緩冷工藝對(duì)510L 組織性能的影響

于銀俊

（安陽(yáng)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(duì)材料的抗疲勞性、裝配精度以及性能穩(wěn)定性的要求也較高。安鋼生產(chǎn)的薄規(guī)格510L 經(jīng)過(guò)開(kāi)平、縱剪、焊接制管后用在客車上，客戶反應(yīng)由于薄規(guī)格510L 通卷性能波動(dòng)大，造成制管后鋼管在加工使用過(guò)程中出現(xiàn)輥弧不一致的現(xiàn)象，影響裝配尺寸的精度，給客車加工生產(chǎn)造成很大的困擾，并帶來(lái)了很大的安全隱患。

卷板在軋制過(guò)程以及后續(xù)冷卻過(guò)程中溫度不一致，導(dǎo)致卷板的通卷性能出現(xiàn)波動(dòng)，這是所有鋼廠都面臨的問(wèn)題，也是鋼廠亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。為了解決此問(wèn)題，筆者通過(guò)對(duì)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(wěn)定性差的原因，創(chuàng)新性地提出了卷曲后通過(guò)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(jìn)而減少通卷性能的波動(dòng)，提高通卷性能的穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)生產(chǎn)的材料為安鋼的510L，主要工藝流程：鐵水預(yù)處理脫硫→150 t 轉(zhuǎn)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(cè)→包裝標(biāo)識(shí)→入庫(kù)。

1.2 試驗(yàn)方案

為避免成分和其他生產(chǎn)因素對(duì)此次試驗(yàn)造成影響，本次試驗(yàn)的2 個(gè)鋼卷取自同一爐鋼的板坯，同軋制批次號(hào)，軋制規(guī)格均為3.0 mm×1 500 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 510L 化學(xué)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(jìn)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(duì)比正?？绽浜途徖滗摼淼耐ň斫M織和性能情況，對(duì)采用工藝一和工藝二生產(chǎn)的鋼卷的卷頭、卷中和卷尾進(jìn)行取樣，分別對(duì)比不同位置的組織和性能。

1.3 試樣檢測(cè)方法

對(duì)試驗(yàn)鋼卷進(jìn)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(jìn)行取樣，利用PME3 Axiovert 200 光學(xué)顯微鏡和WAW-Y500 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)其組織和力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)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(jīng)測(cè)量空冷試樣的頭部和尾部的晶粒度為11.5 級(jí)，而卷中為11 級(jí)，卷頭和卷尾以準(zhǔn)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(jīng)測(cè)量均為11 級(jí)，全部為多邊形鐵素體和塊狀珠光體。

2.2 試驗(yàn)鋼卷不同位置的性能

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

從圖2 可以看出，采用工藝一生產(chǎn)的鋼卷的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到570 MPa，最低為533 MPa，相差37 MPa，屈服強(qiáng)度最高達(dá)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(chǎn)的鋼卷不同位置的力學(xué)性能

從圖3 可以看出，采用工藝二生產(chǎn)的鋼卷的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到548 MPa，最低為539 MPa，相差9 MPa，屈服強(qiáng)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(chǎn)的鋼卷不同位置的力學(xué)性能

綜合來(lái)看，熱軋卷卷曲后無(wú)論是采用空冷工藝還是緩冷工藝，卷中的強(qiáng)度較卷頭和卷尾均較低，經(jīng)過(guò)緩冷工藝，鋼卷的強(qiáng)度降低，通卷強(qiáng)度波動(dòng)減少，塑性增加。

3 分析和討論

對(duì)于低碳微合金鋼來(lái)說(shuō)，鋼中常見(jiàn)的強(qiáng)化方式有細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化。510L 的主要強(qiáng)化方式是細(xì)晶強(qiáng)化[1]，根據(jù)Hall-Petch 公式：

可知，隨著晶粒尺寸的減少，金屬?gòu)?qiáng)度逐漸增高。鋼卷在冷卻過(guò)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(dǎo)致卷頭和卷尾的晶粒細(xì)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(zhǎng)大時(shí)間，晶粒比卷頭和卷尾的大。因此，空冷鋼卷頭部和尾部的細(xì)晶強(qiáng)化最高，卷中部的偏低，與圖2 的檢測(cè)結(jié)果相符合。

經(jīng)過(guò)緩冷的鋼卷，在鋼卷冷卻過(guò)程中，溫度降低的較慢，鋼卷的頭、中、尾的冷卻速率相對(duì)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(wěn)定。同時(shí)，緩冷使鋼中的位錯(cuò)密度減少，從而使鋼板的內(nèi)應(yīng)力和不均勻性減少，降低了鋼的強(qiáng)度，提高了材料的塑性[2]。

通過(guò)對(duì)比空冷和緩冷鋼卷不同位置的組織和力學(xué)性能可知，通過(guò)緩冷工藝，鋼卷組織的均勻度增加，性能穩(wěn)定性增加，同時(shí)提高了通卷材料的塑性，與實(shí)際檢測(cè)相符合。

4 批量生產(chǎn)與驗(yàn)證

為驗(yàn)證緩冷工藝對(duì)批量生產(chǎn)薄規(guī)格510L 通卷性能穩(wěn)定性的影響，對(duì)2019 年12 份至2020 年12份生產(chǎn)的48 批薄規(guī)格3.0 mm×1 500 mm 的510L，分別進(jìn)行空冷工藝與緩冷工藝放置，并在下游進(jìn)行跟蹤取樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 薄規(guī)格510L 大生產(chǎn)性能波動(dòng)統(tǒng)計(jì)

從表2 可以看出，緩冷工藝能提高薄規(guī)格510L 的通卷性能穩(wěn)定性，且經(jīng)過(guò)緩冷工藝處理的鋼卷，下游用戶在后續(xù)制管加工后未出現(xiàn)過(guò)輥弧不一致的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）造成510L 通卷性能波動(dòng)大的主要是卷曲后，卷頭、卷中、卷尾的冷速不同帶來(lái)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(wěn)定性，改善510L 的塑性。