武繼權  郭沖

（廣東廣青金屬壓延有限公司 廣東 陽江 529500)

摘要：針對不銹鋼熱軋帶鋼層流冷卻過程中冷卻均勻性差、終冷溫度控制精度低、組織性能波動大等問題，以 304 奧氏體不銹鋼和 430 鐵素體不銹鋼為研究對象，通過單因素實驗與正交實驗，系統分析冷卻速度、終冷溫度、集管水量分配對帶鋼顯微組織、力學性能及板形質量的影響規律?；趯嶒灲Y果優化工藝參數，開發分層控冷策略，并在某鋼廠 1780mm 熱軋生產線應用。結果表明：優化后 304 不銹鋼終冷溫度控制精度提升至 ±5℃，屈服強度波動范圍縮小至 15MPa 內，板形缺陷率下降 42%；430 不銹鋼鐵素體晶粒尺寸均勻性提升 35%，抗拉強度達標率提高至 98.5%。該研究為不銹鋼熱軋層流冷卻工藝的精準控制提供了技術支撐。

關鍵詞：熱軋不銹鋼；層流冷卻；終冷溫度；組織性能；板形控制

1    引言

不銹鋼熱軋帶鋼作為高端裝備制造、食品機械、新能源等領域的關鍵材料，其力學性能與尺寸精度依賴于軋制后冷卻過程的精準控制^[1-2]。層流冷卻因冷卻效率高、成本低等優勢，成為不銹鋼熱軋的核心冷卻方式，但不銹鋼特殊的相變特性（如奧氏體不銹鋼無明顯相變、鐵素體不銹鋼易出現晶粒粗化）使其對冷卻工藝更為敏感：①冷卻均勻性問題：帶鋼邊部與中部冷卻速度差異易導致 “邊部過冷”，引發翹曲、波浪等板形缺陷，尤其 430 鐵素體不銹鋼在 800-900℃區間冷卻不均時，易產生帶狀組織^[3-5]；②終冷溫度控制難：304 奧氏體不銹鋼終冷溫度需穩定在 550-650℃以避免殘余應力集中，傳統冷卻系統控制精度僅 ±15℃，導致強度波動超 30MPa；③工藝適配性差：現有層流冷卻參數多基于碳鋼設計，未考慮不銹鋼導熱系數低（約為碳鋼的 1/3）、比熱容大的特性，易出現冷卻不足或過度冷卻^[6-7]。本文通過實驗研究與工業驗證，明確不銹鋼層流冷卻的關鍵影響因素，優化工藝參數與設備控制邏輯，解決上述技術痛點，提升不銹鋼熱軋帶鋼的質量穩定性。

2    不銹鋼層流冷卻工藝原理

2.1 冷卻介質與傳熱機制

不銹鋼層流冷卻采用 “水 - 空氣” 雙介質冷卻，冷卻水通過上下集管形成層流束沖擊帶鋼表面，傳熱過程分為三個階段：①膜態沸騰階段：帶鋼表面溫度＞300℃時，表面形成蒸汽膜，傳熱系數較低（約 500-800W/(m²?K)）；②核態沸騰階段：溫度降至 150-300℃，蒸汽膜破裂，冷卻水直接接觸帶鋼，傳熱系數達 1500-2500W/(m²?K)，為主要冷卻階段；③對流換熱階段：溫度＜150℃，以對流換熱為主，傳熱系數隨溫度降低逐漸下降。與碳鋼相比，不銹鋼的低導熱系數導致核態沸騰階段持續時間延長約 20%，需通過調整集管水量與間距適配其傳熱特性。

2.2 關鍵工藝參數

不銹鋼層流冷卻的核心控制參數及影響如表 1 所示。

表1 不銹鋼層流冷卻的核心控制參數及影響

3    實驗設計與方法

3.1 實驗材料

選用工業生產中常用的兩種不銹鋼牌號，化學成分如表 2 所示，實驗試樣取自熱軋終軋后帶鋼，尺寸為 150mm×100mm×6mm（長 × 寬 × 厚），終軋溫度統一控制為 1050℃（304）、1000℃（430）。

表2 兩種不銹鋼牌號化學成分

3.2 實驗設備與方案

(1) 實驗設備

采用實驗室模擬層流冷卻系統，包含可調速輸送帶（0.5-4m/s）、分層集管（上下各 8 組）、紅外測溫儀（精度 ±2℃）、硬度計（HV-1000）、金相顯微鏡（BX53M）。

(2) 實驗方案

采用正交實驗設計，以冷卻速度（A）、終冷溫度（B）、集管水量分配（C）為變量，每個變量設 3 個水平，共 9 組實驗，如表 3 所示；以硬度、抗拉強度、晶粒尺寸均勻性、板形偏差為評價指標。

表 3 正交實驗因素與水平表

3.3 檢測方法

(1) 力學性能：

按 GB/T 228.1-2021 進行拉伸試驗，每組取 3 個試樣，取平均值；采用維氏硬度計測試表面硬度，載荷 1000g，保壓 10s，每試樣測 5 點。

(2) 顯微組織：

試樣經打磨、拋光后，304 用王水腐蝕，430 用鹽酸 - 硝酸溶液腐蝕，通過金相顯微鏡觀察晶粒形態，用 Image-Pro Plus 軟件統計晶粒尺寸均勻性（變異系數 CV，CV 越小越均勻）。

