熱軋中碳鋼45Mn 扁卷問(wèn)題分析與改進(jìn)

尚天傲，趙 銳，常智乾，孟令旭

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照 276800）

碳鋼45 Mn 在中高碳鋼市場(chǎng)容量占比較大，冷軋后廣泛應(yīng)用于鏈條、刀模料、五金、機(jī)械、汽車(chē)等各個(gè)行業(yè)。為了使客戶(hù)獲得更好地使用效果，在碳鋼45 Mn 的熱軋生產(chǎn)過(guò)程中，需要采取較高的卷取溫度來(lái)獲得理想的組織和性能。但較高的卷取溫度同時(shí)也帶來(lái)了扁卷的風(fēng)險(xiǎn)。扁卷一旦產(chǎn)生，處理非常困難，需要人工對(duì)卷芯部分進(jìn)行切除，嚴(yán)重時(shí)只能整卷判廢；同時(shí)會(huì)給后續(xù)的加工帶來(lái)一系列問(wèn)題，如開(kāi)卷機(jī)無(wú)法上機(jī)、開(kāi)卷過(guò)程中由于重心變化造成的開(kāi)卷設(shè)備安全隱患等等。

不同工況及鋼種的差異，控制扁卷的手段不盡相同，本文通過(guò)對(duì)成品組織的分析，結(jié)合對(duì)軋后冷卻過(guò)程中的相變行為研究，通過(guò)調(diào)整終軋、卷取工藝溫度及冷卻策略，有效解決了傳統(tǒng)熱連軋產(chǎn)線的薄規(guī)格碳鋼45 Mn 生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的扁卷問(wèn)題。

1 扁卷問(wèn)題影響因素簡(jiǎn)析

1.1 卷取張力的影響

一般認(rèn)為，控制卷取張力是控制扁卷的主要手段。卷取張力的增加會(huì)直接導(dǎo)致卸卷后層間的殘余徑向壓力的增大，繼而增大層間的摩擦力，降低扁卷程度。

1.2 規(guī)格及強(qiáng)度

規(guī)格越薄，層數(shù)越多，更容易導(dǎo)致各層之間產(chǎn)生滑移而造成扁卷，同時(shí)強(qiáng)度越低，卷重越重，鋼卷自身的剛度不足以支持自重，也容易造成扁卷缺陷。

1.3 庫(kù)存管理

采用V 型支架支撐鋼卷以及優(yōu)化垛位管理避免多層堆放等方式也是改善扁卷的重要手段。

1.4 相變的影響

一般鋼種的生產(chǎn)，在卷取過(guò)程中，鋼卷內(nèi)仍有殘余奧氏體，則在冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生相變，對(duì)于不同型號(hào)的鋼種，不同的熱軋和卷取工藝下會(huì)發(fā)生多種形式的相變，各種相變產(chǎn)生的膨脹量各不相同。相變帶來(lái)的體積上的變化也會(huì)造成層間滑移。

2 生產(chǎn)工藝過(guò)程及檢測(cè)結(jié)果分析

2.1 生產(chǎn)工藝過(guò)程

研究鋼種為2150 熱連軋產(chǎn)線生產(chǎn)的碳鋼45Mn，其化學(xué)成分如表1 所示。帶鋼生產(chǎn)工藝流程為：高爐鐵水—轉(zhuǎn)爐冶煉—LF 爐外精煉—連鑄—加熱爐—2架粗軋—7 架精軋—層流冷卻—卷取。熱連軋過(guò)程將227 mm×1 560 mm 厚連鑄坯軋制為厚度（3.5～4.0）mm×1 550 的帶鋼。具體軋制工藝見(jiàn)表2。

表1 鋼種化學(xué)成分 %

表2 軋制工藝參數(shù)

2.2 檢驗(yàn)結(jié)果分析

按照表2 的軋制工藝，產(chǎn)品性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（見(jiàn)表3）。高倍組織為F+P（見(jiàn)圖1）。但鋼卷內(nèi)徑≤710 mm 的占比高達(dá)34%，嚴(yán)重的內(nèi)徑不足700 mm，扁卷情況嚴(yán)重。

