冷卻工藝對Q345鋼軋制過程中金屬變形的影響

韓 毅 張 田 王丙興 王昭東

(東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽 110819)

冷卻工藝對Q345鋼軋制過程中金屬變形的影響

韓 毅 張 田 王丙興 王昭東

(東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽 110819)

受原始坯規格或軋機能力限制，厚板軋制壓下率不足將使軋制變形難以向軋件心部滲透，導致連鑄坯原始內部缺陷難以消除、鋼板組織粗化等問題，影響最終產品的質量。研究了通過控制軋制過程中的冷卻工藝，實現溫控和變形耦合的軋制工藝，旨在通過厚向大溫度梯度軋制增強軋件的變形滲透性。重點研究了軋件厚向相同心表溫差不同溫度梯度條件對金屬塑性變形的影響。

中厚板 溫控形變耦合軋制 溫度梯度 變形滲透

中厚板是國民經濟發展的重要原材料。隨著社會經濟的快速發展，人們對鋼板的厚度規格和性能質量等方面都提出了更高的要求[1- 2]。除了單純從軋后冷卻的溫度工藝控制來進行研究和產品開發外[3- 4]，近年來，軋鋼工作者們圍繞軋制過程中的冷卻控制展開了相關研究，基于傳統的軋后冷卻方式，著手開展結合軋制和冷卻的溫控形變耦合控制技術的研究。軋制過程中溫度控制的典型代表是在軋制過程中采用中間坯待溫[5- 8]，主要目的是避開再結晶區和未再結晶區之間的部分再結晶區進行軋制，以避免或減少混晶組織，影響最終產品質量。除了上述通過中間坯冷卻的形式來進行控制軋制外，專家學者提出了一種溫控形變耦合的新控軋技術，如圖1所示。其冷卻裝置不是單獨設置的，而是附屬安置在軋機機架上，可以在任何需要的軋制道次，在軋鋼的同時，進行鋼材的大水流密度高強度超快速冷卻，因此可以稱作是軋制道次間冷卻(Inter- pass cooling)。國內外有少數學者對溫控形變控軋技術進行了研究[9- 12]。本文針對溫控形變過程中的水冷工藝進行了更具體深入的研究，通過不同冷卻參數得到軋件厚向相同心表溫差不同溫度梯度的軋制過程，研究該條件下軋件金屬流動以及內部應變變化情況，明確分析了梯溫和差溫工藝參數對金屬塑性變形的影響。

圖1 軋制道次間冷卻示意圖Fig.1 Schematic diagram of inter- pass cooling

溫控形變耦合軋制工藝的一個重要作用是實現板坯厚向的大溫度梯度軋制，即軋制過程中邊強冷邊軋制，溫降來不及深入到軋件內部，形成厚向表面溫度低，板坯心部仍維持較高溫度。這樣，軋制時板坯上下表面溫度低于中心，變形抗力大,不容易發生變形，而板坯中心溫度高，容易變形。這種大溫度梯度軋制會促使變形效果深入到軋件心部，有利于消除板坯內部缺陷，為鋼材性能的改善提供了新的空間，同時可減少軋件側向的雙鼓形缺陷，避免邊部折疊等缺陷，減少邊部切損，提高成材率。

1 有限元仿真

軋制過程中忽略軋輥的彈性變形，采用剛性材料模型。軋件采用各向同性材料的剛塑性模型，材料類型同C- Mn鋼。金屬高溫下的變形抗力與應變、應變速率和變形溫度有關。本模型中軋件材料的本構方程表達式根據試驗測量的流應力曲線擬合得出：

(1)

采用剪切摩擦模型分析軋件與軋輥之間的接觸問題，其表達式為：

τ=mk

(2)

式中：τ為剪切摩擦應力，MPa；m為摩擦因數；k為剪切屈服強度，MPa。

由于軋制過程中，軋件表面伴隨著強水冷的作用，因此需要考慮軋件與軋輥接觸面溫度的急劇變化對摩擦因數的影響。根據文獻[6- 8]，摩擦因數隨接觸表面的溫度升高而降低。結合文獻和本文研究條件，模型中的軋制速度恒定，只考慮溫度變化對摩擦因數的影響。摩擦因數的表達式為：

m=1.06-0.000 6t

(3)