(3) 板形檢測：

采用激光板形儀測量帶鋼橫向翹曲度，偏差＞5mm/m 判定為板形缺陷。

4    實驗結果與分析

4.1 冷卻參數對 304 奧氏體不銹鋼的影響

304 不銹鋼無固態相變，冷卻參數主要影響殘余應力與力學性能，實驗結果如表 4 所示，由表 4 可知：①冷卻速度影響：隨冷卻速度從 10℃/s 提升至 20℃/s，屈服強度從 230-245MPa 增至 248-260MPa，因快速冷卻抑制位錯滑移，殘余應力增加；但速度過快（＞20℃/s）易導致上下表面溫差增大，板形偏差超 8mm/m；②終冷溫度影響：終冷溫度從 550℃升至 650℃，抗拉強度下降 30-40MPa，因高溫下原子擴散能力增強，殘余應力釋放；但溫度＞650℃時，帶鋼邊部易氧化，表面質量下降；③水量比優化：上下水量比 1:1.2 時，板形偏差最?。?.1-3.8mm/m），因下表面受輸送帶支撐，需更高水量平衡冷卻速度。綜合可知，304 不銹鋼最優參數為：冷卻速度 15℃/s、終冷溫度 600℃、水量比 1:1.2。

表 4 304 不銹鋼正交實驗結果

4.2 冷卻參數對 430 鐵素體不銹鋼的影響

430 不銹鋼冷卻過程中易發生鐵素體晶粒長大，實驗結果如表 5 所示，分析表 5 可得：①晶粒尺寸控制：冷卻速度從 10℃/s 增至 20℃/s，晶粒尺寸 CV 值從 0.35-0.50 降至 0.22-0.30，因快速冷卻抑制晶粒長大，均勻性提升；但速度＞20℃/s 時，伸長率＜21%，韌性下降；②終冷溫度影響：終冷溫度 700℃時，抗拉強度最高（420-450MPa），因低溫下晶粒細化；溫度升至 800℃時，強度下降 15-30MPa，但伸長率提升 2-3%，需在強度與韌性間平衡；③板形優化：水量比 1:1.2 時，板形缺陷率最低（12-25%），與 304 不銹鋼規律一致，但 430 對冷卻不均更敏感，缺陷率整體高于 304。430 不銹鋼最優參數為：冷卻速度 20℃/s、終冷溫度 700℃、水量比 1:1.2。

表 5 430 不銹鋼正交實驗結果

5    工業應用與優化

5.1 工藝優化方案

基于實驗結果，在某鋼廠 1780mm 熱軋生產線實施以下優化：①分層控冷策略：將冷卻段分為 3 個區域（前段：快速冷卻；中段：精準控溫；后段：均勻冷卻），304 與 430 采用不同區域水量分配；②溫度閉環控制：在冷卻段增設 3 組紅外測溫儀，實時反饋終冷溫度，通過 PID 算法調整集管水量，控制精度從 ±15℃提升至 ±5℃；③板形補償控制：針對帶鋼邊部冷卻過快問題，在邊部 200mm 范圍內減少 15% 水量，中部增加 10% 水量，平衡橫向冷卻速度。

5.2 應用效果

優化后系統運行 3 個月，應用效果如表 6 所示，應用表明，優化后不銹鋼帶鋼質量顯著提升，304 屈服強度波動縮小，430 晶粒均勻性改善，板形缺陷率大幅下降，滿足高端客戶對不銹鋼性能穩定性的需求。

表6 工業應用前后性能對比

6  結論

(1) 冷卻速度、終冷溫度、集管水量分配是影響不銹鋼層流冷卻質量的關鍵因素，304 與 430 不銹鋼因組織特性不同，最優工藝參數存在差異：304 需平衡殘余應力與板形（15℃/s、600℃），430 需優先控制晶粒長大（20℃/s、700℃）。

(2) 分層控冷與溫度閉環控制可將終冷溫度精度提升至 ±5℃，邊部水量補償策略能有效降低板形缺陷率。

(3) 工業應用后，不銹鋼抗拉強度達標率超 98.5%，板形缺陷率下降 42% 以上，經濟效益顯著。

參考文獻

[1]  許海濤,張明華,房緒金,等.軋鋼層流冷卻系統的優化及應用[J].山東冶金,2021,43(02):60-61.

[2]  梁爽,王碧,陳小龍,等.熱軋不銹鋼層流冷卻裝置工藝參數設計及配置[J].特鋼技術,2020,26(04):56-59+48.

[3]  任來鎖,張恒偉,李志平,等.泰鋼1800mm復合型不銹鋼熱軋生產線工藝裝備特點[J].軋鋼,2014,31(05):29-33.

[4]  韋成貴,李志棟.熱軋304不銹鋼帶表面亮斑缺陷的形成因素和預防工藝措施[J].特殊鋼,2014,35(03):24-26.

[5]  馬博,趙華國,洪冰.不銹鋼熱軋生產線工藝及設備配置分析[J].一重技術,2012,(06):5-8.

[6]  王明華,權芳民,孫文強,等.不銹鋼熱軋層流冷卻過程的溫度模擬[J].工業爐,2012,34(04):1-4.

[7]  林貴端,陳剛.酒鋼不銹鋼廠熱軋層流冷卻控制系統的數學模型[J].萍鄉高等專科學校學報,2010,27(03):29-31.

[8]  汪謙.中板層流冷卻系統下集管的工藝改進[J].現代冶金,2010,38(03):48-49.