淺談鋼板軋制后直接淬火工藝研究

賀禹心

【摘 要】鋼板軋后直接淬火工藝具有節(jié)約時間，減少能源耗費，同時能夠優(yōu)化鋼板質(zhì)量等多項優(yōu)點。此性能控制技術(shù)現(xiàn)已被多個國家采用并發(fā)展，但在國內(nèi)尚處于起步階段。本文介紹了該工藝的背景及特點，分析了該工藝背后的技術(shù)機(jī)理，研究了如何部署淬火設(shè)備以及如何選擇冷卻方式，最后做出總結(jié)。意在向國內(nèi)推廣此項工藝，為推進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出微薄貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】鋼板；軋制；淬火；在線熱處理

一、引言

鋼板軋后直接淬火工藝由于其節(jié)能且可以一定程度上提升鋼板品質(zhì)的優(yōu)點，自上世界八十年代以來便受到了國際上來自各大鋼板生產(chǎn)廠商的關(guān)注和追捧。該工藝可概述為經(jīng)過精軋機(jī)軋制后的鋼板直接進(jìn)入熱處理設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，這一過程又稱為“在線熱處理”。該工藝具有以下優(yōu)點：

（1）借由鋼板經(jīng)過軋制后未經(jīng)冷卻就直接進(jìn)入淬火設(shè)備，直接跳過了傳統(tǒng)工藝線上的鋼板再升溫過程，高效利用軋后余熱，可以大幅地節(jié)省能源耗費。

（2）因省去了再加熱工序，與變形和熱處理有機(jī)結(jié)合，縮短了整個淬火過程的時間，所以相應(yīng)的設(shè)備的熱處理能力得到了優(yōu)化。

（3）熱處理設(shè)備是在線布置，減少了線上產(chǎn)品的傳輸時間，進(jìn)而提升整條生產(chǎn)線的效率。

（4）實驗證據(jù)表明，直接淬火工藝可以有效減少合金元素引起的硬化現(xiàn)象，且在其他方面表現(xiàn)不輸于常規(guī)工藝。

由于上述優(yōu)點，在鋼板生產(chǎn)活動中，若條件符合工藝要求，則考慮優(yōu)先使用此種工藝。國際上其他國家早已采用此工藝。反觀國內(nèi)對其研究卻起步較晚。在世界資源節(jié)約和環(huán)境治理保護(hù)等要求日益嚴(yán)格的當(dāng)今時代，鋼板軋后直接淬火工藝符合鋼鐵行業(yè)“綠色低碳”發(fā)展的時代要求，值得在國內(nèi)得到大力推廣。

二、鋼板軋制后直接淬火工藝的機(jī)理

鋼板經(jīng)過直接淬火后，其主體結(jié)構(gòu)可能為兩種。一種是微細(xì)的馬氏體，此時其主要成分包含馬氏體束、馬氏體包、和大量的高密度位錯；第二種是貝氏體組織，其主要構(gòu)成是貝氏體、先共析鐵素體等，并且可觀察到碳化物在其晶界、變形帶邊界以及原奧史晶界處少量析出。

經(jīng)在線熱處理后的鋼板，其強(qiáng)度由位錯密度和析出強(qiáng)化等因素決定，其韌性則一般主要受斷裂的實際組織的微細(xì)程度影響即被大角度晶界所包圍的結(jié)晶單位的尺寸大小所決定。若是馬氏體組織，則主要由馬氏體晶胞的直徑大小所影響；而若是呈貝氏體組織結(jié)構(gòu)，那么主要影響因素就成了貝氏體和鐵素晶體的尺寸。

在具體的軋后直接淬火工藝實施中，需要根據(jù)軋后鋼板的奧史體再結(jié)晶狀態(tài)的不同來選取使用不同的淬火方法：

（1）奧氏體再結(jié)晶區(qū)直接淬火法即在待淬火鋼板處于奧氏體再結(jié)晶區(qū)間進(jìn)行終軋，受高溫影響，合金元素特別是是碳?xì)溲趸飼^為均勻的固溶于奧氏體中，這將令鋼板的淬透性提高，增強(qiáng)鋼板的強(qiáng)度和韌性。

（2）奧氏體未結(jié)晶區(qū)直接淬火法則是在待淬火鋼板處于奧氏體未結(jié)晶區(qū)間進(jìn)行終軋，采用這種方法進(jìn)行淬火的鋼板其性能主要受自身的合金元素和金相組織影響。鋼板本身固有的淬火能力影響著直接淬火后的鋼板性能。

