摘要：作为新型热处理技术，在线热处理技术在国内应用时间尚短。在掌握技术核心装备和生产机制等内容的基础上，对钢板、型材、钢轨等钢材在线热处理技术展开了分析，确定在线热处理具有速度快、简化生产工序、便于管理、节约能源等诸多优势。通过探寻在线热处理的金相组织变化规律，研究淬火、回火等过程工艺参数影响，能够在技术实践应用中做好不同工艺的比选，掌握在线热处理关键技术，有效控制钢材生产质量。

　　关键词：钢材；在线热处理技术；金相组织

　　伴随着计算机、自动化控制等技术的快速发展，余热淬火等工艺日渐成熟，在欧美等先进工业国家的工业生产中得到了应用，促使金属热处理技术开始从离线向在线方向转变。在钢材轧制方面，采用在线热处理技术能够提高生产效率和降低生产成本，有助于产品金相组织中细小晶粒的形成，能够有效提高钢材强度等产品力学性能，生产出高品质的钢材。国内从上世纪70年代开始研究在线热处理技术，但目前相关工艺在工业生产实践中应用较少，因此应加强钢材在线热处理技术及金相组织研究，从而加快技术的应用推广进度。

　　1在线热处理技术概述

　　所谓的在线热处理技术，实际就是利用热轧产生的余热完成淬火、回火等热处理过程。应用计算机控制等技术对材料冷却过程进行全方位管控，无需在离线状态下重新加热钢材，能够通过细晶、相变等手段提高材料组织性能。如采用控轧控冷在线热处理技术，能够通过超快速冷却优化材料强化机制，改善金属材料生产工艺。用于生产中厚板、型材等热轧钢铁材料可以将产品强度提高100MPa~200MPa，节约5%~10%钢材和30%以上的合金元素用量，将生产效率提高35%左右。从技术采用的核心装备来看，可以通过高效射流破坏钢板和冷却水间的气膜，加速热交换过程，提高材料冷却均匀性。针对20mm厚钢材，冷却速度达到50℃/s，3mm~4mm厚材料板带材达到300℃/s~400℃/s冷却速度，有效控制材料轧后组织性能。在生产实践中，由于热处理将引发相变，给材料性能带来影响，因此应用在线热处理技术需根据相变情况做好冷却路径规划，提出有效控制模式，最终达成改进产品质量的目标。

　　2钢材在线热处理技术分析

　　2.1钢板热处理

　　在钢板精轧生产环节，经过高温热轧处理后钢材温度较高，采用在线热处理技术省去常规冷却和重新加热过程，实现对硫、磷、镍、铬等元素含量的精准控制。如采用TMCP技术，在淬火时进行超快速冷却，避免奥氏体再结晶，能够提高晶体细度的同时，控制高温作用下相变，并提高低温相变效率。在低温状态下，可以加速铁元素析出的离子数量，加强碳、氮氧化物析出管控，优化材料性能。通过在线布置淬火、回火装置，在钢板经过两阶段轧制后，直接进行热处理促使钢材从奥氏体转变为马氏体，使合金元素引发的硬化现象得到抑制。如对低合金SPV490中厚钢板进行处理，在轧制后总变形率达到78%时以930℃在线淬火，并在640℃条件下回火，生成韧性强的索氏体，能够使钢板屈服强度达到490MPa以上，抗拉强度维持在610MPa~740MPa之间，获得较优成型性能和维持低碳当量，综合性能良好。此外，通过减少中间重新加热环节，加强热轧工艺余热利用，可以节省10%~15%的能源。

