CSP工艺生产热轧钢板显微组织混晶的产生和消除
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易出现混晶的另一个原因是变形不均匀， 在终 轧 道 次 F6 和 终 轧 前 道 次 F5 的 道 次 变 形 量 通 常 比 较小，如果没有润滑，则因接触摩擦作用使变形明显 不均，加之在未再结晶区变形，更容易产生混晶现象[7]。
2 混晶的消除措施
根据以上分 析，在 CSP 生 产 中 ，为 避 免 混 晶 现 象的出现，可以采取如下措施。 2.1 调整冶炼工艺和连铸工艺， 提高铸坯组织的均
Key words： mixed grain; CSP; hot rolled strip; microstructure
自 1989 年世界上第 1 条薄板坯连铸连轧生产 线—CSP 工艺(Compact Strip Production，亦称紧凑式 热带生产工艺)在美国 Nucor 公司问世以来，在过去 的二十多年获得了迅速的发展[1]。 CSP 工艺的 最大 特点是在“一火”条件下完成钢带和钢板的冶炼、铸 造、轧制和在线组织、性能控制等诸多繁杂的冶金过 程[2]。 由于 CSP 工艺在冶金过程中与传统工艺存在 显著差异，因此在实际生产中存在产品种类有限，组 织中容易出现混晶、带状缺陷等问题[3]。 混晶是钢材 内部缺陷之一， 是指奥氏体加热后进行热加工处理 时晶粒大小相差悬殊，粗细共存的组织形态[4]。 混晶 在组织中的存在， 其主要的危害就是使钢材的强度 降低，塑性和韧性变坏。 因此掌握 CSP 工艺生产热 轧钢板显微组织混晶的产生和消除， 对确保钢材的 力学性能有着非常重要的意义。
由于薄板坯连轧的总应变量较小， 不利于细化 铸态奥氏体组织、 减轻铸坯组织中偏析的影响以及 改善奥氏体组织的均匀性， 因此在后续的轧制组织 中会保留这些原始的不均匀状态， 从而导致成ຫໍສະໝຸດ Baidu组 织中容易出现混晶带状现象。 1.2 在加热炉中产生的混晶
对于 CSP 工艺而言,虽然连铸坯直接热装炉,不 容易出现 γ→α 转变，但是如果因某种因素，铸坯在 进入加热炉之前温度降至了 A3 线以下、A1 线以 上， 就会有部分奥氏体发生相变转为铁素体。 当铸坯再 进入加热炉加热时，已产生的铁素体就会消失，生成 新的奥氏体晶核， 而原来未相变的奥氏体则会继续 长大。此时铸坯中一次奥氏体和二次奥氏体共存，组 织 粗 细 不 均 ，形 成 了 最 原 始 的 混 晶 组 织 [5]。 1.3 在轧制时产生的混晶
收 稿 日 期 ：2012-10-25 作者简介：吴 志 方(1977- ),女,湖 北 天 门 人,副 教 授,博 士,主 要 研 究 方
向 ：钢 铁 材 料 ; 电 话 :13212756977; E-mail:wuzhifang@wust.edu.cn
100μm
图 1 Q235 钢经过 CSP 轧机 F3 轧制时的 截面表层组织
微合金化 Q345C 板材 部分产品组 织中出现 的带状 混晶现象，分析了 CSP 薄板连铸坯的微观组织。 结 果表明 ，连铸 坯 表 面 组 织 较 均 匀(30～50 μm)，晶 粒 尺寸从边部到中部(150～200 μm)明显增大。 铸坯组 织中晶粒尺寸变化明显。在同一变形条件下，尺寸差 异明显的晶粒会表现出不同的再结晶行为， 尺寸小 的晶粒容易发生完全再结晶， 而尺寸大的晶粒可能 只发生部分再结晶或者不发生再结晶， 从而使轧制 组织中出现晶粒大小不均的现象。
(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Wuhan Iron and Steel (Group) Corporation, Wuhan 430083, China)
真应变
应变速率 /s -1
/℃ 变形温度
图 2 碳锰钢的动态再结晶图 Fig.2 Dynamic recrystallization chart of C-Mn steel
100μm
