普通碳素结构钢贝氏体的优化控制

王信威，刘占锋，夏中山，李 磊

（德龙钢铁有限公司轧钢厂，河北邢台054009）

0 引言

热轧窄带钢广泛应用于制管（圆管、方矩管）、护栏板、丝网、机械加工件等领域，在下游生产过程中，频繁出现普碳钢组织不均匀，造成的各类缺陷致使下游加工成品出现涂镀不均、成型不良等问题，同时加工件强度不达标，在使用过程中无法满足客户要求，造成客户加工件的频繁降级或报废，影响客户使用。

热轧后的普通碳素结构钢组织中含有铁素体、贝氏体组织，普碳系列带钢的延伸率偏低，平均延伸率在内控标准附近摆动，时有延伸偏低需要取复检样检验，影响成材率，并对成品发货造成影响，对延伸不合的热轧普通碳素结构钢组织进行化验，发现组织中存在不同程度贝氏体组织，同时制管厂反馈的管体平面现象，经取样化验组织后发现组织中也存在不同程度的贝氏体现象。消除贝氏体成为热轧降低热轧组织不良率的重点攻关方向。在攻关中发现，组织中含有少量均匀的贝氏体组织能够提高组织强度，客户满意度更高，而产生缺陷的组织中发现不规则的贝氏体组织。同时在研究攻关中发现微合金低碳贝氏体钢是高强度、高韧性、焊接性能优良的新一代钢种，是化学冶金及物理冶金研究成果相结合的最新产物[1]。贝氏体并非全部为有害组织，组织中适度含有贝氏体能够有效提高强度，提高硬度。

1 贝氏体组织分析

1.1 贝氏体组织分析

贝氏体是过冷奥氏体在临界点以下中温区（250～550℃）的转变产物，由铁素体和渗碳体组成。热轧带钢从开始轧制至成品打包一般均在500℃以上完成，为保障性能的需求，一般通过控轧控冷工艺实现提高强度的目的，控冷期间出现带钢局部温度低于550℃，从而带钢中出现不均匀贝氏体现象。在化学成分相同的条件下，粒状贝氏体钢的强度最低，韧塑性最好；板条贝氏体钢板的强度最高，韧塑性最差；由粒状贝氏体+板条贝氏体组成的钢，其强度、韧塑性居中，当前生产的热轧普碳碳素结构钢中的贝氏体主要以此状态存在，但由于分布的不均匀性，造成了局部的强度和延伸率异常于正常区域，造成带钢在拉伸或弯曲过程出现局部有平面或断裂现象。

在实际生产过程中，普通碳素结构钢组织中含有铁素体及少量的贝氏体，一般认为，钢中形成多相组织对获得高的强度和良好的塑性、韧性等综合力学性能较为有利[2]。

1.2 热轧普通碳素结构钢现状贝氏体组织分析

对延伸率低及客户反馈质量异议的普通碳素结构钢调查贝氏体存在状况及深度统计，贝氏体最深深度为2 mm，一般情况下，上表面深度及严重情况重于下表面情况。经统计发现普通碳素结构钢组织一般为表层双侧组织为（F+B+少量P），或表单侧组织为（F+B+少量P），且分布不均匀，普通碳素结构钢组织均匀且含有贝氏体的普通碳素结构钢强度略高。

金相组织中不规则贝氏体组织情况见图1。

图1 金相组织中不规则贝氏体组织

金相组织中不规则贝氏体组织造成了后续普碳钢的性能不合，以及发往客户使用期间的不达标，无法使用，严重制约了普碳钢的生产。

2 异常贝氏体原因分析

造成贝氏体的主要原因为冷速过快。针对冷速过快查找目前工艺执行中存在的问题，及设备需要改造的方向。影响冷速过快的原因有终轧温度、卷取速度、卷取温度、冷却方式，不同温度的坯料混装，在炉时间短，加热温度不均匀，设备因素异常导致轧制过程的温度不均匀，冷却后形成断续贝氏体现象。

2.1 贝氏体组织情况调查

在现场跟踪过程中发现，粗轧或精轧除鳞后，普通碳素结构钢上表面纵向有不同程度黑线条现象，因除鳞水嘴吹扫造成，经轧制后普通碳素结构钢上表面纵向组织差别较小，可忽略。

查找近期的坯料轧制炉号，根据炉号确认入炉坯料是否混装，查阅近期的加热曲线，确认不同的加热工艺对普通碳素结构钢组织的影响差别不明显。

2.2 层流水温异常

查找近期取样组织异常卷工艺执行，温度执行正常，但在质量工序点巡检表中发现，在组织异常时间段内，层流冷却水流量不一致，或有水嘴堵塞、歪斜现象登记较为频繁。

低碳贝氏体实验钢的强度较高，强度指标随轧后冷却速度的不同而差别较大[3]。抽取检修后开轧与连续轧制两天后的样条检验，在相同的工艺温度下，组织差别较大，通过检查水温表发现，检修后开轧层冷水温，尤其是冬季（26℃）和连续两天轧制后温度（42℃）差别较大，随着水温偏低，组织异常率提高，不同的水温情况下，对带钢冷速进行测定，层流冷却水温度26℃期间的冷速为29℃/s，层流冷却水温度42℃期间的冷速为14℃/s，跟踪测量中发现冷速超过21℃/s后，带钢表层出现不均匀化贝氏体，随着冷速的增加，带钢表层贝氏体含量增加明显。

