韓 毅 張 田 王丙興 王昭東

(東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110819)

受原始坯規(guī)格或軋機(jī)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(dǎo)致連鑄坯原始內(nèi)部缺陷難以消除、鋼板組織粗化等問題，影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。研究了通過控制軋制過程中的冷卻工藝，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)軋件的變形滲透性。重點(diǎn)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(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原材料。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對鋼板的厚度規(guī)格和性能質(zhì)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(jìn)行研究和產(chǎn)品開發(fā)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(guān)研究，基于傳統(tǒng)的軋后冷卻方式，著手開展結(jié)合軋制和冷卻的溫控形變耦合控制技術(shù)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(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)之間的部分再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制，以避免或減少混晶組織，影響最終產(chǎn)品質(zhì)量。除了上述通過中間坯冷卻的形式來進(jìn)行控制軋制外，專家學(xué)者提出了一種溫控形變耦合的新控軋技術(shù)，如圖1所示。其冷卻裝置不是單獨(dú)設(shè)置的，而是附屬安置在軋機(jī)機(jī)架上，可以在任何需要的軋制道次，在軋鋼的同時(shí)，進(jìn)行鋼材的大水流密度高強(qiáng)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(nèi)外有少數(shù)學(xué)者對溫控形變控軋技術(shù)進(jìn)行了研究[9- 12]。本文針對溫控形變過程中的水冷工藝進(jìn)行了更具體深入的研究，通過不同冷卻參數(shù)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(dòng)以及內(nèi)部應(yīng)變變化情況，明確分析了梯溫和差溫工藝參數(shù)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(gè)重要作用是實(shí)現(xiàn)板坯厚向的大溫度梯度軋制，即軋制過程中邊強(qiáng)冷邊軋制，溫降來不及深入到軋件內(nèi)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(shí)板坯上下表面溫度低于中心，變形抗力大,不容易發(fā)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(huì)促使變形效果深入到軋件心部，有利于消除板坯內(nèi)部缺陷，為鋼材性能的改善提供了新的空間，同時(shí)可減少軋件側(cè)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(yīng)變、應(yīng)變速率和變形溫度有關(guān)。本模型中軋件材料的本構(gòu)方程表達(dá)式根據(jù)試驗(yàn)測量的流應(yīng)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(dá)式為：

τ=mk

(2)

式中：τ為剪切摩擦應(yīng)力，MPa；m為摩擦因數(shù)；k為剪切屈服強(qiáng)度，MPa。

由于軋制過程中，軋件表面伴隨著強(qiáng)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(shù)的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[6- 8]，摩擦因數(shù)隨接觸表面的溫度升高而降低。結(jié)合文獻(xiàn)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(shù)的影響。摩擦因數(shù)的表達(dá)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(shù)如表1所示。

表1 軋制模型的基本參數(shù)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(jìn)行有限元模擬。根據(jù)上述參數(shù)，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(jìn)行網(wǎng)格劃分。

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

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

2 溫控形變試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用Q345鋼板，其化學(xué)成分如表3所示，規(guī)格為90 mm×130 mm×200 mm(厚×寬×長)。

2.2 試驗(yàn)裝置

在國內(nèi)某研究院的試驗(yàn)軋機(jī)近入口處新建了一套即時(shí)冷卻裝置。冷卻裝置自主設(shè)計(jì)，主要包括高度可調(diào)框架、噴水集管、控制閥組、分流集水管、排水系統(tǒng)等。試驗(yàn)裝置采用框架高度可調(diào)機(jī)構(gòu)，采用多孔螺栓與支柱相連，高度調(diào)節(jié)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(fù)雜而且要求精度高，因此采用先進(jìn)的3D打印技術(shù)打印出精度為0.05 mm的射流集管。

表3 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) %

2.3 試驗(yàn)方法

采用兩種工藝實(shí)現(xiàn)厚向同溫差不同溫度梯度軋制的對比試驗(yàn)。為了便于觀察鋼板內(nèi)部的變形情況，試驗(yàn)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(dòng)更加具有連續(xù)性，在切縫中插入軟而薄的無間隙原子鋼片，將切縫塞實(shí)，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(shí)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(jìn)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(shí)立即進(jìn)行一道次軋制；3號鋼坯出爐后直接進(jìn)行一道次軋制。三塊鋼軋后均空冷至室溫。具體試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)參數(shù)Table 4 Experimental parameters

由于軋制過程中軋件的頭、尾處于非穩(wěn)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(jìn)行銑磨、酸洗加工，便于觀察和測量。

