细晶热轧结构用钢板的生产



商悦传媒   2019-05-11 19:57

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  细晶粒有利于提高热轧结构钢的强度、韧性及成形性能。一种看法是,采用细晶化元素如铝、铌、钒或钛合金化,每一个热轧钢板生产商都可以生产出热轧晶粒尺寸相同的钢板。但这未必正确。根据最终钢板厚度、加工工艺、再加热温度、轧机能力等的不同,一家钢厂可能生产出横截面平均铁素体晶粒尺寸为ASTM6,而另一家钢厂则可能生产出横截面平均铁素体晶粒尺寸为ASTM9。这两种尺寸都可以认为是“细晶”,但力学性能不同。铁素体晶粒尺寸ASTM9在韧性、强度和成形性等方面都优于平均铁素体晶粒尺寸ASTM6的钢。细晶化元素的冶金作用在热轧条件下如何发挥,更为重要的是加工工艺/轧制规程如何影响横截面全厚度方向上的晶粒尺寸,这些必须得到充分的理解。本文将讨论细晶化元素及加工工艺/轧制规程对获得细小均匀横截面方向晶粒尺寸的作用。

  在生产结构钢板,实现横截面细小均匀晶粒尺寸时,可带来许多好处:针对合金设计,屈服和抗拉强度得到优化、延伸率高、冲击韧性更好、成形性好、板形(平直度)得到改善。加工参数对改善横截面晶粒尺寸以及随后的钢板性能发挥重要作用。例如,对一个厚度16.8mm、采用Al和Nb微合金化的结构钢板,仅对轧制规程中的粗轧阶段的道次压下量做优化调整,平直度不合格钢板的量就从42%急剧下降到7.5%。

  不仅钢板平直度得到改善,而且抗拉强度也平均增加了20MPa。观察微观组织发现,横截面方向铁素体晶粒尺寸的均匀性得到改善。横截面整体结构的改善引起钢板平直度的改善。

  大多数钢厂在生产均匀的横截面晶粒尺寸方面遇到的挑战是如何解决整个横截面上的晶粒均匀性的问题。大多数钢厂都能实现在钢板表面横截面区域附近均匀、相对细小的晶粒。不过,随着往1/4厚度区和中心位置推进,晶粒尺寸和均匀性开始变差,在钢板厚度方向的表面区,可实现ASTM8~10的铁素体晶粒尺寸,而在1/4厚度处铁素体晶粒尺寸可降低到ASTM7~9,最终在中心区为ASTM5~7,而一些单个晶粒甚至更粗大。总体上,这都被认为是细晶,这种不均匀晶粒将降低强度、延伸率、韧性并恶化成形性。当钢板厚度增加时,该问题更加严重。根据板坯初始尺寸及轧机整体能力不同,在钢板厚度大于12.7mm时就开始出现晶粒不均匀问题。

  为了优化横截面铁素体晶粒的均匀性与尺寸大小,理解这些参数的作用,从而设计合金/工艺过程以解决这些关键参数是实现优化的保证。

  如今,大多数结构钢板按“镇静、细晶”订货。ASTMA6晶粒度要求仅指奥氏体晶粒尺寸,A6将“细小奥氏体晶粒尺寸”定义为满足在再加热试样中奥氏体晶粒尺寸为ASTM5或更高。一般通过奥氏体晶粒尺寸检验,如McQuaid-Ehn来验证“细晶奥氏体”要求。如果未进行检验,只要钢中“总的铝含量不小于0.020%”或者“酸溶铝含量不小于0.015%”,该钢就符合细晶粒钢。为了满足“细晶”要求,大多数结构钢板中铝含量在0.020%~0.040%范围。不过,一旦铝在再加热过程中固溶,就会在控轧过程中严重影响晶粒尺寸的大小。本文重点介绍优化轧制过程以实现最终横截面铁素体晶粒均匀,而没有考虑铝在这方面的作用。

  Nb、V、Ti和Al等微合金化元素均会在再加热过程中影响晶粒尺寸,但效果不同。结构用钢板典型的再加热温度通常在1175℃~1230℃,此时,将导致奥氏体晶粒尺寸在150μm~300μm范围(对应的ASTM约0.5~2),显然不满足细小奥氏体晶粒尺寸要求。延长加热时间或提高加热温度将导致奥氏体晶粒进一步粗化。需要解决的另一问题是,如果板坯直接由铸坯热装进加热炉,则在加热过程中奥氏体晶粒更粗大。在加热工序后,这些大的奥氏体晶粒将是热轧工序的初始晶粒尺寸。此后,只有变形诱导奥氏体再结晶才能降低奥氏体晶粒尺寸。

