潘 剛, 俞 俊, 楊 陽, 肖 娟, 甘雯雯

(廣西柳州鋼鐵集團有限公司, 柳州 545002)

新一代多功能中厚板軋后冷卻技術以超快冷工藝為代表，其采用射流沖擊換熱設計[1]，綜合了析出強化、細晶強化、相變強化、固溶強化等多種強化手段[2]，充分挖掘熱軋及冷卻過程的工藝潛力，可以用節(jié)約型合金成分設計以及減量化制造方法的方式生產具有良好力學性能及使用性能的板帶鋼產品，對于實現節(jié)能降耗、提升產品使用性能、推動熱軋產品綠色化生產具有重大作用[3-4]。目前，很多中厚板生產線的水冷鋼板比例已經超過70%，但水冷鋼板同板強度差較大，有的品種鋼板頭、中、尾強度差甚至超過100 MPa，影響了產品質量[5]，確保水冷鋼板的性能均勻也成為超快冷技術的開發(fā)重點[6-10]。為確保鋼板在超快速冷卻條件下能夠獲得良好的冷卻均勻性，從集管本體設計及其排布形式、殘余水清除措施、鋼板上下表面均勻性控制方法以及輥道速度設定等方面進行了調試。筆者以低合金Q355B鋼為測試對象，分析了超快冷工藝下鋼板的性能均勻性，驗證了工藝的可靠性并提出了改進方向。

1 試驗材料與方法

以厚度為20 mm的低合金Q355B鋼為測試對象，開水集管組數為4組，冷卻速率為39 ℃/s，頭尾不遮蔽，板寬邊部遮蔽，側噴和吹掃全開。分別取板縱向的頭、中、尾部位，鋼板橫向邊部和中間不同位置制備試樣，進行力學性能測試和顯微組織分析，不同取樣位置如圖1所示。

圖1 不同取樣位置示意

根據GB/T 1591—2018 《低合金高強度結構鋼》，Q355B鋼的拉伸試樣為全截面矩形，名義加工寬度為30 mm，分別對鋼板縱向和橫向不同位置的試樣進行加工，采用橫梁位移控制方法[11]，在WAW-600型拉伸試驗機上進行測試。沖擊試樣為縱向KV2型，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm(長×寬×高)。測試前確保試樣加工面和軋制面的表面質量完好。將試樣加工成截面尺寸為20 mm×10 mm(長×寬)的小樣，磨制其縱向截面，在厚度不同的位置進行顯微組織觀察[12]。

2 試驗結果與分析

2.1 鋼板不同位置強度和塑性均勻性

2.1.1 鋼板縱向

在鋼板縱向，即長度方向，取頭、中、尾不同位置的試樣進行拉伸測試，結果如圖2所示。結果表明：鋼板縱向頭部抗拉強度和上屈服強度略高于中、尾部，尤其是上屈服強度差異較明顯，這可能與鋼板頭部在軋制時溫度下降較快有關。采用最大值減去最小值方法計算鋼板的力學性能極差，可得上屈服強度極差為40 MPa，抗拉強度極差為19 MPa，斷后伸長率極差為4%。從上述極差可以看出：該工藝下所得的鋼板縱向強度和塑性均勻性較好。

圖2 鋼板縱向不同位置的拉伸測試結果

2.1.2 鋼板橫向

鋼板橫向(寬度方向)不同位置的拉伸測試結果如圖3所示。結果表明：鋼板橫向上屈服強度極差為16 MPa，抗拉強度極差為14 MPa，斷后伸長率極差為3%，強度和塑性均勻性好。軋制過程中，軋件邊部和中間部分的冷卻條件有一定的差異，冷卻速率不同。通常邊部溫度比中間部分低，溫度差可以達到60～80 ℃。邊部遮蔽技術是在層流冷卻系統設置擋水裝置，通過對鋼板邊部一定范圍進行遮蔽，使精軋機軋出的帶鋼橫向溫度均勻分布[13]。進入冷卻段，采用邊部遮蔽作用，可以提高板寬方向的性能均勻性。