3 結(jié)果分析

3.1 軋件厚向溫度場分析

沿軋件厚向選擇若干節(jié)點(diǎn)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(shí)間更長，帶走鋼板內(nèi)部的熱量更多，隨后通過延長空冷時(shí)間至返紅后表面溫度與2號工藝?yán)浜蟊砻鏈囟纫恢隆?/p>

根據(jù)單位距離溫度差，計(jì)算兩種工藝?yán)浜筌埣裣虻臏囟忍荻确植?，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(nèi)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(shí)間強(qiáng)水冷加短時(shí)間回溫過程，鋼板熱傳導(dǎo)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(qū)域內(nèi)，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(shí)間水冷和長時(shí)間回溫過程，熱傳導(dǎo)持續(xù)作用將帶走鋼板更多熱量，導(dǎo)致厚向鋼板內(nèi)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(nèi)部金屬橫向流動(dòng)分析

由于軋制過程中軋件的頭、尾屬于非穩(wěn)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(dòng)進(jìn)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(dòng)的模擬云圖。從圖中可以看出，1號工藝的鋼板側(cè)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(dòng)位移量峰值在1/4厚度層處，鋼板側(cè)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(dòng)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(cè)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(qū)域內(nèi)，1號工藝的金屬橫向流動(dòng)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(qū)所占比例更大，增加了難變形區(qū)體積；而1/4厚度層至中心層區(qū)域內(nèi)，1號工藝的整體橫向金屬流動(dòng)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(nèi)部溫度梯度越大，增強(qiáng)了厚向變形滲透性，促進(jìn)了鋼板心部的金屬流動(dòng)。

3.3 軋件內(nèi)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(cè)虛線所示，繪制出各厚度層等效應(yīng)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(yīng)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(yīng)變值約為0.109，應(yīng)變峰值約為0.192，而2號工藝鋼板的表層金屬等效應(yīng)變值約為0.118，應(yīng)變峰值達(dá)到約0.226。這是因?yàn)楹裣蛐谋頊夭钕嗤瑮l件下，1號工藝鋼板的表層低溫區(qū)厚度更大，難變形區(qū)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(yīng)變程度：1號工藝的心部等效應(yīng)變值約0.149，2號工藝的心部等效應(yīng)變值為0.125，可見1號工藝的鋼板心部等效應(yīng)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(gè)厚向變形程度更均勻，其厚向等效應(yīng)變峰值與最小值差約0.083，而2號工藝鋼板的厚向等效應(yīng)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(nèi)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(yàn)證結(jié)果

圖8所示為各工藝軋后鋼板的橫斷面照片，經(jīng)測量計(jì)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(jié)果。

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

根據(jù)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(jì)算出各厚度層金屬的真應(yīng)變量，如圖9所示。

圖9 軋后鋼板各厚度層真應(yīng)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(guī)軋制工藝的3號鋼，3號鋼中間層真應(yīng)變值幾乎為0，說明3號工藝下厚向變形未深入心部。同時(shí)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(yīng)變差值約0.15，3號常規(guī)工藝的各厚度層最大應(yīng)變差值約達(dá)0.19，而2號工藝的各厚度層最大真應(yīng)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(nèi)部溫度分布的角度做分析討論。

圖10是修正表面實(shí)測溫度后，1號和2號工藝?yán)浜箐摪搴裣驕囟葓龅挠?jì)算結(jié)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(nèi)的溫降大于1號鋼板。這是因?yàn)?號鋼采用更長的冷卻時(shí)間和返紅時(shí)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(shí)間強(qiáng)水冷加短時(shí)間回溫過程，鋼板內(nèi)部熱傳導(dǎo)作用未來得及使表面發(fā)生返溫，因此還維持較大的溫差。在鋼板厚向距心部30 mm區(qū)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(shí)間水冷和長時(shí)間回溫過程，熱傳導(dǎo)持續(xù)作用，帶走鋼板更多熱量，導(dǎo)致鋼板內(nèi)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(qū)較1號鋼板所占比例更大，有利于增加內(nèi)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?？梢?號常規(guī)工藝軋件整體溫度高，變形抗力小，所以軋制力最?。?號溫控形變工藝的水冷時(shí)間長，鋼板內(nèi)部溫降最大，所以軋制力最大；而1號工藝的水冷時(shí)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(jié)論

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

(2)通過控制水冷和空冷時(shí)間的工藝策略，形成了厚向相同心表溫差不同內(nèi)部溫度梯度的兩種溫控形變軋制工藝。經(jīng)對比，相同心表溫差條件下，冷卻滲透度大，內(nèi)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(nèi)部溫度梯度越大，厚向變形滲透效果更明顯，心部等效應(yīng)變程度提高，橫向金屬流動(dòng)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(shè)備研發(fā)與設(shè)計(jì)，Email：510641719@qq.com