冷軋鋼的退火

退火是一個通用術語，表示一種處理方法，包括加熱到并保持在一個合適的溫度，然后以適當的速度冷卻，主要用于軟化金屬材料。在普碳鋼中，退火通常會產生鐵素體-珠光體微結構。

制造冷軋板的正常方法是生產熱軋卷，將其酸洗以去除鱗片（氧化物），然后冷軋到所需的最終規格。冷軋可以使熱軋板的厚度減少90％以上，這增加了鋼的硬度和強度，但嚴重降低了其延展性。如果要進行任何大量的后續冷加工（如成型、拉拔等），就要恢復鋼的延展性。

鋼的冷軋是在低于再結晶溫度的溫度下進行的。在冷軋過程中，厚度的減少是由于通過位錯運動發生的塑性變形。由于這些位錯的堆積，鋼材會變硬。這些位錯降低了冷軋鋼的延展性，使其無法用于成型操作。為了恢復延展性，冷軋鋼需要進行退火處理，以消除在冷軋過程中在微觀結構中積聚的應力。

在鋼的冷軋過程中，鋼在室溫下的廣泛變形大大降低了冷軋板的延展性和可塑性。這就需要進行退火處理，冷軋板通過恢復、再結晶和晶粒生長的機制得到應力釋放。退火是冷軋廠中最重要的工藝之一，因為它決定了冷軋鋼板的質量。事實上，它是控制冷軋板機械性能的一個重要過程。

退火包括將鋼加熱到再結晶溫度以上，在該溫度下浸泡，然后再冷卻。在退火過程中，鋼的加熱有利于鐵物的移動，導致位錯的消失和不同尺寸的新晶粒的形成和生長。重度冷加工鋼板的退火可分為三個物理上不同但通常重疊的階段，即復原、再結晶和晶粒生長。

隨著退火的繼續，再結晶的過程發生了，新的、更加等軸的鐵氧體晶粒從拉長的晶粒中形成。在再結晶過程中，強度迅速下降，延展性也相應增加。在溫度下進一步的時間導致一些新形成的晶粒在犧牲其他晶粒的情況下成長。這就是所謂的晶粒增長，并導致強度的適度下降和延展性的小幅（但經常是相當大的）增加。大多數普通碳鋼都進行了退火處理，以促進完全再結晶，但要注意避免過度的晶粒長大，這可能導致成型部件的表面缺陷（如桔皮）。

退火過程進行的速度是被退火鋼的化學成分和先前歷史的函數。例如，少量的元素如鋁、鈦、鈮、釩和鉬會降低鋼的再結晶速度，使退火反應遲緩，因此需要更高的溫度或更長的退火時間來產生相同的性能。盡管這些合金元素的存在通常是有意添加的結果，旨在改變板材的性能（如鋁、鈦、鈮和釩的情況），但一些元素可以作為殘留元素存在（例如鉬），其數量足以改變退火反應。

另一方面，大量的冷加工（更大的冷減量）會加速退火反應。因此，不可能指定一個單一的退火循環，在所有的鋼中產生一套特定的機械性能，化學成分和冷加工量也要考慮在內。

冷軋鋼的退火通常是為了從冷軋產生的高度拉長的應力晶粒中產生再結晶的鐵素體微結構。圖1顯示了退火對低碳冷軋鋼的微觀結構的影響。圖1(a)顯示了冷軋的微觀結構，與圖1(b)和1(c)中的部分和完全再結晶的微觀結構形成對比。

圖1 退火對冷軋鋼的微觀結構的影響

在鋼的加熱過程中，以及在退火循環的保持部分的第一段，首先發生的冶金過程是恢復。在此過程中，內部應變得到緩解（盡管微觀結構變化不明顯），延展性得到適度提高，而強度則略有下降。

恢復在相對較低的溫度下占主導地位，包括空位和冷變形引入的位錯的遷移，導致它們中的某一部分被湮滅或重新排列。然而，從更廣泛的角度來看，恢復涉及到退火過程中對性能的任何改變，這發生在新的無應變再結晶晶粒出現之前。換句話說，恢復并不涉及高角度晶界（HAGBs）的遷移。在恢復過程中，發現材料的機械和物理性能與冷加工狀態下的數值相比都有一些變化，這是正常的。通常情況下，機械性能，如硬度、屈服強度或延展性恢復到完全退火值，在恢復過程中只完成了大約五分之一。

