低碳鋼板材生產(chǎn)工藝及板形控制研究

米鴻偉

（河鋼邯鋼集團(tuán)，河北 邯鄲 056000）

低碳鋼是一種碳含量低于0.001%的碳素鋼，因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)度低、硬度低等特點(diǎn)，所以又被稱之為軟鋼，由于其生產(chǎn)成本低，且具有良好的塑性、韌性和焊接性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到能源、交通、建筑、汽車、工程機(jī)械等各個(gè)重要領(lǐng)域中，具有較大的市場(chǎng)潛力。近年來，隨著建設(shè)行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)于鋼材的性能、成材率、板形、節(jié)能指標(biāo)等方面都提出了更高的要求，導(dǎo)致低碳鋼板材生產(chǎn)上存在一定的局限性，低碳鋼板材生產(chǎn)工藝技術(shù)升級(jí)已經(jīng)成為首要問題，為此提出低碳鋼板材生產(chǎn)工藝及板形控制研究，提高板材生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量，并且為鋼材板形控制提供參考依據(jù)。

1 低碳鋼板材生產(chǎn)工藝

1.1 低碳鋼板材成分設(shè)計(jì)

低碳鋼板材生產(chǎn)過程中主要涉及到的化學(xué)元素有碳元素、錳元素、磷元素、硫元素、硅元素、酸溶鋁、鈦元素、氮元素等[1]。其中碳元素是提高低碳鋼板材強(qiáng)度最有效的元素，但是該元素也能對(duì)低碳鋼板材的韌性和焊接性起到反作用，所以在生產(chǎn)過程中要對(duì)碳元素含量按照標(biāo)準(zhǔn)的中下限進(jìn)行嚴(yán)格控制，以此保證低碳鋼板材的綜合性能；錳元素的作用是增加低碳鋼板材的強(qiáng)度和焊接性，并且在生產(chǎn)過程中還能起到固溶強(qiáng)化的作用，在一定含量范圍內(nèi)，低碳鋼板材的焊接性和強(qiáng)度會(huì)隨著錳元素含量的增加而提高，并且該原材料成本較低；而磷元素和硫元素的添加是為了增加低碳鋼板材的塑性和韌性，但是添加過量或過少也會(huì)降低碳鋼板材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，所以在生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格控制硫、磷等有害元素含量；由于降低板材碳含量會(huì)造成板材強(qiáng)度缺失，所以通過酸溶鋁和硅元素的細(xì)晶強(qiáng)化和洗出強(qiáng)化來彌補(bǔ)，同時(shí)在控制軋制中通過添加鈦元素和氮元素來改善板材強(qiáng)度和韌性的匹配，從而生產(chǎn)出高質(zhì)量的低碳鋼板材。

根據(jù)GB/T1684-2000要求，低碳鋼板材的強(qiáng)度要求比普通級(jí)別鋼更高，但是還要保證板材韌性、焊接性與普通級(jí)別鋼相當(dāng)，所以在普通鋼板材成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，低碳鋼板材成分設(shè)計(jì)中除了添加0.001的碳含量以外，微合金元素采用硫元素、硅元素、錳元素、磷元素、酸溶鋁、鈦元素、氮元素符合添加，以此保證低碳鋼板材強(qiáng)度提高的同時(shí)韌性和焊接性不受損害[2]。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了低碳鋼板材原料成分，如下表所示。

表1 低碳鋼板材成分要求/%

1.2 板坯加熱

對(duì)于低碳鋼板材來說，由于其成分上采用普通鋼不同，其中含有難于溶解的硅元素、酸溶鋁、鈦元素、氮元素等微合金元素，所以對(duì)加熱溫度要求較高，以避免板坯過熱、過燒，從而影響低碳鋼板材的綜合性能，由于不同厚度規(guī)格的板坯，其在爐時(shí)間和出爐溫度是不同的，通常情況下，250mm厚度板材在加熱過程中，在爐時(shí)間不得小于200min，爐內(nèi)溫度要控制在1220-1250℃之間；280mm厚度板材在加熱過程中，在爐時(shí)間不得小于240min，爐內(nèi)溫度要控制在1230-1260℃之間；320mm厚度板材在加熱過程中，在爐時(shí)間不得小于280min，爐內(nèi)溫度要控制在1265-1285℃之間[3]。加熱所使用的設(shè)備為RH爐，除了要對(duì)加熱時(shí)間和加熱溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制以外，還要結(jié)合生產(chǎn)需求，還要對(duì)RH爐其他技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，精煉鋼水范圍設(shè)定在235-270t? 爐?1，處理周期設(shè)定為30-38min，最大提升氣體流量設(shè)定為240m3m3?h?1，干式真空泵系統(tǒng)抽氣能力設(shè)定為100kg?h?1。

