热轧中厚板带状组织的成因与预防措施

热轧中厚板带状组织的成因与预防措施

王凯1，2，张贵杰1，周满春2，董和民2

（1 河北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063009）

（2 唐山钢铁股份有限公司，河北唐山063016）

摘要：分析了热轧中厚板生产过程中带状组织的形成机理和主要原因，讨论了连铸过程中枝晶偏析控制，以及热轧过程中加热、控制轧制和控制冷却等对带状组织的影响，并提出了预防和减轻带状组织的工艺控制措施。

关键词：热轧；中厚板；带状组织；偏析；控轧控冷

Causes and Preventive Measures of Banded Microstructure in Hot

Rolled Heavy Plate

WANG Kai1, 2, ZHANG Guijie1, ZHOU manchun2，DONG Hemin2

(1 College of Metallurgy and Energy, Hebei Polytechnic University, Tangshan Hebei 063009, China)

(2 Tangshan Iron and Steel CO., Ltd., Tangshan Hebei 063009, China)

Abstract：Mechanics and main reasons on the banded microstructure in hot rolled heavy plate have been analyzed. The influence of dendritic segregation control in continuous casting, and influences of reheating, controlled rolling and controlled cooling in hot rolling on microstructural banding have been discussed and measures to prevent and reduce the banded microstructure have been proposed.

Key Words：hot rolling; heavy plate; banded microstructure; segregation; controlled rolling and controlled cooling

引言

结构钢板带热轧（包括热连轧和中厚板）生产中，易在钢板中出现带状组织，具有组织带状的钢板力学性能呈各向异性，降低断面收缩率和冲击韧性，易发生层状撕裂，同时严重影响钢板的Z 向和横向力学性能[1]。普碳钢、碳锰钢及微合金高强钢（HSLA钢）热轧生产中，特别是16Mn系列钢种中厚板轧制生产中，带状组织更容易发生[2-10]。对作为结构件使用和对厚度方向性能有专门要求的中厚规格钢板的带状组织的预防和控制尤为重要。

1带状组织的形成机理

亚共析钢的带状组织是钢坯（或钢锭）浇注凝固过程中形成的枝晶偏析，在热加工时延伸成铁素体和珠光体交替的条带。带状组织主要是由于连铸坯（或钢锭）在浇注凝固过程中枝晶组织带来的Mn、Si等的合金元素偏析造成的，其认为Mn偏析的影响更大[1-3]。凝固枝晶组织中，枝间Mn 含量较高，枝干处Mn含量相对较低。在热轧过程中，凝固枝晶组织因变形而发生扭转、破碎和延伸拉长，而由于加热和轧制过程中Mn偏析保留下来或没有完全消除，造成轧后钢板在冷却相变前的奥氏体中形成贫Mn带和富Mn带。研究认为，组织带状分布的根源是成分带状分布。由于Mn 是奥氏体稳定性元素，贫Mn带和富Mn带A r3温度不同，轧后冷却时奥氏体中的贫Mn带将首先发生铁素体转变，使得过饱和析出的C原子逐步向富Mn带扩散，即Mn的偏析会引起奥氏体相变过程中C的再分配，C由贫Mn带向富Mn带扩散，从而形成贫C带和富C带。如果轧后冷却时在富Mn带温度尚未达到A r3之前，扩散的C原子就到达了富Mn带的位置，会进一步抑制该处的铁素体转变，使得富Mn带奥氏体最后发生珠光体转变。因此，成分带状分布的结果造成了相变后钢板中铁素体/珠光体带状组织。

目前中厚板生产中，连铸坯得到了广泛应用，因此，轧制成形过程中仅在厚度方向施加压缩变形，且对于较厚规格钢板，总的压缩比相对较小，这些因素导致难以充分的进行枝晶破碎和均匀组织。同时，部分采用热送热装工艺的轧制生产中，采用相对较低的加热温度和较短的加热时间，连铸坯中成分扩散和均匀化不充分。这些都不利于减轻连铸坯带来的枝晶偏析，对钢板的带状组织控制不利。

