從軋件組織性能的柔性控制到鋼種歸并

支穎　趙啟林　劉相華

關鍵詞：柔性軋制；產品組織性能；鋼種歸并

0 引言

柔性軋制可分為兩種類型：一是形狀尺寸方面的柔性軋制；二是軋制中對軋件組織性能的柔性控制。實際上，后者較前者有更大的發揮空間、更廣闊的應用前景。早年提出一鋼多能的理念，首秦公司馮路路等將其與組織性能的柔性控制聯系起來，采用同一種鋼坯，生產出低合金船板、容器板、橋梁板和高層建筑用鋼板，實現了一鋼多能。這不僅簡化了原材料和坯料管理，而且能減少不同鋼種連澆帶來的諸多不便以及連澆爐數，從而促進了煉鋼階段的減量化生產。在本世紀初興起的超細晶粒鋼研究熱潮中，提出用同一種化學成分生產不同晶粒尺寸，獲得不同力學性能產品的思想，并用Q235鋼坯實驗試制出200～400 MPa多種不同強度級別的產品。此后沿著這種思路繼續向前發展，把實驗室成果轉變為生產實踐。例如：天津鋼鐵集團花艷俠等采用普碳鋼Q235B-T連鑄坯，采用低溫軋制及快速冷卻技術，生產出Q345B 強度級別的鋼板，各項力學性能均滿足標準要求。寶武集團韶鋼周中喜等用相同熔煉成分的Q390板坯，通過控軋控冷技術，充分發揮細晶強化作用，生產出Q390C和Q420C兩種強度級別的熱軋低合金高強度結構鋼板，性能全部合格。而寶武集團梅鋼胡恒法等系統總結了前人經驗，利用產品性能柔性控制進行鋼種歸并，用Q345強度級別原料，采用低溫終軋、低溫卷取的工藝路線生產出屈服強度430 MPa、抗拉強度540 MPa， 伸長率達到30%的產品。

人們對軋制過程中軋件組織性能柔性控制的追求沒有停下腳步，2021年LU Q等在國際著名期刊《Science Advances》上發表論文，提出UniSteel概念，即以單一化學成分取代已有的繁多汽車用鋼品種，進一步體現出對軋制產品組織性能的柔性控制技術的深度思考。本文從產品組織性能柔性控制的基本思路及其理論基礎入手，介紹其在鋼種歸并中的應用發展狀況。

1 產品性能柔性控制的思路和原理

過去為了滿足用戶對不同強度級別產品的需求，往往采用調整化學成分的方法，這樣就需要在煉鋼、連鑄、軋制過程中頻繁切換鋼種，會帶來增加生產成本，加快稀缺資源消耗等問題，同時也增加了冶煉工序成分控制難度，使冶煉、連鑄、軋制面臨頻繁更換鋼種帶來的銜接技術復雜化與管理復雜化。如果能使用集約化成分坯料，使用同一種化學成分的原料，通過改變軋制和冷卻工藝得到不同性能級別的產品，上述問題將迎刃

而解。

從金屬成形理論上說，這樣的想法能不能做到呢？答案是肯定的。鋼的性能是由其化學成分、組織和結構決定的，化學成分取決于煉鋼，而組織與結構既與化學成分有關，也與生產過程密切相關。例如：連鑄條件決定了鑄坯初始組織的形成和偏析狀況；熱軋變形條件決定了軋件再結晶和相變的發生和發展，生成晶粒形態不同、占比不同的奧氏體和鐵素體等組織；軋制+軋后冷卻條件決定了鐵素體、貝氏體、馬氏體各相組織的比例和產品晶粒大小、形態和取向。由經典的Hall-Petch 公式可知，材料的屈服強度與晶粒尺寸的-1/2次方成正比，只要采用不同的工藝參數就能獲得不同的晶粒尺寸，即可用同一種化學成分得到不同性能的產品。日本學者在追求晶粒細化極限的過程中曾經把普碳鋼強度提高到800 MPa以上，排除那些脫離現代工業生產條件的極端做法，在我國現有煉鋼和軋鋼的技術裝備水平能夠實現的范圍內，可以把普碳鋼的屈服強度提高到400～500 MPa。這只是利用晶粒細化一個手段得到的結果， 而相變對性能的影響作用更大，通過控制變形和冷卻條件，合理控制鋼中馬氏體的比例，得到性能翻一番的產品并不困難。