表3 力學(xué)性能

圖1 3.5 mm 厚度碳鋼45Mn 組織形貌

由于設(shè)備能力限制，無(wú)法進(jìn)一步調(diào)整卷取張力；規(guī)格、卷重也受到訂單限制；因此只有從提升自身強(qiáng)度、相變及庫(kù)存管理方面尋找改善方法。

高倍組織檢驗(yàn)結(jié)果顯示，鐵素體占比超過(guò)60%。根據(jù)鐵碳相圖杠桿定理，近似認(rèn)為45Mn 的先共析鐵素體含量應(yīng)該在43%左右，而珠光體含量應(yīng)在57%左右。眾所周知，鐵素體具有良好的塑性和韌性，其屈服強(qiáng)度一般在100～170 MPa 之間。珠光體為鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，其性能根據(jù)片層間距不同，屈服強(qiáng)度可達(dá)790～1 075 MPa。

因此，為消除扁卷問(wèn)題，考慮通過(guò)減少組織中鐵素體占比，增加珠光體占比，來(lái)提升鋼卷自身強(qiáng)度，以抵抗自重帶來(lái)的扁卷傾向。

3 改進(jìn)試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 改進(jìn)試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)資料，不考慮變形量的影響，中碳鋼45Mn 的臨界溫度Ar1 為689 ℃、Ar3 為751 ℃，在冷速為0.05～10.00 ℃/s 時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變完成溫度約為550～650 ℃，因此，本文計(jì)劃通過(guò)降低終軋溫度，降低卷取溫度，改變冷卻策略三方面，來(lái)控制組織中先共析鐵素體的析出與長(zhǎng)大；同時(shí)也考慮盡可能減少?gòu)?qiáng)度升高對(duì)客戶(hù)冷軋的影響。制定了試驗(yàn)方案，見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)方案

降低終軋溫度到830 ℃，更接近Ar1，同時(shí)改變冷卻策略為前段冷卻，增加冷卻速度，鋼卷溫度快速接近Ar3,使相變快速跨過(guò)A-F 進(jìn)入A-P 轉(zhuǎn)變區(qū)域，從而達(dá)到控制先共析鐵素體的析出與長(zhǎng)大的目的；改變冷卻策略為前段冷速，增加冷速，也促進(jìn)了奧氏體偽共析轉(zhuǎn)變，減少先共析鐵素體的占比；另外，降低卷取溫度，讓相變過(guò)程發(fā)生在層冷與卷取過(guò)程，避免在卸卷后繼續(xù)相變，一方面可以減少造成體積變化帶來(lái)的層間滑移影響，另一方面也會(huì)減少相變返熱對(duì)相變延遲的影響。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)后的鋼卷力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具體見(jiàn)表5。可以看出強(qiáng)度明顯提高，屈服強(qiáng)度提高了68 MPa，抗拉強(qiáng)度提高了74 MPa。同時(shí)，組織中珠光體含量明顯增多，且心部出現(xiàn)了少量索氏體，見(jiàn)圖2。

表5 試驗(yàn)鋼卷力學(xué)性能

圖2 3.5 mm 厚度碳鋼45Mn 組織形貌（試驗(yàn)）

試驗(yàn)過(guò)程中在鋼卷下線時(shí)對(duì)內(nèi)徑進(jìn)行了測(cè)量，并在緩冷2 d 后對(duì)內(nèi)徑的變化進(jìn)行跟蹤，內(nèi)徑均在730～750 mm 之間，卷形良好，鋼卷扁卷問(wèn)題消除（見(jiàn)圖3）。

圖3 下線內(nèi)徑測(cè)量及緩冷2 d 后鋼卷內(nèi)徑

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)于大卷重、薄規(guī)格中碳鋼45Mn 改善扁卷問(wèn)題的工藝試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)減少組織中鐵素體占比，增加珠光體占比，有效地提高鋼卷強(qiáng)度，可有效改善扁卷問(wèn)題。

2）控制相變發(fā)生在卸卷前結(jié)束，可以避免成卷后相變帶來(lái)的體積變化所導(dǎo)致的層間滑移，對(duì)改善扁卷也起到了輔助作用。