2带状组织影响因素及控制措施分析

2.1连铸坯枝晶偏析控制

由于轧后钢板的带状组织的根源在于连铸坯中的枝晶偏析，因此减少铸坯中的枝晶偏析程度，是解决或减轻带状组织的最有效手段。通常连铸坯由柱状晶区（由枝晶构成）和等轴晶区组成，扩大等轴晶区范围，能有效的减轻枝晶偏析。连铸实践中常采用钢水过热度控制、电磁搅拌、控制二冷水等措施来减小柱状晶区宽度，增加等轴晶区宽度[11]。

（1）控制钢水过热度。浇注温度低能提供大量的晶核，较早的阻止柱状晶生长而导致大的等轴晶区。因此接近钢的液相线温度浇注是扩大等轴晶区的有效手段。但是浇注温度太低易使冻结水口。一般控制钢水过热度20～30℃为宜。除严格控制中间包钢水的浇注温度外，还可采用在结晶器内喷吹金属粉末等措施，一方面起到微型冷却剂的作用，消除钢水过高的过热度，另一方面也起到形核剂的作用，作为结晶核心，促进等轴晶形成。

（2）采用电磁搅拌(EMS)。通过电磁力作用，打碎树枝晶，使树枝晶的碎片作为等轴晶核心长大而扩大等轴晶区。

（3）控制二冷区冷却水量。二冷区水量大，铸坯表面温度低，横断面温度梯度大，有利于柱状晶生长，柱状晶区就宽。降低二冷水量可使柱状晶宽度减少，等轴晶区宽度增加。因此二冷水量是控制柱状晶生长的一个重要因素。

另外，对连铸过程拉速的优化控制以及动态轻压下的使用等，也可对减轻连铸坯枝晶偏析，进而对减轻热轧钢板的带状组织起到一定的作用[12]。

2.2加热制度

热轧过程中对钢坯的加热除了能为后续轧制工序提供满足要求，且温度分布均匀的高温坯料，以降低轧制过程中的变形抗力等作用外，也能对铸态组织中的成分偏析起到一定的均匀化作用。

因此，对易发生带状组织的钢板的加热过程控制中，应保证足够的加热时间，且在允许的条件下（钢种、轧制工艺及轧后性能对加热制度的要求满足），尽可能的采取较高的加热温度制度。但需要指出的是，在连铸坯加热过程中，由于C原子的扩散速度快，奥氏体均匀化时C能优先达到相对均匀，但Mn、Si等合金元素扩散困难，不容易均匀化，往往仍在一定程度上保持着枝晶偏析。因此，即使是采取较高的加热温度和较长的加热时间，也只能一定程度上减轻带状组织，而不能完全消除。同时，过长的加热时间和过高的加热温度除了不利节能外，还容易造成氧化烧损增多以及过热、过烧等问题。所以，对通过加热控制改善带状组织，需要综合考虑诸多因素，确定合理的加热制度。

2.3控制轧制和控制冷却

控制轧制和控制冷却技术（或称TMCP技术）的应用，对防止带状组织形成有良好的效果[4-7,13]。有研究认为，尽管连铸坯中Mn等的偏析带存在化学成分不均匀性，从而引起相变点A r3温度的差异，就具备了形成带状组织的先决条件，但轧后钢板带状组织是否出现还取决于轧制条件和冷却条件[4]。

一方面，在奥氏体未再结晶区轧制时，奥氏体晶粒随变形量的累积而被逐步拉长、压扁，晶内出现大量的高位错密度的变形带，畸变能增加。而未再结晶奥氏体中的畸变能可促进或诱发奥氏体向铁素体转变，相当于提高了A r3温度，这也将导致贫Mn带和富Mn带A r3温度差异的减小，从而导致贫Mn带和富Mn带先共析铁素体析出“时间差”的减小。这可以减小带状组织的形成几率，起到使带状组织减弱或避免在轧后钢板中出现的作用。另一方面，采用轧后快速冷却可使贫Mn带处的C