在大約480攝氏度到500攝氏度的應力消除過程中，原子只移動了很小的距離，被周圍的原子推拉到一個配置中，內部應力減少，但晶體之間的邊界保持不變。再結晶階段發生在550攝氏度左右，在這個階段，新的晶體開始在原軋制晶粒的邊界形成。這些晶體大致成長為球體，將冷軋晶粒的原子重新排列，直到它們的邊界與其他新形成的晶粒的邊界相接。一旦冷加工晶粒被完全消耗，鋼就完全再結晶了。在晶粒生長的第三階段，隨著晶粒吞噬其他新形成的晶體并增大尺寸，鋼會變得軟化。這個階段通常發生在浸泡期間。

在退火操作中，冷軋板的變形微觀結構得到恢復，并發生再結晶。冷軋鋼板的退火可以在批量退火爐中進行，其中冷軋板的退火是以線圈形式進行的，也可以在連續退火爐中進行，其中冷軋板的退火是以板狀形式進行的。

由于在冷軋過程中不可能發生再結晶，因此結構和所產生的材料性能受到冷軋的很大影響。在冷軋過程中，晶粒在軋制方向上發生延伸，晶格的排列具有方向性特征。其他結構相的帶狀特征，如夾雜物、珠光體塊等也得到發展。三種類型的紋理（即變形、結構和結晶學紋理）出現，這導致了機械性能的方向性特征。 冷軋后的鋼板退火是為了消除各向異性的特性。冷軋板退火后的微觀結構取決于以下因素：（i）冷軋前的初始材料結構，（ii）總的冷減量，（iii）退火條件（溫度和時間），以及（iv）鋼的冷卻速度。隨著高強度低合金、高強度和先進的高強度材料被引入冷軋板的深沖，在冷軋板的退火過程中出現了進一步的復雜問題。

通常情況下，當退火前鋼的冷變形量較高時，再結晶的初始溫度隨之降低。   此外，在低溫下，完成再結晶所需的時間要長得多，所需的碳化物球化也無法完成。鋼的強度或硬度特性通常會隨著退火溫度的升高而降低，而塑性特性會增加。強度值的大幅降低發生在接近600攝氏度的溫度下。此外，先前的冷變形越高，強度值的下降就越重要。

鋼的最終機械性能和微觀結構在很大程度上取決于退火過程，因為它對鋼的結晶結構有很大影響。進一步的沉淀物會分解成溶質原子，隨后在加熱和保溫時溶解到鋼的基體中，然后根據冷卻速度以不同的尺寸和分布重新沉淀。晶粒和沉淀物的尺寸和分布的這些變化也會影響鋼的硬度。

退火通常是在保護氣體氣氛下進行的，以防止表面氧化，以滿足對冷軋鋼表面的高要求。保護氣體氣氛由氮氣、氫氣或這兩種氣體按不同比例的混合物組成。氫氣具有更高的導電性，因此通常是首選。這兩種氣體的混合物是通過裂解氨氣得到的（5%的氫氣和95%的氮氣）。

對于冷軋鋼的生產，通常使用兩種類型的退火工藝：（i）軟退火，和（ii）再結晶退火。在鋼的軟性退火中，會發生雪明石和珠光體的沉淀，從而降低鋼的強度，這有利于成型操作。這種退火的正常溫度范圍為680攝氏度至780攝氏度。在再結晶退火的情況下，退火使晶體重組到軋制前的狀態。在這種類型的退火中，鋼被加熱到550攝氏度到700攝氏度之間，略高于再結晶溫度。再結晶取決于鋼的材料和軋制過程中的變形程度。