  板坯初始厚度与钢板最终厚度之比是决定最终横截面晶粒尺寸以及从钢板表面到中心的晶粒度均匀性的重要变量。总的来说,如果板坯初始厚度与钢板最终厚度的总压下比大于或等于12:1,则变形量足以获得相对细小的再结晶奥氏体晶粒尺寸及从表面到中心的晶粒度均匀性。当然,钢板表面晶粒总是细小些,但在结构钢板的中心也可以实现最终铁素体晶粒尺寸ASTM7~9。

  在考虑优化横截面晶粒尺寸时,总压下比通常是容易被忽视的一个变量。如果板坯进行展宽轧制(宽展),则与冶金效果相关的总压下比就要低些,这是由于轧宽道次一般压下量较小,不能在中心提供足够变形量使奥氏体再结晶而使奥氏体晶粒细化。事实上,中心部位的奥氏体将继续长大,尺寸超过再结晶晶粒。当在轧制过程中采用轧宽道次,则总压下比就应该从轧宽道次完成的板坯厚度开始计算。举例来说,如果从250mm厚的板坯直接轧制成25mm厚的钢板,则总压下比将是10:1(250/25)。如果同样的板坯必须轧宽以获得所需的钢板宽度,完成轧宽道次后板坯厚度现在为200mm,则总压下比将是8:1(200/25)。

  根据是否进行轧宽,可将轧制规程分成两个或三个不同阶段。如果需要进行轧宽时,第一阶段将是轧宽道次,第二阶段是粗轧道次,最后阶段是精轧道次。轧制规程中每一轧制阶段的特征如下:

  .轧宽道次——进行轧宽以获得所需的尺寸规格,一般2~8个道次,在板坯出加热炉后立即进行,道次压下量不大于12%。有些情况下,不需要采用这些轧制道次就可以实现由板坯尺寸直接轧制成最终所需的钢板尺寸。

  .粗轧道次——一般道次压下量在10%~14%(由轧制能力、温度而定)。一般采用最大的压下量,直到中间坯厚度小于板坯原始厚度的1/2~1/3(由钢板最终厚度而定)。这些道次是实现横截面晶粒最佳尺寸的关键道次。

  .精轧道次——一般道次压下量在5%~40%(由轧制能力、轧制温度而定)。这些道次产生并控制最终钢板厚度及板形。它们是轧制规程中最后的道次,一般当中间坯厚度小于板坯原始厚度的1/2~1/3(由钢板最终厚度而定)开始精轧。

  如前所述,粗轧规程是建立起横截面晶粒尺寸的关键道次。在加热过程中形成的粗大奥氏体晶粒必须在每一道次轧制后减小。一旦板坯离开轧机机架,就会发生奥氏体再结晶。再结晶导致奥氏体晶粒比入口道次稍微细小。

  每一道次轧机压下量(%)的渗透受到轧机能力(轧制力、力矩等)和板坯温度限制。总体而言,在无轧宽的直接轧制情况下,当中间坯厚度接近板坯初始厚度的一半时,或者在横轧情况下中间坯厚度接近横轧后板坯厚度的一半时,轧机压下完全渗透,使整个横截面方向发生变形。再利用前面提到的例子,由250mm厚板坯直接轧制25mm钢板时,当中间坯厚度大约为125mm时,在每道次压下后就开始发生轧制变形有效渗透到中心厚度处(与奥氏体晶粒调节有关)。然而,当采用轧宽道次,由250mm厚板坯轧宽到200mm厚中间坯后轧成25mm钢板,则当中间坯厚度大约为100mm时,在每道次压下后就开始发生轧制变形有效渗透到中心厚度处。

  在每道次下反复压下及奥氏体反复再结晶,随同轧机渗透能力,之后可确定最终横截面铁素体晶粒尺寸。

  在粗轧道次,需要解决影响最终横截面铁素体晶粒尺寸的两大关键点。第一点是在精轧道次开始前,粗轧道次的总压下量应该至少为60%。对薄规格钢板(12.7mm),这通常容易实现,但随着钢板厚度的增加,这就变得越来越困难。在粗轧过程中,如果道次压下量平均至少为15%,则无论奥氏体初始晶粒尺寸多大,在60%的总压下量下可实现再结晶奥氏体晶粒尺寸30μm~40μm(ASTM6~7)轧制。

