高性價比點焊捆帶的研制

黃 菲，胡因洪，陶軍暉，張兆麗，匡 偉，張建國

（1.武鋼研究院， 武漢 430080；2.武鋼江北公司， 武漢 430415）

點焊捆帶是一種具有高附加值和廣闊市場前景的冷軋深加工產品，廣泛用于高速自動打包機對鋼卷，特別是冷軋鋼卷進行捆扎包裝。［1］

一般來說，鋼卷包裝主要采用三種方式：鎖扣式、免扣式和焊接式。鎖扣式是將捆帶接頭用鋼扣扣壓的方式結合在一起，主要用于氣動（人工）打捆，拉緊力大于6 kN。免扣式是將捆帶接頭通過沖壓變形（沖模做扣）的方式結合在一起，主要用于全自動打捆，拉緊力大于14 kN。焊接式是將捆帶接頭通過點焊的方式連接在一起，主要用于全自動打捆，最大拉緊力達到 20 kN。［2-5］

采用鎖扣式打捆，拉緊力本身較小，同時受氣源壓力和人工操作等因素的影響較大，速度慢，效率低，鋼卷在打包過程中易發(fā)生包裝損壞和散包等問題，主要適用于常規(guī)條件下的打捆作業(yè)。此外，捆扎時需要輔助以大量的鋼質鎖扣，生產成本較高。相對而言，免扣式或焊接式打捆主要依靠高速運行的自動打包機，速度快，效率高，特別適合極端或高速連續(xù)的工作環(huán)境。同時，無需專門的鎖扣，降低了生產成本。焊接式，由于拉緊力是三種方式中最大的，捆扎的安全系數(shù)最高。同時，由于沒有鎖扣，也極大減輕了對鋼卷表面的損傷，保證了鋼卷的表面質量。此外，操作也最為簡便。因此，焊接式打捆在國外鋼鐵企業(yè)中獲得了廣泛應用，是鋼卷包裝技術未來的發(fā)展方向。隨著近年來我國鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展及產能的急劇擴增，鋼材生產日益呈現(xiàn)出“規(guī)?；?、高速化、連續(xù)化、自動化”的特征，因此，點焊捆帶的市場需求量將會大幅增加。

有鑒于此，針對某客戶的現(xiàn)實需求，我們通過優(yōu)化原料鋼種和生產工藝，成功研制出滿足使用要求的高性價比點焊捆帶，在相關產線得到廣泛應用，替代了部分同類進口產品。

一、實驗部分

（一）實驗試樣

實驗試樣由客戶提供，實驗前對其進行裁剪，其中熱軋原料厚度一般為3.0 mm，冷軋原料和成品捆帶的厚度一般為0.8 mm，并清潔表面。

（二）實驗設備

化學元素分析在ULTIMA 2C等離子發(fā)射光譜儀（法國JOBIN-YVON公司）和EMIA-820V碳硫分析儀（日本HORIBA公司）上完成，力學性能分析在GALDABINI SUN10電子拉伸試驗機（意大利GALDABINI公司）和WJJ-6C機動式彎折試驗機（寧夏青山試驗機有限公司）上完成，金相分析在PME3-323UN金相顯微鏡（日本OLYMPUS公司）上完成，焊接試驗在三相次級整流DZ-3×40型點焊機上完成。

二、結果與討論

（一）產品研制

產品優(yōu)良的使用性能是確保不發(fā)生斷帶的關鍵?；诳蛻衄F(xiàn)有自動打包機的運行情況，產品性能的要求一般如下：厚度0.8 mm，抗拉強度不低于900 MPa，延伸率不低于9%，反復彎曲次數(shù)不少于4次，焊點質量良好。簡而言之，力學性能和焊接性能是重點。這里，主要通過優(yōu)化原料鋼種和生產工藝來實現(xiàn)產品性能。

1.原料鋼種

原料鋼種非常關鍵，是保證產品性能的基礎?？蛻衄F(xiàn)有A、B、C、D四個鋼種，分別是低合金成分系A，高Si高P成分系B，C-Mn成分系C和D。為保證產品的強度，鋼種A采取的辦法是加入合金元素Nb；鋼種B則大幅提高Si和P的含量；而鋼種C和D主要通過C和Mn的固溶強化來實現(xiàn)。見表1。從理論上來說，這四個鋼種的設計思路均有一定的合理之處。

表1 不同鋼種的化學成分（wt%）

2.生產工藝

生產工藝主要包括兩部分：軋制工藝和熱處理工藝。只有原料鋼種與生產工藝相匹配，才有可能真正實現(xiàn)產品性能。

（1）軋制工藝

表2 不同鋼種的熱軋工藝

從表2可以看到，A→D四個鋼種的軋制和卷取溫度不完全相同。這是因為鋼種A和B加入了Nb或者大幅提高了Si和P的含量，導致熱軋原料強度相對較高。只有同時提高卷取溫度，才有可能保證熱軋原料的塑性和韌性。相對而言，鋼種C和D的熱軋原料強度要低一些，因此，它們的軋制和卷取溫度要低一些。這其中，又由于鋼種C的Mn含量約是D的一倍，因而其軋制和卷取溫度相對較高。

