玉米高强钢生产线mulipic直接淬火工艺开发研究

玉米高强钢生产线mulipic直接淬火工艺开发研究

舞钢是中国著名的厚板制造商。为了满足中国高产品的需求，它是一种新型的高速机中厚板生产线，于20日启动。2007年5月20日竣工。新建中厚板扩建。新建生产线配置了许用轧制压力最大为86MN的精轧机,具有先进水平的冷却装置—MULPIC快速冷却系统,可完成快速冷却(ACC)和直接淬火(DQ)两项功能,钢板的运行速度和水流量在冷却过程中可以自动调整,以达到恒定的终冷温度和冷却速率,满足不同钢种和厚度的冷却要求,尤其是先进DQ技术的投用,极大的提高了生产节奏,节约了生产成本。1系统设备和功能介绍1.1集管数及阵风风压设备类型为带边部遮挡和水凸度控制的可变流量水枕冷却设备;冷却钢板最大厚度为100mm;钢板速度0.2~2.0m/s;最大流量密度:ACC为15L/(s·m2),DQ为33L/(s·m2);高度调整范围300~1200mm;集管数24组(上)+24组(下);平均流量约5000m3/h(压力0.25MPa);最大流量约11750m3/h(压力0.15MPa);每个集管最大流量约245m3/h(压力0.15MPa);分区喷射850m3/h(压力1.0MPa);DQ最大流量约6100m3/h(压力0.5MPa)。1.2钢板的流式化在正常ACC模式下,系统压力为0.25MPa,最大冷却速率针对10mm厚的钢板可以达到55℃/s;在DQ模式下,A区域压力为0.5MPa,最大冷却速率针对20mm厚的钢板可以达到60℃/s,MULPIC装置的物理极限如图1所示。1.3钢板的流量和速度调整系统MULPIC在水冷过程中通过L2级模型计算对钢板进行全自动冷却,L2级模型程序根据从探测仪表收集到的钢板厚度、温度、位置、速度等数据进行运算,得到实际的冷却水流量值、集管的高度、边部遮挡的数值和辊道速度后发送给PLC执行冷却。在实际的冷却过程中,可以根据钢板的实际温度进行流量和速度调整。该系统最有特点的技术是直接淬火(DQ)功能、头尾遮挡功能和边部遮挡功能。对这3种功能简述如下:(1)直接淬火功能:直接淬火功能是针对需要轧后进行淬火热处理的钢板通过在MULPIC内的一个高密度的水流进行冷却,直接将轧成的钢板冷却到淬火后的温度,达到直接淬火的目的。(2)头尾遮挡功能:为了避免钢板沿长度方向温度不均匀导致钢板头尾板形的瓢曲,并且在性能检验时会因为头尾温度与板身温度的不一致造成性能的偏差,直接影响钢板的整体性能。头尾遮挡主要是通过在冷却钢板的头部和尾部时流量和速度的变化来保证钢板沿长度方向上温度的一致性。(3)边部遮挡功能:为了保证钢板沿宽度方向上温度的均匀一致,专门设计了边部遮挡,它的工作原理是钢板在冷却过程中,通过上冷却集管组框架上的“U”形构件对水流的遮挡而保证钢板边部不被冷却。2产品开发中的应用2.1船板钢的制备采用TMCP工艺生产船板钢是目前世界中厚板厂的一种应用趋势。TMCP工艺的核心就是通过控制轧制、控制冷却来达到晶粒细化和均匀化的目的,从而提高强度、韧性和焊接性能。研究表明:使加工后未再结晶状态的奥氏体进行恒温转变,温度越低,与奥氏体晶界相比,晶粒内变形带从双晶界面产生大量的晶核,使铁素体晶粒变细,通过控制冷却从某种程度上可以缓和控制轧制对相变温度提高的影响。新建4100mm中厚板生产线生产的TMCP状态交货E36级船板通过六家船级社(ABS、BV、DNV、CCS、GL、LR)认证,认证最大厚度到60mm,业已大量生产该船板钢。厚度60mm的E36轧制选用厚度300mm的连铸坯,具体熔炼化学成分(质量分数)如表1所示。E36船板的轧制工艺方案为:采用二阶段控制轧制工艺,晾钢厚度为2.2倍的成品厚度,第Ⅱ阶段开轧温度860~880℃,终轧温度780~800℃;钢板冷却工艺,钢板开始冷却温度760~780℃,冷却速度6~8℃/s,返红温度660~680℃。采用以上工艺,钢板厚度1/4处获得了较为均匀、细小的F+P组织,晶粒度为10级,钢板综合性能指标达到较高水平,具体见表2所示。2.2冷却工艺对钢板力学性能的影响管线钢要求细小针状贝氏体铁素体显微组织,苛刻的强韧性指标要求,以及良好的板形。板形问题是生产管线钢必须要面对的主要问题之一,钢板常温下的板形是轧制、冷却、矫直工序的综合结果。为保证板形,在试制过程时对轧制规程、矫直规程进行了优化;冷却工序除了保证冷却工艺参数,主要对MULPIC的控制模型进行了调整,从总流量、上下水比、头尾遮挡和边部遮挡量等方面进行了调整和优化,最大限度保证了钢板的平整度。