HP295焊瓶用鋼“制耳”問題的原因分析及解決措施

李江委，何士國，于 斌，王 杰，郭 壘，賀 亮，王 存，王 剛

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

HP295焊瓶用鋼主要用于制造氧焊瓶、液化石油焊瓶、乙炔焊瓶等，由于其使用的特殊性，其產品對焊接性能、沖壓性能和力學性能有著嚴格的要求［1-4］。而在用戶使用沖壓過程中，沖壓件出現了延伸不均勻問題，即產品存在“制耳”問題。通過用戶的使用情況來看，2018年HP295的“制耳”問題表現的越來越嚴重，客戶需要將不均勻延伸部分切除，因此，增加了額外的工序和人工成本。針對“制耳”問題，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司熱軋部對產生缺陷的樣本進行金相組織分析，查找產生缺陷原因，并提出解決措施。

1 產生“制耳”問題的原因分析

HP295焊瓶用鋼工藝流程為：連鑄板坯→板坯加熱→板坯軋制 （粗軋、精軋工序）→層流冷卻→卷取成卷→包裝、成品、發貨。HP295焊瓶用鋼沖壓“制耳”如圖1所示。

圖1 HP295焊瓶用鋼沖壓“制耳”Fig.1 Earing Defect Caused by Stamping Welding Cylinder Steel HP295

1.1 成分和工藝分析

首先對2017年和2018年生產HP295焊瓶鋼的成分和熱軋工藝進行對比，隨機抽取兩年3個月數據的平均值如表1所示。

從表中可以看出，2017年和2018年HP295焊瓶用鋼的成分和熱軋工藝參數沒有明顯變化,說明“制耳”問題的產生跟化學成分和熱軋工藝參數沒有對應關系。

表1 2017年和2018年HP295成分和熱軋工藝參數對比Table 1 Comparison of Compositions and Hot Rolling Process of HP295 Produced in 2017 and 2018

1.2 力學性能分析

取2018年生產的HP295鋼板，在距離帶鋼尾部30 m的位置進行取樣，寬度方向上在帶鋼的工作側邊部200 mm、傳動側邊部200 mm和中間位置分別選取橫向和縱向試樣6組試樣進行力學性能測試，結果如表2所示。

表2 HP295力學性能對比Table 2 Comparison of Mechanical Properties of HP295

由表2可以看出，相同位置的橫向和縱向的力學性能測試結果相差不大，而不同位置樣品的延伸率存在較大差別，最小延伸率為30%，最大延伸率達到38%，說明鋼板在寬度方向上存在較大的各向異性。帶鋼的邊部和中部的性能存在的差異，與熱軋生產工藝和設備狀態有關。在熱軋生產過程中，帶鋼邊部較帶鋼中間位置的溫降要大，造成帶鋼邊部與中部性能的差異；此外，冷卻水也能造成帶鋼出現不均勻冷卻，使鋼板存在各向異性。

1.3 金相組織分析

為了進一步分析鋼板存在的各向異性問題，在“制耳”鋼板不同位置取樣，進行帶鋼邊部與中間位置金相組織分析，金相組織分析結果如圖2所示。由圖2可以看出，帶鋼中間位置和邊部位置的組織分別為 “鐵素體+珠光體+少量貝氏體”與“鐵素體+珠光體”，其中貝氏體為粒狀貝氏體。因此，鋼板組織存在不均勻現象，分析是由于鋼板橫向冷卻速度不一致導致鋼板存在各向異性，同時熱軋冷卻模式的不同 （帶鋼在不同溫度區間內以不同冷卻速度進行冷卻），也直接影響成品鋼板的組織。

圖2 HP295鋼板金相組織（500×）Fig.2 Metallurgical Structure of HP295 Steel Plate

2 改進措施

2.1 軋機入出口吹掃水改進

粗軋軋機入出口吹掃水的主要作用是將軋制過程中殘留在鋼板表面的冷卻水吹掃干凈，但在板坯軋制過程中，吹掃水對板坯還有一定的冷卻效果，屬于低壓噴水冷卻類型。噴水冷卻屬于強迫對流的一種，計算公式與高壓水除鱗類似，其冷卻能力如公式（1）［5］所示。

軋件溫降同軋件溫度、軋機出口厚度、帶鋼出口速度有直接關系。吹掃水屬于定向吹掃，使板坯發生不均勻冷卻現象，造成鋼板在軋制過程中存在各向異性。對粗軋軋機入出口吹掃水進行改進，使壓縮空氣通過改進的風管替代吹掃水，減少板坯溫降。改進后，溫降減少了20～40℃，能夠有效解決鋼板各向異性問題。