原子在来不及扩散至富Mn 区前，完成奥氏体向铁素体的转变，从而不出现铁素体和珠光体的条带分布情况，避免带状组织出现。需要指出的是，无论是未再洁净区轧制还是轧后快速冷却，带状组织虽可能不在轧后钢板中出现，但形成带状组织的潜在条件，即成分带状分布依然存在，如钢板在后续热处理等工艺中再加热到A c3以上温度，并以较低的冷速冷却下来，仍有出现带状组织的可能。

在控制轧制中，终轧温度被认为是对带状组织控制最为关键的参数之一。李文卿等[4]通过试验得出了16Mn 钢轧制时终轧温度与带状组织级别的关系，如图1所示。认为在控轧终轧温度800℃左右时，带状组织级别最小。终轧温度在高于800℃时，随着终轧温度降低，带状组织减轻；低于800℃时，随着终轧温度的进一步降低，带状组织级别略呈增加趋势。而林大为等[5]的研究认为，终轧温度对带状组织的影响应结合相对晶粒尺寸来探讨，相对晶粒尺寸定义为：（转变后的铁素体平均晶粒尺寸-富Mn 带带间距）/富Mn 带带间距，终轧温度对带状组织的影响是由于改变了相对晶粒尺寸而引起的。

对于轧后控制冷却，众多研究者得出的结论基本上都是冷速越快越有利于减轻带状组织[4,6,7,13]。

图2为李文卿等[4]

通过试验得出的带状组织级别与轧后冷却速度之间关系的图。由图中可知，随着冷却度提高，带状组织级别呈减轻趋势，且存在一个“临界冷却速度”，在冷速高于这个“临界冷却速度”后带状组织级别降低到0.5级以下，可以认为带状组织已得到了有效控制。 70075080085090001

23

带状组织级别终轧温度 /℃051015

1

2345 带状组织级别冷却速率 /℃s -1

图１ 带状组织级别与终轧温度之间的关系 图2 带状组织级别与轧后冷却速度枝间的关系

除终轧温度和轧后冷却速度之外，笔者认为，开轧温度以及奥氏体再结晶区和未再结晶区变形量的分配及道次变形量等控制轧制参数也对带状组织控制起重要作用。对于中厚板轧制，在再结晶温度之上轧制时，可采用较高的轧制温度和大的道次变形量，利用再结晶细化晶粒，为未再结晶区轧制提供经过充分再结晶细化的等轴奥氏体组织。随后通过一定的待温进入未再结晶区轧制，并以较低的终轧温度完成轧制变形，随后以较快的冷速冷却，实现对带状组织的优化控制。图3(a)和(b)分别为采用常规轧制冷却工艺与采用控制轧制控制冷却工艺的16Mn 钢板室温组织形貌。对比其中带状组织程度可知，采用常规轧制冷却工艺的钢板组织中珠光体呈条带分布，而采用控轧控冷路线的钢板中珠光体呈块状均匀分布，带状组织明显减轻。

(a) (b)

(a)常规轧制冷却；(b)控制轧制和控制冷却

图3 采用常规轧制冷却工艺与采用控轧控冷工艺的16Mn钢板室温组织形貌对比另外，结合控制轧制和控制冷却技术，采用微合金化技术添加少量的合金元素，对部分钢种的带状组织控制也能起到良好的效果[9]。而轧后“分段冷却”技术，也被认为是有效控制轧后钢板中带状组织的手段之一[8]。

2.4轧后热处理

目前在中厚钢板的生产中虽然控轧控冷（TMCP）工艺已普遍应用，并在生产中发挥了积极作用，在节约合金元素加入量的同时提高了钢板的综合性能。但是，控轧控冷方式生产的钢板性能离散度较大，而且一些钢种要求很苛刻的临界轧制或冷却条件，对生产线装备和控制要求高。因此，对于生产厚规格、高性能钢板，尤其是要求性能均匀性比较高的锅炉压力容器钢板、桥梁钢板、高层建筑钢板、Z向钢板等，传统的离线热处理方式仍然是难以替代的。中厚板生产线采用的热处理方式中处理量最大的是正火板，包括正火＋回火工艺处理的钢板。正火也叫常化，该热处理工艺的目的是使上一道工序中产生的非正常组织（如铁素体晶粒粗大、魏氏组织、带状组织、非铁素体+珠光体组织产物等亚共析钢组织缺陷）通过重结晶、均匀化组织予以改善（对低碳钢为细小等轴铁素体+均匀分布的块状珠光体组织），从而改善其力学性能和工艺性能。

