冷卻工藝對熱軋高強帶鋼殘余應力的影響

為分析不同層流冷卻工藝對熱軋高強帶鋼殘余應力的影響規律，以ABAQUS有限元軟件為基礎，采用FORTRAN語言編寫用戶子程序，建立熱軋高強帶鋼快速冷卻過程的有限元模型，對帶鋼層流冷卻過程中溫度場、組織及應力場的演變規律進行耦合計算。針對現場工藝，設計并實施過冷奧氏體連續冷卻轉變(CCT)試驗和殘余應力測試等試驗對模型進行校正。以校正后的模型作為基礎模型，修改基礎模型的初始條件和邊界條件，建立與邊部遮擋、稀疏冷卻、后段冷卻、降低初始溫差等4種層流冷卻工藝對應的有限元模型，以定量分析4種工藝對減小帶鋼殘余應力的效果。研究結果表明：原來無應力的帶鋼，經過層流冷卻后，帶鋼寬度方向的應力分布變為邊部有較大的壓應力，中部有較小的拉應力。4種工藝都能有效減小殘余應力，降幅從高到低依次為降低帶鋼橫向初始溫差、稀疏冷卻、邊部遮擋、后段冷卻。

隨著鋼鐵生產技術不斷進步，細晶強化技術越來越廣泛地被應用于帶鋼生產[1]，使用該技術可以在不降低帶鋼塑性和韌性的前提下，提高材料強度[2]。傳統晶粒細化技術需添加Nb和Ti等合金元素，這必然會增加成本，不利于企業降本增效，因此，快速冷卻技術受到普遍關注?？焖倮鋮s技術通過加大冷卻水流量或提高冷卻水壓力來提高帶鋼冷卻速度，使帶鋼溫度迅速降低，快速進入相變區，抑制奧氏體晶粒生長，實現晶粒細化[5?8]。較快的冷卻速度還可以得到貝氏體等強度較高的組織，提高帶鋼的強度[9?14]。但由于快速冷卻技術冷卻水量大、冷卻速度快，冷卻過程控制難度大，加劇了冷卻不均勻性，引起帶鋼局部殘余應力過大，使帶鋼出現浪形等板形問題。目前，國內外對層流冷卻已經有一些研究，如張德豐等[15]采用有限元法，建立了X65管線鋼厚板冷卻過程的模型，研究熱軋帶鋼冷卻過程中厚度方向殘余應力產生規律和分布情況；譚文等[16]使用有限差分法和微觀組織演變模型，模擬了中厚板層流冷卻過程中微觀組織變化；陳銀莉等[17]使用有限元軟件MARC，建立熱軋普碳鋼層流冷卻模型，從溫度?相變等方面對熱軋帶鋼冷卻過程中的殘余應力產生機理進行研究；HAN等[18]使用ABAQUS建立帶鋼層流冷卻有限元模型，研究相變誘導塑性對帶鋼殘余應力的影響。研究多集中于殘余應力產生的機理，對于殘余應力減量化的研究較少，且各種工藝對于減小帶鋼殘余應力的效果沒有量化的研究。本文作者針對基于控軋控冷技術生產的700 MPa級高強結構鋼，通過實驗和有限元的方法，研究多種冷卻工藝對帶鋼殘余應力的影響規律和減量化效果。

1帶鋼多場耦合有限元模型

帶鋼層流冷卻有限元模型主要由2部分組成：一部分是基于ABAQUS/CAE建立的三維熱力耦合模型，作為模型的主程序；另一部分是使用FORTRAN語言編寫的用戶子程序，計算過程中被主程序調用。帶鋼三維模型長度×寬度×厚度為3 000 mm×1 200 mm×3 mm，采用網格類型為三維線性熱力耦合單元(C3D8T)，網格數量為10 368個。模型的邊界條件分為熱邊界條件和對稱邊界條件，其中熱邊界條件分為空冷時與空氣的對流化熱和熱輻射以及水冷時與冷卻水的對流換熱。模型的初始溫度分布和網格劃分如圖1所示。

模型子程序包括相變模型、熱動力學模型、應變/應力場計算模型等，被主程序調用后，實現層流冷卻過程中溫度?相變?應變/應力的耦合計算。帶鋼層流冷卻有限元模型各部分之間的關系以及計算過程如圖2所示。

