普通碳素結(jié)構(gòu)鋼貝氏體的優(yōu)化控制

王信威，劉占鋒，夏中山，李 磊

（德龍鋼鐵有限公司軋鋼廠，河北邢臺(tái)054009）

0 引言

熱軋窄帶鋼廣泛應(yīng)用于制管（圓管、方矩管）、護(hù)欄板、絲網(wǎng)、機(jī)械加工件等領(lǐng)域，在下游生產(chǎn)過(guò)程中，頻繁出現(xiàn)普碳鋼組織不均勻，造成的各類(lèi)缺陷致使下游加工成品出現(xiàn)涂鍍不均、成型不良等問(wèn)題，同時(shí)加工件強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，在使用過(guò)程中無(wú)法滿足客戶要求，造成客戶加工件的頻繁降級(jí)或報(bào)廢，影響客戶使用。

熱軋后的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織中含有鐵素體、貝氏體組織，普碳系列帶鋼的延伸率偏低，平均延伸率在內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)附近擺動(dòng)，時(shí)有延伸偏低需要取復(fù)檢樣檢驗(yàn)，影響成材率，并對(duì)成品發(fā)貨造成影響，對(duì)延伸不合的熱軋普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織進(jìn)行化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)組織中存在不同程度貝氏體組織，同時(shí)制管廠反饋的管體平面現(xiàn)象，經(jīng)取樣化驗(yàn)組織后發(fā)現(xiàn)組織中也存在不同程度的貝氏體現(xiàn)象。消除貝氏體成為熱軋降低熱軋組織不良率的重點(diǎn)攻關(guān)方向。在攻關(guān)中發(fā)現(xiàn)，組織中含有少量均勻的貝氏體組織能夠提高組織強(qiáng)度，客戶滿意度更高，而產(chǎn)生缺陷的組織中發(fā)現(xiàn)不規(guī)則的貝氏體組織。同時(shí)在研究攻關(guān)中發(fā)現(xiàn)微合金低碳貝氏體鋼是高強(qiáng)度、高韌性、焊接性能優(yōu)良的新一代鋼種，是化學(xué)冶金及物理冶金研究成果相結(jié)合的最新產(chǎn)物[1]。貝氏體并非全部為有害組織，組織中適度含有貝氏體能夠有效提高強(qiáng)度，提高硬度。

1 貝氏體組織分析

1.1 貝氏體組織分析

貝氏體是過(guò)冷奧氏體在臨界點(diǎn)以下中溫區(qū)（250～550℃）的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，由鐵素體和滲碳體組成。熱軋帶鋼從開(kāi)始軋制至成品打包一般均在500℃以上完成，為保障性能的需求，一般通過(guò)控軋控冷工藝實(shí)現(xiàn)提高強(qiáng)度的目的，控冷期間出現(xiàn)帶鋼局部溫度低于550℃，從而帶鋼中出現(xiàn)不均勻貝氏體現(xiàn)象。在化學(xué)成分相同的條件下，粒狀貝氏體鋼的強(qiáng)度最低，韌塑性最好；板條貝氏體鋼板的強(qiáng)度最高，韌塑性最差；由粒狀貝氏體+板條貝氏體組成的鋼，其強(qiáng)度、韌塑性居中，當(dāng)前生產(chǎn)的熱軋普碳碳素結(jié)構(gòu)鋼中的貝氏體主要以此狀態(tài)存在，但由于分布的不均勻性，造成了局部的強(qiáng)度和延伸率異常于正常區(qū)域，造成帶鋼在拉伸或彎曲過(guò)程出現(xiàn)局部有平面或斷裂現(xiàn)象。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織中含有鐵素體及少量的貝氏體，一般認(rèn)為，鋼中形成多相組織對(duì)獲得高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性等綜合力學(xué)性能較為有利[2]。

1.2 熱軋普通碳素結(jié)構(gòu)鋼現(xiàn)狀貝氏體組織分析

對(duì)延伸率低及客戶反饋質(zhì)量異議的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼調(diào)查貝氏體存在狀況及深度統(tǒng)計(jì)，貝氏體最深深度為2 mm，一般情況下，上表面深度及嚴(yán)重情況重于下表面情況。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織一般為表層雙側(cè)組織為（F+B+少量P），或表單側(cè)組織為（F+B+少量P），且分布不均勻，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織均勻且含有貝氏體的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度略高。

