作,選擇快速周期每階段的設(shè)定點(diǎn)、溫度、過程和加熱—冷卻速率,編制了HMI操作界面,HMI畫面操作簡(jiǎn)單。計(jì)算機(jī)按照提供的周期數(shù)據(jù)控制所有的閥門、電氣電動(dòng)機(jī)、加熱工序,同時(shí)計(jì)算機(jī)將記錄整個(gè)工藝周期的工藝數(shù)據(jù)。

在快速加熱、均熱、時(shí)效和冷卻階段,樣品溫度采用焊在樣品表面的參比熱電偶測(cè)得的溫度值通過一個(gè)閉環(huán)控制器進(jìn)行控制。這個(gè)規(guī)程由可編程控制器直接編制。

計(jì)算機(jī)將記錄下周期操作中的所有數(shù)據(jù)、樣品溫度和工藝數(shù)據(jù)。為了擬定可打印的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試報(bào)告文檔,這些數(shù)據(jù)將被處理。數(shù)據(jù)文件被計(jì)算機(jī)記錄以使其可以用標(biāo)準(zhǔn)工具進(jìn)行其他任何處理。

1.4 裝備能力

連續(xù)退火模擬裝置工藝窗口范圍較寬,工藝腔內(nèi)氣氛可控,安全和自動(dòng)化程度高,可逼真模擬現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組連續(xù)退火工藝,實(shí)現(xiàn)工藝窗口較寬的連續(xù)退火工藝模擬試驗(yàn)(加熱、均熱、冷卻、時(shí)效等)的功能。對(duì)于厚度為0.3 mm的樣板,最大加熱速率高達(dá)300 K/s,最大冷卻速率達(dá)120 K/s,樣板有效區(qū)域240 mm×240 mm,溫度均勻性范圍為±10 K,實(shí)際溫度與設(shè)定溫度偏離值在±5 K范圍內(nèi)。該裝置試驗(yàn)過程穩(wěn)定,溫度控制精度較高。

2 連續(xù)退火模擬裝置的應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證連續(xù)退火模擬裝置試驗(yàn)過程與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝的一致性,選取低碳鋼冷軋鋼板,通過連續(xù)退火模擬裝置,模擬不同的退火工藝,并對(duì)試驗(yàn)后試樣進(jìn)行組織和性能分析,研究連續(xù)退火工藝對(duì)低碳鋼產(chǎn)品組織性能的影響。

2.1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為某冷軋廠酸軋機(jī)組軋制的冷軋鋼板,板厚0.4 mm,其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of the experimental steel %

分別采用表2退火工藝進(jìn)行9組連續(xù)退火模擬試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)用退火工藝Table 2 Annealing process of the experimental steel

根據(jù)試驗(yàn)方案,在連續(xù)退火模擬裝置上進(jìn)行連續(xù)退火模擬試驗(yàn)。典型的模擬連續(xù)退火曲線如圖2所示。在圖2中,紅色曲線為試樣在模擬退火過程中實(shí)際的溫度變化曲線,根據(jù)熱電偶采集的數(shù)據(jù)得出;黑色曲線為設(shè)計(jì)的退火曲線?？梢?試驗(yàn)過程中試樣的實(shí)際溫度曲線與設(shè)定的退火曲線幾乎重合,溫差不超過5 K,說明連續(xù)退火模擬裝置能夠準(zhǔn)確按照預(yù)設(shè)計(jì)退火曲線進(jìn)行退火模擬。

圖2 典型的連續(xù)退火模擬曲線Fig.2 Typical continuous annealing simulation curve

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 金相檢測(cè)結(jié)果

采用金相顯微鏡對(duì)不同退火工藝的模擬試樣進(jìn)行微觀組織分析,微觀組織如圖3所示。從微觀組織可以看出:

(1) 退火溫度為530～560 ℃時(shí),試樣組織為纖維狀鐵素體,晶粒尚未發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。

(2) 當(dāng)退火溫度達(dá)到590 ℃時(shí),組織中大部分已發(fā)生再結(jié)晶,但再結(jié)晶晶粒較小,有較多細(xì)小晶粒沿纖維狀排列,且仍存在部分纖維狀組織,說明此時(shí)組織剛完成再結(jié)晶形核,再結(jié)晶不充分,同時(shí)有滲碳體沿纖維狀組織方向析出。