帶鋼冷卻過程中應變主要來自溫度和相變。溫度是引起相變的動力，相變過程會釋放熱量影響帶鋼溫度。溫度和相變對應變的影響通過修改材料本構方程中的應變引入有限元模型。帶鋼各部分不均勻的應變將使帶鋼產生應力，當局部壓應力超過臨界屈曲應力時，帶鋼會出現浪形等板形缺陷。

2模型校正

2.1溫度場模型校正

為保證模型溫度場計算的準確性，在層流冷卻輥道上使用手持式紅外熱像儀對層流冷卻過程中不同時刻的帶鋼溫度進行測量。測量中選取層流冷卻輥道上4個位置進行測量，其測量結果如圖3所示。

提取圖3中帶鋼橫向的溫度分布，并以此為標準，調整模型的換熱邊界條件，使模型的溫度場計算結果在相同位置處與測量結果一致，保證模型溫度場的計算精度。

調整后，有限元模型計算的初始溫度和卷取溫度與實際相同，并且冷卻路線與實際冷卻路線基本一致，保證模型溫度場計算具有較高精度。經過調整后的有限元模型計算結果與熱像儀實測結果的對比如圖4所示。

從圖4可以看出：校正后，模型在層流冷卻輥道的不同位置處溫度場的計算結果與實測值基本一致。這說明校正模型不但保證了對卷取溫度計算的準確性，同時也保證了對冷卻過程計算的準確性。

2.2相變模型校正

高強鋼的合金元素如表1所示。對帶鋼取樣進行動態CCT實驗，得到該鋼種的動態CCT曲線，不同冷速下的CCT曲線如圖5所示，其中，TA為奧氏體臨界轉變溫度；TM為馬氏體臨界轉變溫度。從圖5可以看出：該鋼種主要的相變產物為鐵素體，當冷速大于3℃/s時，相變產物為鐵素體和貝氏體；當冷速小于3℃/s時，相變產物為鐵素體和珠光體。不同的冷速下各組織的相變開始溫度和終止溫度不同。

根據CCT實驗結果，編寫相變子程序。將各組織的相變開始溫度和相變終止溫度進行插值，得到不同冷速下的各種相變的相變開始溫度和相變終止溫度，并寫入子程序，以判斷帶鋼是否發生相變，以及相變產物。計算過程中模型將參考CCT曲線，判斷何時發生相變以及發生相變時的相變產物。

2.3應力場模型校正

根據浪形判定理論，帶鋼波浪缺陷是內應力的外在表現：若帶鋼應力狀態為邊部壓應力、中部拉應力，則帶鋼板形為邊浪或者為邊浪趨勢；若為邊部拉應力、中部壓應力，則帶鋼板形為中浪或中浪趨勢。計算出帶鋼縱向應力在寬度方向的分布，即可預測帶鋼板形。為防止應力釋放，采用冷切方法現場取樣，并在取樣前未經過任何變形，取樣長度為1 000 mm。測量之前對帶鋼進行酸洗，并且進行電解拋光。使用X線應力分析儀進行殘余應力測試以驗證模型對應力計算精度。圖6所示為帶鋼長度方向的應力在橫向的分布，正值表示拉應力，負值表示壓應力。從圖6可以看出：初始板形良好的帶鋼經過層流冷卻之后殘余應力分布變為中部拉應力、邊部壓應力，即帶鋼板形為邊浪或邊浪趨勢。

對比模型的計算值和測量值可見：應力分布形式基本一致，大小略有不同，誤差在可接受的范圍之內。對比結果表明，有限元模型對應力的計算具有較高精度。

3工藝改進效果分析

為研究不同的冷卻工藝對帶鋼殘余應力的影響，在校驗模型的基礎上，修改邊界條件和初始條件，建立幾種冷卻工藝對應的有限元模型。

3.1邊部遮擋

在層流冷卻工序中對冷卻水邊部遮擋是目前應用較多的一種控制帶鋼軋后板形的技術。實施方法為在層流冷卻集管的下方增加設備，施加遮擋，阻止冷卻水到達帶鋼邊部。對應的有限元模型通過修改模型邊部的對流換熱系數，使邊部對流換熱效率大幅減小，得到新的有限模型。設置不同邊部對流換熱系數，對應不同寬度的遮擋量，計算不同遮擋量對帶鋼殘余應力的影響。模型采用的遮擋量分別為200 mm和300 mm。將不同遮擋量模型的計算結果與不遮擋的模型計算結果進行對比。

