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
2、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：TG 16 5.1 文献 标 识码：A 文章 编号：1672-1152（2023）05-0011-04 0 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
3、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 相 图 计 算
4、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 900 1200，此 温度 范 围 为 单 相 奥 氏 体 相 区。1.2 3 04不 锈 钢 钢 热 处 理 实 验 首 先，选取 8.0mm 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 1140，因 此 对 1140 下 4.0mm 厚 304 不锈钢
5、的 退火实 验，进 行 对 比（见 表 3）。针 对 8.0mm 与 4.0mm 厚 1140 退火 的 304 不 锈钢，对 比 分 析 抗 拉 强 度 与晶 粒 度 的 趋 势，分 析 有 效 退火 区 间。1.3 3 04不 锈 钢 有 限 元 模 拟 建 立 有限元 模 型，退火炉 高 1.5m，宽 2.5m；钢 板 宽 度 2.0m，厚 度 8.0mm（4.0mm）。首 先，模拟 钢 卷 直 接 放 入 炉 温 1140 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
6、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 MetallurgyTotal208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.005表 1 30 4不锈钢 成 分%w（Fe）w（Cr）w（Ni）w（Mn）w（Si）w（C）70.56 18.5 9.0 1.3 0.6 0.04图 1 30 4不锈钢 相 图 表2 8.0mm厚 30 4不锈钢 退 火 实验 方 案 温度/
7、退火 时 间/s1200 240 260 280 300 320 3601160 240 260 280 300 320 3601140 240 260 280 300 320 3601120 240 260 280 300 320 3601080 270 290 310 330 350 3701040 280 300 320 340 360 3801000 290 310 330 350 370 390900 300 360 420 480 540 600表3 4.0mm厚 30 4不锈钢对比 退 火 实验 方 案 厚 度/mm温度/退火 时 间/s4.0 114060 80 100 120
8、 140 160180 200 220 2401009080706050403020100相 分 数（质 量 分 数）/%300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500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）240s 260s 280s 300s 320s 360s81 76 78 78.5 8087.5 86 86.5 86 85 851080270s 290s 310s 330s 350s 370s87.5 87.5 86 87 89 86.51040280s 3
9、00s 320s 340s 360s 380s88.5 89 87.5 88 87.5 851000290s 310s 330s 350s 370s 390s90 89 88 90 87.5 88.5900300s 360s 420s 480s 540s 600s91 89 90 89.5 90 89未 退火 91温度/12001160240s 260s 280s 300s 320s 360s84 84 82 83.5 85 81.51140240s 260s 280s 300s 320s 360s85 86 87 86 87 821120240s 260s 280s 300s 320s 36
10、0s图 4 8.0mm厚 30 4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：1200 时 240s 硬 度 就 已 经 下降；1160、1140、1120 硬 度 有 一 定 下降；1080、1040、1000 硬
11、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 1100 以 上，硬 度 才 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 1200 退火 时 间 320s，晶 粒 度 4级，条 带 状 明 显减 少；4-2 退火 温度 1160 退火 时 间 360s，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 1140 退火 时 间 360s，晶 粒 度 5.5 级，能 观察 到 少 量 孪 晶、条 带 状 明
12、 显减 少；4-4 退火 温度 1140 退火 时 间 320s，晶 粒 度 7级，能 观察 到 孪 晶、条 带 状 有 所 减 少；4-5 退火 温度 1140 表 4 30 4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 450 36一 区 1050 16二 区 1150 16三 区 1175 16四 区 1185 16五 区 1120 16六 区 1110 16表5 8.0mm厚 30 4不锈钢 退 火 实验 硬度（HB）结果 图3 8.0mm厚 30 4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 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600时 间/s1000 1040 1080 1120 1140 1160 1200 900 未 退火 4-1退火 温度 1200（320s）4-2退火 温度 1160（360s）4-3退火 温度 1140（360s）4-4退火 温度 1140（320s）4-5退火 温度 1140（300s）4-6退火 温度 1140（280s）4-7退火 温度 1140（260s）4-8退火 温度 1120（360s）12