由煉鋼得到一種化學成分的鋼，經過不同工藝參數的連鑄、熱軋、冷軋、軋后冷卻過程，得到不同的組織結構、從而獲得不同的力學和使用性能，從理論上說是完全可能的。提出“一鋼多能”想法符合金屬成形原理。甚至可以說這種想法正是在對金屬成形原理深刻理解的基礎上形成并提出的。這種認識，為鋼種開發和鋼種歸并提供了廣闊舞臺和理論指導。

具體說來，面對用戶的多樣化需求，軋鋼廠拿到用戶訂單以后，管理者首先要分析已生產的鋼種中，是否可以找到完全能夠滿足用戶要求的產品，否則就要進行新產品開發。而新產品開發往往從化學成分設計開始，對應生產過程是煉鋼，如圖1所示。

圖1中，TL、T1、T2、T3稱為制品分級點，簡稱為PDP點（Product Different Point）。從煉鋼開始的產品開發周期為TL，流程最長；若產品開發的周期從軋制開始，甚至從冷卻開始，開發周期縮短到T2甚至T3，T2或T3之前共用同一流程生產出來的坯料，那么新產品開發的周期就會大為縮短。這就是柔性軋制所要追求的目標。PDP點后移，簡化了冶煉和連鑄的操作，但并不是降低了煉鋼、連鑄工序的難度。相反，柔性軋制及鋼種歸并要求煉鋼能夠實現精準冶煉、窄化學成分控制；要求連鑄能得到少偏析、甚至無偏析的均勻鑄坯，以減少在后續流程中帶來組織和性能的大幅度波動。

2 鋼種歸并

鋼種歸并是軋制過程組織性能柔性控制的一個具體應用例子。從分析鋼鐵產品標準入手，考慮對具有相同或相近力學性能的鋼鐵牌號進行歸并，通過對軋制與冷卻工藝的優化控制進行產品性能的升級或者降級軋制，實現“一鋼多能”的集約化生產。

2.1 鋼種歸并的必要性

各大中型鋼鐵企業的鋼鐵產品牌號都有成百上千種，而且越是名牌、成熟的公司，所積累的成熟鋼種越多、越雜。如果新鋼種開發只做加法、不做減法，那么新鋼種無止境增添上去，總有一天會到達管理者不堪重負的程度，因此需要進行必要的鋼種歸并。

鋼種歸并就是鋼材種類管理中的減法，通過歸類、合并同類項，減少不同化學成分的鋼種數量。對內以“一鋼”為手段，簡化煉鋼的管理，實現大規模定制；對外達到“多能”的效果，滿足用戶的多樣化需求。這里關鍵是通過軋制和冷卻工藝參數的優化，調控產品組織結構，獲得不同性能。按照 “成分歸并做減法，工藝優化做加法”的思路，推進產品性能的柔性控制。

2.2 鋼種歸并的優缺點

鋼種歸并可以為企業帶來以下好處：

（1）減少品種類別，簡化原料的管理，實現冶煉和連鑄的集約化生產；

（2）減少因頻繁更換品種帶來的冶煉時間和輔料消耗，增加連澆爐數，提高勞動生產率；

（3）根據市場行情變化，在達到同等指標要求下選擇價格便宜的合金元素，降低原材料成本，為企業創造經濟效益；

（4）利用細晶強化、相變強化等手段，減少鋼中合金元素用量、實現性能升級生產和資源減量化生產；

（5）通過軋制變形和冷卻制度的參數優化，特別是通過冷卻水量的合理使用，得到不同的冷卻速率、從而獲得不同的組織（鐵素體、貝氏體、馬氏體……），進而得到不同的產品性能，來應對用戶的多樣化需求。

鋼種歸并也存在一些負面作用，正如射擊訓練，一槍只打一個目標，命中率顯然會高于一槍要打中多個目標，如圖2所示。也就是說，實現“一鋼多能”要比“一鋼一能”的難度大。要想在每一次嘗試中各個鋼種都能獲得滿足性能要求的優質產品，要求軋鋼的設計和操作人員有像神槍手那樣過硬的本領，其中煉鋼需實現窄化學成分控制、連鑄需實現凝固參數精準控制、熱軋和軋后冷卻需實現對變形和溫度的精準控制，才能保證鋼種歸并后工藝參數能夠精準運行，這些是實現鋼種歸并的必要條件。此外，鋼材組織性能的在線預測預報對鋼種歸并十分重要，把握了工藝參數對工件性能的影響規律，進行鋼種歸并時才能得心應手。

