基于超快冷工藝的Q355B鋼板性能均勻性

潘 剛, 俞 俊, 楊 陽(yáng), 肖 娟, 甘雯雯

(廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司, 柳州 545002)

新一代多功能中厚板軋后冷卻技術(shù)以超快冷工藝為代表，其采用射流沖擊換熱設(shè)計(jì)[1]，綜合了析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等多種強(qiáng)化手段[2]，充分挖掘熱軋及冷卻過(guò)程的工藝潛力，可以用節(jié)約型合金成分設(shè)計(jì)以及減量化制造方法的方式生產(chǎn)具有良好力學(xué)性能及使用性能的板帶鋼產(chǎn)品，對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提升產(chǎn)品使用性能、推動(dòng)熱軋產(chǎn)品綠色化生產(chǎn)具有重大作用[3-4]。目前，很多中厚板生產(chǎn)線的水冷鋼板比例已經(jīng)超過(guò)70%，但水冷鋼板同板強(qiáng)度差較大，有的品種鋼板頭、中、尾強(qiáng)度差甚至超過(guò)100 MPa，影響了產(chǎn)品質(zhì)量[5]，確保水冷鋼板的性能均勻也成為超快冷技術(shù)的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)[6-10]。為確保鋼板在超快速冷卻條件下能夠獲得良好的冷卻均勻性，從集管本體設(shè)計(jì)及其排布形式、殘余水清除措施、鋼板上下表面均勻性控制方法以及輥道速度設(shè)定等方面進(jìn)行了調(diào)試。筆者以低合金Q355B鋼為測(cè)試對(duì)象，分析了超快冷工藝下鋼板的性能均勻性，驗(yàn)證了工藝的可靠性并提出了改進(jìn)方向。

1 試驗(yàn)材料與方法

以厚度為20 mm的低合金Q355B鋼為測(cè)試對(duì)象，開(kāi)水集管組數(shù)為4組，冷卻速率為39 ℃/s，頭尾不遮蔽，板寬邊部遮蔽，側(cè)噴和吹掃全開(kāi)。分別取板縱向的頭、中、尾部位，鋼板橫向邊部和中間不同位置制備試樣，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和顯微組織分析，不同取樣位置如圖1所示。

圖1 不同取樣位置示意

根據(jù)GB/T 1591—2018 《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，Q355B鋼的拉伸試樣為全截面矩形，名義加工寬度為30 mm，分別對(duì)鋼板縱向和橫向不同位置的試樣進(jìn)行加工，采用橫梁位移控制方法[11]，在WAW-600型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。沖擊試樣為縱向KV2型，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm(長(zhǎng)×寬×高)。測(cè)試前確保試樣加工面和軋制面的表面質(zhì)量完好。將試樣加工成截面尺寸為20 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬)的小樣，磨制其縱向截面，在厚度不同的位置進(jìn)行顯微組織觀察[12]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼板不同位置強(qiáng)度和塑性均勻性

2.1.1 鋼板縱向

在鋼板縱向，即長(zhǎng)度方向，取頭、中、尾不同位置的試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明：鋼板縱向頭部抗拉強(qiáng)度和上屈服強(qiáng)度略高于中、尾部，尤其是上屈服強(qiáng)度差異較明顯，這可能與鋼板頭部在軋制時(shí)溫度下降較快有關(guān)。采用最大值減去最小值方法計(jì)算鋼板的力學(xué)性能極差，可得上屈服強(qiáng)度極差為40 MPa，抗拉強(qiáng)度極差為19 MPa，斷后伸長(zhǎng)率極差為4%。從上述極差可以看出：該工藝下所得的鋼板縱向強(qiáng)度和塑性均勻性較好。

圖2 鋼板縱向不同位置的拉伸測(cè)試結(jié)果

2.1.2 鋼板橫向

鋼板橫向(寬度方向)不同位置的拉伸測(cè)試結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明：鋼板橫向上屈服強(qiáng)度極差為16 MPa，抗拉強(qiáng)度極差為14 MPa，斷后伸長(zhǎng)率極差為3%，強(qiáng)度和塑性均勻性好。軋制過(guò)程中，軋件邊部和中間部分的冷卻條件有一定的差異，冷卻速率不同。通常邊部溫度比中間部分低，溫度差可以達(dá)到60～80 ℃。邊部遮蔽技術(shù)是在層流冷卻系統(tǒng)設(shè)置擋水裝置，通過(guò)對(duì)鋼板邊部一定范圍進(jìn)行遮蔽，使精軋機(jī)軋出的帶鋼橫向溫度均勻分布[13]。進(jìn)入冷卻段，采用邊部遮蔽作用，可以提高板寬方向的性能均勻性。