图 3 Q235 钢经过 CSP 轧机 F4 轧制时的 截面表层组织
Fig.3 Surface microstructure on section of the Q235 steel rolled by CSP F4
106
《热加工工艺》 2013 年 6 月 第 42 卷 第 11 期
的动态再结晶规律， 避免其在部分再结晶区发生变 形。 需要指出的是，在实际生产中，利用动态再结晶 图来判定在部分再结晶区轧制产生混晶现象， 有一 定的局限性。 如张超等人[9]研究了碳锰钢连铸 坯在 CSP 轧 制 时 的 高 温 变 形 过 程 中 真 应 力 —真 应 变 曲 线，回归得到动态再结晶模型，如图 2 所示。 将现场 各道次的变形温度、变形速率、压下率代入动态再结 晶 模 型 ，发 现 钢 带 在 F3、F4 机 架 轧 制 时 ，处 于 部 分 动态再结晶区， 组织要发生部分再结晶， 会出现混 晶。 而轧卡件组织观察结果表明，只有 F3 道次轧卡 件的表层组织中存在混晶现象， 如图 1 所示，F4 道 次轧卡件组织中未出现混晶现象，如图 3 所示。这与 前面的计算结果相矛盾。
本 文 就 近 年 来 CSP 工 艺 生 产 热 轧 钢 板 显 微 组
织混晶的产生原因和消除措施进行综述， 主要从连 铸、加热、轧制、微合金化等方面分析混晶产生的原 因，并提出具体的消除措施。
1 产生混晶现象的分析
图 1 给出了某 公司 CSP 线生产 Q235 钢 F3 道 次轧卡件的表层组织。从图中可以看出，显微组织中 存在晶粒分布不均、粗细不等的混晶现象。CSP 工艺 热轧钢板显微组织混晶的产生原因很多， 下面结合 CSP 工艺特点，从连铸、加热、轧制、微合金化等方面 进行分析。
2.4 合理控制 Nb 的含量 为了避免含 Nb 钢混晶， 应合理控制合金元素
Nb 的含量。Nb 主要是起细化晶粒的作用，当其含量 超过 0.04%时，其进一步细化晶粒的效果并不明显。 并且，当 Nb 的质量分数超过 0.03%时，对钢板的拉
伸性能的影响没有明显变化， 只是对钢板的低温冲 击有一定的影响。已有的研究结果表明，在加热和变 形均正常的情况下， 当 Nb 含量在 0.030%以下时， 可基本避免出现混晶； 当 Nb 含量超过 0.030%时， 容易出现混晶，而且随 Nb 含量增加，混晶现象愈加 严重，粗晶比例也越大[6]。 因此，根据实际生产情况， 在成分设计时可以适当降低 Nb 的含量， 最好控制 在 0.02～0.03%的范围以内[7]。 2.5 采用润滑轧制
《热加工工艺》 2013 年 6 月 第 42 卷 第 11 期
CSP 工艺生产热轧钢板显微组织混晶的产生和消除
吴志方 1， 况嘉伦 1， 石 俊 1， 何大亮 1， 谭佳梅 2， 魏远征 2， 吴 润 1
(1. 武 汉 科 技 大 学 钢 铁 冶 金 及 资 源 利 用 省 部 共 建 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 湖 北 武 汉 430081； 2. 武 汉 钢 铁 股 份 有 限 公 司， 湖北 武汉 430083)
大，也出现混晶现象。 1.4 微合金化产生的混晶
微合金化也容易产生混晶， 例如添加 少量 Nb 元素的微合金钢。 在一定温度下，临界变形量更大， 而且随着铌含量的增加，临界压下率增加。在临界变 形量以下轧制， 将发生部分再结晶或者由于应变诱 发晶界迁移，在奥氏体中出现特大晶粒，从而引起严 重 的 混 晶 现 象[6]。 1.5 未采用润滑轧制
采用润滑轧制，使变形区的变形均匀性提高，对 防止混晶现象是有利的。
3 结束语
CSP 工艺生产的部分热轧钢板中容易出现混晶 现象，这影响了产品的品质与性能。本文对显微组织 混晶的产生原因进行了分析，并针对 CSP 工艺提出 了消除措施。 结合武钢 CSP 线，在 F2 和 F3 机架之 间实行强水冷却，并且在 F1 和 F2 道次完成高温大 压下，使铸态组织完成等轴化，这些措施减少了混晶 的产生。