式中：t為接觸表面的溫度，℃。

模型中的其他基本參數如表1所示。

表1 軋制模型的基本參數Table 1 Main parameters in the rolling model

由于平軋工藝的對稱性，采用1/4幾何對稱模型進行有限元模擬。根據上述參數，建立軋件和軋輥的幾何模型。采用四面體單元對幾何模型進行網格劃分。

參照現場情況，對250 mm×300 mm×500 mm(厚×寬×長)規格鋼坯的單道次溫控形變軋制過程進行模擬，道次壓下量為25 mm。具體模擬工藝參數如表2所示。

表2 不同工藝條件下的模擬參數Table 2 Simulation parameters under the conditions of different cooling processs

2 溫控形變試驗

2.1 試驗材料

試驗采用Q345鋼板，其化學成分如表3所示，規格為90 mm×130 mm×200 mm(厚×寬×長)。

2.2 試驗裝置

在國內某研究院的試驗軋機近入口處新建了一套即時冷卻裝置。冷卻裝置自主設計，主要包括高度可調框架、噴水集管、控制閥組、分流集水管、排水系統等。試驗裝置采用框架高度可調機構，采用多孔螺栓與支柱相連，高度調節范圍0～80 mm，保證不同厚度的鋼坯冷卻射流沖擊高度一致。由于噴水集管形狀復雜而且要求精度高，因此采用先進的3D打印技術打印出精度為0.05 mm的射流集管。

表3 試驗鋼的化學成分(質量分數)Table 3 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) %

2.3 試驗方法

采用兩種工藝實現厚向同溫差不同溫度梯度軋制的對比試驗。為了便于觀察鋼板內部的變形情況，試驗前將坯料在各厚度層沿寬向朝中心切割，切口深度為1/2板寬，如圖2(a)所示。為了使軋制過程金屬流動更加具有連續性，在切縫中插入軟而薄的無間隙原子鋼片，將切縫塞實，如圖2(b)所示。

圖2 鋼坯各厚度層切縫插入軟鋼片的(a)加工示意圖和(b)實物圖Fig.2 (a)Machining drawings and (b) physical drawings of slitting and inserting in different slab thickness layers

1號鋼坯出爐后水冷6 s，返溫3 s，立即進行一道次軋制；2號鋼坯出爐后水冷10 s，返溫6 s至表面溫度與1號鋼坯軋制表面溫度一致時立即進行一道次軋制；3號鋼坯出爐后直接進行一道次軋制。三塊鋼軋后均空冷至室溫。具體試驗參數如表4所示。

表4 試驗參數Table 4 Experimental parameters

由于軋制過程中軋件的頭、尾處于非穩定軋制階段，因此將軋后鋼板在縱向正中間處沿橫向剖開，將橫斷面表面進行銑磨、酸洗加工，便于觀察和測量。

3 結果分析

3.1 軋件厚向溫度場分析

沿軋件厚向選擇若干節點來分析半厚溫度分布，不同冷卻條件下軋前冷卻的軋件厚向溫度分布如圖3所示。

從圖3可以看出，1號和2號兩種工藝的鋼板厚向心表溫差相同，均約450 ℃，但1號工藝的冷卻滲透度更大。這是由于相比2號工藝，1號工藝的水冷時間更長，帶走鋼板內部的熱量更多，隨后通過延長空冷時間至返紅后表面溫度與2號工藝冷后表面溫度一致。

根據單位距離溫度差，計算兩種工藝冷后軋件厚向的溫度梯度分布，如圖4所示。從圖中可以看出，雖然兩者的厚向心表溫差一致，但內部溫度梯度差異較大。在鋼板表層，1號工藝的溫度梯度要明顯低于2號工藝。這是由于2號工藝采用的是短時間強水冷加短時間回溫過程，鋼板熱傳導作用未來得及使鋼板返溫，因此厚向還維持較大的溫差。沿厚向距心部50～100 mm區域內，1號工藝的溫度梯度大于2號工藝。這是由于1號工藝采用了長時間水冷和長時間回溫過程，熱傳導持續作用將帶走鋼板更多熱量，導致厚向鋼板內部冷卻滲透度更大(見圖3)。