眾所周知，金屬通過冷加工得到強化。在冷軋過程中（這是板材生產的一個必要階段），鋼變得非常堅硬，但幾乎失去了所有的延展性。在傳統的加工過程中，冷軋鋼通過退火完全再結晶，目的是恢復延展性，但要犧牲強度。然后，如果需要更高的強度，通常是通過合金化或在更高溫度下的特殊熱處理來實現。上述程序會造成能源的浪費和成本的增加。另一方面，通過控制低溫退火，可以盡可能多地保留冷軋的強度，同時恢復足夠的延展性。這就產生了一種具有完全冷軋板的高強度-低延展性和完全再結晶板的低強度-高延展性之間的折中性能的鋼。這種工藝被稱為 "退火"、"部分退火"、"恢復性退火"、"消除應力退火"、"回火 "或 "可控不完全退火"。

基本上，"退火 "過程包括兩個階段，即變形和退火。另一種方法稱為 "回火軋制 "或 "軋制回火"，旨在通過對已經完全退火的材料進行塑性變形來獲得所需的強度和延展性，而在 "退火 "中，嚴重變形的材料要進行恢復或部分再結晶。這兩種情況下的目標都是一樣的。據稱，在所有的強度水平上，"退火 "材料的延展性總是優于 "回火 "材料的延展性。

有兩種工藝被用于冷軋鋼的退火處理。它們是(i)批量退火工藝和(ii)連續退火工藝。

批量退火工藝

批量退火工藝是這兩種工藝中較早的一種。在這個過程中，冷軋板的退火是以線圈的形式進行的。通常情況下，3到4個圓柱形鋼卷（通常每個重量為10噸到20噸）被堆放在該工藝的基本單元上，在保護氣體（氫氣）氣氛下進行退火處理。在需要大鐵素體晶粒的情況下，如在電工鋼的情況下，該工藝是首選。批量退火裝置的設計取決于要退火的鋼材。

冷軋鋼板批量退火所需的基本設備有：(i)配有循環風扇的基本設備，(ii)用于線圈分離的圓形對流板，(iii)保護性氣密圓柱形罩，(iv)加熱罩或加熱爐（因其形狀也被稱為鐘形爐），其燃燒器呈切向排列，以及(v)冷卻罩。盤管之間的對流板是用來改善熱流的。圖2顯示了批量退火工藝的基本設備。

圖2 批量退火工藝的基本設備

為了進行退火處理，首先將3至4個冷軋鋼卷放在基礎裝置上，如圖2所示，用對流板隔開。這些圓柱形的鋼卷被稱為爐料或爐材。 在基座上裝上線圈后，一個保護罩被放好，保護氣體在這個罩子里循環流動。保護氣體的應用是為了避免鋼帶表面在高溫下被氧化，并將熱量從爐子里通過鋼卷傳遞出去。

然后在保護罩上放置一個加熱爐。加熱罩的燃燒器被點燃，來自燃燒器的熱量使內罩升溫。罩子的熱量被輻射到鋼制線圈上，使其升溫。熱量也被循環的保護氣體轉移到線圈的內表面。然后，線圈的內表面和外表面通過循環保護氣體的對流以及蓋板和線圈之間的輻射而被加熱。線圈的內部部分則通過傳導加熱。

退火循環有三個階段。第一階段是加熱階段，溫度被提高到目標溫度。第二階段是浸泡階段，溫度被保持以獲得鋼卷內外的均勻溫度。第三也是最后一個階段是冷卻階段，此時爐內溫度緩慢下降。

加熱階段結束后，加熱罩被替換為冷卻罩，保護氣體繼續循環。然后讓鋼卷冷卻到室溫。為了確保整個鋼卷達到所需的溫度，需要較長的加熱、浸泡和冷卻時間。

板材之間的空氣間隙所產生的巨大熱質量和低傳導性，導致線圈的圓柱形表面和線圈芯之間出現巨大的熱滯后。在加熱周期中溫度最高的線圈表面被稱為熱點，溫度最低的線圈核心被稱為冷點。在加熱階段，為了充分再結晶，需要將線圈的冷點和熱點提高到理想的退火溫度。將冷點溫度提高到所需溫度所需的時間就是加熱時間。較長的加熱時間會使微觀結構和機械性能更加均勻，但會降低加熱爐的生產率。圖3顯示了批量退火過程的示意圖和剖面圖。

圖3 冷軋板卷的批量退火過程

冷軋板卷的退火周期隨鋼的成分、冷減量和所需鋼種而變化。然而，典型的批量退火溫度范圍為620攝氏度至690攝氏度（略低于Ac1溫度），為爐料的最冷點。循環時間隨所需鋼種和爐料的大小而變化，但總時間（從開始加熱到從爐中取出鋼材）可長達一周。