Producing and Eliminating of Mixed Grain Microstructure of Hot Rolled Strip in CSP Process
WU Zhifang1, KUANG Jialun1, SHI Jun1, HE Daliang1, TAN Jiamei2, WEI Yuanzheng2, WU Run1
Fig.1 Surface mircostructure on section of the Q235 steel rolled by CSP F3
105
Hot Working Technology 2013, Vol.42 , No. 11
1.1 铸坯原始组织不均匀产生的混晶 何建中等人[3]针对轧制 Nb(质量分数为 0.052%)
摘 要： CSP 工艺生产的部分热轧钢板中出现混晶现象，这影响了产品的力学性能。 对显微组织混晶的产生原因
进行了分析，并提出了一些消除措施。
关键词： 混晶； CSP； 热轧板； 显微组织
中 图 分 类 号 ：TG335.11
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1001-3814(2013)11-0105-03
CSP 工艺连铸坯均热后， 在奥氏体柱状晶状态 于 1150℃开轧，5~6 机架精轧后， 约在 820～910℃ 终轧， 其热连轧过程中不能避免部分奥氏体再结晶 区 轧 制[6-7]。 在 轧 制 过 程 中 是 否 发 生 再 结 晶 ，取 决 于 变 形温度和变形程度。在较高温度轧制时，如果某道次 轧制形变量不足，仅发生部分再结晶，则部分再结晶 与未再结晶晶粒之间能量不平衡会引起晶粒长大不 均 ，且 在 随 后 的 轧 制 中 加 剧 ，最 终 引 起 组 织 混 晶[5]。 厚度小的钢板，因为其形变量大，组织完全再结晶， 晶粒明显细化，因此薄规格(<2.0 mm)产品一般不会 产生混晶现象， 而轧制较厚规格产品时易出现混晶 现象， 而且规格越厚， 产生混晶现象的可能性就越 大，混晶现象就越严重[7]。 在较低温度轧制 时，若变 形前奥氏体已经部分相变为铁素体， 则变形后奥氏 体转变而成的无应变铁素体和变形铁素体共存，二 者相邻晶粒的界面能不平衡而引起的异常晶粒长
匀性 可以通过改善钢材的冶炼工艺以及采用轻压下 技术等连铸工艺来提高组织的均匀性和改善成分的 不均匀性， 避免由于铸坯组织不均匀而造成的成品 组织中出现混晶带状现象。 2.2 适当提高加热温度 避免铸坯在进入加热炉前温降（不能降至 A3 线 以下）。 2.3 合理配置各机架的压下量， 避免在部分再结晶 区轧制 尽可能提高 F1、F2 的变形温度，尽可能避免这 两道次变形进入奥氏体部分再 结晶区[8]。 对于 CSP 工艺来讲，总的原则是：保证总压下系数 >4，在保证 板形的基础上尽量加大道次压下量。 在变形量的分 配上，保证上游机架道次变形量。 在 50%以上这样 高温大变形可使铸态组织充分再结晶。 在 F2 后，加 大机架间冷却水量，降低轧制温度，利用未再结晶条 件下的变形累积效果，进一步细化晶粒，均匀组织。 并且要保证精轧下游机架道次压下量在 20%以上， 避免低温小变形量。 如果道次压下量较小(<20%)， 可以采取丢机架的方法， 以保证下游机架的道次压 下 量 [7]。 CSP 工艺在部分再结晶区轧制是产生混晶现象 的重要原因， 许多学者采用热模拟方法研究其带坯
Abstract： A mixed grains phenomena occurred in part of hot rolled strip produced by CSP process, which influenced the mechanical properties of products. The produced reasons for mixed grains microstructure were analyzed, and some eliminating measures were put forward.