金相組織中不規(guī)則貝氏體組織情況見(jiàn)圖1。

圖1 金相組織中不規(guī)則貝氏體組織

金相組織中不規(guī)則貝氏體組織造成了后續(xù)普碳鋼的性能不合，以及發(fā)往客戶使用期間的不達(dá)標(biāo)，無(wú)法使用，嚴(yán)重制約了普碳鋼的生產(chǎn)。

2 異常貝氏體原因分析

造成貝氏體的主要原因?yàn)槔渌龠^(guò)快。針對(duì)冷速過(guò)快查找目前工藝執(zhí)行中存在的問(wèn)題，及設(shè)備需要改造的方向。影響冷速過(guò)快的原因有終軋溫度、卷取速度、卷取溫度、冷卻方式，不同溫度的坯料混裝，在爐時(shí)間短，加熱溫度不均勻，設(shè)備因素異常導(dǎo)致軋制過(guò)程的溫度不均勻，冷卻后形成斷續(xù)貝氏體現(xiàn)象。

2.1 貝氏體組織情況調(diào)查

在現(xiàn)場(chǎng)跟蹤過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，粗軋或精軋除鱗后，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼上表面縱向有不同程度黑線條現(xiàn)象，因除鱗水嘴吹掃造成，經(jīng)軋制后普通碳素結(jié)構(gòu)鋼上表面縱向組織差別較小，可忽略。

查找近期的坯料軋制爐號(hào)，根據(jù)爐號(hào)確認(rèn)入爐坯料是否混裝，查閱近期的加熱曲線，確認(rèn)不同的加熱工藝對(duì)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織的影響差別不明顯。

2.2 層流水溫異常

查找近期取樣組織異常卷工藝執(zhí)行，溫度執(zhí)行正常，但在質(zhì)量工序點(diǎn)巡檢表中發(fā)現(xiàn)，在組織異常時(shí)間段內(nèi)，層流冷卻水流量不一致，或有水嘴堵塞、歪斜現(xiàn)象登記較為頻繁。

低碳貝氏體實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度較高，強(qiáng)度指標(biāo)隨軋后冷卻速度的不同而差別較大[3]。抽取檢修后開(kāi)軋與連續(xù)軋制兩天后的樣條檢驗(yàn)，在相同的工藝溫度下，組織差別較大，通過(guò)檢查水溫表發(fā)現(xiàn)，檢修后開(kāi)軋層冷水溫，尤其是冬季（26℃）和連續(xù)兩天軋制后溫度（42℃）差別較大，隨著水溫偏低，組織異常率提高，不同的水溫情況下，對(duì)帶鋼冷速進(jìn)行測(cè)定，層流冷卻水溫度26℃期間的冷速為29℃/s，層流冷卻水溫度42℃期間的冷速為14℃/s，跟蹤測(cè)量中發(fā)現(xiàn)冷速超過(guò)21℃/s后，帶鋼表層出現(xiàn)不均勻化貝氏體，隨著冷速的增加，帶鋼表層貝氏體含量增加明顯。

2.3 工藝溫度不合理

查找生產(chǎn)組織，不同的軋制溫度工藝，試驗(yàn)不同的終軋溫度及卷取溫度，對(duì)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織分析發(fā)現(xiàn)，不同的溫度下普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織差別明顯，尤其高溫終軋，低溫卷取組織中產(chǎn)生大量貝氏體，且貝氏體組織分布不均勻。精軋終軋溫度試驗(yàn)調(diào)整（880～820℃）控制期間，相同的卷取溫度下（620℃），終軋溫度越低，組織中出現(xiàn)貝氏體的幾率越低，但隨著終軋溫度的降低，軋制期間各機(jī)架的負(fù)荷明顯升高不利于軋制及后續(xù)板形控制。相同的精軋終軋溫度（850℃）控制期間，調(diào)整卷取溫度（660～620℃）控制，卷取溫度越高，組織中出現(xiàn)貝氏體的幾率越低，但隨著卷取溫度的升高，熱軋帶鋼屈服強(qiáng)度明顯降低，無(wú)法滿足客戶使用強(qiáng)度要求，且不同厚度的帶鋼均出現(xiàn)因強(qiáng)度偏低出現(xiàn)的橫折印缺陷。

