SPHD沖壓用鋼熱軋生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制研究

劉金英，宋進(jìn)英

（1.唐山瑞豐鋼鐵（集團(tuán)）有限公司河北 063000；2.華北理工大學(xué)，河北 063000）

0 引言

瑞豐鋼鐵公司原來主要生產(chǎn)Q195、Q235B、Q355B等系列傳統(tǒng)鋼鐵產(chǎn)品，為了提高產(chǎn)品競爭力和市場份額，公司集中技術(shù)力量不斷開發(fā)新產(chǎn)品。其中前兩年通過批量工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)，在950熱軋線成功開發(fā)了優(yōu)質(zhì)低碳SPHD熱軋中寬帶鋼，這種高性能SPHD鋼在汽車部件、家電外殼、靜電地板底板和搪瓷用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。SPHD熱軋中寬帶鋼的成功開發(fā)使公司實(shí)現(xiàn)了從普通低端產(chǎn)品到優(yōu)質(zhì)高端產(chǎn)品生產(chǎn)的升級(jí)轉(zhuǎn)型。

本文介紹了SPHD熱軋中寬帶鋼的軋制工藝流程及裝備，根據(jù)該鋼種的用途和性能要求制定了該產(chǎn)品組織性能控制目標(biāo)以及軋制工藝控制要點(diǎn)。通過加熱及軋鋼工藝試驗(yàn)，最終確定了950軋線軋制SPHD中寬帶鋼的最佳熱軋工藝。

1 熱軋生產(chǎn)工藝裝備及流程

SPHD熱軋中寬帶鋼是在950熱軋線進(jìn)行工業(yè)試生產(chǎn)，該線設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為160×104t/a，主要產(chǎn)品為2.0～13.0mm×685～880mm中寬帶鋼。主要工藝設(shè)備有：1座步進(jìn)梁式雙蓄熱加熱爐，2架2輥可逆粗軋機(jī)，7架4輥精軋機(jī)，2臺(tái)地下臥式卷取機(jī)。生產(chǎn)工藝流程為：加熱爐加熱→爐后20MPa以上高壓水除鱗→粗軋：20MPa以上水除鱗及可逆軋制→熱卷箱卷取→飛剪切頭、尾→精軋：20MPa以上高壓水除鱗及7機(jī)架4輥連軋→13組層流冷卻→2臺(tái)臥式卷取→打包→檢驗(yàn)入庫。950熱軋線工藝流程如圖1所示。

圖1 950熱軋線工藝流程圖

2 熱軋產(chǎn)品組織性能控制目標(biāo)

作為冷軋基料的供應(yīng)者，熱軋是SPHD鋼生產(chǎn)鏈中承上啟下的一道重要工序。若熱軋顯微組織不均，出現(xiàn)粗晶、混晶及晶粒過細(xì)等問題時(shí)，在其冷軋的組織中均會(huì)有不同程度的體現(xiàn)，即冷軋工序不能完全解決熱軋工序產(chǎn)生的組織缺陷，熱軋組織具有一定的遺傳性，因此合理地控制熱軋工藝對(duì)最終獲得具備高成形性能的沖壓產(chǎn)品用鋼至關(guān)重要。

熱軋工序中影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)為加熱工藝、軋制工藝和卷取工藝，本文主要以罩式退火工藝用SPHD鋼為例闡述熱軋工藝控制。為了保證SPHD鋼的各項(xiàng)成形性能，熱軋主要采用“三高一低”的方式，即高溫加熱、高溫開軋、高溫終軋和低溫卷取[1]。制定的質(zhì)量控制目標(biāo)見表1。

表1 SPHD沖壓用鋼質(zhì)量控制目標(biāo)

3 熱軋工藝設(shè)計(jì)

因SPHD屬于低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，鋼中加入的Al除了脫氧作用外，在鋼中主要成為酸溶鋁（Als），即固溶Al和A1N，為了保證沖壓成形性能，熱軋過程中主要是控制A1N粒子的狀態(tài)和產(chǎn)品組織性能。

3.1 高的加熱和開軋溫度

因AlN溶解溫度在1100℃以上，故鋼坯需要高的加熱溫度，使AlN充分固溶在奧氏體晶粒內(nèi)，并獲得均勻奧氏體晶粒，便于軋制。一般開軋溫度要高于1100℃，可保證鑄坯處于單相奧氏體區(qū)，且鋼中的AlN呈溶解狀態(tài)[2]，同時(shí)考慮工序溫降，保證終軋溫度在Ar3以上進(jìn)行。