2 混晶的消除措施
根据以上分 析，在 CSP 生 产 中 ，为 避 免 混 晶 现 象的出现，可以采取如下措施。 2.1 调整冶炼工艺和连铸工艺， 提高铸坯组织的均
Key words： mixed grain; CSP; hot rolled strip; microstructure
自 1989 年世界上第 1 条薄板坯连铸连轧生产 线—CSP 工艺(Compact Strip Production，亦称紧凑式 热带生产工艺)在美国 Nucor 公司问世以来，在过去 的二十多年获得了迅速的发展[1]。 CSP 工艺的 最大 特点是在“一火”条件下完成钢带和钢板的冶炼、铸 造、轧制和在线组织、性能控制等诸多繁杂的冶金过 程[2]。 由于 CSP 工艺在冶金过程中与传统工艺存在 显著差异，因此在实际生产中存在产品种类有限，组 织中容易出现混晶、带状缺陷等问题[3]。 混晶是钢材 内部缺陷之一， 是指奥氏体加热后进行热加工处理 时晶粒大小相差悬殊，粗细共存的组织形态[4]。 混晶 在组织中的存在， 其主要的危害就是使钢材的强度 降低，塑性和韧性变坏。 因此掌握 CSP 工艺生产热 轧钢板显微组织混晶的产生和消除， 对确保钢材的 力学性能有着非常重要的意义。
由于薄板坯连轧的总应变量较小， 不利于细化 铸态奥氏体组织、 减轻铸坯组织中偏析的影响以及 改善奥氏体组织的均匀性， 因此在后续的轧制组织 中会保留这些原始的不均匀状态， 从而导致成ຫໍສະໝຸດ Baidu组 织中容易出现混晶带状现象。 1.2 在加热炉中产生的混晶
对于 CSP 工艺而言,虽然连铸坯直接热装炉,不 容易出现 γ→α 转变，但是如果因某种因素，铸坯在 进入加热炉之前温度降至了 A3 线以下、A1 线以 上， 就会有部分奥氏体发生相变转为铁素体。 当铸坯再 进入加热炉加热时，已产生的铁素体就会消失，生成 新的奥氏体晶核， 而原来未相变的奥氏体则会继续 长大。此时铸坯中一次奥氏体和二次奥氏体共存，组 织 粗 细 不 均 ，形 成 了 最 原 始 的 混 晶 组 织 [5]。 1.3 在轧制时产生的混晶
收 稿 日 期 ：2012-10-25 作者简介：吴 志 方(1977- ),女,湖 北 天 门 人,副 教 授,博 士,主 要 研 究 方
向 ：钢 铁 材 料 ; 电 话 :13212756977; E-mail:wuzhifang@wust.edu.cn
100μm
图 1 Q235 钢经过 CSP 轧机 F3 轧制时的 截面表层组织
微合金化 Q345C 板材 部分产品组 织中出现 的带状 混晶现象，分析了 CSP 薄板连铸坯的微观组织。 结 果表明 ，连铸 坯 表 面 组 织 较 均 匀(30～50 μm)，晶 粒 尺寸从边部到中部(150～200 μm)明显增大。 铸坯组 织中晶粒尺寸变化明显。在同一变形条件下，尺寸差 异明显的晶粒会表现出不同的再结晶行为， 尺寸小 的晶粒容易发生完全再结晶， 而尺寸大的晶粒可能 只发生部分再结晶或者不发生再结晶， 从而使轧制 组织中出现晶粒大小不均的现象。
(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Wuhan Iron and Steel (Group) Corporation, Wuhan 430083, China)
真应变
应变速率 /s -1
/℃ 变形温度
图 2 碳锰钢的动态再结晶图 Fig.2 Dynamic recrystallization chart of C-Mn steel
100μm
图 3 Q235 钢经过 CSP 轧机 F4 轧制时的 截面表层组织
Fig.3 Surface microstructure on section of the Q235 steel rolled by CSP F4
106
《热加工工艺》 2013 年 6 月 第 42 卷 第 11 期
