气温变化对中厚板冷却过程及性能的影响

郑芳垣

（福建三钢（集团）有限责任公司， 福建 三明 365000）

在中厚板生产过程中，轧后控制冷却对钢板的最终质量起到了至关重要的作用，而终冷温度是决定中厚板组织性能的关键工艺参数之一[1]。大部分中厚板生产厂轧后冷却所使用的介质主要为水，该介质温度受环境温度的影响较大，虽然生产厂建有相应的循环冷却系统，但往往水温仍随着季节的变化而产生较大变化。中厚板轧后经过这些不同温度的冷却水进行冷却后，其性能也随之出现较大的波动。因此，通过分析中厚板在不同季度对应冷却水温下控制冷却后的组织变形行为，可以为不同季节下的中厚板生产冷却工艺提供有效指导。

1 试制钢材的化学成分及方案

实验材料来源于某钢厂生产的Q345B低合金钢板，厚度规格为20 mm，化学成分见表1。

表1 实验钢板的化学成分 %

试样在不同气候条件下进行实验，其中试样1在夏季环境下进行实验，试样2、3在冬季环境下进行实验，试样1和试样2的冷却工艺参数相同，用以比较相同冷却参数情况下，组织、性能及温度场趋势的区别。试样1和试样3的终冷温度相同，用以比较相同终冷温度下，组织、性能及温度场趋势的区别。

2 实验结果

如表2所示，在相同的辊速、冷却水开启组数和开冷温度等冷却参数情况下，式样1的终冷温度相比式样2低19℃，而要获得相同的终冷温度，式样3相比式样1要多开启3组冷却水。通过对试样进行拉伸实验见表3，试样1的屈服强度385 MPa，试样2与试样1相比，在相同的辊速、冷却水开启组数和开冷温度等冷却参数情况下，屈服强度性能低了20 MPa，而试样3与试样1相比，在相同的终冷温度下，性能低了10 MPa。实验表明气温的变化对终冷温度及性能影响较大。

表2 控冷工艺参数

表3 实验钢板的性能

3 分析与讨论

为了进一步深入研究冷却过程，根据一维非稳态导热微分方程的显示差分法[2]，通过数值模拟冷却过程，结合CCT曲线，见下页图1，分析钢板在冷却过程中的组织变形行为。

3.1 不同冷却工艺对金相组织的影响

图1 实验钢板的CCT曲线与连续冷却曲线

通过对试样进行金相组织分析，见下页图2，表面组织中，试样1为贝氏体+少量铁素体，其深度为0.8 mm；试样2为贝氏体+铁素体+珠光体，其深度为0.14 mm；试样3为贝氏体+铁素体，其深度0.3 mm；从表面组织上看，表面的过冷奥氏体向铁素体的晶格改组通过切变方式进行，产生了中温转变组织贝氏体，而试样1的冷却强度更大（开冷温度-终冷温度），过冷组织层更深。在1/4组织中，试样一的组织为铁素体+珠光体（31%），晶粒度级别为10.5级；试样2的组织为铁素体+珠光体（28%），晶粒度级别为9.6级；试样3的组织为铁素体+珠光体（29%），晶粒度级别为10.1级；从1/4组织上看，虽然3个试样都形成了平衡相变组织，但试样一的珠光体量最高，主要原因是热轧后钢板通过快速冷却方法减少了先共析铁素体量，增加了伪珠光体量，从而使强度得到提高，同时，随着过冷度的增大，临界晶核半径减小、临界形核功显著降低，促进了铁素体形核，使铁素体晶粒度等级更高，也会使强度得到提高。在心部组织中，心部组织均存在偏析，为铁素体+珠光体+贝氏体，由于心部偏析使锰元素在心部富集，而锰是稳定奥氏体的元素，造成CCT曲线右移，容易在心部产生中温组织甚至低温转变组织[3]，因此在较小的冷速下，存在偏析的钢板也容易在心部产生贝氏体组织，该组织的产生受偏析程度影响更大。

图2 实验钢板的金相组织图（500倍）

通过冷却实验及金相组织分析可知，随着冷却强度的提高，钢板表面的贝氏体组织层越厚，四分之一组织的伪珠光体量越高，铁素体的晶粒度越细，使钢板的强度得到提高。

3.2 冷却过程对钢板组织性能的影响

根据CCT冷却曲线与试样数值模拟表面冷却曲线进行合并，见图3。从趋势图上看，3个试样的冷却过程差别并不是很大，首先从过冷奥氏体中析出先共析铁素体，由于冷却过程首先在钢板表面进行，钢板表面温度更低，受到钢板心部热传导的影响，表层温度逐渐升高。随后，在空冷过程中过冷奥氏体首先进行珠光体转变，当温度降低至600℃以下时，剩余过冷奥氏体进行贝氏体转变。

图3 实验钢板的连续冷却曲线

图3-1中试样3在发生奥氏体向铁素体转变前，由于提前开启水组，位于高温阶段的时间较短，与试样一相比性能更低，晶粒度更为粗大，主要原因为在一定温度下，奥氏体晶粒长大会造成总的晶界面积逐渐减小，晶粒长大的驱动力减小，当晶粒长大动力和第二相弥散析出粒子的阻力相平衡时，奥氏体晶粒停止长大，在发生铁素体转变之前，奥氏体已经处于稳定形状，因此对组织及性能影响较小。图3-2为奥氏体向铁素体转变的趋势图，由图可知，试样2在更高的温度下进行组织转变，过冷度相对更低，组织相对更加粗大，试样1与试样3相比，组织转变前温度更高，组织转变后温度更低，在更高的冷却强度下，促进了钢中的微合金元素和合金元素在铁素体晶内大量、微细、弥散地析出，使铁素体基体得到强化，同时冷却强度的增大也促进了晶粒形核，有助于形成更为细小的铁素体晶粒，从而提高了强度。

3.3 空冷过程对钢板组织性能的影响

钢板在热轧塑性变形及冷却相变膨胀过程中，钢板内部产生大量的位错和空位，使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，造成点阵畸变，储存能升高，它使钢板的硬度、强度升高，而塑性和抗腐蚀性能降低。通过数值模拟相变完成后的空冷过程温度场进行分析，在不同气温条件下，试样的冷却曲线相差不大，主要原因是试样的温降范围远远大于气温的变化，而试样温降影响的数量级和气温影响的数量级相同[4]，通过数值模拟温度场及实测温度情况均可以看出，相变完成后的空冷过程差异性较小，对性能影响不大。

图4 实验钢板空冷连续冷却曲线

4 结论

1）气温变化主要通过影响冷却水温及水冷过程中的换热系数使钢板的冷却速度发生变化而影响钢板性能。

2）在珠光体转变的冷却过程中，过冷奥氏体向铁素体转变之前，由于过冷奥氏体的晶粒已趋于稳定，冷却速度对组织性能影响较小。

3）过冷奥氏体向铁素体及珠光体转变过程中，相同的终冷温度下，冷却速率越大，铁素体晶粒尺寸越小，伪珠光体量越大，使强度得到提高。

4）相变完成后的空冷过程中，气温变化与钢板温降相比影响较小，对性能的影响也较小，因此当气温升高时，为避免产生性能波动造成性能不合格，应降低终冷温度或提高冷却速度。