冷軋先進高強鋼酸軋機組生產技術研究

孫榮生 ，王植 ，王靜 ，阮國慶 ，蔡順達 ，劉仁東

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山114021；3.鞍鋼股份有限公司系統創新部，遼寧鞍山114021）

近年來，隨著我國汽車工業的快速發展以及汽車保有量的不斷增長，汽車的減重、節能、環保等備受人們關注，冷軋先進高強鋼在汽車上得到了越來越廣泛的應用。通常先進高強鋼的抗拉強度在 800～1 500 MPa［1-2］，由于其具有合金元素含量高、強度大等特點，在酸軋機組實際的生產過程中，各工序工藝參數的細微波動就會對高強鋼穩定性及表面質量等造成嚴重影響，甚至使生產不能正常進行。本文主要對先進高強鋼在酸軋機組的生產技術進行了分析，提出了保證先進高強鋼穩定生產的措施。

1 存在問題及原因分析

從目前冷軋先進高強鋼在酸軋聯合機組的生產情況來看，存在的主要問題包括：焊縫質量差易斷帶，酸洗表面質量差色差嚴重，軋制穩定性差等，下面主要對先進高強鋼在酸軋聯合機組生產中焊接、酸洗及軋制工序的生產技術進行了詳細分析。

1.1 焊縫質量分析

由于先進高強鋼添加合金較多，碳當量較高，熱軋基板頭尾厚度精度、板形精度差，在后續軋制過程中極易在焊縫處發生斷帶，影響生產的順行。圖1為優化前杯凸試樣及焊縫組織圖片，通過觀察焊縫組織，焊縫區域組織多為硬質馬氏體組織且比例較大，激光焊接后冷卻到室溫，造成焊縫硬脆開裂，在后續過程中極易發生斷帶現象［3-4］。

圖1 優化前杯凸試樣及焊縫組織圖片Fig.1 Pictures of Samples for Cupping Test and Microstructures in Welding Seam before Optimization

1.2 酸洗表面質量分析

受先進高強鋼中各種合金元素影響，熱軋鋼板表面氧化鐵皮的厚薄及特性對溫度較為敏感，加上超高強鋼熱軋板拉矯延伸率很難達到要求，因此酸洗不易洗凈，圖2為酸洗后鋼板質量，從中可以看出鋼板表面質量較差，有較厚的氧化鐵皮未被清洗干凈，會影響最終產品質量和涂裝質量［5-6］。

利用掃描電鏡對熱軋板基板形貌進行觀察，結果如圖3所示。能譜分析表明，高強鋼熱軋卷表面氧化鐵皮較厚且表面合金元素偏析較重，Si、Mn含量較高。SEM觀察表明，不同顏色條紋處的氧化層厚度存在差異，即淺色條紋處氧化層較薄，深色條紋處氧化層較厚。氧化層與基體的結合部位存在一層薄而致密的Si、Mn富集層，氧化層底部存在類似二相粒子析出的Si、Mn的氧化物顆粒，氧化層頂部是較厚的Fe的氧化物［4-6］。

圖2 酸洗后鋼板質量Fig.2 Quality of Steel Sheets after Pickling

圖3 酸洗洗后質量元素分析Fig.3 Analysis on Mass Elements after Pickling

1.3 軋制穩定性分析

先進高強鋼合金含量高，變形抗力大，硬化速率快，軋制力過大，很容易超過軋機馬達負荷，因而不得不減小軋制變形量，降低軋制速度。此外，超高強鋼軋制過程中易出現打滑、邊裂、板形不良，甚至斷帶等問題。由于高強鋼熱軋來料的力學性能和厚度波動較大，軋硬材的厚度波動也較大。冷軋過程中，軋制力大，軋輥彎曲嚴重，由此引起軋硬材橫斷面凸度較大，邊緣降較嚴重，軋輥易發生開、斷裂等［7-8］。

對先進高強鋼熱軋基板取樣，測試其組織及力學性能，熱軋基板頭尾組織見圖4。帶鋼頭尾組織性能差異大，頭部為正常鐵素體+珠光體，尾部為鐵素體+貝氏體，頭尾性能差約為150 MPa，造成帶尾厚度超差及板形質量較差。

圖4 熱軋基板頭尾組織Fig.4 Microstructures in Head and Tail of Hot Rolled Sheet

冷連軋機組軋制過程中金屬變形的程度同樣是影響冷軋帶鋼變形抗力的重要參數，直接影響著冷連軋軋制過程中各架軋制力的大小。典型冷軋先進高強鋼變形抗力曲線如圖5所示，當壓縮比超過50%時，帶鋼強度超過1 000 MPa，會增加軋制難度，導致軋制力超限，無法進行軋制。