當帶鋼邊部遮擋200 mm時，層流冷卻結束后其邊部溫降從原來的80℃減小為30℃；當遮擋300 mm時，出現類似“貓耳”形的溫度分布，靠近邊部位置的溫差大于中部位置的溫度。3種工況對應的殘余應力如圖8所示。

從圖8可以看出，寬度為1 200 mm的帶鋼采用邊部遮擋200 mm后，殘余應力減小33.20 MPa，而遮擋300 mm時，殘余應力增大26.68 MPa。計算結果表明，使用邊部遮擋技術，可以減小帶鋼邊部殘余應力，減少帶鋼邊浪缺陷，但需根據帶鋼寬度規格設定適當遮擋量，遮擋量過大，反而會增大帶鋼邊部殘余應力，使帶鋼板形向更大邊浪趨勢發展。

3.2冷卻方式

帶鋼冷卻方式主要包含冷卻強度和冷卻時序。通過調整集管開閉的密度來調整冷卻強度，包括密集冷卻和稀疏冷卻2種方式。冷卻時序包括前段冷卻和后段冷卻，通過調整冷卻水開閥的位置來控制。目前使用的冷卻方法為前段密集型快速冷卻，即基礎工況模型所對應的冷卻方式。為對比不同冷卻方式對帶鋼殘余應力的影響，修改基礎工況邊界條件，建立稀疏冷卻和后段冷卻的模型。層流冷卻結束后帶鋼殘余應力分布如圖9所示。

由圖9可知：采用稀疏冷卻和后段冷卻2種工藝，均能減小帶鋼殘余應力，即2種工藝均能減小帶鋼邊浪。其中，采用稀疏冷卻的帶鋼殘余應力減小45.22 MPa，采用后段冷卻的帶鋼殘余應力減小24.24 MPa?？梢姡合∈枥鋮s工藝對于減小邊浪的效果強于后段冷卻工藝。

3.3初始溫差

初始溫差指熱軋帶鋼進入層冷輥道時，帶鋼中部和邊部的溫差。為對比不同的初始溫差對殘余應力的影響，建立不同初始橫向溫度分布的有限元模型，模型的初始橫向溫差分別設置為30，80(基礎工況)，120℃，模型其他條件與基礎工況相同。

對于初始溫差為30℃的帶鋼，當層流冷卻結束時，帶鋼邊部的殘余應力，比基礎工況減小97.29 MPa；而當初始溫差為120℃時，殘余應力比基礎工況的大。說明帶鋼進入層流冷卻時的橫向溫差對帶鋼的殘余應力影響較大。

3.4不同工藝效果對比

各種工藝在參數設置合理的情況下，對減小帶鋼殘余應力均有一定的效果。根據計算結果，將4種工藝進行比較，其結果如表2所示。

從表2可以看出：降低帶鋼初始溫差對減小帶鋼層流冷卻階段產生的殘余應力效果最好。4種工藝對減小帶鋼殘余應力的效果從大到小依次為：降低初始溫差、稀疏冷卻、邊部遮擋、后段冷卻。

在現場，根據計算結果，采用多種優化工藝共同作用以減小帶鋼殘余應力。優化工藝實施后，在平整線跟蹤203卷帶鋼，其中出現邊浪缺陷的帶鋼比例約為2.96%，比優化工藝實施前的11.54%大大減少，說明優化手段效果明顯。

4結論

1)對于初始無殘余應力的帶鋼，經層流冷卻后，帶鋼寬度方向的應力分布形式為：邊部壓應力較大，中部拉應力較小。即帶鋼在層流冷卻過程中，板形有向邊浪缺陷發展的趨勢。

2)采用邊部遮擋工藝時，遮擋的寬度需根據帶鋼寬度以及現場情況合理的制定，遮擋量過大反而會增大帶鋼的邊部的壓應力，使帶鋼板形向更大浪形發展。

3)邊部遮擋、稀疏冷卻、后段冷卻、降低初始溫差對減小帶鋼邊部殘余應力均有一定效果，即均能減小帶鋼邊浪。其中減小帶鋼進入層流冷卻時寬度方向的初始溫差效果最好，各種冷卻工藝的效果從大到小依次為：降低初始溫差、稀疏冷卻、邊部遮擋、后段冷卻。