Q235B热轧带钢的冷却相变行为及热轧工艺研究

Q235B热轧带钢的冷却相变行为及热轧
工艺研究
摘要：通过对Q235B带钢的高温相变平衡温度及相变开始温度的研究，并根据静态再结晶细化晶粒的原理，制定了适合Q235B带钢的热轧轧制工艺，并有效解决了Q235B厚规格屈服强度、抗拉强度及延伸率偏低等问题。

关键词：相变平衡温度、相变开始温度、贝氏体转变、静态再结晶
1前言
Q235B作为热轧板材中最普通、使用最广泛的钢种，在我国的每年产量至少在4亿吨以上，因其生产工艺相对较简单，大多数钢厂，尤其是技术力量相对较薄弱的民营企业普遍用该钢种作为主要的热轧板材产品，且大多以粗放式生产为主。

国内外鲜有报道对其热轧阶段的冷却相变行为进行充分的研究，导致指导生产的理论知识缺失，钢材（尤其是厚规格产品）经常出现批量的强度偏低、冷弯脆断、延伸率不符等问题，从而导致生产成本上升，无法及时兑现订单，严重影响公司产品形象。

本文以国内某钢厂（下称：S厂）Q235B板材为例，研究了其在热轧过程中的冷却相变行为，为Q235B产品，尤其是厚规格产品的生产提供了充分的实际保障和理论依据，提高了产品的一等品率，创造了良好的经济效益和社会效益。

S厂的1780mm生产线工艺流程如图 1 所示，该生产线的主要设备有三座常规式步进梁加热炉、一台定宽机、两架带立辊的粗轧机 R1 和 R2、七机架精轧机组 F1-F7、前置式超快冷及层流冷却装置、三台卷取机。

在定宽压力机之前、粗轧机架、精轧机前设有高压水除鳞系统，F1-F6 每个机架后设有带钢冷却水，F1-F7机架间设有水雾除尘水、逆喷等水冷却系统。

图1 S厂1780mm生产线工艺流程图
2Q235B冷却过程相变初步分析
Q235B 板坯在加热过程中主要发生奥氏体（用符号γ表示）晶粒长大和均
匀成分。

随后经过粗、精轧机的轧制，该过程主要发生高温奥氏体区的再结晶及
由再结晶引起奥氏体晶粒细化、碳氮化合物的析出以及低温奥氏体区的应变累积
效应等。

当带钢出精轧机后，轧后冷却过程中首先发生的是奥氏体晶粒的长大，经由层冷达到奥氏体相变平衡温度以下发生相变，相变结束后铁素体晶粒长大。

在卷取温度时，奥氏体基本上分解完成。

在卷取完成后，带钢钢卷的表面层冷却
得最快，即带钢得尾部冷却得最快，头部次之，而中心部位冷却得最慢。

相变后
的铁素体晶粒从相变结束到450℃的这段时间内，由于热激活能的作用，仍会缓
慢地长大。

3热轧带钢温度变化
温度变化是研究轧制过程的主要内容之一，它包括板坯的加热和带钢的不
断冷却两部分，准确把控各个工艺环节的温度变化是分析带钢热连轧过程组织
演变的重要前提，涉及空冷、除鳞、接触传热、机架间冷却、层流冷却等热损
失过程，以及轧制过程的形变热、摩擦热，如图2所示。

图2 热轧带钢轧制过程的热损失
热轧过程中的空冷模型和水冷模型中设有自学习系数，当计算的终轧温度值
与实测的温度值出现偏差时，通过系统的自学习功能，可以修正计算偏差。

同样，卷取温度对带钢的组织影响亦很大，是决定成品带钢力学性能的重要工艺参数之一。

根据实测的卷取温度，按照一定的冷却模式，设定开启水的顺序和打开给水
层流集管的数量，以保证目标卷取温度。

4Q235B相变平衡温度Ae3和Ae1的确定【1】
相平衡温度是指热力学上达到相变开始的温度，对于γ→α（铁素体）相变，平衡温度 Ae3表示亚共析钢在平衡状态下，奥氏体和铁素体共存的最高温度；
Ae1 表示平衡状态下，奥氏体，铁素体、渗碳体或碳化物共存的最高温度。

对
Q235B而言，Ae3即为热力学上奥氏体开始相变为铁素体的温度。

如下图3
(a)( b)分别给出了碳含量对相平衡温度Ae3和Ae1 的影响，随着钢中碳含量的
增加，Ae1 温度升高，Ae1 温度的变化随碳含量变化较小；随着碳含量的增加，Ae3 温度则下降较大。

图 3(c、 d)给出了Fe-C-Si 和Fe-C-Mn 系中Si、Mn元
素对平衡温度Ae3影响。

图3（a）C含量对Ae3温度的影响图3（b）C含量对Ae1温度
的影响
图3（c）Si含量对Ae3温度影
响图3（d）Mn含量对Ae3温度影响
硅是扩大铁素体区的元素，硅含量增加， Ae3 温度随之升高。

锰的作用
正好与硅相反，锰是扩大奥氏体区的元素，锰含量增加Ae3 温度随着降低。

根
据Q235B 的成分，通过计算可知 Fe-0.15%C的相平衡温度Ae3为852℃，在该
温度下相变驱动力为 0，也就是说只有温度低于Ae3时，才有可能发生相变。

