热轧卷温度场模拟在CSP生产HP295钢相变分析中的应用

󰀁工艺技术󰀁

热轧卷温度场模拟在CSP生产HP295钢相变分析中的应用

初元璋󰀁赖显忠󰀁孟󰀁晔(北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)

摘󰀁要󰀁采用有限元模拟软件Ansys,模拟了3mmHP295气瓶钢热轧卷温度场的变化,作出不同节点的温降曲线,并与该钢连续冷却转变(CCT)曲线结合,分析了HP295钢卷材不同部分冷却过程的组织转变。模拟结果表明,卷取温度为660~680󰀁时卷材心部平均冷却速度仅为0󰀁04󰀁/s,远远低于出现碳化物离异共析的临界冷却速度0󰀁1󰀁/s,使卷材深冲性能急剧降低。避免碳化物离异共析-渗碳体沿铁素体晶界分布的有效措施是将卷取温度降至600~620󰀁。关键词󰀁HP295气瓶钢󰀁Ansys软件󰀁碳化物离异共析󰀁温度场模拟

ApplicationofTemperatureSimulationofHotRolledCoilinTransformationAnalysisofSteelHP295ProducedbyCSP

ChuYuanzhang,LaiXianzhongandMengYe(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnology,Beijing100083)

Abstract󰀁Thecurvesoftemperaturedropatdifferentnodehavebeenobtainedbyusingfiniteelementssimulationsoft-wareAnsystosimulatethechangeoftemperaturefieldof3mmHP295gasbottlesteelhotrolledcoils,andcombinedwithcontinuouscoolingtransformation(CCT)curvesofthesteeltoanalyzethestructuretransformationindifferentpartsofHP295steelcoils.Thesimulationresultsshowthatwhilecoilingtemperaturebeing660~680󰀁,theaveragecoolingspeedatcen-treofcoilisonly0󰀁04󰀁/s,veryfarlowerthancriticalcoolingspeed0󰀁1󰀁/stooccurcarbidesisolationeutectoid,sothedeep-drawingpropertiesofcoilsharplydecrease.Thecoiltemperaturedecreasingto600~620󰀁isanavailablemeasuretoavoidcarbidesisolationeutectoid-cementitedistributingalongferritegrainboundary.MaterialIndex󰀁HP295GasBottleSteel,AnsysSoftware,CarbidesIsolationEutectoid,TemperatureFieldSimula-tion

󰀁󰀁邯钢在2000年开始生产3mmHP295钢热轧薄板,由于用户反映其冲废率较高,深冲时伴随冲裂和冲碎现象,本文针对CSP(紧凑式带材生产技术)短流程工艺生产深冲用气瓶钢易出现的问题进行了研究。1󰀁冲裂原因分析邯钢生产的气瓶钢HP295的化学成分,见表1。3mmHP295钢热轧薄板深冲后裂纹处的组织特征为裂纹的前沿在铁素体与渗碳体两相的交界处,并沿着铁素体的晶界扩展,在铁素体晶粒比较

表1󰀁邯钢HP295钢化学成分/%Table1󰀁ChemicalcompositionsofsteelHP295producedatHandanSteel/%炉号CSiMnPSAls(酸溶铝)Ti8-359250.170.0360.780.0090.0060.023<0.0258

-359260.180.0450.870.0150.0050.021<0.025粗大的地方出现穿晶断裂。对裂纹处进行能面扫描分析,并未发现S、P元素的异常分布,因此可排除S、P元素引起的晶界脆性。图1为邯钢HP295钢的金相照片,从图中可

图1󰀁邯钢的HP295钢热轧卷组织Fig.1󰀁StructureofsteelHP295hotrolledcoil󰀁39󰀁第25卷第6期󰀁󰀁󰀁特殊钢󰀁Vol.25.No.6󰀁󰀁󰀁󰀁2004年11月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁SPECIALSTEEL󰀁November󰀁2004󰀁󰀁󰀁󰀁以看出,在邯钢的HP295钢中出现了大量的碳化物离异共析现象,即很薄的一层脆性的渗碳体沿着铁素体晶粒的晶界分布。这种碳化物形态破坏了铁素体基体的连续性,在冲压成型时很容易引起晶界的脆性开裂。产生碳化物离异共析的原因是珠光体转变时冷却速度过慢,系统自由能的降低不足以提供珠光体形核所需的界面能,因此避免出现碳化物离异共析的方法是加快奥氏体向珠光体转变时的冷却速度,尤其是要保证珠光体形核时的冷却速度[1]。

2󰀁钢卷温度场模拟的提出

如前所述,邯钢HP295钢冲裂率高的原因是由于碳化物离异共析,而产生离异共析是珠光体转变时的冷却速度过低。通过实验测定HP295钢的奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线,发现冷却速度低于0󰀁1󰀁/s时出现碳化物离异共析现象。邯钢采用CSP生产HP295钢,终轧温度860~880󰀁,卷取温度660~680󰀁,终轧至卷取之间的层流冷却段平均冷却速度约13󰀁7󰀁/s。从HP295的CCT曲线来看,在这个冷却速度下珠光体转变将在650󰀁开始。因此,邯钢HP295钢的珠光体转变是在卷取以后开始的,钢卷各部分的冷却速度直接关系到珠光体转变是否会产生碳化物离异共析[2]。而钢卷内部的冷却速度不能直接测量,因此可以采用有限元模拟进行分析。本文采用ANSYS5󰀁7软件对邯钢HP295钢卷的温度场进行模拟。