圖3 鋼板橫向不同位置的拉伸測試結果

2.2 鋼板不同位置沖擊韌性的均勻性

分別在鋼板縱向的板頭、板中和板尾，鋼板橫向(板寬方向)的板中、板寬1/4和板邊處取樣，并制備沖擊試樣，試樣為V型缺口，采用全自動擺錘沖擊試驗機在20 ℃下進行沖擊試驗，鋼板不同位置的沖擊韌性測試結果如表1所示?？梢钥闯鲣摪蹇v向頭部的沖擊韌性略高于中部和尾部，極差為35 J；鋼板橫向沖擊韌性的極差為8 J。

表1 鋼板不同位置的沖擊韌性 J

2.3 鋼板厚度方向組織的均勻性

板帶在冷卻過程中，上、下表面冷卻速率較高，溫度較低；心部冷卻速率較低，溫度較高。從表面到心部的溫度梯度與邊界條件及材料的熱傳導性有關。以板帶鋼厚度中心線為對稱線，維持板帶上、下表面到心部的溫度分布互相對稱，可以防止板帶發(fā)生翹曲。實際上，板帶上、下表面的冷卻條件不同，上表面積水排出需要一定的時間，積水和鋼板的熱交換又與沸騰狀態(tài)有關；下表面水噴射到鋼板表面后會離開鋼板而散落下來。為了達到相同的冷卻效果，需要在鋼板的下表面采用更大的冷卻水量[13]，上、下冷卻水的體積比為1…1.2。

在鋼板中心位置取樣，用3%(體積分數)的硝酸酒精溶液侵蝕后，用光學顯微鏡觀察厚度方向上不同位置的顯微組織，即上、下表層、板寬1/4處和心部，取樣位置如圖4所示。

圖4 厚度方向取樣位置示意

鋼板厚度方向不同位置金相檢驗結果如表2所示，其顯微組織形貌如圖5所示，將冷卻面及其附近出現的鐵素體細晶粒層或非鐵素體+珠光體組織定義為過冷層，用表層產生的過冷層厚度和組織的對稱性判斷厚度方向的冷卻均勻性。結果表明：上表層過冷層厚度約為5 mm，顯微組織為鐵素體+粒狀貝氏體；下表層過冷層厚度約為0.47 mm，顯微組織為鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體；板寬上1/4處的顯微組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體,板寬下1/4處的顯微組織為鐵素體+珠光體；心部區(qū)域的顯微組織為鐵素體+珠光體。上表層的鐵素體晶粒較細小，過冷組織產物中粒狀貝氏體較多，證明上冷卻面的冷卻速率較下冷卻面快，上、下冷卻面的不均勻性在板形不良上也有所體現。為實現鋼板上、下冷卻面的對稱換熱，需要增加下集管流量，調整上、下冷卻水的體積比，對下表面換熱能力進行補償，實現厚度方向的冷卻均勻性。性能的變化是過冷層厚度、顯微組織和晶粒尺寸相互協調的結果。

表2 鋼板厚度方向不同位置金相檢驗結果

圖5 鋼板厚度方向不同位置的顯微組織形貌

3 結論

(1) 鋼板的屈服強度同板差≤40 MPa，抗拉強度同板差≤19 MPa，斷后伸長率同板差≤4.0%，沖擊韌性同板差≤35 J，鋼板具有較好的性能均勻性。

(2) 鋼板頭部有限進入冷卻區(qū)，過冷度大，組織細小，力學性能較好。

(3) 鋼板尾部溫度下降幅度大，低溫軋制后進入冷卻區(qū)，開冷溫度低，冷卻時鋼板尾部已發(fā)生相變，未能得到過冷組織。

(4) 鋼板上、下過冷層的厚度、表層組織和鐵素體晶粒度均存在差異，板厚中心晶粒度不對稱，說明上、下表層的冷卻能力不同。上表層的鐵素體晶粒較細小、過冷層厚且過冷組織中粒狀貝氏體較多，說明上表面冷卻速率較快，上、下冷卻水體積比需要進一步調試。