2.2 機架間冷卻水布置改進

精軋機架出口均設置機架間冷卻水，主要作用是對帶鋼進行冷卻，冷卻水嘴為均勻布置，熱軋帶鋼的邊部溫度較中間散熱快，在精軋入口，板坯的邊部溫度比中間溫度低60～100℃，對鋼板的各向異性影響較大。因此，對機架間冷卻水進行邊部遮擋改進，降低邊部冷卻水量，減小邊部溫降，提高鋼板橫斷面的溫度均勻性。精軋出口帶鋼橫斷面溫度曲線如圖3所示，通過機架間冷卻水布置的改進，帶鋼邊部溫降明顯改善，帶鋼邊部與中部的溫度差能夠控制在30℃以內，鋼板的各向異性問題得到了改善。

圖3 精軋出口帶鋼橫斷面溫度曲線Fig.3 Cross Section Temperature Curve of Strip Steel at Outlet of Finishing Mill

2.3 層流冷卻模式優化

層流冷卻是通過控制冷卻水的流量和帶鋼速度來控制帶鋼的冷卻速度和卷取溫度，它能夠直接影響帶鋼的組織和性能。層流冷卻的方式主要有前段冷卻、后段冷卻、兩端冷卻和均勻冷卻四種，不同冷卻模式的溫度曲線如圖4所示。

層流冷卻方式的不同對帶鋼最終的組織和力學性能的影響很大，合理的帶鋼冷卻方式，可以獲得良好的組織和力學性能。考慮到HP295焊瓶用鋼需要具有良好的沖壓性能和力學性能，前期采用兩端冷卻的冷卻方式，即兩端冷卻為前段和后段兩段組合冷卻，力學性能檢測結果顯示，抗拉強度、屈強比、延伸率等幾個方面均滿足產品設計要求，但在用戶使用過程中出現了“制耳”問題。為此，對冷卻方式進行調整，將兩端冷卻方式改為后段冷卻方式，后段冷卻方式的操作畫面如圖5所示。兩種冷卻模式水冷區溫度參數見表3。

圖4 不同冷卻模式的溫度曲線Fig.4 Temperature Curves by Different Cooling Modes

圖5 后段冷卻方式的操作畫面Fig.5 Schematic Diagram for Cooling Mode at Posterior Segment

表3 兩種冷卻模式水冷區溫度參數Table 3 Temperature Parameter of Laminer Cooling Area under Two Modes

3 效果驗證及討論

按照上述措施進行了小批量生產試驗。將試驗后鋼板取樣進行金相組織分析和力學性能測試。圖6為試驗HP295鋼板金相組織，組織主要是鐵素體+珠光體+貝氏體，同時組織中的貝氏體比例較實驗前增大，分布更均勻。

圖6 試驗HP295鋼板金相組織（500x）Fig.6 Metallurgical Structure of HP295 Steel Plate for Test（500×）

結合上述兩種冷卻方式進入后段水冷區的溫度區間，可以確定帶鋼溫度在660～750℃的范圍時，HP295焊瓶用鋼在層流水冷卻條件下，以一定的冷卻速度能夠產生一定量的貝氏體組織。

表4為試驗后帶鋼不同位置HP295的力學性能，通過對試驗鋼板的力學性能進行檢驗測試，檢驗結果滿足產品設計要求。將試驗鋼板送到客戶處進行實踐應用，客戶使用評價效果良好，“制耳”問題得到有效解決，試驗后的鋼板沖壓效果見圖7，改進后的鋼板能夠滿足客戶的使用要求。

表4 試驗后帶鋼不同位置HP295的力學性能Table 4 Mechanical Properties of Different Positions in HP295 Steel Strip after Test

圖7 試驗后的鋼板沖壓效果Fig.7 Comparison of Stamping Effect of Steel Plate after Test

4 結論

（1）通過采用風管替代粗軋軋機入出口吹掃水的方法，可以使中間坯邊部溫降減小20～40℃，能夠提高HP295焊瓶用鋼中間坯橫斷面的溫度均勻性。

（2）通過精軋機架間冷卻水的改進，帶鋼邊部與中部的溫度差能夠控制在30℃以內，帶鋼的橫斷面溫差得到了有效改善。

（3）HP295焊瓶用鋼在660～750℃溫度范圍內，經過層流水冷卻，以一定的冷卻速度能夠產生一定量的貝氏體組織。

（4）采用后段冷卻的層流冷卻方式，HP295焊瓶用鋼能夠獲得更均勻的組織，解決了該鋼種的“制耳”問題，滿足客戶使用要求。