在批量退火過程中，變形結構的再結晶開始在550攝氏度左右的溫度下通過成核和核子生長的方式進行。這個過程利用了晶粒內儲存的能量，降低了晶粒密度。在鋼卷達到這個溫度之前，氮化鋁會在變形的亞晶界上沉淀。該沉淀物通過抑制新晶粒的成核，導致最終晶粒變大，從而延緩了再結晶過程。氮化鋁的存在也有助于產生成型所需的結構。當考慮到氮化鋁沉淀物的形成時，熱連軋機的卷取溫度是一個重要參數。它要低（通常在560攝氏度左右），以便在退火過程之前，鋁以固溶體形式存在。對于較大的晶粒尺寸，通常會采用較高的浸泡溫度，但要限制在730攝氏度左右，因為較高的溫度會導致粗大的碳化物形成，不利于成型，并可能導致線圈相鄰層的粘連。圖4(a)顯示了低碳冷軋鋼片批量退火的典型加熱和冷卻周期。

圖4 退火過程中鋼卷中的加熱和冷卻循環以及冷熱點

在一項關于批量退火的研究中，為了獲得鋼卷內外的均勻溫度，退火過程通過使用連接在鋼帶上的熱電偶傳感器進行控制。在這項研究中，我們發現冷軋鋼卷的熱點在鋼卷外側，冷點在鋼卷內側壁的2/5處。這些位置如圖4（b）所示。

在冷卻周期中，鋼卷核心比其他鋼卷點的溫度要高。線圈中板材之間的空氣間隙導致了非常低的徑向導熱性。因此，在退火過程中，溫度的空間變化是普遍存在的。線圈的外表面被稱為熱點，與線圈的內芯（通常被稱為冷點）相比，加熱速度更快，在更短的時間內達到退火溫度。由于再結晶和晶粒生長是熱激活的過程，這種熱滯后導致了微觀結構的空間變化，以及線圈內機械性能的相關變化。這種機械性能的變化發生在鋼卷長度的每個位置（鋼卷的外部、中間和內部）。由于這個原因，鋼卷的某些部分有機械性能問題。此外，由于沿爐子的軸向溫度變化，鋼卷之間的微觀結構和機械性能也有變化。

在批量退火中，鋼帶的溫度取決于鋼卷的厚度、寬度、重量和堆放位置。卷材的寬度范圍和重量范圍對批量退火的機械性能變化有很大影響?？s小寬度范圍會導致減少堆棧內的屈服強度分布。批量退火爐中的線圈數量對熱點和冷點之間的溫度差異略有影響。在退火階段，加熱速度和浸泡時間顯然對成型性有較高的內在影響。批量退火爐中的線圈位置對'n'值有輕微影響，但對鋼的'r'值影響更大。

盡管浸泡時間的增加通常會導致微觀結構和機械性能的變化減少，但它也會降低爐子的生產率。因此，在批量退火過程中，浸泡時間的選擇需要在生產率和質量之間進行優化。此外，適當選擇加熱速率，對析出和再結晶動力學具有冶金學意義，以及退火溫度構成批量退火熱循環設計的核心。

批量退火操作對冷軋機的所有重要性能參數有相當大的影響。這些參數包括能耗、工廠生產力和排放，以及質量參數，如鋼板的強度、延展性、拉伸性和成型性。鑒于其與所有這些關鍵參數的相關性，有必要對批量退火操作參數進行優化，以實現最大的生產力和最小的能源消耗，同時保持所需的產品質量。

盡管是一個關鍵的操作，工業規模的批量退火周期通常是通過工廠試驗和經驗方法來設計的，除了耗時和昂貴之外，最多只能提供次優的結果。相反，工藝周期可以通過退火模型進行有效優化，該模型可以模擬批量退火操作，從而減少工廠優化所需的工廠試驗數量。