　　2.2型材热处理

　　在型材热处理方面，目前在线热处理技术主要用于棒材生产。棒材在轧制后为提高强度，需要穿水冷却。从温度变化情况来看，经过最后轧机后在湍流管中淬火，热能从中心向表面扩散，达到回温效果，可以使材料得到回火处理。应用自动化技术控制冷却水流量，通过提高水压加强温度传递的同时，实现高温快速淬火，并完成芯部余热回火，促使表面形成马氏体而芯部形成珠光体、细粒铁素体，有效提高钢材机械性能。应用TEMPCORE工艺技术进行钢筋热处理，能够将强度标准提高2级左右，如：加工Q235碳素钢能够达到II级或III级螺纹钢标准。利用相同钢材生产不同级别钢筋，在实现柔性轧制的基础上应用穿水冷却进行热处理，无需添加合金即可提高产品强度，并得到不同强度级别的优质螺纹钢筋。在II级20MnSi钢筋轧制过程中，也可以应用在线热处理技术提高强度，使产品达到III级。此外，在高合金钢生产方面，考虑到莱氏体等特钢在热处理环节需要维持较长保温时间，轧制后需经过缓慢冷却。考虑到不同钢种拥有不同的加工生产要求，实际应用在线热处理技术，应结合钢种选用适合的热处理工艺。如：对高速钢等莱氏体进行热处理，为避免回火后出现脆性开裂问题，需要严格控制热处理周期。在生产轴承钢时，在低温精轧环节可以完成在线球化退火，为后续加工做好准备。生产奥氏体不锈钢，可以在轧制后直接进行水淬火，避免镉碳化物沉积于晶界上，增强其抗腐蚀能力。

　　2.3钢轨热处理

　　钢轨作为特殊的钢材，在铁路运输向着高速、重载方向发展的背景下，需要不断提高抗压强度、耐磨性等性能，保证铁路运营安全。而热处理为提高钢轨力学性能的重要手段，采用淬火-回火、欠速淬火等工艺仍然面临钢质不均问题。通过在线冷却方式实现钢材淬火处理，可以加速冷却速度，生成微细珠光体，达到提高钢轨强度、抗疲劳性能等要求。攀钢在2006间首创性的建立了100m钢轨在线热处理生产线，用于生产U71Mn钢轨。伴随着相关技术发展，开始以连铸坯为原料进行U75V钢轨生产，研发在线热处理自动控制系统，生产出了处于国际领先水平的1300MPa级重载线路钢轨。而利用余热淬火工艺取代离线淬火工艺，可以与轧机保持同步运行，在1min~5min内完成24m钢轨淬火处理，相较于离线生产能够将效率提高3倍~4倍。尽管在线设备投资较高，但生产成本可以控制在10美元/t~15美元/t之间，离线淬火需要80美元/t~100美元/t。在淬火过程中加速冷却，能够均衡收缩、膨胀等应力，限制钢轨在热状态下的变形，减小钢轨残余应力，使钢轨保持良好平直度。此外，通过对钢轨奥氏体进行快速冷却，可以生成小片层间距的珠光体团，通过均匀传热增强断面硬度。因此在轨头等结合部不会出现粗晶软化问题，同时能够强化轨腰等位置，达到300HB左右硬度，避免轨道出现内疲劳缺陷。

　　2.4线材热处理

　　在线材热处理方面，线材散卷后可以在线进行水淬固溶处理，使热态钢材直接进入处理炉，但需要解决产品晶粒大小控制问题。根据相关研究可知，通过提高线材吐丝温度能够获得大晶粒，减少析出的碳化铬。通过在线快速处理，将冷却速度控制在60℃/s~85℃/s范围内，最终冷却温度在150℃~250℃之间，能够做好铁素体和奥氏体等不锈钢材料的预处理。应用该技术生产不锈钢长型材，晶粒度在7~11之间，线材屈服强度可以达到250N/mm2以上，抗拉强度在600N/mm2~750N/mm2范围内，延伸率在40%以上，面缩率达到50%以上。在钢线卷固溶和结晶退火等环节，都可以应用辊底式隧道炉或转底式环型炉进行在线热处理。目前，日本室兰制铁所在线材加工方面引入喷流水冷却控制技术，能够通过直接淬火减小抗拉强度波动，生产出高强中碳钢和低合金钢线材，达到1500N/mm2等级。此外，生产弹簧钢采用在线热处理技术，在加强回火温度控制的基础上，能够增强材料韧性。