X70的加热工艺为:均热温度1200~1220℃,总加热时间8~10min/cm;轧制工艺采取二阶段控制轧制工艺,中间晾钢厚度3.5倍成品厚度,第Ⅱ阶段开轧温度≤940℃,终轧温度800~820℃;钢板冷却工艺,钢板开始冷却温度780~800℃,冷却速度20℃/s,返红温度580~600℃。采用以上工艺得到17.5mm×3105mm钢板的X70钢的显微组织以针状铁素体为主,并有少量多边形铁素体,晶粒度达到ASTME45标准11.5级以上。从图2的X70钢板力学性能统计的结果看,钢板的各项力学性能稳定、良好。坯料生产的检验性能合格率达到98%以上。2.3wq980d钢的性能直接淬火在生产中的应用始于20世纪80年代的日本,工艺方法为在奥氏体未再结晶轧制后进行直接淬火,再到离线进行后续热处理。研究结果表明:直接淬火材与再加热淬火材相比,强度高,且低温韧性好。原因是奥氏体加工组织发生的马氏体相变使晶粒变得微细,马氏体组织继承了奥氏体加工产生的位错,使强度提高。利用MULPIC水冷系统直接淬火功能,开发了生产的厚度30mm以下的WQ960D工程机械用钢。WQ960D钢坯的化学成分(质量分数)见表3。WQ960D钢的轧制工艺规程为:采用Ⅱ阶段控制轧制工艺,晾钢厚度2倍成品厚度,Ⅱ阶段开轧温度950℃左右,终轧温度≥900℃;钢板冷却工艺,钢板开始冷却温度≥880℃,冷却速度≥25℃/s,返红温度100~150℃。为充分研究回火工艺对该钢板性能的影响,对直接淬火钢板进行实验室回火试验,回火温度区间:570~650℃,保温时间根据钢板厚度,按照3min/mm计算。通过上述工艺,得到的WQ960D钢的力学性能如图3所示。从图3可知:随回火温度升高,强度降低,塑性、韧性改善。回火温度在600℃以上时,-20℃纵向冲击功全部满足标准要求,而且回火温度越高,韧性提高和强度降低的幅度越大。620℃回火,屈服强度达到960MPa以上,抗拉强度1030MPa,-20℃纵向冲击功在43J以上。另外,对钢板宽度方向和长度方向的硬度检测结果表明:除钢板头尾600mm和边部40mm外,回火后硬度的相对波动在硬度平均值的8%内。钢板淬火后厚度方向的组织全部为马氏体组织,30mm的WQ960D性能满足标准要求,从组织和性能结果可以看出,DQ后钢板的淬透性较好。淬火板形是衡量直接淬火质量的关键指标,实际生产中淬火后钢板板形看,淬火前后的板形变化很小。因此,轧后板形钢板的板形决定了直接淬火钢板的板形。如何保证轧制板形或在直接淬火前是否进行预矫直是解决板形问题的重要环节,MULPIC装置则提供了在来料板形平直的前提下的板形调节手段。3直接退火钢板的特点及优化工艺从相变学原理知道:冷却速度是控制相变组织的重要因素。冷却速度越高,相变的过冷度越大,CCT曲线右移,相变组织越细小。MUPILC装置具备大的冷却速度调节范围,可以满足不同钢种的冷却速度要求,同时采取密集分布的小流量喷嘴,保证厚度方向温度均匀性,适应了厚板高速冷却的特点。因此,厚度60mm的E36船板的晶粒度达到10级,同时厚度方向的组织均匀性良好。直接淬火工艺可以大幅度缩短调质钢板的生产周期,减少库存,降低能耗。从直接淬火钢板组织性能特点看:对在奥氏体未再结晶区终轧的控制轧制钢材,材料由合金元素决定的固有的淬火能力对直接淬火后的钢材性能有决定性的影响,对于高淬火性能钢淬火后由于加工热处理效果(改善了马氏体的形貌)而使强度和韧性都得到提高。主要原因是:直接淬火时合金及微合金元素的固溶状态更好,增加了钢的淬透性;未再结晶区的变形增加了奥氏体的位错密度,增加了变形带。这些都为淬火后的组织细化提供了有利条件,使调质处理后钢板的强度更高。但是,淬火的变形和淬火温度均匀性是决定直接淬火成败的关键。由于宽度方向和厚度方向的温度不均匀性、相变不均匀性、以及最终的温度的一致,导致钢板发生多次变形。如果没有措施较少温度的不均匀性,就会导致严重的冷却板形问题。为减少横向温度不均,克服板形问题,许多中厚板冷却装置采用了边部遮挡功能,同时开发了相应的边部遮蔽模型。MUPLIC除边部遮蔽功能,防止边部过冷的同时,其冷却器设计有横向流量调节功能,横向温度的温度均匀性控制能力增强,使该装置的板形调控能力大大增强。因此,这套装置更适合直接淬火工艺。如果能在MULPIC装置前设置预矫直机,提供淬火前的板形保障,则能更充分发挥直接淬火功能。预矫直机的改造实施方案目前正在讨论中。4工艺和热压生产技术(1)MULIPIC在线快冷