淺談鋼板軋制后直接淬火工藝研究

賀禹心

【摘 要】鋼板軋后直接淬火工藝具有節約時間，減少能源耗費，同時能夠優化鋼板質量等多項優點。此性能控制技術現已被多個國家采用并發展，但在國內尚處于起步階段。本文介紹了該工藝的背景及特點，分析了該工藝背后的技術機理，研究了如何部署淬火設備以及如何選擇冷卻方式，最后做出總結。意在向國內推廣此項工藝，為推進鋼鐵產業發展做出微薄貢獻。

【關鍵詞】鋼板；軋制；淬火；在線熱處理

一、引言

鋼板軋后直接淬火工藝由于其節能且可以一定程度上提升鋼板品質的優點，自上世界八十年代以來便受到了國際上來自各大鋼板生產廠商的關注和追捧。該工藝可概述為經過精軋機軋制后的鋼板直接進入熱處理設備進行相應的熱處理，這一過程又稱為“在線熱處理”。該工藝具有以下優點：

（1）借由鋼板經過軋制后未經冷卻就直接進入淬火設備，直接跳過了傳統工藝線上的鋼板再升溫過程，高效利用軋后余熱，可以大幅地節省能源耗費。

（2）因省去了再加熱工序，與變形和熱處理有機結合，縮短了整個淬火過程的時間，所以相應的設備的熱處理能力得到了優化。

（3）熱處理設備是在線布置，減少了線上產品的傳輸時間，進而提升整條生產線的效率。

（4）實驗證據表明，直接淬火工藝可以有效減少合金元素引起的硬化現象，且在其他方面表現不輸于常規工藝。

由于上述優點，在鋼板生產活動中，若條件符合工藝要求，則考慮優先使用此種工藝。國際上其他國家早已采用此工藝。反觀國內對其研究卻起步較晚。在世界資源節約和環境治理保護等要求日益嚴格的當今時代，鋼板軋后直接淬火工藝符合鋼鐵行業“綠色低碳”發展的時代要求，值得在國內得到大力推廣。

二、鋼板軋制后直接淬火工藝的機理

鋼板經過直接淬火后，其主體結構可能為兩種。一種是微細的馬氏體，此時其主要成分包含馬氏體束、馬氏體包、和大量的高密度位錯；第二種是貝氏體組織，其主要構成是貝氏體、先共析鐵素體等，并且可觀察到碳化物在其晶界、變形帶邊界以及原奧史晶界處少量析出。

經在線熱處理后的鋼板，其強度由位錯密度和析出強化等因素決定，其韌性則一般主要受斷裂的實際組織的微細程度影響即被大角度晶界所包圍的結晶單位的尺寸大小所決定。若是馬氏體組織，則主要由馬氏體晶胞的直徑大小所影響；而若是呈貝氏體組織結構，那么主要影響因素就成了貝氏體和鐵素晶體的尺寸。

在具體的軋后直接淬火工藝實施中，需要根據軋后鋼板的奧史體再結晶狀態的不同來選取使用不同的淬火方法：

（1）奧氏體再結晶區直接淬火法即在待淬火鋼板處于奧氏體再結晶區間進行終軋，受高溫影響，合金元素特別是是碳氫氧化物會較為均勻的固溶于奧氏體中，這將令鋼板的淬透性提高，增強鋼板的強度和韌性。

（2）奧氏體未結晶區直接淬火法則是在待淬火鋼板處于奧氏體未結晶區間進行終軋，采用這種方法進行淬火的鋼板其性能主要受自身的合金元素和金相組織影響。鋼板本身固有的淬火能力影響著直接淬火后的鋼板性能。

采取何種淬火方法由鋼板的淬火性能決定。對高淬火性能的鋼板，采取奧氏體再結晶區直接淬火法，得到的調制鋼的強度和韌性有明顯提升。強度提升是因為加工強化奧氏體相變后產生的馬氏體板條中含有大量的高密度位錯，后者的強化效果對強度提高有積極作用。韌性提升是因為加工強化的再結晶奧氏體含有大量諸如位錯和變形帶的的晶體缺陷，令相變之后的馬氏體和包組織得以細化。

對于低淬火性能的鋼材，因奧氏體未結晶區的變形加速了鐵素體在變形奧氏體的晶界和晶粒內變形帶的析出，使鋼材淬透性的下降，令調制的鋼板強度亦會有所下降。對鋼材的韌性，則還有根據鋼種的情況區分，有的有所改善，有的將略有降低。

三、對軋后直接淬火設備的要求

在鋼材生產廠的調制鋼板生產線上，部分鋼板需要熱處理，有的則需要直接進入冷卻設備，因此，對直接淬火設備具有如下的要求：

（1）較大的工作范圍。這是因為直接淬火設備既需要滿足在線熱處理需求，也需要能夠滿足部分鋼材的快卻需求。

（2）提供較快的冷卻速度。在軋制后直接淬火工藝中為了提高調制品的硬度，需要使冷卻速度逼近某個界值。此時該設備需要具有能夠提供超過正常冷卻速度15%左右的能力。

（3）部署合理的冷卻裝置。在鋼板的冷卻過程中，若上下表面的冷卻條件不同，將造成鋼板內部組織不均勻，出現鋼板翹曲。可以考慮在鋼板上表面使用限制輥來減輕鋼板的浪形程度，但會使冷卻控制的精確度下降。因此需將限制輥的數量控制在合理的范圍，配合使用其他合適的冷卻設備代替限制輥，使鋼板上下表面的冷卻條件趨于一致。

四、冷卻方式的選擇

研究表明：就鋼材上表面而言，采用不同的層流液冷卻方式對熱處理效果影響也比較大。見圖1，2，3。

在圖1中，采用的是圓形孔層流冷卻，噴口間距為110mm×135mm。在圖2中，采用的仍然是圓形孔層流冷卻但其噴嘴間距改為了60mm×60mm。在圖3中則采用縫隙噴嘴+圓形孔層流冷卻液，間距60mm×60mm。以上三種方式的水流量均為2.5m3/min。實驗結果展示的是距鋼板表面2mm處的硬度變化。

對鋼板橫斷面上的組織使用顯微觀察，分析得：采用冷卻方式1時，鋼板在接近表層處呈現的是針狀鐵素體組織。而采用冷卻方式3時，鋼板在接近表層處呈現的是均勻的馬氏體組織。而針狀鐵素體組織則是引起鋼材硬度變化較大的主要原因。在進行鋼材冷卻時，盡管其他條件全部一致，只有冷卻方式不同，卻產生了不同的組織構造。這其中的原因是因為采用圓形孔層流冷卻時，由于圓形噴口下面區域同其他區域接受的冷卻條件不一致，令鋼板表面在高溫情況下反復速冷以及吸熱，進而在其表面形成大量的針狀鐵素體組織。當采用另一種方法時，鋼板表面在高溫情況下反復速冷以及吸熱的速度大幅降低。大量的數據證明指出：縫隙噴嘴+圓形孔層流冷卻可以獲得硬度均勻的鋼板，而單獨后者是做不到的。

綜上所述，在使用鋼板軋制后直接淬火工藝時，冷卻采用鋼板上下表面都使用縫隙噴嘴+圓形孔層流冷卻的方式可以獲得最佳的效果。

五、結語

軋制后直接淬火法在實踐生產中被證明了具有諸多優點，在鋼板生產中投入使用之后可以使企業自身實現減成本、添效益、強性能等目標，并且該工藝符合新環境下綠色發展的要求，值得在國內推廣。

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