轧后较为严重的带状组织可以通过高温扩散退火后正火+回火来减轻[10]。需要指出的是，过高的高温扩散退火温度和保温时间会引起晶粒长大，虽然对带状组织的控制有利，但会对钢板的力学性能有影响（如强度降低）。因而，需要结合轧制工艺和钢板的使用性能要求，合理的确定热处理工艺制度。

3结论

（1）中厚板带状组织主要是由于连铸坯在浇注凝固过程中枝晶组织带来的Mn、Si等的合金元素偏析造成的，枝晶偏析在轧后钢板中形成的成分带状是形成组织带状的根源和先决条件。

（2）连铸过程中可通过用钢水过热度控制、电磁搅拌、控制二冷水等措施来减小柱状晶区宽度，增加等轴晶区宽度，从坯料源头减轻或避免带状组织出现。

（3）合理的加热制度，控轧控冷（TMCP）技术的应用，包括合理的开轧温度、终轧温度、轧后冷却速度和冷却方式，以及奥氏体再结晶区和未再结晶区压下量的分配和道次压下量设定等，对减轻或避免带状组织有重要作用。

（4）轧后较为严重的带状组织可以通过高温扩散退火后正火+回火来减轻，对性能均匀性要求比较高的中厚板，轧后热处理工艺可起到减轻带状组织的效果，但需要结合轧制工艺和钢板的使用性能要求，合理的确定热处理工艺制度。

参考文献

[1]Khalid F A, Farooque M, Ulhaq A, et al. Role of ferrite/pearlite banded structure and segregation on mechanical

properties of microalloyed hot rolled steel[J]. Materials Science and Technology, 1999, 15(10): 1209-1215.

[2]Rivera Diaz del Castillo P E J, Sietsma J, Zwaag S van der, et al. A model for ferrite/pearlite band formation and

prevention in steels[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2004, 35(2): 425-433.

[3]Majka T F, Matlock D K, Krauss G. Development of microstructural banding in low-alloy steel with simulated Mn

segregation[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2002, 33(6): 1627-1637

[4]李文卿, 王连伟. 控制轧制和控制冷却对16Mn钢板带状组织的影响[J]. 物理测试, 1990, (4): 23-26.

[5]林大为, 沈黎晨, 戴一一, 等. 终轧温度对16Mn钢板带状组织的影响[J]. 轧钢, 1999, (4): 21-23.

[6]林大为, 沈黎晨, 戴一一, 等. 消除16Mn钢板带状组织的临界冷却速度的测定与计算[J]. 钢铁, 2000, 35(7):

40-43.

[7]沈黎晨, 林大为. 消除16Mn钢板带状组织的临界冷却速度研究[J]. 上海金属, 1999, 21(6): 25-28.

[8]方琪, 孙伟, 王丙兴, 等. “分段冷却”工艺对C-Mn钢中板带状组织的影响[J]. 轧钢, 2008, 22(1): 13-15.

[9]张爱民, 陈晔, 苗钊. 16MnR容器钢板带状组织的研究[J]. 山东冶金, 2002, (6): 40-42.

[10]刘云旭. 低碳合金钢中带状组织的成因，危害和消除[J]. 金属热处理, 2000, (12): 1-2.

[11]蔡开科. 连铸技术的进展(一)[J]. 炼钢, 2007, 17(1): 7-12.

[12]魏勇, 倪红卫, 罗传清, 等. 轻压下技术在连铸中的应用及研究[J]. 武汉科技大学学报(自然科学版), 2007, 30(4):

346-349.

[13]冯光宏, 李岩, 戴蓓蓉, 等. 在未再结晶区大压下后加速冷却工艺对钢板带状组织的影响[J]. 钢铁研究学报,

1999, 11(6): 14-17.

作者简介：王凯，男，高级工程师

Email: wangkai25071@2b944c791711cc7931b71687

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/co7l.html