的动态再结晶规律， 避免其在部分再结晶区发生变 形。 需要指出的是，在实际生产中，利用动态再结晶 图来判定在部分再结晶区轧制产生混晶现象， 有一 定的局限性。 如张超等人[9]研究了碳锰钢连铸 坯在 CSP 轧 制 时 的 高 温 变 形 过 程 中 真 应 力 —真 应 变 曲 线，回归得到动态再结晶模型，如图 2 所示。 将现场 各道次的变形温度、变形速率、压下率代入动态再结 晶 模 型 ，发 现 钢 带 在 F3、F4 机 架 轧 制 时 ，处 于 部 分 动态再结晶区， 组织要发生部分再结晶， 会出现混 晶。 而轧卡件组织观察结果表明，只有 F3 道次轧卡 件的表层组织中存在混晶现象， 如图 1 所示，F4 道 次轧卡件组织中未出现混晶现象，如图 3 所示。这与 前面的计算结果相矛盾。
本 文 就 近 年 来 CSP 工 艺 生 产 热 轧 钢 板 显 微 组
织混晶的产生原因和消除措施进行综述， 主要从连 铸、加热、轧制、微合金化等方面分析混晶产生的原 因，并提出具体的消除措施。
1 产生混晶现象的分析
图 1 给出了某 公司 CSP 线生产 Q235 钢 F3 道 次轧卡件的表层组织。从图中可以看出，显微组织中 存在晶粒分布不均、粗细不等的混晶现象。CSP 工艺 热轧钢板显微组织混晶的产生原因很多， 下面结合 CSP 工艺特点，从连铸、加热、轧制、微合金化等方面 进行分析。
2.4 合理控制 Nb 的含量 为了避免含 Nb 钢混晶， 应合理控制合金元素
Nb 的含量。Nb 主要是起细化晶粒的作用，当其含量 超过 0.04%时，其进一步细化晶粒的效果并不明显。 并且，当 Nb 的质量分数超过 0.03%时，对钢板的拉
伸性能的影响没有明显变化， 只是对钢板的低温冲 击有一定的影响。已有的研究结果表明，在加热和变 形均正常的情况下， 当 Nb 含量在 0.030%以下时， 可基本避免出现混晶； 当 Nb 含量超过 0.030%时， 容易出现混晶，而且随 Nb 含量增加，混晶现象愈加 严重，粗晶比例也越大[6]。 因此，根据实际生产情况， 在成分设计时可以适当降低 Nb 的含量， 最好控制 在 0.02～0.03%的范围以内[7]。 2.5 采用润滑轧制
《热加工工艺》 2013 年 6 月 第 42 卷 第 11 期
CSP 工艺生产热轧钢板显微组织混晶的产生和消除
吴志方 1， 况嘉伦 1， 石 俊 1， 何大亮 1， 谭佳梅 2， 魏远征 2， 吴 润 1
(1. 武 汉 科 技 大 学 钢 铁 冶 金 及 资 源 利 用 省 部 共 建 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 湖 北 武 汉 430081； 2. 武 汉 钢 铁 股 份 有 限 公 司， 湖北 武汉 430083)
大，也出现混晶现象。 1.4 微合金化产生的混晶
微合金化也容易产生混晶， 例如添加 少量 Nb 元素的微合金钢。 在一定温度下，临界变形量更大， 而且随着铌含量的增加，临界压下率增加。在临界变 形量以下轧制， 将发生部分再结晶或者由于应变诱 发晶界迁移，在奥氏体中出现特大晶粒，从而引起严 重 的 混 晶 现 象[6]。 1.5 未采用润滑轧制
采用润滑轧制，使变形区的变形均匀性提高，对 防止混晶现象是有利的。
3 结束语
CSP 工艺生产的部分热轧钢板中容易出现混晶 现象，这影响了产品的品质与性能。本文对显微组织 混晶的产生原因进行了分析，并针对 CSP 工艺提出 了消除措施。 结合武钢 CSP 线，在 F2 和 F3 机架之 间实行强水冷却，并且在 F1 和 F2 道次完成高温大 压下，使铸态组织完成等轴化，这些措施减少了混晶 的产生。
Producing and Eliminating of Mixed Grain Microstructure of Hot Rolled Strip in CSP Process
