武继权  郭冲

（广东广青金属压延有限公司 广东 阳江 529500)

摘要：针对不锈钢热轧带钢层流冷却过程中冷却均匀性差、终冷温度控制精度低、组织性能波动大等问题，以 304 奥氏体不锈钢和 430 铁素体不锈钢为研究对象，通过单因素实验与正交实验，系统分析冷却速度、终冷温度、集管水量分配对带钢显微组织、力学性能及板形质量的影响规律。基于实验结果优化工艺参数，开发分层控冷策略，并在某钢厂 1780mm 热轧生产线应用。结果表明：优化后 304 不锈钢终冷温度控制精度提升至 ±5℃，屈服强度波动范围缩小至 15MPa 内，板形缺陷率下降 42%；430 不锈钢铁素体晶粒尺寸均匀性提升 35%，抗拉强度达标率提高至 98.5%。该研究为不锈钢热轧层流冷却工艺的精准控制提供了技术支撑。

关键词：热轧不锈钢；层流冷却；终冷温度；组织性能；板形控制

1    引言

不锈钢热轧带钢作为高端装备制造、食品机械、新能源等领域的关键材料，其力学性能与尺寸精度依赖于轧制后冷却过程的精准控制^[1-2]。层流冷却因冷却效率高、成本低等优势，成为不锈钢热轧的核心冷却方式，但不锈钢特殊的相变特性（如奥氏体不锈钢无明显相变、铁素体不锈钢易出现晶粒粗化）使其对冷却工艺更为敏感：①冷却均匀性问题：带钢边部与中部冷却速度差异易导致 “边部过冷”，引发翘曲、波浪等板形缺陷，尤其 430 铁素体不锈钢在 800-900℃区间冷却不均时，易产生带状组织^[3-5]；②终冷温度控制难：304 奥氏体不锈钢终冷温度需稳定在 550-650℃以避免残余应力集中，传统冷却系统控制精度仅 ±15℃，导致强度波动超 30MPa；③工艺适配性差：现有层流冷却参数多基于碳钢设计，未考虑不锈钢导热系数低（约为碳钢的 1/3）、比热容大的特性，易出现冷却不足或过度冷却^[6-7]。本文通过实验研究与工业验证，明确不锈钢层流冷却的关键影响因素，优化工艺参数与设备控制逻辑，解决上述技术痛点，提升不锈钢热轧带钢的质量稳定性。

2    不锈钢层流冷却工艺原理

2.1 冷却介质与传热机制

不锈钢层流冷却采用 “水 - 空气” 双介质冷却，冷却水通过上下集管形成层流束冲击带钢表面，传热过程分为三个阶段：①膜态沸腾阶段：带钢表面温度＞300℃时，表面形成蒸汽膜，传热系数较低（约 500-800W/(m²・K)）；②核态沸腾阶段：温度降至 150-300℃，蒸汽膜破裂，冷却水直接接触带钢，传热系数达 1500-2500W/(m²・K)，为主要冷却阶段；③对流换热阶段：温度＜150℃，以对流换热为主，传热系数随温度降低逐渐下降。与碳钢相比，不锈钢的低导热系数导致核态沸腾阶段持续时间延长约 20%，需通过调整集管水量与间距适配其传热特性。

2.2 关键工艺参数

不锈钢层流冷却的核心控制参数及影响如表 1 所示。

表1 不锈钢层流冷却的核心控制参数及影响

3    实验设计与方法

3.1 实验材料

选用工业生产中常用的两种不锈钢牌号，化学成分如表 2 所示，实验试样取自热轧终轧后带钢，尺寸为 150mm×100mm×6mm（长 × 宽 × 厚），终轧温度统一控制为 1050℃（304）、1000℃（430）。

表2 两种不锈钢牌号化学成分

3.2 实验设备与方案

(1) 实验设备

采用实验室模拟层流冷却系统，包含可调速输送带（0.5-4m/s）、分层集管（上下各 8 组）、红外测温仪（精度 ±2℃）、硬度计（HV-1000）、金相显微镜（BX53M）。

(2) 实验方案

采用正交实验设计，以冷却速度（A）、终冷温度（B）、集管水量分配（C）为变量，每个变量设 3 个水平，共 9 组实验，如表 3 所示；以硬度、抗拉强度、晶粒尺寸均匀性、板形偏差为评价指标。

表 3 正交实验因素与水平表

3.3 检测方法

(1) 力学性能：

按 GB/T 228.1-2021 进行拉伸试验，每组取 3 个试样，取平均值；采用维氏硬度计测试表面硬度，载荷 1000g，保压 10s，每试样测 5 点。

(2) 显微组织：

试样经打磨、抛光后，304 用王水腐蚀，430 用盐酸 - 硝酸溶液腐蚀，通过金相显微镜观察晶粒形态，用 Image-Pro Plus 软件统计晶粒尺寸均匀性（变异系数 CV，CV 越小越均匀）。

