基于超快冷工艺的Q355B钢板性能均匀性

潘 刚, 俞 俊, 杨 阳, 肖 娟, 甘雯雯

(广西柳州钢铁集团有限公司, 柳州 545002)

新一代多功能中厚板轧后冷却技术以超快冷工艺为代表，其采用射流冲击换热设计[1]，综合了析出强化、细晶强化、相变强化、固溶强化等多种强化手段[2]，充分挖掘热轧及冷却过程的工艺潜力，可以用节约型合金成分设计以及减量化制造方法的方式生产具有良好力学性能及使用性能的板带钢产品，对于实现节能降耗、提升产品使用性能、推动热轧产品绿色化生产具有重大作用[3-4]。目前，很多中厚板生产线的水冷钢板比例已经超过70%，但水冷钢板同板强度差较大，有的品种钢板头、中、尾强度差甚至超过100 MPa，影响了产品质量[5]，确保水冷钢板的性能均匀也成为超快冷技术的开发重点[6-10]。为确保钢板在超快速冷却条件下能够获得良好的冷却均匀性，从集管本体设计及其排布形式、残余水清除措施、钢板上下表面均匀性控制方法以及辊道速度设定等方面进行了调试。笔者以低合金Q355B钢为测试对象，分析了超快冷工艺下钢板的性能均匀性，验证了工艺的可靠性并提出了改进方向。

1 试验材料与方法

以厚度为20 mm的低合金Q355B钢为测试对象，开水集管组数为4组，冷却速率为39 ℃/s，头尾不遮蔽，板宽边部遮蔽，侧喷和吹扫全开。分别取板纵向的头、中、尾部位，钢板横向边部和中间不同位置制备试样，进行力学性能测试和显微组织分析，不同取样位置如图1所示。

图1 不同取样位置示意

根据GB/T 1591—2018 《低合金高强度结构钢》，Q355B钢的拉伸试样为全截面矩形，名义加工宽度为30 mm，分别对钢板纵向和横向不同位置的试样进行加工，采用横梁位移控制方法[11]，在WAW-600型拉伸试验机上进行测试。冲击试样为纵向KV2型，尺寸为10 mm×10 mm×55 mm(长×宽×高)。测试前确保试样加工面和轧制面的表面质量完好。将试样加工成截面尺寸为20 mm×10 mm(长×宽)的小样，磨制其纵向截面，在厚度不同的位置进行显微组织观察[12]。

2 试验结果与分析

2.1 钢板不同位置强度和塑性均匀性

2.1.1 钢板纵向

在钢板纵向，即长度方向，取头、中、尾不同位置的试样进行拉伸测试，结果如图2所示。结果表明：钢板纵向头部抗拉强度和上屈服强度略高于中、尾部，尤其是上屈服强度差异较明显，这可能与钢板头部在轧制时温度下降较快有关。采用最大值减去最小值方法计算钢板的力学性能极差，可得上屈服强度极差为40 MPa，抗拉强度极差为19 MPa，断后伸长率极差为4%。从上述极差可以看出：该工艺下所得的钢板纵向强度和塑性均匀性较好。

图2 钢板纵向不同位置的拉伸测试结果

2.1.2 钢板横向

钢板横向(宽度方向)不同位置的拉伸测试结果如图3所示。结果表明：钢板横向上屈服强度极差为16 MPa，抗拉强度极差为14 MPa，断后伸长率极差为3%，强度和塑性均匀性好。轧制过程中，轧件边部和中间部分的冷却条件有一定的差异，冷却速率不同。通常边部温度比中间部分低，温度差可以达到60～80 ℃。边部遮蔽技术是在层流冷却系统设置挡水装置，通过对钢板边部一定范围进行遮蔽，使精轧机轧出的带钢横向温度均匀分布[13]。进入冷却段，采用边部遮蔽作用，可以提高板宽方向的性能均匀性。

图3 钢板横向不同位置的拉伸测试结果

2.2 钢板不同位置冲击韧性的均匀性

分别在钢板纵向的板头、板中和板尾，钢板横向(板宽方向)的板中、板宽1/4和板边处取样，并制备冲击试样，试样为V型缺口，采用全自动摆锤冲击试验机在20 ℃下进行冲击试验，钢板不同位置的冲击韧性测试结果如表1所示。可以看出钢板纵向头部的冲击韧性略高于中部和尾部，极差为35 J；钢板横向冲击韧性的极差为8 J。

表1 钢板不同位置的冲击韧性 J

2.3 钢板厚度方向组织的均匀性

板带在冷却过程中，上、下表面冷却速率较高，温度较低；心部冷却速率较低，温度较高。从表面到心部的温度梯度与边界条件及材料的热传导性有关。以板带钢厚度中心线为对称线，维持板带上、下表面到心部的温度分布互相对称，可以防止板带发生翘曲。实际上，板带上、下表面的冷却条件不同，上表面积水排出需要一定的时间，积水和钢板的热交换又与沸腾状态有关；下表面水喷射到钢板表面后会离开钢板而散落下来。为了达到相同的冷却效果，需要在钢板的下表面采用更大的冷却水量[13]，上、下冷却水的体积比为1…1.2。

在钢板中心位置取样，用3%(体积分数)的硝酸酒精溶液侵蚀后，用光学显微镜观察厚度方向上不同位置的显微组织，即上、下表层、板宽1/4处和心部，取样位置如图4所示。

图4 厚度方向取样位置示意

钢板厚度方向不同位置金相检验结果如表2所示，其显微组织形貌如图5所示，将冷却面及其附近出现的铁素体细晶粒层或非铁素体+珠光体组织定义为过冷层，用表层产生的过冷层厚度和组织的对称性判断厚度方向的冷却均匀性。结果表明：上表层过冷层厚度约为5 mm，显微组织为铁素体+粒状贝氏体；下表层过冷层厚度约为0.47 mm，显微组织为铁素体+粒状贝氏体+珠光体；板宽上1/4处的显微组织为铁素体+珠光体+粒状贝氏体,板宽下1/4处的显微组织为铁素体+珠光体；心部区域的显微组织为铁素体+珠光体。上表层的铁素体晶粒较细小，过冷组织产物中粒状贝氏体较多，证明上冷却面的冷却速率较下冷却面快，上、下冷却面的不均匀性在板形不良上也有所体现。为实现钢板上、下冷却面的对称换热，需要增加下集管流量，调整上、下冷却水的体积比，对下表面换热能力进行补偿，实现厚度方向的冷却均匀性。性能的变化是过冷层厚度、显微组织和晶粒尺寸相互协调的结果。

表2 钢板厚度方向不同位置金相检验结果

图5 钢板厚度方向不同位置的显微组织形貌

3 结论

(1) 钢板的屈服强度同板差≤40 MPa，抗拉强度同板差≤19 MPa，断后伸长率同板差≤4.0%，冲击韧性同板差≤35 J，钢板具有较好的性能均匀性。

(2) 钢板头部有限进入冷却区，过冷度大，组织细小，力学性能较好。

(3) 钢板尾部温度下降幅度大，低温轧制后进入冷却区，开冷温度低，冷却时钢板尾部已发生相变，未能得到过冷组织。

(4) 钢板上、下过冷层的厚度、表层组织和铁素体晶粒度均存在差异，板厚中心晶粒度不对称，说明上、下表层的冷却能力不同。上表层的铁素体晶粒较细小、过冷层厚且过冷组织中粒状贝氏体较多，说明上表面冷却速率较快，上、下冷却水体积比需要进一步调试。