通过工业试验，研究了分段冷却工艺对C-Mn钢中板带状组织的影响，分析了带状组织的产生机理。研究结果表明;在相同的控制轧制工艺下，与空冷工艺相比，采用后段冷却为主的冷却工艺可使试验钢的带状组织由4级降至3级;采用前段冷却为主的冷却工艺可使试验钢的带状组织降至1.5级;随着前段冷却强度的增加，板材的带状组织减弱。
1 前言
在普通C-Mn钢中厚板热轧生产中，由于连铸坯中存在Mn的枝晶偏析和中心偏析，因此极易产生带状组织。其对板材性能的影响一直成为困扰中厚板生产的重要问题。为此，对在奥氏体低温区通过形变诱导铁素体相变(DIFT)和动态再结晶来细化晶粒[1-3]，并采用控制冷却生产超级钢的工艺进行了广泛研究。但这种强烈塑性变形的应变值较大，在生产设备能力有限的情况下应用会受到限制，在所生产的C-Mn钢中，仅靠控制轧制工艺也不能很好地解决带状组织问题。
目前，针对开冷温度、终冷温度和冷却速度对钢板带状组织的影响问题已进行了较深入的研究[4-8]，但在实际生产过程中，为保证对冷却参数的控制精度，自动控制冷却系统经常采用分段式的冷却方式，即将冷却区分为前、后两段，轧后钢板先进人控冷区前段冷却，然后空冷一段时间，再进入后段冷却区水冷至终冷温度。这种冷却方式使钢板通过变化的冷却强度进行冷却，对钢板的相变过程影响较复杂，无法采用文献[4，6]所确定的冷却速度计算公式得到较优的控制带状组织的冷却参数。故需对控制冷却过程中分段冷却方式对钢板组织的影响进行研究。本文结合鞍钢集团公司中板厂的生产实际情况，研究了在相同的轧制条件下，不同的冷却方式对钢板带状组织的影响，为生产工艺的制定提供依据。
2试验材料和试验方法
2.1试验材料及轧制工艺
试验坯料为230mm×1550mm×1500mm连铸坯，在二辊一四辊中板轧机上进行轧制，成品厚度为12mm。其化学成分如表1所示。
常温下的带状组织分为2种：一是铁素体和珠光体的分层组织;二是含锰钢中锰与硫形成的MnS夹杂物在轧制时沿轧向延伸形成的带状组织[8]。国家标准(GB/T 13299—91)规定了第1种带状组织的分级标准，共分6个级别，5级为最严重，本文主要对珠光体带状组织进行研究。
考虑到成分相似，文献[9]根据热模拟试验结果认为，合适的再结晶控轧温度在920℃以上，最好在960℃以上结束再结晶轧制过程;未再结晶控制轧制应在850℃到Ar3之间进行。根据现场生产设备的能力，不适合采用未再结晶区大压下后加速冷却的工艺。考虑到鞍钢中板厂轧机能力及设备布置为二辊一四辊纵列式，为了不影响轧机的产量，拟采用两阶段再结晶区轧制。轧件通过二辊轧机经高温再结晶区轧制后，在传送辊道摆动进行冷却。为此，确定试验工艺：钢坯加热温度(炉气温度)为1250℃，均热段温度(炉气温度)为1200 oC，均热时间为180min;粗轧温度为1100～1050℃，道次压下率大于8%;轧件在传送辊道上摆动降温，待温钢板厚度为30mm;四辊轧机的开轧温度控制在(950±10)oC，后两道次在未结晶区轧制，终轧温度控制在(830±10)℃，平均压下率大于7%，总压下率为60%。
2.2轧后控制冷却试验
鞍钢中板厂设有轧后层流喷水冷却装置，冷却辊道的上、下方分别布置22组冷却集管，其中前冷却段为粗冷段，有12组集管;后冷却段为精冷段，有10组集管，下、上集管的水量比为3.5。在生产过程中，通过控制冷却程序控制水流量和开启不同的冷却集管来实现对终冷温度的控制。
在冷却试验中，同时使用前段的部分集管和后段的集管对试验钢进行冷却，通过开启不同的集管以及调整各集管水量大小的方式，即采用前段冷却为主(方案I)和后段冷却为主(方案Ⅱ)2种方式进行冷却，以研究不同冷却方式对试验钢带状组织的影响。使用方案I时，主要开启1～5号和13～15号集管;使用方案Ⅱ时，主要开启1号和13～16号集管。由于自动控制冷却系统主要控制终冷温度，故不能完全按试验方案对集管进行控制。控制冷却的工艺制度如表2所示。考虑到工厂正常生产12mm厚钢板时采用空冷方式冷却，故1号试验钢采用空冷方式进行冷却。