2.3 鋼種歸并的1條準繩和4項原則

各個鋼材生產廠家的具體條件千差萬別，把握好鋼種歸并的尺度至關重要。哪些鋼種適于歸并、哪些鋼種不宜歸并？向著哪些訂單歸并？鋼種歸并時要考慮哪些有利因素？避免出現什么問題？這些都是在進行鋼種歸并前必須解決的問題，為此提出下面的1條準繩和4項原則，希望能對此方面感興趣的同行有所幫助，實現鋼種歸并的初衷。

鋼種歸并的最終目的是要保證企業獲得最大的綜合經濟效益和社會效益，這是要不要做鋼種歸并的準繩。把握住這一點，鋼種歸并才能順利進展、持之以恒。在這條準繩之下，提出以下4項原則：

第1，不要輕易改變產量很大訂單的化學成分。對已有成熟經驗的大訂單，需要穩定化學成分、優化工藝，逐漸打造成企業的拳頭產品。如果把“一鋼多能”拆開來看，“一鋼”要向大訂單傾斜，盡可能把大訂單的化學成分、工藝優化到極致；“多能”要向產量不大的訂單傾斜，讓小訂單多承擔歸并的義務。在化學成分設計時應優先考慮將小訂單向大訂單靠攏，以確保大訂單生產過程的穩定性。這一條可以總結為：“抓大并小”。

第2，隨著煉鋼、軋鋼技術的發展，當鋼種歸并遇到產品可向上升級提高性能指標、也可向下降級調低性能指標時，應優先考慮向提高性能指標的方向歸并，這樣既有利于新技術的推廣，也有利于降低生產成本。但并不排除容許向下調低性能指標的可能性，對那些總體經濟效益影響不大的小訂單，即使從表面上看歸并可能帶來合金元素添加略有浪費，但考慮到連續生產頻繁更換工藝的附加成本，向下歸并到低性能指標的層別，還是合算的。這一條可概括為“就高容低”。

第3，過去有些鋼種由于當時工藝條件的限制，依靠添加多種合金元素來保證其某些方面的特殊性能。近年來隨著煉鋼和軋鋼技術的不斷進步，利用工藝優化來改善產品性能的空間越來越大，這就為擺脫對昂貴合金元素的依賴提供了新途徑。在有各種途徑都能獲得相同性能指標的情況下，優先選用那些合金元素添加量少、化學成分相對簡單的方案。充分認識到“水是最廉價的合金元素”的樸素思想，巧用冷卻水來改變凝固過程、控制軋制溫度和冷卻速率，從而實現降成本、增效益。這一條可以總結為 “刪繁就簡”。

第4，有些合金元素在鋼中的作用可以互相替代，如Nb、V、Ti， 都能起到細化晶粒的作用，此時做鋼種歸并首先要考慮市場因素，在此消彼長的市場波動中，哪一種性/價比最高就優先選擇哪一種。這一條可總結為 “棄貴用廉”。

對那些現行國家標準中對化學成分有明確、具體要求的鋼種，進行鋼種歸并時無論是“刪繁就簡”還是“棄貴用廉”，都不能突破標準畫出的紅線，絕不能“偷工減料”、“以次充好”。而對那些只要求性能、不限制化學成分，或者對化學成分只規定出寬泛的上限值或者下限值的場合，正是實施鋼種歸并的廣闊空間，最容易獲得鋼種歸并的成果。

2.4 鋼種歸并的具體做法和實施例

鋼種歸并的對象可以分為兩種類型：一類是跨系列合并，把相同或者相近性能級別組合到一起；另一類是同系列性能升降級的合并。

梅山公司在跨系列合并和同系列性能升降級兩個方面都做了大量的研究和現場應用工作。對跨系列鋼種合并，將化學成分、性能接近的MDB350、X52、B510L、SM490YA、Q345C等產品歸為一類、進行合并。這些鋼種的化學成分和屈服強度、抗拉強度、伸長率如表1所示。將這5類鋼種歸并為化學成分接近MDB350的一種牌號，降低了多數產品的錳含量，采用控軋控冷工藝獲得了不同性能。合并的結果是用一種成分完全滿足上述5個系列鋼種的全部力學性能要求。

