1、基于有限元与热处理的 304 不锈钢热轧卷退火工艺研究方法杨永杰1，2（1.太原钢铁（集团）有限公司先进不锈钢材料国家重点实验室，山西太原03003；2.山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，山西太原030003）摘要：通过对 304 不锈钢退火工艺进行研究，总结出一种对退火工艺进行综合判定的方法。首先，进行不同温度、不同时间的热处理实验，退火试样通过硬度、晶粒度、抗拉强度对退火工艺做出初步判定。其次，运用有限元模拟热处理过程，结合退火初步判定，综合确定试样的有效退火时间。最后，针对现场产线的实际退火过程，运用有限元模拟评价工艺改进前与改进后的有效退火时间，并结合产线产出 304 不锈钢抗拉强度
2、的变化说明此研究方法的有效性。关键词：不锈钢；退火工艺；有限元中图分类号：TG165.1文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0011-040引言山西太钢不锈钢股份有限公司（全文简称太钢）是中国特大型钢铁联合企业和全球最大、工艺技术装备水平最高、品种规格最全的不锈钢企业。2009 年、2010 年连续两年不锈钢产量居世界第一。304 不锈钢奥氏体不锈钢以其优良的力学加工性能、强度高和良好的耐蚀性，广泛地运用于厨具、家电等行业。热轧卷需经过热线退火，是消除加工硬化、均匀化组织的过程，通过控制合适的退火温度与时间，最终可以使热轧卷得到理想的力学性能1，2，3。1实验方案1.1
3、相图计算典型 304 不锈钢成分如表 1，根据此成分运用热力学算出 304 不锈钢相，见图 1。根据图 1 选取 304 不锈钢退火实验温度范围为9001 200，此温度范围为单相奥氏体相区。1.2304 不锈钢钢热处理实验首先，选取 8.0 mm 厚 304 不锈钢钢，按表 2 中的温度与时间做退火实验。通过以上实验，分析退火时间与温度对硬度、晶粒度的影响。其次，由于产线使用的退火温度为 1 140，因此对 1 140 下 4.0 mm 厚 304 不锈钢的退火实验，进行对比（见表 3）。针对 8.0 mm 与 4.0 mm 厚 1 140 退火的 304 不锈钢，对比分析抗拉强度与晶粒度的
4、趋势，分析有效退火区间。1.3304 不锈钢有限元模拟建立有限元模型，退火炉高 1.5 m，宽 2.5 m；钢板宽度 2.0 m，厚度 8.0 mm（4.0 mm）。首先，模拟钢卷直接放入炉温 1 140 后，不同厚度板的升温曲线。其次，模拟产线不同钢板厚度、不同工艺速度下的升温收稿日期：2022-12-29作者简介：杨永杰（1982），男，山西代县人，硕士，毕业于中南大学，副研究员，从事轧钢有限元与热力学数值模拟、工业大数据分析工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/t
5、f.2023.05.005表 1304 不锈钢成分%w（Fe）w（Cr）w（Ni）w（Mn）w（Si）w（C）70.5618.59.01.30.60.04图 1304 不锈钢相图表 28.0 mm 厚 304 不锈钢退火实验方案温度/退火时间/s1 2002402602803003203601 1602402602803003203601 1402402602803003203601 1202402602803003203601 0802702903103303503701 0402803003203403603801 0002903103303503703909003003604204805
6、40600表 34.0 mm 厚 304 不锈钢对比退火实验方案厚度/mm温度/退火时间/s4.01 14060801001201401601802002202401009080706050403020100相分数（质量分数）/%3004005006007008009001 000 1 100 1 200 1 300 1 400 1 500温度/试（实）验研究山西冶金E-mail:第 46 卷不同退火时间的实验硬度（HB）240 s260 s280 s300 s320 s360 s81767878.58087.58686.58685851 080270 s290 s310 s330 s350
7、s370 s87.587.586878986.51 040280 s300 s320 s340 s360 s380 s88.58987.58887.5851 000290 s310 s330 s350 s370 s390 s9089889087.588.5900300 s360 s420 s480 s540 s600 s91899089.59089未退火91温度/1 2001 160240 s260 s280 s300 s320 s360 s84848283.58581.51 140240 s260 s280 s300 s320 s360 s8586878687821 120240 s260
8、s280 s300 s320 s360 s图 48.0 mm 厚 304 不锈钢退火晶粒度结果曲线5-6。最后结合升温曲线与前述有效退火区间，确定不同厚度 304 不锈钢的退火工艺，304 不锈钢产线炉区长度如表 4，有限元模型如图 2。2结果与讨论2.1热处理实验结果与讨论（见表 5）2.1.1热处理实验结果从图 3 中不同温度的硬度曲线看，可以分成四类：1 200 时 240 s 硬度就已经下降；1 160、1 140、1 120 硬度有一定下降；1 080、1 040、1 000 硬度下降不明显；900 硬度未下降。因此，提升 304不锈钢退火效率需退火温度至少在 1 100以上，硬度才
