連續(xù)退火模擬裝置的功能及應(yīng)用

劉 洪,孟慶格

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院1.梅鋼技術(shù)中心,江蘇 南京 210039;2.冷軋產(chǎn)品研究所,上海 201999)

冷軋后帶鋼的退火工藝是根據(jù)鋼的組織結(jié)構(gòu)在固態(tài)下可以進行多種形式的轉(zhuǎn)變而發(fā)展起來的,是通過加熱、保溫和冷卻的方法來改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),從而消除鋼板在冷軋過程中造成的內(nèi)應(yīng)力和加工硬化,改善鋼的性能,恢復(fù)鋼的塑性變形能力;消除鋼中的殘余應(yīng)力,均勻鋼的組織和化學(xué)成分[1]。由于連續(xù)退火在產(chǎn)品表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、性能均勻性等方面有著傳統(tǒng)罩式退火所無法比擬的優(yōu)勢,目前國內(nèi)各大冷軋板企業(yè)使用連續(xù)退火生產(chǎn)線的密度越來越大[2]。因此,為了能迅速、經(jīng)濟而準(zhǔn)確地研究連續(xù)退火工藝對產(chǎn)品性能的影響,工藝技術(shù)與研發(fā)人員需要有方便、靈活、精確的連續(xù)退火模擬裝置。

1 連續(xù)退火模擬裝置主要功能

本文介紹的連續(xù)退火模擬裝置主要用于連續(xù)退火熱處理工藝(加熱、均熱、冷卻、時效等)的模擬試驗,具有快速加熱功能、快速冷卻功能,主要包括測試、管道與儀表、電氣和安全四大模塊。

測試模塊是模擬裝置的機械本體,氣氛調(diào)節(jié)、快速加熱及快速冷卻都在測試模塊中進行,測試模塊主要由提供氣氛的工藝腔、夾持及導(dǎo)電加熱工件的加熱鉗系統(tǒng)、快速冷卻工件的冷卻箱和支撐整體的安裝架構(gòu)成。

管道與儀表模塊是模擬裝置進行氣氛調(diào)節(jié)、快速冷卻和吹掃的重要組成部分,其主要有N2供氣和流量壓力調(diào)節(jié)管道及儀表、氮氫混合氣供氣和流量壓力調(diào)節(jié)管道及儀表、快速冷卻風(fēng)機系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

電氣模塊主要用于為模擬裝置快速加熱提供加熱源及控制加熱速度、根據(jù)工藝控制管道的供氣壓力和流量、變頻驅(qū)動冷卻風(fēng)機以控制冷卻速度、設(shè)備狀態(tài)量采集和分析,主要包括加熱電源系統(tǒng)、工藝控制PLC系統(tǒng)、氣氛分析系統(tǒng)、冷卻風(fēng)機驅(qū)動系統(tǒng)和人機界面。

安全模塊包括管道及廠房內(nèi)氣氛檢測系統(tǒng)、報警系統(tǒng)和應(yīng)急處理系統(tǒng)等。

1.1 快速加熱功能

連續(xù)退火模擬裝置中樣板的加熱采取中頻感應(yīng)電流電阻加熱方式,在中頻感應(yīng)系統(tǒng)中,樣板直接作為感應(yīng)次級線圈的一部分進行加熱。加熱變壓器的副邊通過母排與樣板形成短路狀態(tài),由于樣板電阻比回路中其他組件大,電壓降主要集中在樣板上,從而導(dǎo)致樣板被加熱,如圖1所示。通過兩個固定夾鉗固定樣板,夾鉗連接導(dǎo)電母排并起到導(dǎo)電的作用,電流的大小反映加熱速率的大小[3]。采用這種裝置,樣板通過焦耳效應(yīng)直接加熱,因而在加熱過程中能實現(xiàn)快速加熱。本試驗裝置樣板溫度控制在25～1 000 ℃范圍內(nèi),對于厚度為0.3 mm的樣板最高加熱速率能夠達(dá)到300 K/s。

圖1 中頻感應(yīng)電流電阻加熱原理Fig.1 Principle of resistance heating with medium frequency induction current

1.2 冷卻控制能力

樣板的冷卻通過位于樣板前面和后面的冷卻風(fēng)箱吹氣進行。這些冷卻風(fēng)箱中注入的氣體與保護氣氛相同并且氣壓可調(diào),以便通過風(fēng)箱電動機速率的頻率調(diào)整控制冷卻速率。