2.3 工艺温度不合理

查找生产组织，不同的轧制温度工艺，试验不同的终轧温度及卷取温度，对普通碳素结构钢组织分析发现，不同的温度下普通碳素结构钢组织差别明显，尤其高温终轧，低温卷取组织中产生大量贝氏体，且贝氏体组织分布不均匀。精轧终轧温度试验调整（880～820℃）控制期间，相同的卷取温度下（620℃），终轧温度越低，组织中出现贝氏体的几率越低，但随着终轧温度的降低，轧制期间各机架的负荷明显升高不利于轧制及后续板形控制。相同的精轧终轧温度（850℃）控制期间，调整卷取温度（660～620℃）控制，卷取温度越高，组织中出现贝氏体的几率越低，但随着卷取温度的升高，热轧带钢屈服强度明显降低，无法满足客户使用强度要求，且不同厚度的带钢均出现因强度偏低出现的横折印缺陷。

2.4 冷却方式

轧后冷却制度对实验低碳贝氏体钢的微观组织有显著影响。轧后空冷时主要为准多边形铁素体和粒状贝氏体；轧后水冷时主要为板条贝氏体，轧后水冷至531℃而后空冷至室温时，主要为粒状贝氏体[4]，实际取样中发现，由于冷却不均出现的均是板条状贝氏体。

执行集中冷却后的普通碳素结构钢组织中含有大量贝氏体，延伸率偏低，执行稀疏冷却后的普通碳素结构钢组织均匀，偶有很少贝氏体现象，在组织中分布均匀。冷却方式从第2组开始冷却与第6组开始冷却相比，前者更容易产生大量贝氏体，且分布不规则。

3 改进方案

针对造成热轧普碳钢组织中异常贝氏体现象，制定如下方案，降低贝氏体含量，优化工艺，均匀普通碳素结构钢组织。

（1）降低精轧终轧温度，减小温度差，降低冷速。

（2）提高粗轧末道次辊缝，在降低精轧温度的同时，减轻坯料头尾温差，避免尾部温度过低。

（3）提高卷取温度，减小温度差，降低冷速。

（4）冷却开启位置后移，保证结晶转变时间。

（5）稀疏冷却（每组开1、3排），进一步降低冷速。

（6）保证层流水流量及均匀性，保证普通碳素结构钢纵向冷却均匀。

（7）严格控制层流水温，避免急冷造成组织异常。

4 措施制定

根据改进方案，细化措施制定如下：

（1）降低终轧温度，终轧温度由以前的880℃调整到850℃。

（2）粗轧末道次辊缝由以前的34 mm根据不同厚度调整到36～40 mm。

（3）卷取温度由以前的620℃提高到640℃。（4）以前的第2、3组开始冷却调整至第6组开始冷却。

（5）集中冷却改为稀疏冷却，调整前冷速25℃/S，调整后16℃/S。

（6）调整层冷水流量，上喷水调整前流量30～60 m3/h，调整后 48 m3/h。

（7）细化轧制普碳钢期间的层冷水温度由以前的32～53℃调整为(42±2）℃，严格控制冷却塔风机的开启数量，避免超出此温度，最终冷速降低至16℃/S。

5 效果验证

工艺改进后的普通碳素结构钢力学性能及组织情况如表1所示。

详细组织情况如图2所示。

表1 工艺改进后的普通碳素结构钢力学性能及组织情况

图2 工艺改进后普通碳素结构钢组织情况图

从图2中可以看出，组织中贝氏体明显减少，甚至消失，存在贝氏体组织的普通碳素结构钢不影响使用，并能适量提高普通碳素结构钢强度，普通碳素结构钢延伸率进一步稳定提高，下游制管客户再无反馈质量缺陷。

6 结论

终轧温度850℃，卷取温度640℃，冷速在16℃/s，能够有效抑制贝氏体组织的生成。根据层冷水温调整冷却方式及冷却速度，保证冷却均匀是消除普通碳素结构钢中不良贝氏体组织的关键。组织中含有少量均匀的贝氏体组织不影响普通碳素结构钢使用，并能提高热轧普通碳素结构钢性能。