3.2 高的終軋溫度

高的終軋溫度主要是保證AlN在終軋時(shí)必須固溶，且?guī)т撌窃贏r3以上變形，以免在兩相區(qū)軋制，造成異常組織，影響成品成形性能。考慮到950產(chǎn)線層流冷卻設(shè)備的冷卻能力及一般沖壓用鋼冷卻強(qiáng)度在20～30℃/s，要求終軋溫度控制在880～920℃

3.3 低的卷取溫度

低的卷取溫度主要是保證AlN在卷取時(shí)過飽和固溶[3]，并能獲得合適的晶粒尺寸，故將卷取溫度設(shè)為630℃以下。

4 加熱工藝試驗(yàn)及優(yōu)化

4.1 加熱工藝試驗(yàn)

為了使SPHD鋼坯處于單相奧氏體區(qū)，從而獲得最佳的初始奧氏體晶粒度并得到均勻分布的奧氏體晶粒，同時(shí)在該加熱溫度下，保證鋼中的AlN能夠充分的溶解固溶于奧氏體中，并使終軋溫度保持在Ar3以上。第一次試驗(yàn)將鋼坯開軋溫度控制目標(biāo)定為1180±20℃，加熱溫度定為1300±20℃，制定加熱工藝如表2所示。

表2 SPHD沖壓用鋼坯初始加熱爐加熱制度

在實(shí)際試生產(chǎn)時(shí)，因加熱溫度偏高，鋼坯在爐時(shí)長達(dá)180～260min，出爐除鱗后板坯的溫度達(dá)到1180～1200℃，板坯在爐內(nèi)出現(xiàn)軟化、塌腰變形等問題，因出鋼困難導(dǎo)致停軋?zhí)幚怼?/p>

經(jīng)分析，因加熱爐為步進(jìn)式，爐內(nèi)有4根固定梁和3根活動(dòng)梁間隔布置，且活動(dòng)梁與固定梁間距1300mm，鋼坯兩端懸臂量達(dá)到750～1150mm。活動(dòng)梁在運(yùn)行過程中，將鋼坯托起100mm后，再前行600mm，然后放下鋼坯，最后退回原位。由于SPHD沖壓用鋼碳含量≤0.05%，屬于軟質(zhì)鋼種，除鱗后的溫度為1180～1200℃，雖然沒有達(dá)到過熱、過燒的溫度，但強(qiáng)度顯著下降。在重力作用下，軟化的板坯隨著步進(jìn)梁循環(huán)運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)塌腰、下垂等問題（如圖2所示），導(dǎo)致出鋼時(shí)鋼坯卡到加熱爐下端墻頂部，需要人工在出鋼臂上方放置兩層磚，以提高出鋼高度，才可以將鋼坯托出，出鋼較困難。

圖2 板坯加熱過程塌腰、下垂示意圖

4.2 加熱工藝優(yōu)化

鑒于上述原因，結(jié)合AlN的固溶條件和軋制過程溫降情況，對(duì)加熱制度進(jìn)行了優(yōu)化，即降低各段加熱溫度，縮短加熱時(shí)間，優(yōu)化后的SPHD沖壓用鋼坯加熱爐加熱制度如表3所示。按此工藝執(zhí)行后，實(shí)際鋼坯開軋溫度在1120±20℃范圍內(nèi)，滿足熱軋工藝溫度要求。

表3 優(yōu)化后的SPHD沖壓用鋼坯加熱爐加熱制度

5 熱軋工藝試驗(yàn)及固化

5.1 熱軋工藝試驗(yàn)

5.1.1 不同工藝條件試驗(yàn)過程

在調(diào)整加熱工藝之后，在950軋線又進(jìn)行了三次工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)，軋制規(guī)格為2.5mm×685mm中寬帶。對(duì)三次工業(yè)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)熱軋工藝實(shí)際控制結(jié)果如表4所示。由表4可知，3次工業(yè)試驗(yàn)加熱和開軋溫度均達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期，可保證AlN的充分固溶。

表4 SPHD熱軋工藝生產(chǎn)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

但第一次熱軋生產(chǎn)試驗(yàn)時(shí)，因精軋出口速度在12.0m/s以上，軋制速度較快，控制不穩(wěn)定，得到終軋溫度940～970℃，導(dǎo)致層流冷卻采取后4組集中冷卻后，卷取溫度仍在700～730℃范圍內(nèi)，偏高，不滿足設(shè)計(jì)要求；第二次熱軋生產(chǎn)試驗(yàn)時(shí)，將精軋出口速度控制在10.5 m/s左右，得到的終軋溫度為910～940℃，層流冷卻采用后段6組粗冷加2組精冷的冷卻方式，最后獲得卷取溫度為650～680℃，仍偏高；第三次熱軋現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，再次降低精軋出口速度至9.5m/s左右，并將層流冷卻方式進(jìn)行調(diào)整，改為前4組集中粗冷和后段稀疏冷卻加精冷方式，最后獲得卷取溫度560～600℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.1.2 三次工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果分析