在其中一項關于批量退火工藝的研究中，已經得出結論，退火溫度和浸泡時間對批量退火的機械性能變化有相當大的影響。研究結果總結為：（i）提高退火溫度可以明顯降低屈服強度、抗拉強度和硬度，而伸長率可以提高。(ii) 增加浸泡時間對機械性能有輕微影響 (iii) 退火溫度為650攝氏度，浸泡時間為2小時，以提供接近公稱值的機械性能，即屈服強度為220兆帕，抗拉強度為305兆帕，延伸率為43%，硬度為46HRB，以及 (iv) 從退火溫度610攝氏度開始，工件的晶粒尺寸呈增長趨勢。

連續退火工藝

冷軋鋼的連續退火是由Armco鋼鐵公司在1936年首次引入的，作為生產熱浸鍍鋅鋼的一個工藝步驟。從那時起，對該工藝進行了一些改進，使幾種類型的鋼材都能用這種方法進行加工。盡管連續退火比分批退火有一些優勢，但由于退火鋼的冷成型特性差和老化性差，它并沒有被用于所有的應用。在批量退火中，鐵素體中的碳溶質以雪明石的形式析出，而在連續退火中，由于較高的冷卻速率，它在冷卻后仍處于過飽和狀態。這就是連續退火的板材老化性能差的原因。當日本在20世紀70年代在退火過程中引入超齡階段時，這個問題被克服了，這改善了連續退火后的鋼的性能。

連續退火周期的持續時間較短，并且比批量退火周期的溫度高。在某些應用中，退火溫度可以超過Ac1。對于冷軋商業質量的鋼材，典型的周期是在700攝氏度下40秒，對于拉絲質量的特殊殺傷性板材，在800攝氏度下60秒。大多數冷軋板的連續退火包括過度老化處理，旨在使碳和氮從鐵素體溶液中析出，并減少應變老化的可能性。在300攝氏度到450攝氏度的溫度下，3分鐘到5分鐘的過度老化可以完成碳和氮的沉淀。批量退火和連續退火在它們在退火鋼中產生的性能上略有不同。批量退火的冷軋商業質量的普通碳素鋼板的典型平均性能是屈服強度210兆帕和伸長率43%，而連續退火的性能是屈服強度228兆帕和伸長率41.7 %。

要進行退火的冷軋鋼卷被放置在開卷機上。由于該過程是連續的，新卷的頭端與前一卷的尾端連接。在帶材連接進行期間，要保持帶材在熱處理區的連續運動。為了確保這一點，提供了兩個循環器或蓄能器，一個在熱處理和冷卻區之前，另一個在熱處理和冷卻區之后。這些循環器由兩組平行的輥子組成，它們可以相互分開移動。隨著入口處環形器的移動，它能夠容納更多的線圈。當連接操作正在進行時，環形器將帶材供應給熱處理部分，以保持運動的連續性。同樣，當在出口端進行剪切操作以分離兩個線圈時，出口端的環形器接收帶材并將其積聚，以保持帶材在熱處理區運動的連續性。圖5顯示了一條連續退火線的示意圖。

圖5 連續退火線的示意圖

此外，在退火過程中應用過度老化處理（在加熱、浸泡和快速冷卻后將鋼板溫度保持在400攝氏度至450攝氏度），可以使過飽和溶質碳以水門汀的形式迅速沉淀，并獲得抑制老化的特性。連續退火線還可以整合電解清洗線，從而使制造具有非常好的材料均勻性、表面質量和形狀的鋼板的成本和時間比采用傳統的批量退火工藝可以實現的更短。

對于板材的初級冷卻，連續退火線也可以采用氣體噴射冷卻法，即爐內氣氛氣體被冷卻并吹向板材表面。使用這種方法實現的冷卻速度大約為每秒10攝氏度，但對于這種冷卻速度，溶質碳會在晶界處析出，而且析出物之間的距離很大。因此，過度老化處理需要很長的時間。另一方面，已經開發的另一種連續退火工藝使用水淬火進行初級冷卻。用這種方法，冷卻速度約為每秒1000攝氏度，在這種速度下，碳化物在晶粒內和晶粒邊界處以細小的顆粒析出，使析出物之間的距離變小，減少了過度老化時間，盡管伸長率、'n'值等數字往往較低。

