高氮高強度不銹鋼卷取溫度和組織的變化分析

劉珍珠，馬宇寧，湯紹釗，呂仙銀

（1.寧德職業技術學院 新能源與智能制造學院，福建 寧德 355000；2.青拓集團有限公司，福建 寧德 355000;3.中華人民共和國寧德海關，福建 寧德 355000）

青拓集團產品QN1803，屬全球首發高氮、高耐蝕、節鎳奧氏體不銹鋼產品.在保證與S30408不銹鋼相當的耐腐蝕性能基礎上，QN1803提高了材料的強度、硬度，同時降低了材料成本，使之具有比S30408不銹鋼更高的性價比和更強的市場競爭力[1].

不銹鋼熱軋板卷的生產，一般需要熱卷取和冷開卷.成功的關鍵除了保證軋制過程中的熱加工性能外，選擇合適的熱軋板卷卷取溫度[2]，以便保證板卷順利開卷，使其具有良好的塑韌性，保證后續生產及最終產品性能.

考慮到受卷取溫度差異的影響,利用溫度結合相變,得出了QN1803 不銹鋼在不同的卷取溫度作用下在不同鋼卷部位產生的最終奧氏體晶粒尺寸,分析出不銹鋼帶鋼晶粒沿長度和寬度方向晶粒尺寸的變化規律及成因,對不銹鋼的卷取溫度提供有效的參考選擇.

1 有限元模型的建立

鋼卷在冷卻中的熱交換過程，因為每一層的材料是一致的，所以鋼卷冷卻過程可認為是單層圓筒壁的導熱問題.考慮到長度方向的導熱，因此鋼卷的溫度分布采用三維溫度場進行求解，運用傅里葉導熱微分方程[3]分析計算.即

式中：x,y,z為不銹鋼節點的空間直角坐標軸（m）；T為溫度（K）；τ為時間常數（s）；λ為QN1803 不銹鋼的導熱系數[W·（m·K）-1]；ρ為QN1803 不銹鋼的密度（kg·m-3）；c為鋼的比熱容[J·（kg·K）-1]；Q為鋼的相變潛熱（J）.

1.1 幾何條件的確定

模擬計算用的QN1803不銹鋼原始鑄坯幾何尺寸：長為9 016 mm，寬度為1 200 mm，厚度為230 mm.通過酸洗，退火，熱軋之后,最終軋成的不銹鋼厚度為2 mm，寬度不變，長度變成1 036 m.根據體積相等原理，求出當卷取時，鋼卷內徑厚度大約為760 mm，外徑大約為1 113 mm，帶寬依舊不變.具體尺寸歸納見表1.QN1803不銹鋼的化學成分見表2.

表1 熱軋鋼卷的尺寸及其他模擬輸入參考數據

表2 QN1803的化學成分

1.2 初始條件的確定

QN1803 不銹鋼終軋溫度分別為837、840 和870 ℃.根據層流冷卻后溫度場模擬結果[3]，設置初始條件.對應層流冷卻后鋼卷在寬度上溫度場為550、600 和650 ℃附近（圖1），相變組織（主要為貝氏體B 組織）含量[w(B)]的初始分布，如圖2所示.

圖1 鋼卷在寬度上的溫度初始分布

圖2 鋼卷在寬度上的相變初始分布

1.3 物性參數的確定

鋼卷的導熱屬于三維多層圓筒壁導熱問題[4]，即軸向、徑向及切向的導熱.軸向和切向可等效于鋼的導熱系數，其值為16.3 W·（m·K）-1；徑向傳熱考慮到層疊結構和層間壓力的影響，采用等效導熱系數kep[5]，等效導熱系數計算式為

式中：ts為不銹鋼的厚度，取2 mm；ti為周邊空氣層厚度；t0為氧化層厚度，取8 μm；k0為不銹鋼氧化層的導熱系數，取2.3 W·（m·K）-1；ks不銹鋼的導熱系數，取16.3 W·（m·K）-1；ka為空氣層導熱系數，取4.8 W·（m·K）-1；σp為帶鋼凸度標準差，取3.2 μm；tanβ為帶鋼輪廓平均斜率，取0.085 54；A為實際接觸面積，；H為帶鋼的微觀硬度，取1 450 MPa；P為不銹鋼卷取時的層間壓應力（MPa）；θ為介質溫度，取30 ℃；ε為熱輻射率，取0.8；s為stefan-Boltzman常數，取5.669 7×10-8.

1.4 邊界條件的確定

運用第三類溫度邊界條件，計算鋼卷外徑壁、內徑壁及上下端面的傳熱，計算公式為

式中：h為不銹鋼鋼卷各表面的換熱系數[W·（m·K）-1]；λ為不銹鋼鋼卷的軸向導熱系數或徑向導熱系數[W·（m·K）-1]；x為軸向或徑向坐標（m）；T為帶鋼表面溫度（K）；T∞為環境溫度（K）.