9、会发生明显的下降。从图 4 的不同退火温度与退火时间下晶粒度观察结果：4-1 退火温度 1 200 退火时间 320 s，晶粒度 4 级，条带状明显减少；4-2 退火温度 1 160 退火时间 360 s，晶粒度 5 级，能观察到少量孪晶、条带状明显减少；4-3 退火温度 1 140 退火时间 360 s，晶粒度 5.5 级，能观察到少量孪晶、条带状明显减少；4-4 退火温度 1 140 退火时间 320 s，晶粒度 7 级，能观察到孪晶、条带状有所减少；4-5 退火温度 1 140 表 4304 不锈钢产线炉区长度图 2退火模拟模型区段炉温/长度/m预热段45036一区1 05016二区1
10、15016三区1 17516四区1 18516五区1 12016六区1 11016表 58.0 mm 厚 304 不锈钢退火实验硬度（HB）结果图 38.0 mm 厚 304 不锈钢硬度随退火时间的变化曲线钢板加热炉煤气介质9088868482807876硬度240280320360400440480520560600时间/s1 000 1 040 1 080 1 120 1 140 1 160 1 200 900 未退火4-1退火温度 1 200（320 s）4-2退火温度 1 160（360 s）4-3退火温度 1 140（360 s）4-4退火温度 1 140（320 s）4-5退火温度
11、 1 140（300 s）4-6退火温度 1 140（280 s）4-7退火温度 1 140（260 s）4-8退火温度 1 120（360 s）122023 年第 5 期表 68.0 mm 厚 304 不锈钢在 1 140 不同退火时间的抗拉强度图 58.0 mm 厚 304 不锈钢在 1 140 不同退火时间的抗拉强度趋势表 74.0 mm 厚 304 不锈钢在 1 140 不同退火时间的抗拉强度与晶粒度图 64.0 mm 厚 304 不锈钢在 1 140 不同退火时间的抗拉强度与晶粒度趋势退火时间/s抗拉强度/MPa未退火703170700190701210696230695250692
12、270692290688310685310686330684退火时间/s抗拉强度/MPa晶粒度/级未退火70360704807021007008.01206968.01406917.51606867.51806855.52006865.02206833.5240160180200220240260280300320340360抗拉强度/MPa704700696692688684时间/s6080抗拉强度/MPa704700696692688684时间/s抗拉强度100120140160180200220晶粒度9876543晶粒度/级退火时间 300s，晶粒度 7.5 级，能观察到孪晶、条带状明显
13、；4-6 退火温度 1140退火时间 280s，晶粒度 8级，能观察到孪晶、条带状明显；4-7 退火温度 1 140 退火时间 260 s，晶粒度 8 级，能观察到孪晶、条带状明显；4-8 退火温度 1 120 退火时间 360 s，晶粒度 7级，能观察到少量孪晶、条带状明显减少。2.1.2热处理实验讨论从以上结果可总结以下四点：1）1 200 时的 320 s、1 160 时的 360 s 的两个样品已经发生晶粒长大；2）1 120 时的 360 s 的样品晶粒未长大，从退火硬度看，已发生去应力退火，但晶粒未长大；3）1 140 时 240 s 的样品能观察到孪晶，说明已发生去应力退火，但晶
14、粒未长大；4）1 140 时 320 s 的样品条带状有所减少，晶粒开始长大，说明已到去应力退火的后期，开始发生晶粒恢复长大。因此，304 不锈钢退火温度不宜在1 160 以上长时间退火，更不宜接近 1 200。从表 6 与图 5 可以得出，190 s 抗拉强度开始下降，说明抗拉强度在此温度下开始下降，这个时间点在有限元部分进一步讨论。310 s 时抗拉强度已经达到相对较低值，且前面晶粒度观察 320 s 晶粒开始长大，进一步验证 8.0 mm 厚 304 不锈钢在 1 140 下退火时间不宜超过 310 s。以上是 8.0 mm 厚 304 不锈钢退火实验，4.0 mm厚 304 不锈钢在
15、1 140 退火实验结果如表 7。从表 7 与图 6 可以得出，100 s 抗拉强度开始下降，说明抗拉强度在此温度下开始下降，这个时间点在有限元部分进一步讨论。160 s 时抗拉强度已经达到相对较低值，且前面晶粒度达到 7.5 级，时间再长180s 时晶粒度达 5.5 级，已长大，说明 4.0 mm 厚 304不锈钢在 1 140 下退火时间不宜超过 160 s。因此，8.0 mm 厚 304 不锈钢在 1 140 下有效退火区间为 190 s 至 310 s 共计 120 s，4.0 mm 厚 304 不锈钢在 1 140 下有效退火区间为 100 s 至 160 s，共计 60 s。2.2
16、有限元模拟结果与讨论2.2.1有限元模拟结果有限元模拟传热（对流、传导、热辐射）公式如下4：对流与传导：cpTt+cpu T=（kT）+Q.热辐射：n （kT）=T4.式中：为密度，cp为比定压热容，u 为对流速度，k 为热导率，Q 为热源，T 为温度，t 为时间，n 为界面的单位法向量，为热辐射率，为玻耳兹曼常数。因杨永杰：基于有限元与热处理的 304 不锈钢热轧卷退火工艺研究方法13山西冶金E-mail:第 46 卷表 8不同厚 304 不锈钢在 1 140 恒炉温退火板温达到 1 100 时所需的时间图 7不同厚 304 不锈钢在 1 140 恒炉温退火板温随时间变化曲线厚度/mm达到 1 100 时的时间/s10.02369.02128.01887.01656.01415.01174.0953.071温度/1 2001 0008006004002000时间/s05010015020025030035040010 mm9 mm8 mm7 mm6 mm5 mm4 mm3 mm温度/1 0005000时间/s05010015020025030035040010 mm9 mm8 mm7