冷卻速率通過熱電偶測量控制。為了優(yōu)化冷卻工序的響應(yīng)時間,達(dá)到快速冷卻目的,按照所需的冷卻速率,冷卻風(fēng)機出口設(shè)定的總氣流先通過一個旁通管道以所需的流量值持續(xù)循環(huán)。需要快速冷卻時冷卻氣流從旁通管道切換轉(zhuǎn)到主管道,再從樣板兩側(cè)的冷卻風(fēng)箱噴射到樣板表面。本模擬裝置對于厚度為0.3 mm的樣板最高冷卻速率能夠達(dá)到120 K/s。

1.3 控制系統(tǒng)

連續(xù)退火模擬裝置完全由計算機控制自動操作,選擇快速周期每階段的設(shè)定點、溫度、過程和加熱—冷卻速率,編制了HMI操作界面,HMI畫面操作簡單。計算機按照提供的周期數(shù)據(jù)控制所有的閥門、電氣電動機、加熱工序,同時計算機將記錄整個工藝周期的工藝數(shù)據(jù)。

在快速加熱、均熱、時效和冷卻階段,樣品溫度采用焊在樣品表面的參比熱電偶測得的溫度值通過一個閉環(huán)控制器進行控制。這個規(guī)程由可編程控制器直接編制。

計算機將記錄下周期操作中的所有數(shù)據(jù)、樣品溫度和工藝數(shù)據(jù)。為了擬定可打印的實驗室測試報告文檔,這些數(shù)據(jù)將被處理。數(shù)據(jù)文件被計算機記錄以使其可以用標(biāo)準(zhǔn)工具進行其他任何處理。

1.4 裝備能力

連續(xù)退火模擬裝置工藝窗口范圍較寬,工藝腔內(nèi)氣氛可控,安全和自動化程度高,可逼真模擬現(xiàn)場機組連續(xù)退火工藝,實現(xiàn)工藝窗口較寬的連續(xù)退火工藝模擬試驗(加熱、均熱、冷卻、時效等)的功能。對于厚度為0.3 mm的樣板,最大加熱速率高達(dá)300 K/s,最大冷卻速率達(dá)120 K/s,樣板有效區(qū)域240 mm×240 mm,溫度均勻性范圍為±10 K,實際溫度與設(shè)定溫度偏離值在±5 K范圍內(nèi)。該裝置試驗過程穩(wěn)定,溫度控制精度較高。

2 連續(xù)退火模擬裝置的應(yīng)用

為進一步驗證連續(xù)退火模擬裝置試驗過程與現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的一致性,選取低碳鋼冷軋鋼板,通過連續(xù)退火模擬裝置,模擬不同的退火工藝,并對試驗后試樣進行組織和性能分析,研究連續(xù)退火工藝對低碳鋼產(chǎn)品組織性能的影響。

2.1 試驗材料和方法

試驗材料為某冷軋廠酸軋機組軋制的冷軋鋼板,板厚0.4 mm,其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗用鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of the experimental steel %

分別采用表2退火工藝進行9組連續(xù)退火模擬試驗。

表2 試驗用退火工藝Table 2 Annealing process of the experimental steel

根據(jù)試驗方案,在連續(xù)退火模擬裝置上進行連續(xù)退火模擬試驗。典型的模擬連續(xù)退火曲線如圖2所示。在圖2中,紅色曲線為試樣在模擬退火過程中實際的溫度變化曲線,根據(jù)熱電偶采集的數(shù)據(jù)得出;黑色曲線為設(shè)計的退火曲線。可見,試驗過程中試樣的實際溫度曲線與設(shè)定的退火曲線幾乎重合,溫差不超過5 K,說明連續(xù)退火模擬裝置能夠準(zhǔn)確按照預(yù)設(shè)計退火曲線進行退火模擬。

圖2 典型的連續(xù)退火模擬曲線Fig.2 Typical continuous annealing simulation curve

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 金相檢測結(jié)果

采用金相顯微鏡對不同退火工藝的模擬試樣進行微觀組織分析,微觀組織如圖3所示。從微觀組織可以看出:

(1) 退火溫度為530～560 ℃時,試樣組織為纖維狀鐵素體,晶粒尚未發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。

