緩冷工藝對510L 組織性能的影響

于銀俊

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 引言

由于客車載客量大，安全性能要求較高，因此對材料的抗疲勞性、裝配精度以及性能穩定性的要求也較高。安鋼生產的薄規格510L 經過開平、縱剪、焊接制管后用在客車上，客戶反應由于薄規格510L 通卷性能波動大，造成制管后鋼管在加工使用過程中出現輥弧不一致的現象，影響裝配尺寸的精度，給客車加工生產造成很大的困擾，并帶來了很大的安全隱患。

卷板在軋制過程以及后續冷卻過程中溫度不一致，導致卷板的通卷性能出現波動，這是所有鋼廠都面臨的問題，也是鋼廠亟待解決的技術問題。為了解決此問題，筆者通過對比卷曲后緩冷與空冷工藝下熱軋卷通卷的組織與性能，分析了造成510L通卷性能穩定性差的原因，創新性地提出了卷曲后通過緩冷工藝均勻熱軋卷板的卷頭、卷中和卷尾的冷卻速率，使510L 的通卷組織更加均勻，進而減少通卷性能的波動，提高通卷性能的穩定性。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗生產的材料為安鋼的510L，主要工藝流程：鐵水預處理脫硫→150 t 轉爐冶煉→LF 精煉爐→230 mm 雙流板坯連鑄→加熱爐→高壓水除鱗→粗軋→精軋→層流冷卻→卷曲→取樣檢測→包裝標識→入庫。

1.2 試驗方案

為避免成分和其他生產因素對此次試驗造成影響，本次試驗的2 個鋼卷取自同一爐鋼的板坯，同軋制批次號，軋制規格均為3.0 mm×1 500 mm，化學成分見表1。

表1 510L 化學成分 %

工藝一：空冷工藝，將卷曲后的鋼卷空冷放置，冷卻至室溫；工藝二：緩冷工藝，將卷曲后的鋼卷快速吊裝到緩冷廂中進行堆垛，緩冷72 h，然后從緩冷廂中吊出，冷卻至室溫。

為了全面對比正常空冷和緩冷鋼卷的通卷組織和性能情況，對采用工藝一和工藝二生產的鋼卷的卷頭、卷中和卷尾進行取樣，分別對比不同位置的組織和性能。

1.3 試樣檢測方法

對試驗鋼卷進行分卷、取樣，采用GB/T 2975取樣方法分別在卷頭、卷中和卷尾進行取樣，利用PME3 Axiovert 200 光學顯微鏡和WAW-Y500 微機控制電液伺服萬能試驗機檢測其組織和力學性能。

2 試驗結果

2.1 試驗鋼卷不同位置的金相組織

不同工藝的鋼卷在卷頭、卷中和卷尾的組織形貌如圖1 所示。

圖1 不同位置的組織形貌

從圖1 可以看出，空冷或者緩冷鋼卷的組織均為鐵素體+珠光體，空冷鋼卷的卷頭和卷尾的晶粒尺寸較卷中的尺寸小，經測量空冷試樣的頭部和尾部的晶粒度為11.5 級，而卷中為11 級，卷頭和卷尾以準多邊形鐵素體為主，卷中以多變形鐵素體和塊狀珠光體為主。緩冷鋼卷的卷頭、卷中、卷尾的晶粒尺寸較為均勻，經測量均為11 級，全部為多邊形鐵素體和塊狀珠光體。

2.2 試驗鋼卷不同位置的性能

采用空冷工藝，試驗鋼卷不同位置的力學性能如圖2 所示。采用緩冷工藝，試驗鋼卷不同位置的力學性能分布如圖3 所示。

從圖2 可以看出，采用工藝一生產的鋼卷的抗拉強度最高達到570 MPa，最低為533 MPa，相差37 MPa，屈服強度最高達到500 MPa，最低為442 MPa，相差58 MPa，延伸率最高為27%，最低為24%。

圖2 采用工藝一生產的鋼卷不同位置的力學性能

從圖3 可以看出，采用工藝二生產的鋼卷的抗拉強度最高達到548 MPa，最低為539 MPa，相差9 MPa，屈服強度最高為461 MPa，最低為440 MPa，相差21 MPa，延伸率最高為29%，最低為27%。

圖3 采用工藝二生產的鋼卷不同位置的力學性能

綜合來看，熱軋卷卷曲后無論是采用空冷工藝還是緩冷工藝，卷中的強度較卷頭和卷尾均較低，經過緩冷工藝，鋼卷的強度降低，通卷強度波動減少，塑性增加。

3 分析和討論

對于低碳微合金鋼來說，鋼中常見的強化方式有細晶強化、沉淀強化、固溶強化和位錯強化。510L 的主要強化方式是細晶強化[1]，根據Hall-Petch 公式：

可知，隨著晶粒尺寸的減少，金屬強度逐漸增高。鋼卷在冷卻過程中，由于卷頭和卷尾部分直接與空氣接觸，散熱較快，造成冷卻速率大，導致卷頭和卷尾的晶粒細小，而卷中部分由于散熱慢，冷卻速率低，造成晶粒有充分的長大時間，晶粒比卷頭和卷尾的大。因此，空冷鋼卷頭部和尾部的細晶強化最高，卷中部的偏低，與圖2 的檢測結果相符合。

經過緩冷的鋼卷，在鋼卷冷卻過程中，溫度降低的較慢，鋼卷的頭、中、尾的冷卻速率相對均勻，使得緩冷鋼卷的頭、中、尾處的組織更均勻，性能也更加穩定。同時，緩冷使鋼中的位錯密度減少，從而使鋼板的內應力和不均勻性減少，降低了鋼的強度，提高了材料的塑性[2]。

通過對比空冷和緩冷鋼卷不同位置的組織和力學性能可知，通過緩冷工藝，鋼卷組織的均勻度增加，性能穩定性增加，同時提高了通卷材料的塑性，與實際檢測相符合。

4 批量生產與驗證

為驗證緩冷工藝對批量生產薄規格510L 通卷性能穩定性的影響，對2019 年12 份至2020 年12份生產的48 批薄規格3.0 mm×1 500 mm 的510L，分別進行空冷工藝與緩冷工藝放置，并在下游進行跟蹤取樣檢測，檢測結果見表2。

表2 薄規格510L 大生產性能波動統計

從表2 可以看出，緩冷工藝能提高薄規格510L 的通卷性能穩定性，且經過緩冷工藝處理的鋼卷，下游用戶在后續制管加工后未出現過輥弧不一致的現象。

5 結論

（1）造成510L 通卷性能波動大的主要是卷曲后，卷頭、卷中、卷尾的冷速不同帶來的晶粒大小不均勻造成的。

（2）卷曲后采用緩冷工藝，可以提高材料頭、中、尾組織的均勻性，提高通卷性能的穩定性，改善510L 的塑性。