3󰀁HP295钢卷温度场模拟及结果研究

根据对称性选取部分钢卷及导轨进行分析,邯钢CSP生产HP295钢的在线冷却的示意图如图2所示。由于系统温度随时间变化,因此模拟选用瞬态分析,使用TimeHistPostprocessor处理器来观察钢卷各个部分的温降情况。图3是观察选取的6个结点,图4是6个结点对应的冷却曲线。如前所述,在珠光体转变时冷却速度低于0󰀁1󰀁/s将产生碳化物离异共析,而此冷却速度下HP295钢的奥氏体󰀁珠光体转变的温度范围为730~650󰀁。在图上做一斜率为0󰀁1󰀁/s的直线L,在该温度范围内斜率小于L斜率的曲线容易产生碳化物离异共析。为了方便卷取机的咬入,每卷带钢的头部

3图2󰀁钢卷冷却环境示意图及模型选取Fig.2󰀁Abridged

generalviewofcoolingenvironmentofcoilandselectionofmodel

图3󰀁时间历程后处理器观察的6个结点位置示意图Fig.3󰀁Abridgedgeneralviewoflocationofsixnodesob-servingbyTimeHistoryPostprocessor

图4󰀁HP295钢热轧卷不同节点的温降曲线Fig.4󰀁TemperaturedropcurvesofdifferentnodesofsteelHP295hotrolledcoil

~5m未喷水冷却,因此钢卷内壁初始温度稍高。从图4可以看出,在沿径向各个截面外侧冷却速度最快,内壁次之,而钢卷心部冷却速度最为缓󰀁40󰀁特殊钢第25卷慢。在图中有inner-2和mid-3两个节点的冷却曲线的斜率明显小于L的斜率,也就是说,每卷带钢沿长度和宽度的中央部位最容易产生碳化物离异共析,此外带钢头部在宽度的中央部位也可能会有碳化物离异共析产生。将inner-2、mid-3两个节点的冷却曲线和HP295钢的CCT曲线相对比,可以分析它们的相变过程,如图5所示。

图5󰀁卷材inner-2和mid-3节点的冷却曲线与HP295钢的CCT曲线Fig.5󰀁Coolingcurveofnodeinner-2andmid-3coilcom-binedwithCCTcurvesofsteelHP295

首先来看inner-2节点的相变过程:在860~880󰀁之间终轧,此时为单相奥氏体状态,由于每卷带钢的头部未进行喷水冷却,空冷至770󰀁时开始卷取(C2点),卷取后冷却速度下降,在Fs2点(750󰀁)开始在析出铁素体,在Ps2点开始珠光体形核,其后继续珠光体的生长。虽然在珠光体的生长阶段inner-2节点的冷却速度低于0󰀁1󰀁/s,但是在形核阶段(即Ps2点附近)其冷却速度超过了0󰀁1󰀁/s,因此可以促进珠光体的正常形核,从而避免了碳化物离异共析的产生。mid-3节点的相变过程如下:在860~880󰀁的奥氏体单相区终轧,轧后经过层流冷却段冷却速度较快,铁素体的析出得到抑制,在Fs3点(约713󰀁)才开始析出铁素体,随后薄板在C3点进行卷取,由于卷取后mid-3节点处于钢卷心部,因此冷却速度非常缓慢,在683󰀁时开始珠光体的形核,从图

4可以计算出在此时mid-3

节点的冷却速度约为0󰀁04󰀁/s,远远低于前述0󰀁1󰀁/s产生碳化物离异共析的冷却速度。4󰀁现场工艺改进的措施碳化物的离异共析是在珠光体转变开始时冷却速度缓慢,珠光体在非正常形核的基础上生长起来的,如果形核阶段冷却速度足够大,奥氏体晶粒内形成大量的珠光体核心,就可以避免碳化物离异共析的产生。热轧薄板在卷取以后冷却速度非常缓慢,因此要保证钢卷心部在珠光体转变时的冷却速度,可行的措施就是加强层流冷却段的冷却能力,降低卷取温度[3]。邯钢现场的层流冷却段平均冷却速度约为13󰀁7󰀁/s,从HP295钢的CCT曲线上来看(图5),珠光体转变将在约650󰀁开始[4],因此应加快冷却速度将卷取温度降低至650󰀁以下。但是在加快冷却速度的同时,珠光体转变的开始温度也会相应的下降,结合CCT曲线分析,应该尽量降低卷曲温度至600~620󰀁比较低的温度,以保证珠光体的正常形核长大。5󰀁结论(1)邯钢HP295钢冲裂率过高的原因在于铁素体晶界处分布的脆性碳化物(碳化物离异共析)。(2)通过对钢卷的温度场模拟可知HP295钢卷材心部冷却速度缓慢,在珠光体转变阶段平均冷却速度仅为0󰀁04󰀁/s,而在冷却速度低于0󰀁1󰀁/s时容易产生碳化物离异共析。(3)避免碳化物离异共析可以采取的措施是降低卷取温度至600~620󰀁。邯钢在采取该措施对生产工艺进行调整后,生产的HP295薄板冲裂率下降到0󰀁5%以下。

参考文献1󰀁RaviKumarD.FormabilityAnalysisofExtra-deepDrawingSteel.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2002,130:312󰀁王昭东,崔光洙,等.HP钢热轧板带制度的制定.东北大学学报(自然科学版),1996,17(6):6153󰀁赵鸿金,朱伏先,王国栋,等.轧后冷却对SP325热轧钢板织构与深冲性能的影响.特殊钢,1999,20(3):214󰀁宋维锡.金属学.北京:冶金工业出版社,1980