冷硬制管用鋼產品的開發

王 鵬，何召東，展英姿

(山東鋼鐵集團日照有限公司鋼鐵研究院，山東 日照 276805)

以熱軋鋼卷為原料，經過酸洗去除表面氧化鐵皮后再進入冷軋機進行軋制，最后卷取得到的成品稱為冷軋軋硬卷，簡稱冷硬卷。由于連續冷變形引起的冷軋硬化使軋硬卷的強度、硬度上升，韌塑指標下降，且成品因為沒有經過退火處理，其硬度很高(HRB>90)，機械加工性能差[1]，冷硬卷一般是作為冷軋退火或鍍鋅產品的原料，性能難以保證。

目前市場上的成型加工用鋼原料基本采用熱軋或冷軋產品，它們都存在著一定的缺點。熱軋卷成本低，但產品氧化鐵皮多表面質量差，同時產品厚度受到極大限制，產品尺寸精度低；冷軋卷表面質量好，但經過酸洗、冷軋、退火、平整等工序，產品成本大幅增加，用戶利潤空間縮減。冷硬卷在性能方面雖不如熱軋卷和冷軋卷，但冷硬卷的表面質量、尺寸精度優于熱軋卷，產品硬度和成本又優于冷軋卷，由于其獨特的特點，所以冷硬產品的用途拓展空間巨大。在與客戶交流中，了解到國內外市場對于直接制管用冷硬卷的需求，該類型冷硬產品需求量較大且市場穩定。

1 具體生產工藝方案

冷硬制管用鋼產品生產流程如圖1所示，從中可看出，冷硬卷在產線開卷后直接進行成型滾圓加工，基本成型后再進行焊接、鍍鋅等處理，對原材料成型性能要求較高。針對客戶用途和對成型工藝的要求，通過優化帶鋼成分設計與生產工藝，實現對冷硬原料性能的合理控制，開發出成型性能較好的制管用冷硬鋼產品，可用于該圓管制造或較復雜的成型部件上。

圖1 制管用戶生產工藝前段流程圖

1.1 成分優化設計

鋼鐵中所含主要化學元素是C、Si、Mn、P、S、Al，它們的含量變化對帶鋼的最終性能和成型性有顯著影響。產品成分在符合相應標準的基礎上，結合用戶的具體性能要求和用途等綜合考慮，最終設計了SAE1010與SAE1012兩個牌號的冷硬制管用鋼產品。成分控制上體現了EVI特色，大幅降低P、S、Al、Si等對于下游用戶制管后焊接工序和涂鍍工序有害的元素，使得產品成分更加符合用戶實際需求，適用性更加突出。

(1)通過添加適當的C、Mn強化元素含量，保證客戶對冷硬成品相應的強度和硬度要求；

(2)通過減少P、S、Al元素含量，避免這些元素過量降低帶鋼的焊接性能，對用戶成管后焊接工序產生不利影響；

(3)同時嚴格控制Si元素含量，避免高Si產生氧化鐵皮影響帶鋼表面質量，對用戶后續管面涂鍍產生不良影響，以及影響帶鋼的焊接性能。

對于SAE1010與SAE1012冷硬制管用鋼產品的化學成分設計如表1所示。

表1 化學成分設計 單位：%

1.2 熱軋生產工藝設計

由于冷硬產品是熱軋基板在再結晶溫度以下進行一定壓下率的冷連軋，晶粒不發生轉變，只發生體積和位置上的變化，所以冷硬帶鋼中的組織與熱軋基板組織密切相關。因此，獲得均勻的熱軋組織是獲得優良冷軋產品性能的前提條件，熱軋后的組織越均勻，冷軋后的組織越細小均勻。根據最終產品的性能需要，可以通過控軋控冷技術對熱軋基板的組織和析出物進行有效控制，熱軋過程工藝控制的好壞將會對組織性能產生很大的影響，其中影響最顯著的熱軋工藝參數是熱軋溫度制度，主要包括加熱溫度、精軋終軋溫度和卷取溫度。