圖5 典型冷軋先進高強鋼變形抗力曲線Fig.5 Deformation Resistance Curves of Typical Cold Rolled Advanced High Strength Steels

2 控制措施

2.1 焊縫質量控制

為保證先進高強鋼焊縫質量，通過合理控制熱軋工藝保證熱軋基板頭尾厚度精度，同時控制焊接功率及速度，改善焊縫在橫向方向上的充盈度，深度方向上的中心位置完全焊合，并合理控制前后預熱功率，先進高強鋼焊接工藝參數見表1。

表1 先進高強鋼焊接工藝參數Table 1 Welding Process Parameters for Advanced High Strength Steels

2.2 酸洗表面質量控制

為保證高強鋼酸洗后的表面質量，通過合理控制熱軋工藝避免熱軋基板鐵皮過厚，同時提高拉矯機的延伸率及增加插入量，合理控制酸洗工藝參數，采用盡可能高的酸液溫度、濃度和較低的亞鐵濃度及酸洗速度，先進高強鋼酸洗工藝參數如表2所示。

表2 先進高強鋼酸洗工藝參數Table 2 Pickling Process Parameters for Advanced High Strength Steels

2.3 軋制穩定性控制

為保證高強鋼軋制工序的穩定性，通過熱軋工序投入邊部加熱器等手段，可有效降低由于熱軋軋制過程本身帶來的頭尾部組織、性能差異問題，有效保證熱軋原料通卷性能均勻。通過優化冷連軋機組軋制策略，包括負荷分配、張力制度等相關參數，保證軋制過程中各架軋機均勻變形，避免出現軋制力差異較大的情況，進而保證軋制過程穩定，先進高強鋼軋制工藝參數見表3。

表3 先進高強鋼軋制工藝參數Table 3 Cold Rolling Process Parameters for Advanced High Strength Steels

3 效果評價

3.1 焊縫質量評價

通過對焊縫質量的分析，制定相應的控制措施，能夠有效改善焊縫組織，降低馬氏體硬度及比例，進而達到改善焊縫質量的目的。優化后合格焊縫杯凸試樣及組織如圖6所示。

圖6 優化后合格焊縫杯凸試樣及組織Fig.6 Samples Taken from Qualified Welding Seams for Cupping Test and Microstructures after Optimization

3.2 酸洗表面質量評價

通過對酸洗表面質量的分析，制定相應的控制措施，有效提高酸洗后表面質量，無明顯色差缺陷，優化工藝后酸洗表面質量如圖7所示。

圖7 優化后酸洗表面質量Fig.7 Surface Quality of Pickled Steel Sheets after Optimization

3.3 軋制穩定性評價

分析軋制穩定性后，制定了相應的控制措施，保證了高強鋼在冷連軋機組能夠穩定運行。優化前后的機組各參數對比見表4，從表中看出，改進后的軋制力控制約為1 500 t，減少了其負荷超限、斷帶等情況；對厚度精度控制和板形精度分別控制在±0.06 mm和20 I以內，均在公差范圍之內。

表4 優化前后的機組各參數對比Table 4 Comparison of Parameters for Mill Unit before and after Optimization

4 結論

冷軋先進高強鋼仍是今后汽車板發展的主流，大量使用冷軋先進高強鋼是解決汽車減重、節能、安全、環保的重要途徑。批量冷軋先進高強鋼在酸軋機組工業化生產，為保證其焊縫質量、酸洗后表面質量及高強鋼軋制穩定性，可在酸軋聯合機組采取如下控制措施：

（1）通過合理控制熱軋工藝，保證熱軋基板頭尾厚度精度，激光功率在10～11 kW，前后預熱功率分別在2～4 kW和16～20 kW，可以改善焊縫的充盈度及焊縫組織，降低馬氏體硬度及比例，以改善焊縫質量。

（2）通過降低熱軋基板鐵皮厚度及Si、Mn元素的富集，合理控制拉矯機延伸率、插入量及酸洗工藝參數，采用盡可能高的酸液溫度（70～90℃）、濃度、較低的亞鐵濃度和酸洗速度，可以有效提高酸洗后表面質量。

（3）通過優化熱軋和冷連軋機組軋制工藝，能夠減少熱軋頭尾部組織、性能差異，適當提高冷軋第1、2架的壓下量及各機架單位張力（＞160 MPa），保證軋制過程中各機架變形均勻，可以有效改善軋制過程的穩定性。