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1、轧后冷却速度对窄带钢组织性能及其温度场的影响摘要 本文通过热模拟机Gleeble1500对Q215热轧窄带钢在不同的轧后冷却速度下进行了模拟，研究了冷却速度对热轧窄带钢组织性能的影响。同时，采用MARC对其冷却过程进行有限元数值模拟，分析了冷却速度对钢带温度场分布的影响。为提高产品的强度及韧性，适应以后的冷轧工艺，根据现场条件，制定了合理的冷却制度。关键词 冷却速度 热轧窄带钢 显微组织 力学性能 温度场1引言 热轧窄带钢与宽带相比其组织性能指标较低，产品的流向以焊管、冷弯原料为主，近几年来已开始用于冷轧带钢的原料，用户对窄带钢产品质量的要求也越来越高。目前国内的热轧窄带钢生产大部分在轧后采用
2、蛇型振荡的冷却方式，有的甚至轧后无任何冷却方式，直接卷取，以致卷取温度过高，组织晶粒过大，不利于后面的冷轧，最终产品质量也难以达到用户的要求。带钢热轧以后的冷却速度对于钢带的组织与性能有着极其重要的影响，铁素体珠关体组织的低碳钢的强化与普通热轧态钢比较是通过轧后控制冷却速率来实现的。钢种、板厚、终轧及卷取温度和轧制规程等都相同，只是冷却速度不同就引起性能上的较大差别1,2。因此，本文根据某热轧窄带钢厂车间的实际情况，采用gleeble热模拟方法加入一定的轧后冷却速度，研究其对热轧窄带钢组织性能的影响。同时，采用MARC有限元软件对其冷却过程的温度场进行模拟计算，研究其厚度方向上的温度场分布情况
3、。2试验方法及结果分析2.1试验材料目前，热轧窄带厂的原料以Q195、 Q215、Q235等普碳钢为主。本研究中的试验材料取自某热轧窄带厂的成品，其化学成分如表1。表1 试验用钢主要化学成分元素CMnSiPS质量分数/%0.090.150.250.550.30.040.042.2试验方案及检验根据试验内容和试验方案的要求将试样加工成120163mm的矩形试样。利用北京科技大学Gleeble-1500热模拟试验机采集试验数据。试验方案为：将室温下的热轧窄带钢试样以20/s的加热速度分别加热到880，保温5分钟使其完全奥氏体化，然后以不同的冷却速度冷却到650，最后空冷至室温。考虑到该厂车间终轧设
4、备到卷取机的距离比较短，选用比较大的冷速进行冷却，分别为20、30、40、50、60/s（终轧到卷取温度范围内的平均速度）。具体工艺参数情况见表2。将热模拟完后的试样加工成标准拉伸试样，对其进行力学性能测试，并与未经热模拟的0样进行比较。同时用中间截取的部分制成金相样，抛光后用4%的硝酸酒精溶液侵蚀，在NEOPHOT21型金相显微镜下观察分析其组织特点。2.3试验结果分析 2.3.1试验结果 以下表2为室温20、不同冷却工艺制度下测定的力学性能结果，图1为不同冷却工艺制度下观察到的微观组织。其中0试样为未经热模拟的原始试样。表2 力学性能测定结果编号工艺参数晶粒的平均直径d()屈服强度（MPa
5、） 抗拉强度（MPa）总延伸率（%）屈强比终轧温度（）冷却速度（/s）终冷温度（）0原始试样34.8526039032.10.667188020650 27.7326840031.70.670288030650 23.6528741833.90.687388040650 20.3329042036.50.682488050650 21.7128342528.50.667588060650 24.8127539526.70.696 图1 不同冷却速率下对应的金相组织(a) 0#工艺 (b) 1#工艺 (c) 2#工艺 (d) 3#工艺 (e) 4#工艺 (f) 5#工艺2.3.2轧后冷却速度对组
6、织性能的影响图2为冷却速度对试验钢强度和延伸率的影响曲线，表明随冷却速度的提高，试样的屈服强度和抗拉强度均有不同的提高。对于常温为铁素体和珠光体的低碳钢，从霍尔佩奇（HellPetch）公式3可以看出晶粒尺寸和屈服强度的关系： (1) 式中，0铁素体单晶体的屈服极限y晶粒尺寸影响系数d 铁素体晶粒尺寸 图2 冷却速度对力学性能的影响可见，在屈服强度增加量中，细晶强化起着主要作用。试验钢在轧后冷却过程中将发生形变奥氏体向铁素体的转变，轧后冷却速度是影响相变过程中的重要参数之一。轧后快速冷却使相变开始温度（Ar3）移向较低温，这就提高了铁素体的形核率，同时温度较低又限制了晶界的运动能力，降低长大速