SPHD動(dòng)態(tài)CCT曲線如圖3所示[4]。由圖3分析可知：

圖3 SPHD鋼的動(dòng)態(tài)CCT曲線

第一次試驗(yàn)卷取溫度在700℃以上，奧氏體轉(zhuǎn)變尚未結(jié)束，但軋后冷卻已經(jīng)結(jié)束，奧氏體中的AlN無法一直以固溶的狀態(tài)保持到室溫，而是大量析出[5]，這樣AlN在冷軋后的退火過程中引導(dǎo){111}織構(gòu)發(fā)展的作用是無法實(shí)現(xiàn)的[6]，因此第一次試驗(yàn)以失敗告終，試驗(yàn)產(chǎn)品全部改判為鍍鋅用途的SPHC。

第二次卷取溫度為650～680℃，仍偏高，因AlN在600℃時(shí)開始析出，在650～680℃的范圍內(nèi)已有較多的AlN析出[7]，仍然不利于冷軋罩退工序有利織構(gòu)的形成。

第三次獲得卷取溫度550～600℃，因AlN在600℃以下析出很少，可保證AlN是以飽和狀態(tài)固溶在鋼中，這為冷軋罩式退火后獲得良好的γ織構(gòu)提供了充分條件。

5.2 組織性能研究

5.2.1 三次生產(chǎn)試驗(yàn)產(chǎn)品組織分析

三次試驗(yàn)用光學(xué)顯微鏡觀測軋制面金相組織如圖4所示，將三次試驗(yàn)用掃描電鏡觀測軋制面金相組織如圖5所示。圖4、圖5中，（a）：CT 730℃，（b）：CT 680℃，（c）：CT 580℃。通過三次試驗(yàn)可以觀察到：

圖4 三次試驗(yàn)板面中部的軋制面金相組織

圖5 三次試驗(yàn)板面中部的軋制面電鏡掃描組織

（1）第一次現(xiàn)場試驗(yàn)終軋溫度970℃，卷取溫度730℃，測得樣板平均晶粒尺寸為24.7μm，晶粒度7.5級(jí)，晶粒較大；第二次現(xiàn)場試驗(yàn)終軋溫度940℃，卷取溫度680℃，平均晶粒尺寸為18.7μm，晶粒度8.5級(jí)，較第一次晶粒變細(xì)，但仍偏大；第三次終軋溫度890℃，卷取溫度580℃，晶粒尺寸為9.1μm，晶粒度10.0級(jí)，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）相同的終軋溫度，卷取溫度越高，組織中的游離滲碳體和珠光體的數(shù)量越多，如卷取溫度730℃和680℃時(shí)的金相組織；另外，SPHD在730℃和680℃卷取時(shí)，滲碳體析出量較多，且分布相對(duì)分散，尺寸較大；580℃卷取游離滲碳體和珠光體的數(shù)量明顯減少，且尺寸較小。

5.2.2 三次工業(yè)試驗(yàn)性能對(duì)比分析

SPHD三次熱軋生產(chǎn)試驗(yàn)力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)如表5所示。由表5可以看出，三次試驗(yàn)力學(xué)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 SPHD熱軋生產(chǎn)試驗(yàn)力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)表

5.3 熱軋工藝固化

綜上所述，最后確定950軋線生產(chǎn)SPHD中寬帶鋼執(zhí)行的熱軋工藝如表6所示。目前950軋線SPHD產(chǎn)品產(chǎn)量占該線產(chǎn)品的20%以上，用途廣泛，銷往全國各地冷軋沖壓用戶。

表6 SPHD熱軋中寬帶鋼熱軋工藝

6 結(jié)語

通過加熱工藝工業(yè)試驗(yàn)以及熱軋工藝工業(yè)試驗(yàn)，分析了SPHD熱軋中寬帶鋼的加熱、軋制和卷取工藝的控制要點(diǎn)，最終確定了950軋線軋制SPHD中寬帶鋼的最佳熱軋工藝。

加熱和軋制工藝優(yōu)化后，鑄坯熱加溫度控制在1250±20℃，加熱時(shí)間控制在120～160min之間，開軋溫度控制在1130±20℃，終軋溫度控制在880±20℃，精軋出口速度控制在10±0.5m/s,卷取溫度控制在580±15℃，可以消除加熱爐鋼坯塌腰、下垂問題，SPHD中寬帶熱軋產(chǎn)品的組織性能完全滿足冷軋罩式退火工藝用戶的質(zhì)量要求。