2.3微观组织检验
试验后在试验钢中部取样。用Leica原装图像分析系统进行金相组织分析。
3试验结果
表3列出了试验钢实测控制冷却参数以及在不同冷却条件下的带状组织级别。不同工艺条件下对应试验钢的金相组织如图1所示。
从表3可以看出，开冷温度的提高和采用以前段冷却为主的方式进行冷却有利于试验钢带状组织级别的降低。
从图1可看出，试验钢典型的显微组织由铁素体和珠光体组成，组织的形貌由冷却制度决定。在830℃终轧后进行空冷，其组织主要由多边形铁素体和珠光体组成，采用直线截点法测得平均晶粒尺寸为13.3μm左右，显微组织呈现严重的带状组织，带状组织级别为4级，见图1a。终轧后采用后段为主的冷却方式时，其组织得到一定程度的细化，铁素体形状的不规则化使得带状的分布和程度有所减轻，测得平均晶粒尺寸为12.6μm左右，带状组织为3级，见图1b。终轧后采用前段为主的冷却方式时，铁素体形状改变并产生少量贝氏体。试验钢的带状程度减轻，其晶粒进一步被细化，测得平均晶粒尺寸为10.6μm左右，带状组织为2级，见图1c。
4分析
4.1带状组织的形成原因
带状组织产生的根本原因是连铸坯在凝固过程中钢中元素产生的枝晶偏析。亚共析钢从奥氏体状态冷却时，发生奥氏体向铁素体+珠光体转变，当温度降至Ar3点时先共析铁素体开始析出，当冷却到Ar1时才开始形成珠光体。显然，若钢中各个区域的Ar3点温度相同，钢材内部可同时形成先共析铁素体，就不会形成带状组织。但在生产中连铸坯加热时，C作为间隙固溶原子易在奥氏体内部扩散分布较均匀，而对Ar3点温度影响较大的置换固溶原子Mn、Si等均匀化较困难，仍处于枝晶偏析状态，导致先共析铁素体产生的不同时性：Ar3点温度较高的带内优先形成先共析铁素体，而Ar3点温度较低的部位自然后转变，由于富碳而形成珠光体。这样，就形成了铁素体一珠光体带状组织。但是，随着控轧控冷技术的发展和应用，生产现场通过采用控制生产工艺参数尤其是控制冷却工艺参数的方法，可以减轻甚至消除带状组织。
4.2冷却工艺对试验钢带状组织的影响
由于中厚板生产时终轧温度较高，道次间易发生静态再结晶，有可能处于部分再结晶区形成混晶，因而钢板轧后到水冷段的运行时间较长(温降约70℃)。运行时间越长，材料在奥氏体区的软化率越高，降低了板材储存的热变形能，不利于减小不同带状区间的相变开始温度，从而不能有效减轻带状组织。故应尽量减少精轧终轧温度至开冷温度的温降。从本试验可以看出，开冷温度的提高有利于减轻钢板的带状组织。
当采用分段冷却工艺对试验钢进行冷却时，除开冷和终冷温度外，冷却的分段方式对钢板的带状组织性能影响很大。采用方案Ⅱ冷却方式与方案I相比，前段冷却强度增大，会使铁素体开始转变温度降低，形核率增加，促进铁素体形核，对C在钢中的扩散起到抑制作用，阻碍了铁素体晶粒的各向同性长大，因而铁素体转变将选择界面能小，应变能也小的方式进行。铁素体晶粒与奥氏体晶粒以一定关系的半共格截面向晶内推进，形成的铁素体不再为等轴状。这种铁素体形态的改变“切开”了奥氏体晶粒，使珠光体无法成为长且连续的条带，进而减弱带状组织。但是，如果前段冷却强度过大，在锰的偏析严重时，高的锰含量将导致CCT曲线严重右移，使奥氏体直接进行中温或低温转变，在钢材中出现贝氏体甚至马氏体组织，对钢材的综合性能会产生不利影响。
5 结论
(1)将轧后开始冷却温度提高至770℃，则有利于保存钢板中的热变形能，抑制晶粒长大，减轻不同带状区间的Ar3温度差，进而可在一定程度上减轻带状组织。
(2)采用前段冷却为主的控制冷却方式能细化铁素体晶粒，改变铁素体形态。当前段冷却强度增大时，有利于减轻带状组织，带状级别可降低至2级以下。
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