圖3 鋼板橫向不同位置的拉伸測(cè)試結(jié)果

2.2 鋼板不同位置沖擊韌性的均勻性

分別在鋼板縱向的板頭、板中和板尾，鋼板橫向(板寬方向)的板中、板寬1/4和板邊處取樣，并制備沖擊試樣，試樣為V型缺口，采用全自動(dòng)擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)在20 ℃下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，鋼板不同位置的沖擊韌性測(cè)試結(jié)果如表1所示。可以看出鋼板縱向頭部的沖擊韌性略高于中部和尾部，極差為35 J；鋼板橫向沖擊韌性的極差為8 J。

表1 鋼板不同位置的沖擊韌性 J

2.3 鋼板厚度方向組織的均勻性

板帶在冷卻過(guò)程中，上、下表面冷卻速率較高，溫度較低；心部冷卻速率較低，溫度較高。從表面到心部的溫度梯度與邊界條件及材料的熱傳導(dǎo)性有關(guān)。以板帶鋼厚度中心線為對(duì)稱(chēng)線，維持板帶上、下表面到心部的溫度分布互相對(duì)稱(chēng)，可以防止板帶發(fā)生翹曲。實(shí)際上，板帶上、下表面的冷卻條件不同，上表面積水排出需要一定的時(shí)間，積水和鋼板的熱交換又與沸騰狀態(tài)有關(guān)；下表面水噴射到鋼板表面后會(huì)離開(kāi)鋼板而散落下來(lái)。為了達(dá)到相同的冷卻效果，需要在鋼板的下表面采用更大的冷卻水量[13]，上、下冷卻水的體積比為1…1.2。

在鋼板中心位置取樣，用3%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液侵蝕后，用光學(xué)顯微鏡觀察厚度方向上不同位置的顯微組織，即上、下表層、板寬1/4處和心部，取樣位置如圖4所示。

圖4 厚度方向取樣位置示意

鋼板厚度方向不同位置金相檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其顯微組織形貌如圖5所示，將冷卻面及其附近出現(xiàn)的鐵素體細(xì)晶粒層或非鐵素體+珠光體組織定義為過(guò)冷層，用表層產(chǎn)生的過(guò)冷層厚度和組織的對(duì)稱(chēng)性判斷厚度方向的冷卻均勻性。結(jié)果表明：上表層過(guò)冷層厚度約為5 mm，顯微組織為鐵素體+粒狀貝氏體；下表層過(guò)冷層厚度約為0.47 mm，顯微組織為鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體；板寬上1/4處的顯微組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體,板寬下1/4處的顯微組織為鐵素體+珠光體；心部區(qū)域的顯微組織為鐵素體+珠光體。上表層的鐵素體晶粒較細(xì)小，過(guò)冷組織產(chǎn)物中粒狀貝氏體較多，證明上冷卻面的冷卻速率較下冷卻面快，上、下冷卻面的不均勻性在板形不良上也有所體現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)鋼板上、下冷卻面的對(duì)稱(chēng)換熱，需要增加下集管流量，調(diào)整上、下冷卻水的體積比，對(duì)下表面換熱能力進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)厚度方向的冷卻均勻性。性能的變化是過(guò)冷層厚度、顯微組織和晶粒尺寸相互協(xié)調(diào)的結(jié)果。

表2 鋼板厚度方向不同位置金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖5 鋼板厚度方向不同位置的顯微組織形貌

3 結(jié)論

(1) 鋼板的屈服強(qiáng)度同板差≤40 MPa，抗拉強(qiáng)度同板差≤19 MPa，斷后伸長(zhǎng)率同板差≤4.0%，沖擊韌性同板差≤35 J，鋼板具有較好的性能均勻性。

(2) 鋼板頭部有限進(jìn)入冷卻區(qū)，過(guò)冷度大，組織細(xì)小，力學(xué)性能較好。

(3) 鋼板尾部溫度下降幅度大，低溫軋制后進(jìn)入冷卻區(qū)，開(kāi)冷溫度低，冷卻時(shí)鋼板尾部已發(fā)生相變，未能得到過(guò)冷組織。

(4) 鋼板上、下過(guò)冷層的厚度、表層組織和鐵素體晶粒度均存在差異，板厚中心晶粒度不對(duì)稱(chēng)，說(shuō)明上、下表層的冷卻能力不同。上表層的鐵素體晶粒較細(xì)小、過(guò)冷層厚且過(guò)冷組織中粒狀貝氏體較多，說(shuō)明上表面冷卻速率較快，上、下冷卻水體積比需要進(jìn)一步調(diào)試。