(3) 退火溫度為620～710 ℃時(shí),纖維狀組織基本消除,再結(jié)晶過程已基本完成,隨著溫度的提高,主要發(fā)生再結(jié)晶晶粒的合并長大和均勻化過程,再結(jié)晶晶粒逐步長大,且滲碳體的析出量明顯增多。這是因?yàn)殡S著退火溫度的提高,原子擴(kuò)散增快,晶粒長大速度增加,晶粒尺寸變大[4]?？梢钥闯?隨著退火溫度的升高,試樣的微觀組織逐步開始回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大的過程。

(4) 當(dāng)退火溫度達(dá)到740 ℃以上時(shí),試樣組織為鐵素體和珠光體,說明加熱過程中試樣部分組織已發(fā)生了奧氏體化;且隨著退火溫度的升高,鐵素體晶粒長大不明顯,金相組織趨于穩(wěn)定。

2.2.2 表面硬度和抗拉強(qiáng)度分析

對(duì)試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行硬度檢測(cè),采用數(shù)顯洛氏硬度計(jì),檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),采用電子拉力試驗(yàn)機(jī),檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

從圖4可以看出,當(dāng)退火溫度低于590 ℃時(shí),退火后試樣的硬度較高;當(dāng)退火溫度在590～620 ℃之間時(shí),隨著退火溫度的升高,試樣的硬度急劇下降;當(dāng)退火溫度高于650 ℃時(shí),隨著退火溫度的升高,試樣的硬度緩慢下降,硬度趨于穩(wěn)定。

圖3 不同退火溫度下試樣微觀組織Fig.3 Microstructures of samples at different annealing temperatures

圖4 不同退火溫度下試樣硬度變化Fig.4 Hardness change of samples at different annealing temperatures

圖5 不同退火溫度下試樣抗拉強(qiáng)度變化Fig.5 Tensile strength under different annealing temperatures

從圖5中可以看出,當(dāng)退火溫度低于590 ℃時(shí),隨著退火溫度的提高,試樣的抗拉強(qiáng)度急劇降低;當(dāng)退火溫度在590～680 ℃之間時(shí),試樣抗拉強(qiáng)度下降非常緩慢;當(dāng)退火溫度達(dá)到710 ℃以上時(shí),試樣的抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步下降;退火溫度在710～770 ℃范圍內(nèi)時(shí),試樣抗拉強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

結(jié)合試樣的微觀組織來看,試樣的硬度和抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)與試樣的組織相對(duì)應(yīng)。當(dāng)退火溫度低于590 ℃時(shí),試樣組織尚未發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變,試樣的硬度和抗拉強(qiáng)度較高;當(dāng)退火溫度達(dá)到590 ℃時(shí),試樣微觀組織開始發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變,硬度和抗拉強(qiáng)度急劇下降;當(dāng)退火溫度高于710 ℃時(shí),試樣微觀組織發(fā)生了珠光體轉(zhuǎn)變,抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步降低。通過分析不同退火工藝下試樣的組織和性能變化規(guī)律,為開發(fā)不同強(qiáng)度級(jí)別的低碳鋼產(chǎn)品提供了有力的技術(shù)支持。

3 結(jié)論

(1) 本文介紹的連續(xù)退火模擬裝置,安全和自動(dòng)化程度高,可逼真模擬現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組連續(xù)退火工藝,實(shí)現(xiàn)工藝窗口較寬的連續(xù)退火工藝模擬試驗(yàn)(加熱、均熱、冷卻、時(shí)效等)的功能。對(duì)于厚度為0.3 mm的樣板,最大加熱速率高達(dá)300 K/s,最大冷卻速率達(dá)120 K/s,該裝置試驗(yàn)過程穩(wěn)定,溫度控制精度較高。

(2) 在連續(xù)退火模擬裝置上,采用不同退火工藝對(duì)低碳鋼進(jìn)行連續(xù)退火模擬試驗(yàn)。試樣的微觀組織和性能檢測(cè)結(jié)果表明:試樣的硬度和抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)與微觀組織相對(duì)應(yīng)。

(3) 從模擬退火試樣組織和性能的分析結(jié)果可以看出,本文介紹的連續(xù)退火模擬裝置可以較好地模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)退火工藝,能夠?yàn)槔滠埉a(chǎn)品的開發(fā)提供有力的技術(shù)支持。