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浅谈钢板轧制后直接淬火工艺研究

贺禹心
【摘 要】钢板轧后直接淬火工艺具有节约时间，减少能源耗费，同时能够优化钢板质量等多项优点。此性能控制技术现已被多个国家采用并发展，但在国内尚处于起步阶段。本文介绍了该工艺的背景及特点，分析了该工艺背后的技术机理，研究了如何部署淬火设备以及如何选择冷却方式，最后做出总结。意在向国内推广此项工艺，为推进钢铁产业发展做出微薄贡献。
【关键词】钢板；轧制；淬火；在线热处理
一、引言
钢板轧后直接淬火工艺由于其节能且可以一定程度上提升钢板品质的优点，自上世界八十年代以来便受到了国际上来自各大钢板生产厂商的关注和追捧。该工艺可概述为经过精轧机轧制后的钢板直接进入热处理设备进行相应的热处理，这一过程又称为“在线热处理”。该工艺具有以下优点：
（1）借由钢板经过轧制后未经冷却就直接进入淬火设备，直接跳过了传统工艺线上的钢板再升温过程，高效利用轧后余热，可以大幅地节省能源耗费。
（2）因省去了再加热工序，与变形和热处理有机结合，缩短了整个淬火过程的时间，所以相应的设备的热处理能力得到了优化。
（3）热处理设备是在线布置，减少了线上产品的传输时间，进而提升整条生产线的效率。
（4）实验证据表明，直接淬火工艺可以有效减少合金元素引起的硬化现象，且在其他方面表现不输于常规工艺。
由于上述优点，在钢板生产活动中，若条件符合工艺要求，则考虑优先使用此种工艺。国际上其他国家早已采用此工艺。反观国内对其研究却起步较晚。在世界资源节约和环境治理保护等要求日益严格的当今时代，钢板轧后直接淬火工艺符合钢铁行业“绿色低碳”发展的时代要求，值得在国内得到大力推广。
二、钢板轧制后直接淬火工艺的机理
钢板经过直接淬火后，其主体结构可能为两种。一种是微细的马氏体，此时其主要成分包含马氏体束、马氏体包、和大量的高密度位错；第二种是贝氏体组织，其主要构成是贝氏体、先共析铁素体等，并且可观察到碳化物在其晶界、变形带边界以及原奥史晶界处少量析出。
经在线热处理后的钢板，其强度由位错密度和析出强化等因素决定，其韧性则一般主要受断裂的实际组织的微细程度影响即被大角度晶界所包围的结晶单位的尺寸大小所决定。若是马氏体组织，则主要由马氏体晶胞的直径大小所影响；而若是呈贝氏体组织结构，那么主要影响因素就成了贝氏体和铁素晶体的尺寸。
在具体的轧后直接淬火工艺实施中，需要根据轧后钢板的奥史体再结晶状态的不同来选取使用不同的淬火方法：
（1）奥氏体再结晶区直接淬火法即在待淬火钢板处于奥氏体再结晶区间进行终轧，受高温影响，合金元素特别是是碳氢氧化物会较为均匀的固溶于奥氏体中，这将令钢板的淬透性提高，增强钢板的强度和韧性。
（2）奥氏体未结晶区直接淬火法则是在待淬火钢板处于奥氏体未结晶区间进行终轧，采用这种方法进行淬火的钢板其性能主要受自身的合金元素和金相组织影响。钢板本身固有的淬火能力影响着直接淬火后的钢板性能。
采取何种淬火方法由钢板的淬火性能决定。对高淬火性能的钢板，采取奥氏体再结晶区直接淬火法，得到的调制钢的强度和韧性有明显提升。强度提升是因为加工强化奥氏体相变后产生的马氏体板条中含有大量的高密度位错，后者的强化效果对强度提高有积极作用。韧性提升是因为加工强化的再结晶奥氏体含有大量诸如位错和变形带的的晶体缺陷，令相变之后的马氏体和包组织得以细化。
对于低淬火性能的钢材，因奥氏体未结晶区的变形加速了铁素体在变形奥氏体的晶界和晶粒内变形带的析出，使钢材淬透性的下降，令调制的钢板强度亦会有所下降。对钢材的韧性则还有根據钢种的情况区分，有的有所改善，有的将略有降低。
三、对轧后直接淬火设备的要求
在钢材生产厂的调制钢板生产线上，部分钢板需要热处理，有的则需要直接进入冷却设备，因此，对直接淬火设备具有如下的要求：
（1）较大的工作范围。这是因为直接淬火设备既需要满足在线热处理需求，也需要能够满足部分钢材的快却需求。
（2）提供较快的冷却速度。在轧制后直接淬火工艺中为了提高调制品的硬度，需要使冷却速度逼近某个界值。此时该设备需要具有能够提供超过正常冷却速度15%左右的能力。
（3）部署合理的冷却装置。在钢板的冷却过程中，若上下表面的冷却条件不同，将造成钢板内部组织不均匀，出现钢板翘曲。可以考虑在钢板上表面使用限制辊来减轻钢板的浪形程度，但会使冷却控制的精确度下降。因此需将限制辊的数量控制在合理的范围，配合使用其他合适的冷却设备代替限制辊，使钢板上下表面的冷却条件趋于一致。
四、冷却方式的选择
研究表明：就钢材上表面而言，采用不同的层流液冷却方式对热处理效果影响也比较大。见图1，2，3。
在图1中，采用的是圆形孔层流冷却，喷口间距为110mm×135mm。在图2中，采用的仍然是圆形孔层流冷却但其喷嘴间距改为了60mm×60mm。在图3中则采用缝隙喷嘴+圆形孔层流冷却液，间距60mm×60mm。以上三种方式的水流量均为2.5m3/min。实验结果展示的是距钢板表面2mm处的硬度变化。
对钢板横断面上的组织使用显微观察，分析得：采用冷却方式1时，钢板在接近表层处呈现的是针状铁素体组织。而采用冷却方式3时，钢板在接近表层处呈现的是均匀的马氏体组织。而针状铁素体组织则是引起钢材硬度变化较大的主要原因。在进行钢材冷却时，尽管其他条件全部一致，只有冷却方式不同，却产生了不同的组织构造。这其中的原因是因为采用圆形孔层流冷却时，由于圆形喷口下面区域同其他区域接受的冷却条件不一致，令钢板表面在高温情况下反复速冷以及吸热，进而在其表面形成大量的针状铁素体组织。当采用另一种方法时，钢板表面在高温情况下反复速冷以及吸热的速度大幅降低。大量的数据证明指出：缝隙喷嘴+圆形孔层流冷却可以获得硬度均匀的钢板，而单独后者是做不到的。
综上所述，在使用钢板轧制后直接淬火工艺时，冷却采用钢板上下表面都使用缝隙喷嘴+圆形孔层流冷却的方式可以获得最佳的效果。
五、结语
轧制后直接淬火法在实践生产中被证明了具有诸多优点，在钢板生产中投入使用之后可以使企业自身实现减成本、添效益、强性能等目标，并且该工艺符合新环境下绿色发展的要求，值得在国内推广。
【参考文献】
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