　　2.5钢管热处理

　　与一般钢材相比，钢管在连铸生产过程中需要经过熔炉冶炼、热锻成坯、粗轧、拉拔、精轧等更多道工序，引入在线热处理技术提高生产效率，可以满足大批量产品生产需求，从而带来更多效益。如采用碳锰钢进行钢管生产，经过前期冶炼和热锻后，在1250℃下进行粗轧，并在1100℃条件下拉拔，在950℃~1000℃下进行精轧后，需要在900℃以下完成水淬均热处理。通过计算机在线控制整个过程，使材料在920℃下完成30min水淬处理，能够缩短整个生产周期。从钢管性能受到的影响来看，材料金相组织主要为贝氏体，通过在线热处理生成铁素体，可以产生裂纹抑制作用。具体来讲，就是通过有效控制S、N、Ti等元素含量，确保S含量不超0.008%，Ti含量不超0.05%，N含量不超0.05%，可以减少TiN杂质产生，并通过控制断口S含量避免裂纹产生，达到提高钢管韧性的目标。而生产电阻焊钢管，需要考虑到焊缝热处理问题。采用焊缝正火、退火、淬火加回火等各种在线工艺，通过控制加热速度、保温时间等参数，能够调整相变点位置，促使合金元素均匀化，使焊缝和母材拥有相近的机械性能。如日本在生产ERW钢管时，就采用在线形变热处理工艺使微合金热轧钢管经过淬火+回火处理，确保能够有效提高钢管韧性。

　　3钢材在线热处理的金相组织变化

　　3.1原理分析

　　根据上述分析可知，应用在线热处理技术改善钢材品质，主要是由于处理过程可以引发金相组织变化，达到优化组织结构和提升材质力学性能的目标。实现低合金钢、低碳钢等多数钢材的热轧生产，需要在奥氏体区进行轧制，期间温度将持续下降，导致奥氏体向铁素体、珠光体等转变，可能析出碳化物。受热变形因素影响，相变将受到诱导，造成产生的铁素体在高温下出现大晶粒，引发片层间距增大情况，继而导致材质力学性能变差。通过冷却工艺抑制相变发生，能够起到细化晶粒效果，减小片层间距，优化组织性能。加工中高碳钢，变形期间将析出碳化物，受高温影响碳化物不断变大，将导致钢的韧性受到影响。通过在线快速冷却抑制析出过程，能够增强材质机械性能。因此从根本上来讲，应用在线热处理技术，需要对热轧过程中的金属加热、变形和温度机制进行有效控制。利用钢材轧制产生的余热，对冷却速度、降温过程进行控制，使钢材组织拥有相近性能，可以抑制固态相变和热塑性变形获得小晶粒组织，使生产得到的钢材产品拥有良好综合性能。

　　3.2过程分析

　　3.2.1淬火

　　在线直接进行淬火处理，利用轧机架子上的水冷系统控制水冷速度，确保轧件表面冷却值达到马氏体临界值以上，可以迅速形成马氏体。从整个过程来看，表面和芯部将以不同速度冷却，前者能够在5s内从950℃下降至200℃左右，经过强冷处理后生成马氏体，而芯部依然维持在高温状态，属于奥氏体。

　　3.2.2回火

　　钢材经过水冷后暴露于空气中，芯部热量将向表层扩散，完成自动回火。芯部和表面相互传递温度，使表面逐步回温，芯部逐步降温，最终二者保持温度一致。具体来讲，约在600℃左右达到回火状态，使前期形成的不稳定马氏体向铁素体和渗碳体转变。在加工高碳钢过程中，如果在约200℃的条件下回火，将导致大量马氏体碳化物析出。加工中碳钢，经过回火后，将产生板条状和片状的马氏体。实现低碳钢回火处理，将发生碳原子偏聚，仅形成板条状组织结构。在200℃左右回火，比奥氏体相变温度低，能够使芯部的奥氏体向铁素体、珠光体转变。

　　3.2.3最后冷却

　　在钢材芯部奥氏体在最后冷却阶段，将发生等温相变，形成稳定金相组织。在自然冷却条件下，冷却速度达到5℃/min~300℃/min，处于珠光体相变范围，导致形成的钢材组织脆性过大。采用在线热处理工艺，从600℃开始缓慢冷却，则不容易产生相变。之前芯部以400℃/min冷却，构成小晶粒的珠光体得以保留。而组织表面为马氏体，维持混合金相组织状态，可以增强表面硬度的同时，避免结构脆性过大，因此可以改善钢材组织性能。相较于离线自然冷却和重新加热淬火，在线热处理可以将轧件屈服强度提高25%~50%，抗拉强度提升12%~30%。