將加熱后得到的鋼水進(jìn)行處理，要求處理后的鋼水中硫含量≤0.0030% ，鋼渣厚≤15mm，為后續(xù)冷卻和軋制提供高質(zhì)量鋼水。

1.3 冷卻軋制

冷卻軋制是一種有效的變形處理手段，通過對(duì)熔煉后得到的鋼水進(jìn)行冷卻軋制挖掘出低碳鋼板材的潛力，提供板材韌性、焊接性、強(qiáng)度等性能，通過調(diào)整控制冷卻軋制過程中鋼材晶粒度、第二相沉淀以及亞晶的尺寸和數(shù)量，是板材性能得到有效提高。首先對(duì)鋼水進(jìn)行單道次壓縮，為了保證在對(duì)鋼水加熱過程中能夠是微合金元素充分固溶到板材中，首先將30℃/s的速度加熱到1000℃，然后保溫5.5min后，以15℃/s的速度冷卻到變形溫度，保溫15min后以消除鋼水內(nèi)部溫度梯度，然后對(duì)其進(jìn)行壓縮變形，將變形溫度控制在850-1100℃范圍內(nèi)，變形后空冷到溫室。然后對(duì)其進(jìn)行雙道次壓縮，將溫度以35℃/s的速度加熱到1200℃，保溫4.5min后以20℃/s的速度冷卻到不同變形溫度，保溫18min后進(jìn)行雙道次壓縮變形，變形溫度控制在860-1200℃范圍內(nèi)，道次變形間隔時(shí)間為110-450s范圍內(nèi)，應(yīng)變速度控制在5.6s[4]。由于不同低碳鋼板材成本厚度不同，冷卻軋制參數(shù)也有所不用，具體參數(shù)設(shè)置如下表所示。

表2 冷卻軋制參數(shù)

通過以上操作嚴(yán)格控制鋼液化學(xué)成分，保證板材純凈度，最大程度地去除鋼中雜質(zhì)，同時(shí)也保證了板材的塑性、韌性、強(qiáng)度等性能，以此實(shí)現(xiàn)低碳鋼板材生產(chǎn)。

2 低碳鋼板材板形控制

板形是低碳鋼冷軋板材的主要質(zhì)量指標(biāo)，在對(duì)低碳鋼板材平整軋制過程中，低碳鋼塑性形變形態(tài)會(huì)因板材下壓量分布的不均勻度不同而明顯地呈現(xiàn)出兩種形態(tài)，一是板形調(diào)整有效狀態(tài)，二是板形調(diào)整飽和狀態(tài)[5]。在板材軋制過程中咬入能力是限制板形下壓規(guī)程分布的主要因素，所以對(duì)低碳鋼板材板形控制，首先要控制板材軋制過程中咬入能力，咬入能力在很大程度上取決于軋機(jī)型式、軋制速度、鋼板溫度、板材表面狀態(tài)等因素，由于目前常用的軋機(jī)的軋制速度是可以隨時(shí)調(diào)節(jié)的，所以在對(duì)咬入能力控制時(shí)不需要考慮軋制速度因素，由此得到板材下壓量計(jì)算公式如下：

公式（1）中，H為低碳鋼板材下壓量；D為軋制速度；L為最大咬入角，對(duì)于冷軋鋼板低速咬入時(shí)可取15°。通過對(duì)板材下壓量的嚴(yán)格控制，有助于鋼坯正常咬鋼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)低碳鋼板材板形控制[6]。除此之外，低碳鋼板材板形還與冷軋過程中軋制溫度和軋制速度有間接關(guān)系，軋制溫度和軋制速度過高或過低，容易使板材板形不容易塑形，出現(xiàn)板材不均勻現(xiàn)象，所以需要對(duì)軋制溫度和軋制速度進(jìn)行控制，軋制溫度計(jì)算公式如下：

公式（3）中，u為應(yīng)變速率，單位為s；f為軋制出口速度，單位為m/s；a為軋輥半徑，單位為m；y為接觸弧長(zhǎng)，單位為m；α為壓下前初始厚度，單位為m；?為道次壓下量，單位為m。

綜上所述，通過對(duì)冷軋過程中板材下壓量、軋制時(shí)間、軋制速率的嚴(yán)格控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)低碳鋼板材板形控制。

3 結(jié)束語

此次對(duì)低碳鋼板材生產(chǎn)工藝及板形控制進(jìn)行了研究，探究了生產(chǎn)工藝中的成分設(shè)計(jì)、板坯加熱、冷卻軋制三個(gè)生產(chǎn)階段，對(duì)各個(gè)階段中涉及的重要參數(shù)進(jìn)行了分析，同時(shí)還探究了冷軋過程中板材下壓量、軋制時(shí)間、軋制速率對(duì)板材控制的重要性，為低碳鋼板材生產(chǎn)和板形控制提供了良好的理論依據(jù)。由于此次研究時(shí)間有限，雖然取得了一定的研究成果，但還存在一些不足之處，對(duì)于板材的冷卻軋制工藝研究尚欠，今后還需要在該方面進(jìn)行深入研究。