圖3 不同冷卻條件下軋件厚向溫度分布Fig.3 Temperature distribution throughout thickness in different cooling processes

圖4 不同冷卻條件下的軋件厚向溫度梯度Fig.4 Temperature gradient throughout thickness in different cooling processes

3.2 軋件內部金屬橫向流動分析

由于軋制過程中軋件的頭、尾屬于非穩定軋制階段，因此選取鋼板縱向正中間位置處的橫斷面作為研究對象，對金屬橫向流動進行分析。

圖5所示為兩種工藝條件下，鋼板橫斷面上金屬橫向流動的模擬云圖。從圖中可以看出，1號工藝的鋼板側邊輪廓呈單鼓形，且鼓肚分布較均勻，而2號工藝的金屬橫向流動位移量峰值在1/4厚度層處，鋼板側邊輪廓呈輕微雙鼓形。

圖5 (a)1號和(b)2號工藝下鋼板斷面金屬橫向流動云圖Fig.5 Transverse metal flow contours of plate cross- section for the processes (a)No.1 and (b)No.2

沿圖5中的鋼板斷面輪廓邊部，如圖5(a)中右側虛線所示，繪制出各厚度層金屬的橫向位移量變化曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，在1/4厚度層至表層區域內，1號工藝的金屬橫向流動小于2號工藝的。這是由于1號工藝的冷卻滲透度更大的緣故，近表層低溫區所占比例更大，增加了難變形區體積；而1/4厚度層至中心層區域內，1號工藝的整體橫向金屬流動明顯大于2號工藝，說明相同厚向心表溫差條件下，冷卻滲透度越大，內部溫度梯度越大，增強了厚向變形滲透性，促進了鋼板心部的金屬流動。

3.3 軋件內部金屬塑性變形分析

沿圖5中的鋼板斷面輪廓中心處，如圖5(a)中左側虛線所示，繪制出各厚度層等效應變的分布曲線，如圖7所示。

圖6 不同工藝條件鋼板橫斷面邊部金屬 橫向位移量Fig.6 Transverse metal displacement of the side of plate cross- section for the different cooling processes

圖7 不同冷卻工藝條件鋼板在寬向中心處沿 厚向的等效應變分布Fig.7 Equivalent strain throughout thickness of the center of plate width for different cooling processes

從圖7中可以看出，1號工藝鋼板的表層金屬等效應變值約為0.109，應變峰值約為0.192，而2號工藝鋼板的表層金屬等效應變值約為0.118，應變峰值達到約0.226。這是因為厚向心表溫差相同條件下，1號工藝鋼板的表層低溫區厚度更大，難變形區所占比例大，因此近表層變形程度小。比較兩種工藝下鋼板心部的等效應變程度：1號工藝的心部等效應變值約0.149，2號工藝的心部等效應變值為0.125，可見1號工藝的鋼板心部等效應變程度提高了19.2%。從圖7中還可以看出，1號工藝鋼板的整個厚向變形程度更均勻，其厚向等效應變峰值與最小值差約0.083，而2號工藝鋼板的厚向等效應變峰值與最小值差約0.108。這是由于1號工藝的冷卻滲透度更大(見圖3)，使得鋼板內部的溫度梯度得到提高(見圖4)，更有利于厚向軋制的變形滲透。

4 驗證結果

圖8所示為各工藝軋后鋼板的橫斷面照片，經測量計算得到各鋼板軋后各厚度層的相對位移(切縫之間的高度差)結果。

圖8 各工藝軋后鋼板橫斷面宏觀照片Fig.8 Macrograph of cross- section of plates rolled by different rolling processes