WU Zhifang1, KUANG Jialun1, SHI Jun1, HE Daliang1, TAN Jiamei2, WEI Yuanzheng2, WU Run1
Fig.1 Surface mircostructure on section of the Q235 steel rolled by CSP F3
105
Hot Working Technology 2013, Vol.42 , No. 11
1.1 铸坯原始组织不均匀产生的混晶 何建中等人[3]针对轧制 Nb(质量分数为 0.052%)
摘 要： CSP 工艺生产的部分热轧钢板中出现混晶现象，这影响了产品的力学性能。 对显微组织混晶的产生原因
进行了分析，并提出了一些消除措施。
关键词： 混晶； CSP； 热轧板； 显微组织
中 图 分 类 号 ：TG335.11
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1001-3814(2013)11-0105-03
CSP 工艺连铸坯均热后， 在奥氏体柱状晶状态 于 1150℃开轧，5~6 机架精轧后， 约在 820～910℃ 终轧， 其热连轧过程中不能避免部分奥氏体再结晶 区 轧 制[6-7]。 在 轧 制 过 程 中 是 否 发 生 再 结 晶 ，取 决 于 变 形温度和变形程度。在较高温度轧制时，如果某道次 轧制形变量不足，仅发生部分再结晶，则部分再结晶 与未再结晶晶粒之间能量不平衡会引起晶粒长大不 均 ，且 在 随 后 的 轧 制 中 加 剧 ，最 终 引 起 组 织 混 晶[5]。 厚度小的钢板，因为其形变量大，组织完全再结晶， 晶粒明显细化，因此薄规格(<2.0 mm)产品一般不会 产生混晶现象， 而轧制较厚规格产品时易出现混晶 现象， 而且规格越厚， 产生混晶现象的可能性就越 大，混晶现象就越严重[7]。 在较低温度轧制 时，若变 形前奥氏体已经部分相变为铁素体， 则变形后奥氏 体转变而成的无应变铁素体和变形铁素体共存，二 者相邻晶粒的界面能不平衡而引起的异常晶粒长
匀性 可以通过改善钢材的冶炼工艺以及采用轻压下 技术等连铸工艺来提高组织的均匀性和改善成分的 不均匀性， 避免由于铸坯组织不均匀而造成的成品 组织中出现混晶带状现象。 2.2 适当提高加热温度 避免铸坯在进入加热炉前温降（不能降至 A3 线 以下）。 2.3 合理配置各机架的压下量， 避免在部分再结晶 区轧制 尽可能提高 F1、F2 的变形温度，尽可能避免这 两道次变形进入奥氏体部分再 结晶区[8]。 对于 CSP 工艺来讲，总的原则是：保证总压下系数 >4，在保证 板形的基础上尽量加大道次压下量。 在变形量的分 配上，保证上游机架道次变形量。 在 50%以上这样 高温大变形可使铸态组织充分再结晶。 在 F2 后，加 大机架间冷却水量，降低轧制温度，利用未再结晶条 件下的变形累积效果，进一步细化晶粒，均匀组织。 并且要保证精轧下游机架道次压下量在 20%以上， 避免低温小变形量。 如果道次压下量较小(<20%)， 可以采取丢机架的方法， 以保证下游机架的道次压 下 量 [7]。 CSP 工艺在部分再结晶区轧制是产生混晶现象 的重要原因， 许多学者采用热模拟方法研究其带坯
Abstract： A mixed grains phenomena occurred in part of hot rolled strip produced by CSP process, which influenced the mechanical properties of products. The produced reasons for mixed grains microstructure were analyzed, and some eliminating measures were put forward.