  粗轧过程第二个关键点是,为了保证充分的轧制渗透以控制横截面晶粒尺寸,必须在中间坯厚度接近起始板坯厚度一半时采用最大的道次压下。这对薄规格钢板(12.7mm)不存在问题,但随着钢板厚度的增加,越来越难实现。

  另外,微合金元素的加入也能细化最终横截面晶粒尺寸。这当然是要配合优化道次压下量而进行。每一微合金化元素都具备抑制奥氏体晶粒再结晶过程的能力,但效果不一样。再结晶终止温度(Tnr),也就是发生奥氏体再结晶的最低温度,随加入的微合金类型和含量不同而变化。在Tnr温度以上必须发生足够的变形以完成所需的奥氏体再结晶。随后在Tnr温度以下的变形,能进一步细化最终的铁素体晶粒。

  如果部分精轧道次发生在奥氏体终止温度以下,则加入任何微合金化元素均可使铁素体晶粒尺寸进一步细化。特别是在厚规格轧制时,需要大于10%的道次变形量使晶粒明显细化。总体而言,如果轧机能力大,则精轧道次变形量至少为10%,最好大于15%,可实现横截面晶粒尺寸的改善。

  终轧温度和轧后冷却是影响最终横截面晶粒尺寸的最后变量。一旦钢板离开轧机,晶粒长大过程继续发生,直到达到临界温度Ar1,对大多数结构钢板钢,该温度约在650℃~700℃。钢中铝的加入并不能阻碍奥氏体晶粒长大,原因是抑制奥氏体晶粒长大的AlN析出物仍然处于固溶态。所以在热轧过程中最终横截面奥氏体晶粒尺寸还与终轧温度比Ar1高多少,以及采用的轧后冷却方式有关。

  轧后空冷是热轧交货钢板最常见的冷却方式。根据钢板厚度的不同,空冷时通常实现冷却速率5℃/s。如果安装了加速冷却ACC,根据设备能力和钢板厚度不同,冷却速率在5℃/s~30℃/s。因此,如果终轧温度低(700℃~750℃),随后空冷,晶粒长大程度就小;相反,如果终轧温度为870℃甚至更高,随后空冷,晶粒将发生一些粗化。随钢板厚度增加粗化更明显。然而,降低终轧温度来帮助控制晶粒长大,这一手段并不总是经济的,因为这将降低生产效率,而且如果当轧机采用低的道次压下量来实现低的终轧温度(增加轧制道次)时,晶粒尺寸将会更大。加速冷却(ACC)是一种可以用来控制较高终轧温度下轧后晶粒尺寸的工具。利用加速冷却将钢板温度降低到650℃~700℃可成功地阻止轧后晶粒长大。需要大约5℃/s~10℃/s的冷却速率控制轧后晶粒长大。另外,更高的冷却速率也可以形成更细小的铁素体晶粒。

  许多轧机都有2级自动化模型,为钢板轧制而设计轧制规程。这些模型一般没有考虑如何优化横截面晶粒尺寸,特别是与优化道次压下量相关的功能。因此,生产商需要花费时间优化2级自动化模型,获得最佳的横截面晶粒尺寸及其他冶金性能。

  对热轧交货的结构钢板,获得细小铁素体晶粒尺寸以及横截面方向上晶粒尺寸尽可能均匀,有利于实现力学性能及最终板形的改善。掌握影响最终横截面铁素体晶粒尺寸的关键参数,无论钢中有无铝的存在,均可实现在热轧CMn或微合金结构钢板横截面上铁素体晶粒细小及均匀分布。与最终钢板尺寸相关的板坯尺寸是这些关键参数中的一部分,需要仔细分析,因为它影响了粗轧轧制规程设计。随着钢板厚度的增加,实现横截面晶粒尺寸均匀的难度加大。掌握了关键参数的影响,并采用合适的合金设计,随后恰当地设计轧制规程,这是实现横截面细小均匀晶粒尺寸的关键。另外可能需要改进2级自动化模型以实现最佳的轧制规程。

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