中厚板在线控冷技术开发与减量化生产

中厚板在线控冷技术开发与减量化生产

控制冷却技术是轧钢生产中十分重要的一项工艺技术，它通过控制轧后钢材的冷却温度和速度来改善钢材的组织和性能，最终获得良好的综合力学性能。随着控制冷却技术的发展，它已经较成熟的应用于板材、带材、线材等领域。

　　为了将轧后控制冷却技术更好的推广并应用于无缝管生产中，天津钢管集团股份有限公司与东北大学合作开展了一系列无缝钢管轧后控制冷却模拟试验研究。初期研究结果表明:对低C低Mn的无缝钢管轧后进行快速冷却得到表层高强度、高韧性的针状铁素体组织和回火索氏体组织，晶粒显著细化，钢材整体综合力学性能大幅度提高;对于碳素结构钢管和合金结构钢管，轧后采用适当的快速冷却工艺，可在快速冷却和钢材自身余热回火的双重作用下，得到表层具有高强度、高韧性的回火索氏体、针状铁素体、下贝氏体等组织，同时，内部铁素体网状程度减轻，晶粒细化，钢材整体强度和韧性等力学性能同时提高，且在延伸率不降低的情况下冲击韧性大幅度提高，有效改善了轧态冲击韧性偏低的状态。轧后快速冷却工艺将使厚壁无缝钢管厚度方向组织复合化，有利于整体综合性能提高。为了将初期研究结果应用于生产实践，共同开发研制了热轧无缝管轧后控制冷却系统，以提高改善产品的综合性能。

　　热轧后的钢管主要通过辐射、传导和对流三种方式散热。其中，钢管表面与冷却介质之间的对流换热是散热的主要方式。采用水与空气的混合物作为冷却介质，称“气雾冷却”。空冷时，钢管表面散热速度比钢材自身热传导速度慢得多，钢管厚度方向温度较均匀;气雾冷却时，钢管表面散热速度大幅度提高，在钢管厚度方向的表层附近存在一定的温度梯度。热轧无缝管由950℃左右的终轧温度降至室温的过程中，根据冷却条件的不同，奥氏体将分解为不同组织类型的产物。因此气雾冷却时钢管厚度方向表层附近的温度差异，必然造成钢管厚度方向组织的多样化;由于钢管内部依靠热传导方式传递热量，故各处温度是连续变化的，因此，即使形成不同的组织，组织之间也是存在过渡区的，即:不同的微观组织之间存在一个共存混合区，钢管就好像由不同类型的组织层层复合而成。组织多样性使钢管的综合力学性能发生改变，表现出新的强度和韧性等力学性能组合;组织连续性使钢管不同类型组织之间通过“过渡区”紧密结合，不发生“分层”现象;组织复合性使钢管在不同厚度处，表现出不同的力学性能，发挥复合型材料的特点和优点。

　　众所周知，复合型钢铁材料具有许多独特的优点，例如:表层晶粒细化可以使钢材整体抗疲劳性能提高，在建筑领域中，表层细晶粒的钢筋与全断面均匀细化的钢筋相比，具有几乎相同的抑制疲劳裂纹扩展能力;表层高强度圆形或球形结构，具有更高的抗外部压力能力，就是通常所说的“蛋壳原理”。无缝钢管表层高强度、高韧性必将对其使用性能带来更多益处。

　　对于优质碳素钢20ф、45ф结构管，试验中采用轧后空冷工艺，产生较均匀的等轴铁素体+珠光体组织;当采用轧后气雾冷却工艺时，虽然在随后的空冷中钢管温度略有回升，由于钢管表层受气雾冷却和随后空冷的交替作用，表层温度是先降后升，而中间和内壁温度变化则相对缓漫。这样必然会出现钢管壁厚方向组织的多样化。以20#钢结构管，ф140mm×13mm规格的轧后气雾冷却显微组织为例。在钢管表层生成了0.9mm厚度的贝氏体组织，以及0.9mm至35mm厚度的过渡带复合组织。由于通常针状铁素体内位错密度高于等轴铁素体内位错密度，因此，从位错强化的角度分析，针状铁素体对应的屈服强度大于等轴铁素体对应的屈服强度。另外，经轧后气雾冷却的20ф结构管来看，其等轴铁素体晶粒尺寸明显小于经空冷得到的等轴铁素体晶粒，从细晶强化的角度分析，力学性能明显得到提高