(2) 當(dāng)退火溫度達(dá)到590 ℃時,組織中大部分已發(fā)生再結(jié)晶,但再結(jié)晶晶粒較小,有較多細(xì)小晶粒沿纖維狀排列,且仍存在部分纖維狀組織,說明此時組織剛完成再結(jié)晶形核,再結(jié)晶不充分,同時有滲碳體沿纖維狀組織方向析出。

(3) 退火溫度為620～710 ℃時,纖維狀組織基本消除,再結(jié)晶過程已基本完成,隨著溫度的提高,主要發(fā)生再結(jié)晶晶粒的合并長大和均勻化過程,再結(jié)晶晶粒逐步長大,且滲碳體的析出量明顯增多。這是因為隨著退火溫度的提高,原子擴散增快,晶粒長大速度增加,晶粒尺寸變大[4]。可以看出:隨著退火溫度的升高,試樣的微觀組織逐步開始回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大的過程。

(4) 當(dāng)退火溫度達(dá)到740 ℃以上時,試樣組織為鐵素體和珠光體,說明加熱過程中試樣部分組織已發(fā)生了奧氏體化;且隨著退火溫度的升高,鐵素體晶粒長大不明顯,金相組織趨于穩(wěn)定。

2.2.2 表面硬度和抗拉強度分析

對試驗后的試樣進行硬度檢測,采用數(shù)顯洛氏硬度計,檢測結(jié)果如圖4所示。對試樣進行力學(xué)性能檢測,采用電子拉力試驗機,檢測結(jié)果如圖5所示。

從圖4可以看出,當(dāng)退火溫度低于590 ℃時,退火后試樣的硬度較高;當(dāng)退火溫度在590～620 ℃之間時,隨著退火溫度的升高,試樣的硬度急劇下降;當(dāng)退火溫度高于650 ℃時,隨著退火溫度的升高,試樣的硬度緩慢下降,硬度趨于穩(wěn)定。

圖3 不同退火溫度下試樣微觀組織Fig.3 Microstructures of samples at different annealing temperatures

圖4 不同退火溫度下試樣硬度變化Fig.4 Hardness change of samples at different annealing temperatures

圖5 不同退火溫度下試樣抗拉強度變化Fig.5 Tensile strength under different annealing temperatures

從圖5中可以看出,當(dāng)退火溫度低于590 ℃時,隨著退火溫度的提高,試樣的抗拉強度急劇降低;當(dāng)退火溫度在590～680 ℃之間時,試樣抗拉強度下降非常緩慢;當(dāng)退火溫度達(dá)到710 ℃以上時,試樣的抗拉強度進一步下降;退火溫度在710～770 ℃范圍內(nèi)時,試樣抗拉強度趨于穩(wěn)定。

結(jié)合試樣的微觀組織來看,試樣的硬度和抗拉強度變化趨勢與試樣的組織相對應(yīng)。當(dāng)退火溫度低于590 ℃時,試樣組織尚未發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變,試樣的硬度和抗拉強度較高;當(dāng)退火溫度達(dá)到590 ℃時,試樣微觀組織開始發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變,硬度和抗拉強度急劇下降;當(dāng)退火溫度高于710 ℃時,試樣微觀組織發(fā)生了珠光體轉(zhuǎn)變,抗拉強度進一步降低。通過分析不同退火工藝下試樣的組織和性能變化規(guī)律,為開發(fā)不同強度級別的低碳鋼產(chǎn)品提供了有力的技術(shù)支持。

3 結(jié)論

(1) 本文介紹的連續(xù)退火模擬裝置,安全和自動化程度高,可逼真模擬現(xiàn)場機組連續(xù)退火工藝,實現(xiàn)工藝窗口較寬的連續(xù)退火工藝模擬試驗(加熱、均熱、冷卻、時效等)的功能。對于厚度為0.3 mm的樣板,最大加熱速率高達(dá)300 K/s,最大冷卻速率達(dá)120 K/s,該裝置試驗過程穩(wěn)定,溫度控制精度較高。

(2) 在連續(xù)退火模擬裝置上,采用不同退火工藝對低碳鋼進行連續(xù)退火模擬試驗。試樣的微觀組織和性能檢測結(jié)果表明:試樣的硬度和抗拉強度變化趨勢與微觀組織相對應(yīng)。

(3) 從模擬退火試樣組織和性能的分析結(jié)果可以看出,本文介紹的連續(xù)退火模擬裝置可以較好地模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的連續(xù)退火工藝,能夠為冷軋產(chǎn)品的開發(fā)提供有力的技術(shù)支持。