為了解決上述問題，在20世紀80年代初，開發了一種新的冷卻方法，稱為 "加速冷卻 "工藝。用這種方法，板材通過從冷卻噴嘴噴出的空氣-水混合物的噴射來冷卻，每個噴嘴有一個水頭和一個氣體頭。冷卻速度約為每秒100攝氏度，冷卻的速度和最終溫度都可以通過改變參數，如水和氣體的數量以及噴嘴的數量來控制。這種方法使得縮短過度老化處理的時間并達到所需的鋼的性能成為可能。加速冷卻 "工藝的高冷卻速度和溫度控制能力使其有可能有效地生產出固溶硬化和沉淀硬化鋼的高張力板材，以及那些通過轉化強化開發的鋼，其強度達到1,180兆帕。圖6是加速冷卻裝置的示意圖。

圖6 加速冷卻裝置和連續退火循環

典型的連續冷卻循環如圖6所示。鋼被加熱到的溫度和加熱的速度取決于鋼的化學成分、其先前的加工和所需的性能。一旦帶鋼被加熱，就要在浸泡區進行充分的浸泡。浸泡后的鋼被冷卻，以便在鋼的微觀結構中析出更多的碳化物。然后，鋼材被重新加熱到超齡溫度，以加速老化。這可以使碳化物以更大的速度粗化。在這之后，鋼被冷卻到室溫。

現在的連續退火線在入口端整合了電解脫脂線，在退火線的出口端整合了回火軋制（表皮通過）。

現在，大多數鋼種都在連續退火線上進行退火。與批量退火工藝相比，連續退火工藝的優點是：(i)沿卷材的性能均勻性更好；(ii)形狀和表面性能更好，表面更清潔；(iii)加工時間短，導致生產率更高；(iv)可以生產低成本的高強度等級。連續退火線的缺點是需要巨大的投資成本，并且由于存在不同的部分（加熱、冷卻、二次冷卻、超齡和最終冷卻）而具有重要的長度。此外，連續退火線的靈活性較差，因為改變浸泡/過度老化的溫度需要很長的過渡時間，導致重要的屈服損失。

高強度冷軋板由于其高承重能力而變得越來越重要。板材的強度可以通過修改化學成分和/或選擇不同的退火周期來提高，但這些方法會導致延展性下降。通過傳統技術生產的普通碳鋼，可以在僅導致恢復或部分再結晶的條件下進行批量退火或連續退火。這種類型的典型批量退火循環使用425攝氏度至480攝氏度的浸泡溫度和各種浸泡時間。

含有鈮、釩和鈦等合金元素的高強度低合金（HSLA）鋼也可以作為冷軋鋼種生產。額外的合金化產生了更強的熱軋鋼，通過冷軋，其強度甚至更高。冷軋HSLA鋼可以通過恢復性退火來生產更高的強度等級，或者通過再結晶退火來生產更低的強度等級。冷軋HSLA鋼的成功生產需要選擇適當的鋼材成分和熱軋強度組合、冷減量和退火循環類型。

另一個系列的高強度板材鋼是雙相（DP）鋼。這些鋼通常在臨界范圍內進行短時間的退火（通常少于5分鐘），然后快速冷卻。由此產生的微觀結構是在鐵素體的基體中按體積計算有10%到20%的馬氏體。連續退火工藝是生產DP板級的理想選擇。DP鋼的獨特之處在于它們通過連續的屈服行為變形，因為馬氏體在塑性變形過程中是一個連續的位錯來源。

大多數其他低碳鋼在變形時顯示出屈服點，需要經過去皮或回火軋制來提供連續屈服行為的位錯源。顯示屈服點的鋼在許多成型操作中是不可取的，因為會形成盧德斯帶，使表面有瑕疵。

熱浸鍍鋅產品是在加工預退火（批量退火）或全硬鋼卷的生產線上生產的。加工全硬鋼卷的生產線具有在線退火能力，這樣退火和熱浸鍍鋅就可以在生產線上一次完成。這種在線退火，就像無涂層鋼的連續退火一樣，通常比批量退火的強度略高，延展性略低。對于商業質量的鋼來說，最高溫度低于Ac1溫度，但對于拉絲質量的特殊殺傷等級，則需要超過845攝氏度的溫度。對預退火鋼進行鍍鋅處理后，其性能與未鍍鋅的鋼的性能相似。