CSP工艺生产含铌X60管线钢轧制过程中的动态再结晶特性

，刘雅政1，何建中1,2，李扬1，常大勇11北京科技大学材料科学与工程学院2包钢集团技术中心E-mail：[e-mail]摘要：包钢在利用CSP工艺生产X60管线钢时，解决了困扰该工艺轧制微合金钢已久的混晶问题，实现了工业化生产。本文利用Gleeble-1500热模拟试验机对含铌X60管线钢在CSP工艺生产过程中的变形进行了模拟研究。通过双道次和单道次实验，分别得出了轧制过程中道次间的残余应变情况，以及各道次的动态再结晶特性。关键词：CSP工艺X60管线钢动态再结晶动态再结晶，是材料塑性变形时动态软化及晶粒细化的主要手段之一，对改善组织、消除缺陷、提高性能有着重要意义。鉴于奥氏体再结晶过程在控制轧制中的重要地位，很多研究者对不同钢种的再结晶特性进行了研究[1~3]。薄板坯连铸连轧CSP技术于1986年由德国SMS公司试验成功，是上世纪钢铁工业最重要的革命性技术之一。与传统流程相比较，CSP工艺在下列几方面表现出明显的区别[4,5]：（1）铸坯组织没有经过γ→α和α→γ两次相变过程，其原始奥氏体晶粒较大；（2）薄板坯连铸后直接装炉，与冷却再加热铸坯相比，合金元素往往处于过饱和状态；（3）轧制工艺参数区别较大，如总的压缩比低、道次变形量大、变形温度相对低。以上这些因素导致CSP工艺下原始奥氏体表现出不同的物理冶金行为。因此，研究CSP工艺下的奥氏体再结晶行为对开发配套生产工艺具有重要的意义。本文利用Gleeble-1500热模拟试验机进行模拟实验，研究了轧制过程中道次间的残余应变情况，以及各道次的动态再结晶特性。1实验材料及方法实验用料取自包钢CSP机组67mm厚的X60管线钢连铸坯，其化学成分见表1。按实验要求，将坯料切割后加工成Φ8×20mm的圆柱形试样，并把两端面打磨光滑，减少不均匀变形。表1X60管线钢的主要化学成分（wt%）Table1PrimarycompositionofX60pipelinesteel(wt%)CSiMnPSNb0.06~0.080.26~0.331.24~1.400.008~0.0150.003~0.0120.020~0.055热模拟实验中，由于受实验设备的限制，为尽可能模拟现场轧制时奥氏体的再结晶情况，采用了使热模拟实验中原始奥氏体晶粒尺寸尽量接近取自现场均热炉后的水淬连铸坯，这就需要选取合适的加热温度。1.1加热温度的制订利用Gleeble-1500热模拟试验机，将试样分别加热到1150℃、1200℃、1250℃、1300℃和1350℃，保温6min后迅速水淬至室温。截取试样的横截面，连同在均热炉后取的连铸坯一起，经研磨、机械抛光后，用过饱和苦味酸水溶液，在65℃热浸蚀5～10min，进行原始奥氏体组织观察，并利用Image-tool软件测量其晶粒大小。结果表明，试样加热到1300℃保温6min后，其奥氏1本课题得到中信-CBMM铌钢研究与开发项目(2003RMJS-KY003)的资助。-1-体晶粒尺寸（171µm）与现场连铸坯奥氏体晶粒尺寸（173µm）基本一致。原始奥氏体晶粒尺寸随加热温度变化关系如图1所示。1.2实验方法首先，研究轧制时道次间的软化行为及残余应变，确定各道次的实际应变：试样以20/s℃加热到1300℃，保温6min，得到均匀的奥氏体化组织，然后以5/s℃冷却至变形温度，保温30s。依据现场各道次的变形条件，确定模拟实验的变形参数（如表2所示），按照图2所示的示意图，在Gleeble-1500热模拟试验机上进行双道次压缩变形，记录应力－应变曲线。第二：研究实际轧制过程中各道次的再结晶状况：试样的热历史与双道次实验相同，以F1～F4道次的变形温度和变形速率为条件（如表3所示），对其进行单道次压缩模拟实验，变形量为70%。记录应力－应变曲线，并将试样水淬保留高温奥氏体组织。1150120012501300135020406080100120140160180200220173μm现场连铸坯197μm171μm85μm40μm26μm奥氏体晶粒尺寸，μm温度,℃图1奥氏体晶粒尺寸随加热温度变化关系Fig.1Thegrainsizeofausteniteasafunctionofthereheatingtemperature(soakingtimeof6min)图2双道次压缩实验示意图Fig.2Schematicdiagramofdouble-hitcompression表2双道次压缩实验数据Table2Testdataofdouble-hitcompression变形程度试样号变形温度t/℃变形速率1/sε−&ε1ε2间隔时间τ/s第一道次屈服极限σy1/MPa第一道次变形抗力σm1/MPa第二道次屈服极限σy2/MPa残余应变率λ1102060.510.561055.5158.270.10.1422102060.580.561051.4175.877.80.2123990100.510.42673.718994.10.1774950150.510.29456.2199.71320.5285920200.510.22387.1236.8207.40.8046890200.510.162.581235.4209.30.8317990100.690.42677.7192.984.60.0608950150.690.29457.6199.21110.3779920200.690.22362.8221.21370.46810890200.690.162.565.3224.1193.40.80711990100.820.42662.1182.673.80.09712950150.920.29469.72081210.37113920200.920.22352.7203.1129.70.51214890200.920.162.562.3231.9186.80.7341300℃×360s温度，℃ε1τε25℃/s保温30s后变形20℃/s时间，s-2-ε−&≥2≥5≥9≥13T/℃≥1040≥1000≥960≥9402实验结果与分析2.1残余应变率模型的回归计算表2中试样2在其变形条件下双道次压缩所获得的应力－应变曲线如图3所示。