根據軋制前后鋼板寬向中心處各片層之間的高度差的變化量，計算出各厚度層金屬的真應變量，如圖9所示。

圖9 軋后鋼板各厚度層真應變值Fig.9 True strain of each thickness layer

從圖9可以看出，1號和2號鋼均采用溫控形變軋制工藝，中心層的金屬變形量都大于采用常規軋制工藝的3號鋼，3號鋼中間層真應變值幾乎為0，說明3號工藝下厚向變形未深入心部。同時還可以看出，2號鋼板的寬向中心沿厚向的變形最均勻，1號工藝的各厚度層最大真應變差值約0.15，3號常規工藝的各厚度層最大應變差值約達0.19，而2號工藝的各厚度層最大真應變差值僅約為0.09。下面針對1號和2號兩種不同的溫控形變工藝，從鋼板內部溫度分布的角度做分析討論。

圖10是修正表面實測溫度后，1號和2號工藝冷后鋼板厚向溫度場的計算結果。從圖10(a)看出，兩種工藝的鋼板表面溫度均為825 ℃左右，厚向心表溫差相同，但2號鋼板內的溫降大于1號鋼板。這是因為2號鋼采用更長的冷卻時間和返紅時間，帶走鋼板更多熱量，冷卻滲透度更大。從圖10(b)可以看出，在鋼板表層，2號工藝鋼板的溫度梯度明顯低于1號工藝。這是由于1號工藝采用的是短時間強水冷加短時間回溫過程，鋼板內部熱傳導作用未來得及使表面發生返溫，因此還維持較大的溫差。在鋼板厚向距心部30 mm區域，2號工藝鋼板的溫度梯度要大于1號工藝。這是由于2號工藝采用的是長時間水冷和長時間回溫過程，熱傳導持續作用，帶走鋼板更多熱量，導致鋼板內部厚向冷卻滲透度更大。綜上所述，2號工藝鋼板表層的低溫難變形區較1號鋼板所占比例更大，有利于增加內部的金屬變形量，使厚向軋制變形滲透性提高。

圖10 溫控鋼板的(a)厚向溫度場和(b)厚向溫度梯度Fig.10 (a)Temperature distribution and (b) temperature gradient throughout thickness of steel plate cooled at a controlled rate

圖11所示為各工藝的平均軋制力對比。可見3號常規工藝軋件整體溫度高，變形抗力小，所以軋制力最小；2號溫控形變工藝的水冷時間長，鋼板內部溫降最大，所以軋制力最大；而1號工藝的水冷時間較短，軋件整體溫度介于2號和3號之間，故其平均軋制力也介于兩者之間。

圖11 三種工藝下測量的平均軋制力Fig.11 Measured average rolling force for different processes

5 結論

(1)采用溫控形變軋制工藝時金屬的變形特點不僅取決于軋件厚向心表溫差，還與軋件內部的溫度梯度有重要聯系。

(2)通過控制水冷和空冷時間的工藝策略，形成了厚向相同心表溫差不同內部溫度梯度的兩種溫控形變軋制工藝。經對比，相同心表溫差條件下，冷卻滲透度大，內部溫度梯度大，鋼板整體溫降較大，平均軋制力也增加。

(3)相同心表溫差條件下，內部溫度梯度越大，厚向變形滲透效果更明顯，心部等效應變程度提高，橫向金屬流動加劇。

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收修改稿日期：2017- 08- 02

EffectofWater-coolingProcessonMetalDeformationduringQ345SteelRolling

Han Yi Zhang TianWang Bingxing Wang Zhaodong

(State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110819, China)

Due to the constraint of slab dimension and mill capacity, the rolling deformation is difficult to penetrate into core of thick workpiece with low rolling reduction ratio. So it’s hard to eliminate internal defects of billet and render the coarsening of internal structure of steel plate, which will not be beneficial to the quality of final product. The rolling process of temperature control and deformation coupling was realized by controlling the cooling process during rolling, with the purpose of enhancing the deformation penetration into workpiece by large temperature gradient rolling. It was mainly researched that the metal plastic deformation under the conditions of same temperature difference between outer and heart and various temperature gradients through out slab thickness.

medium plate，rolling with inter-pass cooling，temperature gradient，deformation penetration

韓毅，男，工程師，主要從事軋后超快速冷卻設備研發與設計，Email：510641719@qq.com