2 溫度場計算結果分析

如圖3 所示，不銹鋼鋼卷在強制空氣冷卻條件下,冷卻時間的“最慢點”大約在離內徑壁1/3處.從卷取溫度下降到450 ℃，外徑處需要靜置大約3.12 h，內徑處需要靜置大約7.86 h，而在離內徑壁1/3處則最少需要25 h.經過72 h之后，鋼卷內外徑溫度基本都降到100 ℃以下.不銹鋼鋼卷的初始溫度一般會相對下降得比較快，另外隨著溫度的降低和相變孕育期的積累，將逐漸加速發生奧氏體相變，相變過程又進一步釋放相變結晶潛熱，從而影響初始溫度場變化，使溫度變化減緩.由此可知，冷卻最慢點位置的出現是由于鋼卷內部相互輻射的結果.

圖3 鋼卷不同位置溫度隨著時間變化曲線

3 相變結果及分析

帶鋼卷取溫度通常在600 ℃左右，鋼卷卷取完成后，溫度緩慢降低，但幾個小時內依然保持較高溫度.由于熱輻射，鋼卷內部產生自回火作用，晶粒將繼續緩慢長大，同時卷取溫度的不同對晶粒長大也會出現不同程度的影響.為了定量估計這種影響，采用分析軟件分別計算出3種卷取溫度下鋼卷不同部位不銹鋼奧氏體的晶粒尺寸（見表4）.

表4 不同鋼卷卷取溫度 單位：℃

通過軟件計算與分析，可以得出以下結果.

1)沿帶鋼長度方向上，同一卷取溫度帶鋼邊部的晶粒在頭部和尾部比較細，中間比較粗.這是由于鋼卷的中間卷在自回火的影響下，中間奧氏體晶粒不斷長大.

2)同一位置，卷取溫度不同，晶粒大小也有所差別，結果如圖4 所示.650 ℃卷取溫度下晶粒最粗，600 ℃下卷取晶粒則最細.溫度越高，奧氏體保持高溫的時間越長，晶粒長大越明顯.而θC1=550 ℃時，終軋溫度為816 ℃，由于終軋溫度較高，而卷取溫度較低，即冷卻輥道上的冷速過高，鋼中出現魏氏組織，反而降低其塑性和韌性.

圖4 QN1803帶鋼邊部不同卷取溫度下晶粒大小變化

3)沿帶鋼長度方向上，帶鋼中心部分的晶粒在相同的卷取溫度下則呈現出頭部和尾部晶粒比較粗，中間晶粒比較細的結果.另外同一位置的卷取溫度對晶粒大小的影響和邊部相同，結果如圖5所示.這些表現的主要原因在于卷取前不銹鋼帶鋼在長度方向上本身的晶粒尺寸就不均勻.

圖5 QN1803帶鋼中心不同卷取溫度下晶粒大小變化

4)對比圖3 和圖4，可以明顯看出，沿帶鋼寬度方向上，QN1803 帶鋼中心晶粒細，而邊部晶粒更細.這主要是因為帶鋼及鋼卷在冷卻過程中冷卻不均勻導致的，冷卻初期的急冷作用，以及冷卻水量大小也有一定的影響.

4 結果驗證

用自行開發的Fortran 子程序嵌入該模型，通過Sellars 晶粒生產公式d=d0+反復迭代可計算出奧氏體晶粒尺寸.式中：d為最終奧氏體晶粒直徑，μm；d0為奧氏體初始晶粒直徑，μm；k為常數；t為保溫時間，s；Q為晶粒長大激活能，J·mol-1；T為溫度，K；R為氣體常數，其值為8.314 J·mol-1.通過現有鋼卷的溫度場和晶粒計算程序，得到帶鋼卷取后奧氏體晶粒尺寸的模擬值和實測值，如圖6 所示.對比結果可知，QN1803不銹鋼頭尾部尺寸基本相同，中部尺寸有所浮動，但最大誤差不會超過2 μm，說明模擬結果與實測結果較為吻合.

圖6 QN1803不銹鋼晶粒尺寸模擬值與實測值的比較

5 結論

1）針對QN1803 不銹鋼鋼卷建立卷取冷卻工藝過程中的溫度場模型.考慮到鋼卷內外徑及上下兩個端面的界面換熱系數的差異，通過溫度場模擬分析得出了，在空冷工藝條件下，鋼卷冷卻速率曲線的最慢處在離內徑壁1/3處.

2）在溫度場計算研究的基礎上，分析了鋼卷卷取后溫度作用下中心晶粒緩慢長大的形成機制，確定數學模型，分析出帶鋼在長度方向上呈現的狀態.另外卷取溫度高低也會影響晶粒大小，帶鋼在卷取溫度為600 ℃時晶粒最細；帶鋼在寬度方向上晶粒大小則表現為邊部晶粒比中心晶粒更細.

3）從軟件模擬值與實測值的對比曲線中分析，模擬仿真參數與實驗結果基本吻合良好，最大誤差一般小于1 μm證明該晶粒長大模型完全可以廣泛應用于QN1803卷取冷卻過程.