氣溫變化對中厚板冷卻過程及性能的影響

鄭芳垣

（福建三鋼（集團）有限責任公司， 福建 三明 365000）

在中厚板生產過程中，軋后控制冷卻對鋼板的最終質量起到了至關重要的作用，而終冷溫度是決定中厚板組織性能的關鍵工藝參數之一[1]。大部分中厚板生產廠軋后冷卻所使用的介質主要為水，該介質溫度受環境溫度的影響較大，雖然生產廠建有相應的循環冷卻系統，但往往水溫仍隨著季節的變化而產生較大變化。中厚板軋后經過這些不同溫度的冷卻水進行冷卻后，其性能也隨之出現較大的波動。因此，通過分析中厚板在不同季度對應冷卻水溫下控制冷卻后的組織變形行為，可以為不同季節下的中厚板生產冷卻工藝提供有效指導。

1 試制鋼材的化學成分及方案

實驗材料來源于某鋼廠生產的Q345B低合金鋼板，厚度規格為20 mm，化學成分見表1。

表1 實驗鋼板的化學成分 %

試樣在不同氣候條件下進行實驗，其中試樣1在夏季環境下進行實驗，試樣2、3在冬季環境下進行實驗，試樣1和試樣2的冷卻工藝參數相同，用以比較相同冷卻參數情況下，組織、性能及溫度場趨勢的區別。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、性能及溫度場趨勢的區別。

2 實驗結果

如表2所示，在相同的輥速、冷卻水開啟組數和開冷溫度等冷卻參數情況下，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。通過對試樣進行拉伸實驗見表3，試樣1的屈服強度385 MPa，試樣2與試樣1相比，在相同的輥速、冷卻水開啟組數和開冷溫度等冷卻參數情況下，屈服強度性能低了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。實驗表明氣溫的變化對終冷溫度及性能影響較大。

表2 控冷工藝參數

表3 實驗鋼板的性能

3 分析與討論

為了進一步深入研究冷卻過程，根據一維非穩態導熱微分方程的顯示差分法[2]，通過數值模擬冷卻過程，結合CCT曲線，見下頁圖1，分析鋼板在冷卻過程中的組織變形行為。

3.1 不同冷卻工藝對金相組織的影響

圖1 實驗鋼板的CCT曲線與連續冷卻曲線

通過對試樣進行金相組織分析，見下頁圖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行，產生了中溫轉變組織貝氏體，而試樣1的冷卻強度更大（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%），晶粒度級別為10.5級；試樣2的組織為鐵素體+珠光體（28%），晶粒度級別為9.6級；試樣3的組織為鐵素體+珠光體（29%），晶粒度級別為10.1級；從1/4組織上看，雖然3個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，從而使強度得到提高，同時，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，促進了鐵素體形核，使鐵素體晶粒度等級更高，也會使強度得到提高。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，而錳是穩定奧氏體的元素，造成CCT曲線右移，容易在心部產生中溫組織甚至低溫轉變組織[3]，因此在較小的冷速下，存在偏析的鋼板也容易在心部產生貝氏體組織，該組織的產生受偏析程度影響更大。

圖2 實驗鋼板的金相組織圖（500倍）

通過冷卻實驗及金相組織分析可知，隨著冷卻強度的提高，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，使鋼板的強度得到提高。

3.2 冷卻過程對鋼板組織性能的影響

根據CCT冷卻曲線與試樣數值模擬表面冷卻曲線進行合并，見圖3。從趨勢圖上看，3個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行，鋼板表面溫度更低，受到鋼板心部熱傳導的影響，表層溫度逐漸升高。隨后，在空冷過程中過冷奧氏體首先進行珠光體轉變，當溫度降低至600℃以下時，剩余過冷奧氏體進行貝氏體轉變。

圖3 實驗鋼板的連續冷卻曲線

圖3-1中試樣3在發生奧氏體向鐵素體轉變前，由于提前開啟水組，位于高溫階段的時間較短，與試樣一相比性能更低，晶粒度更為粗大，主要原因為在一定溫度下，奧氏體晶粒長大會造成總的晶界面積逐漸減小，晶粒長大的驅動力減小，當晶粒長大動力和第二相彌散析出粒子的阻力相平衡時，奧氏體晶粒停止長大，在發生鐵素體轉變之前，奧氏體已經處于穩定形狀，因此對組織及性能影響較小。圖3-2為奧氏體向鐵素體轉變的趨勢圖，由圖可知，試樣2在更高的溫度下進行組織轉變，過冷度相對更低，組織相對更加粗大，試樣1與試樣3相比，組織轉變前溫度更高，組織轉變后溫度更低，在更高的冷卻強度下，促進了鋼中的微合金元素和合金元素在鐵素體晶內大量、微細、彌散地析出，使鐵素體基體得到強化，同時冷卻強度的增大也促進了晶粒形核，有助于形成更為細小的鐵素體晶粒，從而提高了強度。

3.3 空冷過程對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，鋼板內部產生大量的位錯和空位，使點陣中的一部分原子偏離其平衡位置，造成點陣畸變，儲存能升高，它使鋼板的硬度、強度升高，而塑性和抗腐蝕性能降低。通過數值模擬相變完成后的空冷過程溫度場進行分析，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遠大于氣溫的變化，而試樣溫降影響的數量級和氣溫影響的數量級相同[4]，通過數值模擬溫度場及實測溫度情況均可以看出，相變完成后的空冷過程差異性較小，對性能影響不大。

圖4 實驗鋼板空冷連續冷卻曲線

4 結論

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使鋼板的冷卻速度發生變化而影響鋼板性能。

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

3）過冷奧氏體向鐵素體及珠光體轉變過程中，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，對性能的影響也較小，因此當氣溫升高時，為避免產生性能波動造成性能不合格，應降低終冷溫度或提高冷卻速度。