　　4钢材在线热处理技术的实践应用

　　4.1工艺类型分析

　　在钢材生产实践中，采用在线热处理技术根据冷却介质完成工艺分类，大致划分为：喷水、喷风、喷雾、浸液。而钢轨对材质性要求较高，以U75V钢轨为例，确定不同工艺引发的金相组织变化差异，可以通过工艺比选提高钢材生产质量，掌握在线热处理工艺的关键技术。从在线热处理过程来看，无论采用哪种工艺，都需要在将钢轨加热至轧钢温度后进行冷却。采用喷水工艺，利用立式快速冷却平台向轧件表面喷水。采用喷风工艺，则是通过热喷风平台进行表面降温。采用喷雾工艺，利用雾化喷嘴使水和空气充分混合，喷至轧件表面降温。而采用浸液冷却方式，将钢轨浸入到水和聚合物混合液中冷却。

　　4.2金相组织分析

　　在钢轨生产中，根据技术标准可知硬化层应以细片状珠光体为主，不均匀出现马氏体或贝氏体。从金相组织分析角度对不同工艺进行比较，可以发现得到的钢轨组织中均以珠光体为主，另外含有少量铁素体，并且不存在异常组织。而不同组织带有各自的金相特征，颗粒分布最均匀的为采取喷风工艺生产的钢轨。分析原因可知，采用喷风工艺能够在钢轨表面产生最大的冷却速度，形成了稳定冷却场，能够减小细小颗粒的片层间距。而采取喷水和喷雾工艺，将受到气水混合等影响，采用浸液方式进行冷却则将受到液体分布的影响。通过硬度等指标，能够反映工艺产生的影响。喷风冷却获得的钢轨抗拉强度能够达到1318MPa以上，硬度达到380HB以上。采取喷水、喷雾和浸液工艺，生产得到的钢轨抗拉强度平均达到1126MPa、1194MPa和1167MPa，硬度分别为322HB、332HB和375HB。因此通过喷风方式进行热轧工艺控制，能够使冷却介质保持良好均匀性。

　　4.3关键技术分析

　　分析各种工艺参数给钢材金相组织带来的影响，可知钢轨冷却为内部向外部传递热量的过程中，初始冷却温度越高，表面冷却速度越快，越能提高横断面的洛氏硬度。采用喷风冷却工艺，冷却速度将受到喷风量影响，导致抗拉强度和表面硬度发生波动。适当增加喷嘴直径，扩大喷风量和表面冷却面积，可以增强钢轨金相组织分布均匀性。在气流射向钢轨时，部分到达表面，部分将向着平行方向流动。根据边界层理论可知，气体在接近表面位置流动可以加强对流换热，产生较高冷却效率。因此增加喷风压力，并适当调整喷射距离，增加对流风量，可以提高冷却速度。适当降低风温，能够增强冷却效果，起到增强组织硬度的作用。在生产实践中，钢轨头尾将产生温差，容易引发横断面金相组织变化不一致。如在60℃的温差条件下，钢轨头尾间的抗拉强度变化值达到6MPa，表面硬度变化达到2HB。因此需要加强不同部位温度监测，通过加强风温调控保证钢轨综合性能良好。根据工艺生产要求，应加强环境和工艺条件分析，确定头尾温差变化，合理设定风温等工艺参数，消除温差对材料力学性能带来的负面影响。结合国内外先进经验，可知能够通过优化横断面冷却强度分配保证金相组织分布均匀。具体来讲，就是在纵向进行分段冷却控制，结合钢轨相变过程对头尾施加不同喷风压力，达到加强冷却强度控制的效果。通过合理应用在线热处理工艺，最终可以使钢轨珠光体片层间距维持在80nm~130nm内，确保抗拉强度、抗疲劳性能、耐磨性等各项指标达到产品生产技术标准要求。通过确保在线热处理装备可靠运行，能够维持产品性能稳定，满足高品质钢材产品的批量生产需求。

　　5结论

　　采用在线热处理技术进行钢材生产，能够用于对线材、钢管等各类钢材进行处理，通过优化材料金相组织结构获得较高强、高韧等优良性能的产品。在生产实践中，在掌握技术原理和钢材金相组织变化规律的基础上，应结合钢种选择适合的热处理工艺，确保能够用于细化珠光体组织，并通过掌握温差控制等关键技术取得理想工艺效果，最终生产出高品质钢材，助力行业转型发展。