7、率，造成铁素体晶粒的细化4。加速冷却还可阻止转变前已经细化的奥氏体晶粒长大，同样有利于细化铁素体晶粒。 我们知道，对于控冷组织为铁素体珠光体的钢，其韧性主要取决于铁素体晶粒大小及珠光体的片层间距。从表中数据可以看到，当终轧温度和终冷温度不变时，冷速从20/s增大为30、40/s 时，铁素体晶粒的平均直径减小，其延伸率则增大。这是因为加速冷却在细化铁素体晶粒的同时也细化了珠光体，减少了珠光体的量，可减轻或消除珠光体带状组织，特别是可减小珠光体的片层间距和渗碳体层的厚度。但是当冷速增大为50/s和60/s时，其延伸率反而显著降低。这是由于相对过快的冷却速度会形成魏氏组织（见图1），从而降低了韧性。
8、我们也可看到，随着冷却速度的增大，屈强比有所升高，这是由于细化晶粒对钢材屈服强度要大于对抗拉强度的影响5。屈强比反映了材料在破坏前能进行的变形能力，对于越来越广泛用于冷加工原料的热轧窄带钢，应当在保证强度和韧性的同时提高其成形性，也即降低其屈强比，因此从这方面来考虑，冷却速度也不宜太大。3温度场的模拟计算及结果分析3.1数值模拟方法 在进行温度场计算时，为了提高模拟的精度和求解的效率，采用二维有限元模拟。本模拟中，以窄带钢主要材料之一Q215为研究对象，取钢板横向（宽度方向）中心处的一个截面进行研究，板厚为3mm。由于板比较薄，为了节省成本，我们考虑只在钢带上表面连续喷水来达到冷却效果。冷却条
9、件对应表2中的15工艺。3.2模拟计算结果分析3.2.1模拟计算结果图3为Q215窄带钢在终轧温度880，终冷温度650的各冷却速度下，有限元模拟得到的钢板上表面、心部和下表面相应点的温度时间历程曲线。 （a） 20/s (b) 30/s (c) 40/s (d) 50/s (e) 60/s 图3 不同冷速下的温度时间历程曲线（1上表面 2心部 3下表面）3.2.2轧后冷却速度对温度场分布的影响从图3中看出，在整个的冷却过程中，钢带的上表面、心部和下表面的温度都同时不断的下降，但明显上表面的温度下降最快。这是由于在水冷阶段，钢带上表面的冷却是通过与水的对流换热来实现，而中心和下表面的温度变化是
10、钢带内部导热的结果。所以上表面的温降比下表面的温降快，从而导致钢带上下表面产生温差。图4为不同冷却速度下对应的上下表面最终温度差。可见，随着冷却速度的提高，上下表面的温度差也明显增大。当冷却速度为20/s时，终冷时的温度差仅为14.2，40/s时的温差为28.6，当冷速增为60/s的时候，温度差已达到48.4。在热轧带钢轧后冷却过程中，由于断面上温度的不均匀分布，会导致不均匀的热应变和热应力6，从而影响产品质量。水冷时产生的温差虽然可以在随后的空冷过程中得到缓解，但温差的增大无疑增加了空冷的时间，给现场的工艺实施 图4 冷却速度对上下表面温度差的影响增加了难度。所以应该根据具体情况制定冷却工艺
11、，尽量使带钢断面上的温度分布均匀。4结论（1）增大轧后冷却速度，可细化晶粒，提高强韧性，但应控制冷却速度在适当的范围内，以防因冷速过快形成对性能不利的魏氏组织。（2）轧后冷却速度提高，会增大上表面和心部及下表面的温度差，导致厚度方向的温度不均匀。厚度为3mm的窄带钢，冷速为60/s时的上下表面温差达到48.4。所以从这方面考虑，轧后冷却速度的提高也有一定的局限性。（3）本试验条件下得到终轧温度为880，终冷温度为650时的合理冷速为3040/s。目前，该热轧窄带钢厂在原来没有任何冷却工艺的基础上，在880终轧后采取喷水快冷方式，使得冷却速度控制在3040/s，卷取温度控制在650左右。结果表明
12、，产品的强度和韧性都得到了明显提高，为产品进一步冷轧提供了合理的材料性能。参考文献1 郭惠久等. St52(16Mn)中厚板轧后控制冷却工艺制度的研究. 钢的加速冷却, 54632 王延溥. 轧钢工艺学. 冶金工业出版社，1989：54633 宋佩莼,韦光. 板带钢生产工艺学M. 西安：西安交通大学出版社, 1989，1584 Manohar P A, Continuous cooling transformation behaviour of high strength microlloyed steels for line pipe applications J .ISIJ Int, 1998, 38(7):7665 申荣法. 热轧钢带屈强比的研究J. 钢铁，2002,(增刊)：5353466 董洪波,康永林. 有限元模拟技术在板带钢轧制中的应用. 轧钢.2004,21(2)