對同系列中不同性能級別之間的合并，梅山公司的做法是：針對管線鋼，利用X52的化學成分，生產X46、X52、X56不同強度級別的產品，這3種管線鋼的力學性能要求如表2所示。

通過在軋制工序采用不同的開軋溫度、終軋溫度、卷取溫度和冷卻速率，同一種原料獲得力學性能不同的產品，如表3所示。可見，正確選擇工藝參數，3種不同牌號管線鋼的力學性能完全滿足表2中的規定，其中伸長率還有較大裕量。

對同系列的結構鋼，梅山公司采用參照SS400鋼化學成分，通過控軋控冷工藝，向上升級為SS490，向下調整到SS330的策略，3個牌號結構鋼化學成分和力學性能如表4所示，表中也給出了歸并后鋼種的化學成分和力學性能。

利用表4中歸并后的同一種化學成分，改變軋制和冷卻的工藝參數，進行了8個批次的生產試驗，所得產品力學性能和工藝參數的對應關系如表5所示。對比表4和表5可見，用同一種化學成分經控軋控冷能夠生產出力學性能全部滿足要求的SS330、SS400、SS490 3種結構鋼產品，這有力地證實了文獻中提出的設想在實踐中是可行的。

2.5 鋼種歸并實施的效果

梅山公司鋼種歸并工作取得了令人矚目的效果，現場應用表明：屈服強度235 MPa級別（包括SS400、SM400系列、S235 J系列、St37、StE255等）的出鋼記號由原來的25個減少到4個，屈服強度345 MPa級別（包括S355 J系列、S355K2、S355 N、StEa355、SM490系列等）的出鋼記號由原來的30個減少到4個。這一方面使煉鋼、連鑄等工序因更換鋼種帶來的附加成本大幅度減少、作業率提高，因節省合金元素用量而降低了原材料成本；另一方面為科學研究對工程實踐的指導和引領作用提供了很好的佐證和數據，同時也為有意嘗試鋼種歸并的同行起到示范作用。

3 鋼種歸并工作面臨的問題和建議

梅山公司在產品性能的柔性控制和鋼種歸并等方面走在了行業的前列，首鋼、天鋼、韶鋼等各家鋼鐵企業也嘗試著做了一些產品性能升級方面的工作，為鋼種合并奠定了良好的基礎。但從總體上看，大多數廠家目前缺乏對性能柔性控制和鋼種歸并優點的充分認識，其關注度遠未達到對晶粒細化的關注水平，還需要在軋鋼工作中積極開展產品性能柔性控制的應用研究，推進對鋼種歸并的介紹、推廣、普及工作。建議為上述兩項新技術在企業的大面積應用做好以下準備工作：

（1）努力提高煉鋼、連鑄、軋鋼等各個工序的裝備、工藝、操作水平，逐步實現流程工藝參數的精細控制，達到窄化學成分控制煉鋼、無（少）缺陷連鑄、精準工藝窗口軋鋼和軋后冷卻，為產品性能的柔性控制和鋼種歸并推廣應用奠定良好的基礎；

（2）在煉鋼、軋鋼環節采用智能化、數字化技術，開發鋼材智能化組織性能預測及應用、鋼鐵材料動態快速設計與優化和智能化操作指導系統，給產品性能的柔性控制和鋼種歸并插上一雙智能化的翅膀；

（3）在具備條件的企業，從鋼材產品性能升級入手，逐步開展同系列鋼種歸并，陸續向跨系列鋼種歸并推進，發揮出軋制過程中產品性能柔性控制的潛力，學習梅鋼等單位的成功經驗，水到渠成地實現鋼種歸并。

鋼鐵企業肩負著既要滿足用戶多品種、小批量的個性化需求，又要組織柔性化的大規模定制生產的責任，產品性能的柔性控制和鋼種歸并為處理好這兩者之間的關系提供了手段。切實做好鋼種管理的加、減法，在推進鋼種歸并的過程中，實現管理升級和技術進步。同時把握好鋼種歸并的準繩，為企業獲得更大的經濟和社會效益，更好地服務于用戶和社會。

本文摘自《軋鋼》2023年第3期