这里，引入残余应变率λi的概念，定义为λi=∆εi/εi-1实，0≤λ≤1。λ＝1时对应于软化率Xs＝0；λ＝0对应于Xs＝1，即变形后道次间隔时间内完全软化。λ的计算式可写为：()()2111yymyλσσσσ=−−（1）式中：σm1——第一道次卸载前所对应的应力；σ1、σ2——第一、第二道次的屈服应力。残余应变率λ与钢的成分、预变形程度、轧制道次的间隔时间及轧制温度有关，根据道次间位错恢复过程而求得的λ的关系式如下[6]：()()()2112211expexpccccQRTcλετε=+−−（2）式中：ε1——预变形量；τ——道次间隔时间，s；T——变形温度，K；R——气体常数，J/(mol·K)；c1,c2,Q——同钢的化学成分有关的常数与有效激活能。根据双道次变形实验获得的14组数据，按照式（2），采用带阻尼的高斯－牛顿法回归，得到c1=1.20×1013,c2=-9.01×1011,Q=309KJ/mol.2.2道次间残余应变及各道次实际应变的确定钢在热连轧过程中残余应变效应比较明显。轧制中的各道次实际应变不等于道次应变，还应包括前面各道次遗留下来的残余应变∆ε，即：1iiiiiiεεεελε−+∆=+实实＝（3）式中：εi——第i道次应变；∆εi——累积到第i道次的残余应变；λi——第i道次残余应变率。将现场各道次的变形条件代入式（2），结合式（3），则可求得λ2~λ6分别为0.133，0.195，0.434，0.680，0.832，进而得出F1～F6各道次的实际应变分别为0.587，0.633，0.543，0.541，0.599，0.650。2.3模拟道次压缩变形实验结果及分析2.3.1应力－应变曲线分析模拟现场F1～F4道次压缩的应力－应变曲线如图4所示。-3-=1020℃ε1=0.58dε/dt=6s-1τ=10sσm1σy2σy1真应力σ,MPa真应变ε0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1020406080100120140160180200220F3F1F2F4真应力σ,MPa真应变ε图3双道次压缩实验应力－应变曲线Fig.3Stress-straincurvesobtainedfromdouble-hitcompression图4F1～F4条件下单道次变形的应力－应变曲线Fig.4Stress-straincurvesobtainedfromsingle-hitcompressionundertheconditionsofF1~F4由图4可看出：模拟F1、F2轧制时，应力－应变曲线出现了峰值，表明材料发生了动态再结晶。对应的峰值应变εp分别是0.5811和0.6567，取εc＝0.83εp，则各自的动态再结晶起始应变εc为0.4823和0.5451。随后，随着应变的增加，应力水平下降，继而出现应力平台（εs分别为0.8569和0.8936），材料在变形过程中完成了动态再结晶。而在模拟F3、F4轧制时，应力持续增加，没有出现峰值，说明材料一直处于加工硬化状态，没能发生动态再结晶。文献[7]中指出了发生奥氏体动态再结晶的基本条件：（1）需要一定数量级别形变位错密度的变形储能，用于动态再结晶所需的形核功，因此需要相对较低的变形温度，但是不能过低，否则不能发生动态再结晶形核；（2）发生动态再结晶的形核需要一定的孕育期，长大需要一定的时间，因此需要一定数量级别的应变速率，但是不能过高。与F3、F4相比，在F5、F6道次轧制时，由于变形温度更低，变形速率更高，所以，也不具备发生动态再结晶的条件。2.3.2不同条件下变形奥氏体微观组织的观察图5（a）、（b）显示了在F1、F2道次的变形条件下，分别以各自的实际应变ε压缩变形后的奥氏体微观组织。从中可看出，组织中都有细小的再结晶晶粒及被拉长的未再结晶晶粒，说明变形奥氏体发生部分动态再结晶。这也证明了由应力－应变曲线得出的结论。图5（c）、（d）显示了在F3、F4的变形温度及变形速率下，变形70%后的奥氏体微观组织。可以看出奥氏体晶粒被显著拉长，变形奥氏体周围并未出现细小晶粒，从而证实了从应力－应变曲线得出的在F3、F4变形条件下压缩70%未能发生奥氏体再结晶的结论。进而可以判断，在F3、F4的变形条件下，以其实际应变（分别为0.543，0.541）发生变形，更不会发生动态再结晶现象。-4-~F4条件下变形后的奥氏体组织（F3,F4变形70%）（a）F1;（b）F2;（c）F3;（d）F4Fig.5MicrostructuresafterdeformedundertheconditionsofF1~F4(deformedto70%inF3,F4)3.结论（1）现场均热炉后X60管线钢连铸坯的原始奥氏体晶粒尺寸约为173µm。这与在1300℃保温6min后的奥氏体晶粒尺寸（171µm）基本一致。（2）现场轧制过程中第一、二道次变形后的残余应变率分别为0.133，0.195，可见道次间软化率比较高，均超过80%。后续机架处于未再结晶区，道次间软化率低，第六机架的累积应变超过0.65。（3）采