低碳的冷硬制管用鋼產品不再簡單沿用“三高”溫度制度，而是采用“一高兩低”的新溫度工藝，即較低的出鋼溫度，減少能源消耗，提高表面質量；較高的終軋溫度，避免混晶軋制，保證組織均勻；及較低的卷取溫度，降低成本，保證性能。

對于SAE1010與SAE1012冷硬制管用鋼產品的熱軋溫度制度設計如表2。

表2 熱軋溫度制度設計 單位：℃

1.3 冷軋生產工藝設計

冷軋工序的作用就是去除熱軋原料表面氧化鐵皮，保證良好的板面質量；以良好的潤滑條件保證大的壓下量，以產生強的有利形變織構，為下一步退火產生理想的再結晶退火織構創造條件。在其它條件相同的情況下冷軋壓下率是影響冷硬板性能的主要因素之一[2]。

冷硬卷不同于一般冷軋產品，它不經過后續的退火工序而直接使用，為了保證冷硬成品較大地保留熱軋基料的優良性能，尤其是在冷軋后仍保留較大的延伸率，利于直接成型加工使用，對于冷硬制管用鋼的冷軋壓下率設計應低于普通產品。最終確定該系列冷軋壓下率設定在30%～45%的合理小區間范圍，保證性能滿足用戶特定要求。此外，冷軋采用小壓下率生產降低了軋機負荷，同時避免了帶鋼切邊后邊裂問題的加劇。

對于SAE1010與SAE1012冷硬制管用鋼產品的冷軋壓下率設計如表3所示。

表3 冷軋壓下率設計 單位：%

為保證產品的合理使用，對于用戶應用還要進行引導跟蹤，開展EVI技術服務，對于存在的材料性能、質量及成型問題進行分析解決，達到用戶的技術標準和實際使用要求，指導用戶更好地應用冷硬制管用鋼產品。

2 產品組織與性能情況

2.1 熱軋基板組織

在熱軋過程中低碳鋼的材料組織主要發生第二相粒子AlN的固溶和析出、奧氏體的形變和再結晶、奧氏體向鐵素體的相變，按照上述工藝設計，該系列產品熱軋后基板內部組織主要為較為規則的鐵素體和少量珠光體分布,如圖2。

(a)SAE1010

(b)SAE1012圖2 熱軋基板200*金相組織圖

2.2 冷硬成品組織

冷軋時由于位錯的滑移運動，變形組織的晶粒不僅沿軋制方向伸長，而且會發生一定的轉動[3]。冷硬成品為熱軋基板在常溫下進行的軋制，晶粒不發生轉變只是發生體積上的變化，與熱軋基板組織對應，最終該系列冷硬成品內部組織為細小不規則分布的鐵素體和珠光體，如圖3。

(b)SAE1012圖3 冷硬成品500*金相組織圖

2.3 冷硬成品性能

(1)冷硬成品力學性能達到穩定，其中斷后延伸率達到≥6%水平，抗拉強度控制在550～650 MPa區間。

(2)冷硬成品彎曲成型性能滿足要求，其中90°V彎試驗結果不能存在明顯裂紋，45°V彎試驗結果允許存在輕微裂紋，如圖4。

圖4 彎曲試驗結果圖示

(3)冷硬成品表面粗糙度Ra≤0.9 μm，指標滿足相應標準和客戶協議要求。

3 總結

通過上述工藝設計，冷硬卷的成型性能得到大幅提升，產品性能和質量控制穩定，其中抗拉強度波動范圍減小，強度得到有效控制，同時延伸率指標顯著提高，從而使冷硬帶鋼可以直接作為制管等較復雜成型的加工原料，為客戶降低了成本。經用戶檢驗和實際使用，SAE1010和SAE1012冷硬制管用鋼產品力學性能指標良好，成型性能優良，焊接質量穩定，生產加工過程滿足工藝要求，如圖5。

圖5 用戶最終產品圖示

通過對冷硬帶鋼組織的研究及生產工藝的調整實驗，對于冷硬產品的機理有了進一步的了解，提高了產品質量的穩定控制水平，為其他冷軋品種的開發與用戶個性化定制積累了可借鑒的經驗。