从普碳钢的相图如下图4所示，可以得出Ae1 的温度区间为715～718℃，在该温度区间奥氏体共析分解为铁素体和渗碳体，为珠光体的转变提供基础。

图4 普碳钢相图(Si=0.17%、Mn=0.44%)；
5Q235B相变开始温度Ar3和Ar1的确定
5.1奥氏体→铁素体转变开始温度Ar3
带钢热轧后，形变奥氏体的相变驱动力增大，将引起相变开始温度的提高，所以计算相变开始温度时，通常奥氏体转变完成5%（或铁素体转变量为1%时的温度）作为热轧普碳奥氏体向铁素体转变的计算开始温度Ar3。

图5(a)给出形变和未形变奥氏体的自由能【2】，可以看出形变后的奥氏体自由能升高。

图5(b)为Q235B的CCT 曲线【3】，当冷却速率为10℃/s时，Ar3的温度近似为830℃。

相变开始温度Ar3主要是由钢的化学成分、冷却速率决定的，尤其是成分碳影响最大。

奥氏体转变的开始温度也可采用经验公式进行计算，如下式：
Ar3=910-310[C]%-80[Mn]%-20[Cu]%-15[Cr]%-80[Mo]%-55[Ni]% （1）
上式中的化学成分为质量百分数。

通过给定Q235B成分（C:0.16%、
Si:0.20%、Mn:0.35%、P:0.020%、S:0.010%、 Cr:0.05%），近似得到 Q235B 的Ar3≈832℃。

图5 (a)形变前后的奥氏体自由能变化 (b)Q235B 的部分CCT 曲线
5.2奥氏体→珠光体转变开始温度
Ar1 表示钢高温奥氏体化后冷却时，奥氏体分解为铁素体和珠光体的温度。

如下图6所示，当残余奥氏体中碳含量Cγ与Fe-C相图的Acm（碳在γ中的固溶线，也是从γ中开始析出二次渗碳体的临界温度）的外推线相交时，开始发生珠光体转变【4】，即发生奥氏体向珠光体的转变，此时的温度即为珠光体开始转变温度Ar1。

对Q235B而言，Ar1的温度在670℃左右。

图6珠光体转变开始温度示意图
6贝氏体相变温度
贝氏体相变的温度依据下面的经验公式【5】进行计算：
BS=630-45[Mn]%-35[Si]%-30[Cr]%-20[Ni]%-24[Mo]%-40[V]%-12[W]%(2)
上式适用于钢的成分范围为：C:0.1%～0.55%、Mn:0.2%～1.7%、Cr:0.1%～3.5%、Ni:0.1%～5.0%、Mo:0.1%～1.0%，测算偏差±20～25℃。

把 Q235B 成分
（C:0.16%、 Si:0.20%、 Mn:0.35%、 P:0.020%、 S:0.010%、 Cr:0.08%）代入式(2)，近似得到贝氏体转变温度BS≈605℃。

7马氏体相变温度
马氏体相变的温度依据下面的经验公式进行计算：
Ms=539-423[C]%-30.4[Mn]%-12.1[Cr]%-17.7[Ni]%-7.5[Mo]% (3)
把 Q235B 成分（C:0.16%、Si:0.20%、Mn:0.35%、P:0.020%、 S:0.010%、
Cr:0.08%）
代入式(3)，近似得到贝氏体转变温度Ms≈460℃。

8Q235B物理性能随厚度层级变化
图7给出了成分不变的条件下，不同厚度Q235带钢的物理性能，可以看出随着厚度的增加，屈服强度有明显降低的趋势，抗拉强度也有降低的趋势（相对不明显），延伸率有明显降低的趋势。

图7 Q235B物理性能随厚度层级的变化
9静态再结晶的控制
为了解决厚规格的屈服强度、抗拉强度、延伸率偏低的现象，可利用静态再结晶【6】细化晶粒的方法来解决，各因素对静态再结晶晶粒尺寸的影响如下式：
d=K(G/)1/4（4）
其中d－晶粒尺寸，K－常数，G－长大速度，－形核率（单位时间内形成的晶核数除以未再结
晶的金属体积）。

形变量（末机架F7压下量）对G、及G/的影响如下图8所示：
图8 变形量对G和的影响
由图8可知，当变形量小于5%时，≈0，表明要发生再结晶需要一个最小的变形量即临界变形量。

G、随形变量的增加而增加，但比G增加得更快，所以G/降低，根据公式，晶粒尺寸d减小。

10结论
本文研究了Q235B的相变平衡温度和相变开始温度，结合冷却工艺条件和性能进行分析，得到结论如下：
1)Q235B相平衡温度Ae3约为852℃，Ae1 的温度区间为715～718℃。

2) 以铁素体转变量为1%时的温度作为Q235B奥氏体向铁素体转变的相变开始温度Ar3，根据经验公式计算得到Q235B的相变开始温度近似值为832℃。

3) 随着奥氏体向铁素体的转变，会使残余奥氏体的碳含量增加，当其碳含量与Fe-C相图的Acm的外推线相交时，开始珠光体转变，即发生奥氏体向珠光体的转变，此时的温度即为珠光体转变开始温度Ar1，从相图分析得知Ar1在670℃左右
4) 根据经验公式计算得到Q235B的贝氏体相变温度Bs≈605℃，马氏体相变
温度Ms≈460℃。

参考文献：
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