2.4 冷卻方式

軋后冷卻制度對(duì)實(shí)驗(yàn)低碳貝氏體鋼的微觀組織有顯著影響。軋后空冷時(shí)主要為準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體；軋后水冷時(shí)主要為板條貝氏體，軋后水冷至531℃而后空冷至室溫時(shí)，主要為粒狀貝氏體[4]，實(shí)際取樣中發(fā)現(xiàn)，由于冷卻不均出現(xiàn)的均是板條狀貝氏體。

執(zhí)行集中冷卻后的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織中含有大量貝氏體，延伸率偏低，執(zhí)行稀疏冷卻后的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織均勻，偶有很少貝氏體現(xiàn)象，在組織中分布均勻。冷卻方式從第2組開(kāi)始冷卻與第6組開(kāi)始冷卻相比，前者更容易產(chǎn)生大量貝氏體，且分布不規(guī)則。

3 改進(jìn)方案

針對(duì)造成熱軋普碳鋼組織中異常貝氏體現(xiàn)象，制定如下方案，降低貝氏體含量，優(yōu)化工藝，均勻普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織。

（1）降低精軋終軋溫度，減小溫度差，降低冷速。

（2）提高粗軋末道次輥縫，在降低精軋溫度的同時(shí)，減輕坯料頭尾溫差，避免尾部溫度過(guò)低。

（3）提高卷取溫度，減小溫度差，降低冷速。

（4）冷卻開(kāi)啟位置后移，保證結(jié)晶轉(zhuǎn)變時(shí)間。

（5）稀疏冷卻（每組開(kāi)1、3排），進(jìn)一步降低冷速。

（6）保證層流水流量及均勻性，保證普通碳素結(jié)構(gòu)鋼縱向冷卻均勻。

（7）嚴(yán)格控制層流水溫，避免急冷造成組織異常。

4 措施制定

根據(jù)改進(jìn)方案，細(xì)化措施制定如下：

（1）降低終軋溫度，終軋溫度由以前的880℃調(diào)整到850℃。

（2）粗軋末道次輥縫由以前的34 mm根據(jù)不同厚度調(diào)整到36～40 mm。

（3）卷取溫度由以前的620℃提高到640℃。（4）以前的第2、3組開(kāi)始冷卻調(diào)整至第6組開(kāi)始冷卻。

（5）集中冷卻改為稀疏冷卻，調(diào)整前冷速25℃/S，調(diào)整后16℃/S。

（6）調(diào)整層冷水流量，上噴水調(diào)整前流量30～60 m3/h，調(diào)整后 48 m3/h。

（7）細(xì)化軋制普碳鋼期間的層冷水溫度由以前的32～53℃調(diào)整為(42±2）℃，嚴(yán)格控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟數(shù)量，避免超出此溫度，最終冷速降低至16℃/S。

5 效果驗(yàn)證

工藝改進(jìn)后的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能及組織情況如表1所示。

詳細(xì)組織情況如圖2所示。

表1 工藝改進(jìn)后的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能及組織情況

圖2 工藝改進(jìn)后普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組織情況圖

從圖2中可以看出，組織中貝氏體明顯減少，甚至消失，存在貝氏體組織的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼不影響使用，并能適量提高普通碳素結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼延伸率進(jìn)一步穩(wěn)定提高，下游制管客戶再無(wú)反饋質(zhì)量缺陷。

6 結(jié)論

終軋溫度850℃，卷取溫度640℃，冷速在16℃/s，能夠有效抑制貝氏體組織的生成。根據(jù)層冷水溫調(diào)整冷卻方式及冷卻速度，保證冷卻均勻是消除普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中不良貝氏體組織的關(guān)鍵。組織中含有少量均勻的貝氏體組織不影響普通碳素結(jié)構(gòu)鋼使用，并能提高熱軋普通碳素結(jié)構(gòu)鋼性能。