采取何種淬火方法由鋼板的淬火性能決定。對高淬火性能的鋼板，采取奧氏體再結(jié)晶區(qū)直接淬火法，得到的調(diào)制鋼的強(qiáng)度和韌性有明顯提升。強(qiáng)度提升是因為加工強(qiáng)化奧氏體相變后產(chǎn)生的馬氏體板條中含有大量的高密度位錯，后者的強(qiáng)化效果對強(qiáng)度提高有積極作用。韌性提升是因為加工強(qiáng)化的再結(jié)晶奧氏體含有大量諸如位錯和變形帶的的晶體缺陷，令相變之后的馬氏體和包組織得以細(xì)化。

對于低淬火性能的鋼材，因奧氏體未結(jié)晶區(qū)的變形加速了鐵素體在變形奧氏體的晶界和晶粒內(nèi)變形帶的析出，使鋼材淬透性的下降，令調(diào)制的鋼板強(qiáng)度亦會有所下降。對鋼材的韌性，則還有根據(jù)鋼種的情況區(qū)分，有的有所改善，有的將略有降低。

三、對軋后直接淬火設(shè)備的要求

在鋼材生產(chǎn)廠的調(diào)制鋼板生產(chǎn)線上，部分鋼板需要熱處理，有的則需要直接進(jìn)入冷卻設(shè)備，因此，對直接淬火設(shè)備具有如下的要求：

（1）較大的工作范圍。這是因為直接淬火設(shè)備既需要滿足在線熱處理需求，也需要能夠滿足部分鋼材的快卻需求。

（2）提供較快的冷卻速度。在軋制后直接淬火工藝中為了提高調(diào)制品的硬度，需要使冷卻速度逼近某個界值。此時該設(shè)備需要具有能夠提供超過正常冷卻速度15%左右的能力。

（3）部署合理的冷卻裝置。在鋼板的冷卻過程中，若上下表面的冷卻條件不同，將造成鋼板內(nèi)部組織不均勻，出現(xiàn)鋼板翹曲?？梢钥紤]在鋼板上表面使用限制輥來減輕鋼板的浪形程度，但會使冷卻控制的精確度下降。因此需將限制輥的數(shù)量控制在合理的范圍，配合使用其他合適的冷卻設(shè)備代替限制輥，使鋼板上下表面的冷卻條件趨于一致。

四、冷卻方式的選擇

研究表明：就鋼材上表面而言，采用不同的層流液冷卻方式對熱處理效果影響也比較大。見圖1，2，3。

在圖1中，采用的是圓形孔層流冷卻，噴口間距為110mm×135mm。在圖2中，采用的仍然是圓形孔層流冷卻但其噴嘴間距改為了60mm×60mm。在圖3中則采用縫隙噴嘴+圓形孔層流冷卻液，間距60mm×60mm。以上三種方式的水流量均為2.5m3/min。實驗結(jié)果展示的是距鋼板表面2mm處的硬度變化。

對鋼板橫斷面上的組織使用顯微觀察，分析得：采用冷卻方式1時，鋼板在接近表層處呈現(xiàn)的是針狀鐵素體組織。而采用冷卻方式3時，鋼板在接近表層處呈現(xiàn)的是均勻的馬氏體組織。而針狀鐵素體組織則是引起鋼材硬度變化較大的主要原因。在進(jìn)行鋼材冷卻時，盡管其他條件全部一致，只有冷卻方式不同，卻產(chǎn)生了不同的組織構(gòu)造。這其中的原因是因為采用圓形孔層流冷卻時，由于圓形噴口下面區(qū)域同其他區(qū)域接受的冷卻條件不一致，令鋼板表面在高溫情況下反復(fù)速冷以及吸熱，進(jìn)而在其表面形成大量的針狀鐵素體組織。當(dāng)采用另一種方法時，鋼板表面在高溫情況下反復(fù)速冷以及吸熱的速度大幅降低。大量的數(shù)據(jù)證明指出：縫隙噴嘴+圓形孔層流冷卻可以獲得硬度均勻的鋼板，而單獨后者是做不到的。

綜上所述，在使用鋼板軋制后直接淬火工藝時，冷卻采用鋼板上下表面都使用縫隙噴嘴+圓形孔層流冷卻的方式可以獲得最佳的效果。

五、結(jié)語

軋制后直接淬火法在實踐生產(chǎn)中被證明了具有諸多優(yōu)點，在鋼板生產(chǎn)中投入使用之后可以使企業(yè)自身實現(xiàn)減成本、添效益、強(qiáng)性能等目標(biāo)，并且該工藝符合新環(huán)境下綠色發(fā)展的要求，值得在國內(nèi)推廣。

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