(3) 板形检测：

采用激光板形仪测量带钢横向翘曲度，偏差＞5mm/m 判定为板形缺陷。

4    实验结果与分析

4.1 冷却参数对 304 奥氏体不锈钢的影响

304 不锈钢无固态相变，冷却参数主要影响残余应力与力学性能，实验结果如表 4 所示，由表 4 可知：①冷却速度影响：随冷却速度从 10℃/s 提升至 20℃/s，屈服强度从 230-245MPa 增至 248-260MPa，因快速冷却抑制位错滑移，残余应力增加；但速度过快（＞20℃/s）易导致上下表面温差增大，板形偏差超 8mm/m；②终冷温度影响：终冷温度从 550℃升至 650℃，抗拉强度下降 30-40MPa，因高温下原子扩散能力增强，残余应力释放；但温度＞650℃时，带钢边部易氧化，表面质量下降；③水量比优化：上下水量比 1:1.2 时，板形偏差最小（2.1-3.8mm/m），因下表面受输送带支撑，需更高水量平衡冷却速度。综合可知，304 不锈钢最优参数为：冷却速度 15℃/s、终冷温度 600℃、水量比 1:1.2。

表 4 304 不锈钢正交实验结果

4.2 冷却参数对 430 铁素体不锈钢的影响

430 不锈钢冷却过程中易发生铁素体晶粒长大，实验结果如表 5 所示，分析表 5 可得：①晶粒尺寸控制：冷却速度从 10℃/s 增至 20℃/s，晶粒尺寸 CV 值从 0.35-0.50 降至 0.22-0.30，因快速冷却抑制晶粒长大，均匀性提升；但速度＞20℃/s 时，伸长率＜21%，韧性下降；②终冷温度影响：终冷温度 700℃时，抗拉强度最高（420-450MPa），因低温下晶粒细化；温度升至 800℃时，强度下降 15-30MPa，但伸长率提升 2-3%，需在强度与韧性间平衡；③板形优化：水量比 1:1.2 时，板形缺陷率最低（12-25%），与 304 不锈钢规律一致，但 430 对冷却不均更敏感，缺陷率整体高于 304。430 不锈钢最优参数为：冷却速度 20℃/s、终冷温度 700℃、水量比 1:1.2。

表 5 430 不锈钢正交实验结果

5    工业应用与优化

5.1 工艺优化方案

基于实验结果，在某钢厂 1780mm 热轧生产线实施以下优化：①分层控冷策略：将冷却段分为 3 个区域（前段：快速冷却；中段：精准控温；后段：均匀冷却），304 与 430 采用不同区域水量分配；②温度闭环控制：在冷却段增设 3 组红外测温仪，实时反馈终冷温度，通过 PID 算法调整集管水量，控制精度从 ±15℃提升至 ±5℃；③板形补偿控制：针对带钢边部冷却过快问题，在边部 200mm 范围内减少 15% 水量，中部增加 10% 水量，平衡横向冷却速度。

5.2 应用效果

优化后系统运行 3 个月，应用效果如表 6 所示，应用表明，优化后不锈钢带钢质量显著提升，304 屈服强度波动缩小，430 晶粒均匀性改善，板形缺陷率大幅下降，满足高端客户对不锈钢性能稳定性的需求。

表6 工业应用前后性能对比

6  结论

(1) 冷却速度、终冷温度、集管水量分配是影响不锈钢层流冷却质量的关键因素，304 与 430 不锈钢因组织特性不同，最优工艺参数存在差异：304 需平衡残余应力与板形（15℃/s、600℃），430 需优先控制晶粒长大（20℃/s、700℃）。

(2) 分层控冷与温度闭环控制可将终冷温度精度提升至 ±5℃，边部水量补偿策略能有效降低板形缺陷率。

(3) 工业应用后，不锈钢抗拉强度达标率超 98.5%，板形缺陷率下降 42% 以上，经济效益显著。

参考文献

[1]  许海涛,张明华,房绪金,等.轧钢层流冷却系统的优化及应用[J].山东冶金,2021,43(02):60-61.

[2]  梁爽,王碧,陈小龙,等.热轧不锈钢层流冷却装置工艺参数设计及配置[J].特钢技术,2020,26(04):56-59+48.

[3]  任来锁,张恒伟,李志平,等.泰钢1800mm复合型不锈钢热轧生产线工艺装备特点[J].轧钢,2014,31(05):29-33.

[4]  韦成贵,李志栋.热轧304不锈钢带表面亮斑缺陷的形成因素和预防工艺措施[J].特殊钢,2014,35(03):24-26.

[5]  马博,赵华国,洪冰.不锈钢热轧生产线工艺及设备配置分析[J].一重技术,2012,(06):5-8.

[6]  王明华,权芳民,孙文强,等.不锈钢热轧层流冷却过程的温度模拟[J].工业炉,2012,34(04):1-4.

[7]  林贵端,陈刚.酒钢不锈钢厂热轧层流冷却控制系统的数学模型[J].萍乡高等专科学校学报,2010,27(03):29-31.

[8]  汪谦.中板层流冷却系统下集管的工艺改进[J].现代冶金,2010,38(03):48-49.