表3 不同鋼種的冷軋工藝

從表3可以看到，對于A→D四個鋼種而言，當熱軋原料和冷軋原料厚度固定后，總壓下率也就固定了，均為73.3%。但是，無論是哪個鋼種，如果道次數(shù)不超過9次，將無法完成軋制。這是因為道次壓下率較高，對軋制設備的損傷較大。采用10道次軋制，適當降低了道次壓下率，既可以保護軋制設備，又保證了冷軋原料的力學性能。而如果進一步增加軋制道次，雖然同樣能完成軋制，但冷軋原料的表面光潔度會大幅增加，容易造成捆帶在打包機內運行時發(fā)生打滑現(xiàn)象。同時，也會無謂地增加軋制時間和軋輥損耗，降低工作效率，導致生產成本上升。因此，采用10道次軋制比較合理。當然，如果能采用更先進的冷連軋方式進行軋制，軋制速度更快，效率更高，生產成本會更低。

表4 不同鋼種冷軋原料的力學性能

從表4可以看到，按照上述軋制工藝進行生產，A和B的冷軋原料強度比較高，延伸率較低，韌性都不是太好；而C和D雖然強度較低，但延伸率較高，并且韌性較好。這和原料鋼種的化學成分息息相關。鋼中添加了合金元素Nb后，在大幅增加強度的同時，也會降低塑性和韌性。而如果大幅提高Si和P的含量，則會明顯增加鋼的脆性。

（2）熱處理工藝

由于產品強度要求不是太高，沒有必要采用能耗較大、操作復雜的調質熱處理工藝，只需能耗較低、操作簡單的去應力退火工藝就可達到目的。生產中一般主要考察兩個工藝參數(shù)：熱處理溫度和時間。從表5可以看到，相對于C和D，由于A和B的冷軋原料強度較高，延伸率較低，韌性較差，只有適當提高熱處理溫度和延長熱處理時間，才有可能保證產品的力學性能。

表5 不同鋼種產品的熱處理工藝

3.性能分析

（1）力學性能

從表6可以看到，由于B鋼種Si和P的含量過高，導致產品的韌性很差，存在明顯的分層開裂現(xiàn)象，完全無法使用。雖然經過了熱處理，但仍然難以解決這一問題。A鋼種雖然加入了Nb，卻無法保證產品同時具有較高的強度、塑性和韌性，達不到使用要求，只能降級處理。因此，從實際考慮，A和B作為點焊捆帶的原料鋼種是不合適的。相對而言，C和D鋼種的產品則具有較好的力學性能，滿足使用要求。其中，D鋼種產品的塑性和韌性更好，與C相比，捆扎時發(fā)生斷帶的可能性較低。

表6 不同鋼種產品的力學性能

（2）焊接性能

表7 點焊工藝參數(shù)及試驗結果

表8 剪切拉伸試驗結果

從表7和表8可以看到，進行點焊試驗，焊接時有一定飛濺。對于C和D鋼種的產品，在5～7 kA及8～9 kA時，焊接剝離試驗為扣孔式剝裂，剝離試驗合格。每個焊核最小直徑（Dmin）滿足要求，焊接性能良好，滿足使用要求。剪切拉伸試驗均為扣孔式撕裂，其中D鋼種剪切拉伸試樣見圖1。拉剪力分別達到9.8～11 kN和9.4～11 kN。因此，兩者的焊接性能大致相當。

從圖2可以看到，焊接后，D鋼種產品焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)的金相組織均為馬氏體，母材則為粒狀貝氏體。焊點成形良好，內部無缺陷。

（二）成本分析

圖1 D鋼種產品剪切拉伸試樣圖

圖2 D鋼種產品焊縫金相組織圖

據(jù)客戶介紹，其以前每年從國外進口點焊捆帶至少1 000噸，由于單價不低于1萬元/噸，采購成本常年居高不下，因此，強烈渴望產品實現(xiàn)國產化，以期降低成本。產品只有物美價廉，客戶才能大批量采購并大范圍推廣。對產品的生產成本來說，主要包括原料成本和工序成本兩個方面。

1.原料成本

對于A、B、C、D四個鋼種而言，其原料成本大致是A＞B≈C＞D，這是因為A添加了貴重的合金元素Nb，相對于D而言，其原料成本增加了400～500元/噸。對于B和C來說，B的Si含量要遠遠高于C，冶煉時需要加入大量的Si。但C的P含量要遠遠低于B，需要脫P處理。由于Si為富含元素，而脫P處理也是煉鋼過程中的常規(guī)手段，因此，兩者對成本的影響大致相當，因而B和C的原料成本也差別不大。而對同屬C-Mn成分系的C和D來說，在C、Si、P、S等元素含量幾乎一致的情況下，鋼種C的Mn含量是D的一倍，顯然，鋼種C的原料成本要高于D。

2.工序成本

熱軋工序中，因為化學成分不同，導致A和B的熱軋原料強度要高于C和D，因此軋制溫度和卷取溫度也較高（表2）。從能耗來說，基本上是A≈B＞C≈D。冷軋工序中，由于都是采用10道次反復軋制，軋制成本相差不大。但由于冷軋原料強度基本上也是A≈B＞C≈D（表4），因而軋制A和B時，軋輥的損耗相對較大，可能會增加設備的維護成本。在熱處理工序，為保證產品同時具有較高的強度、塑性和韌性，熱處理溫度和時間同樣遵循A≈B＞C≈D的規(guī)律（表5），顯然能耗大致也是這個趨勢。

圖3 產品應用于冷軋產線

（三）產品綜合評價

總體來看，產品的綜合使用性能基本上是D＞C＞A≥B，而生產成本則大致是 A＞B＞C＞D，因此，產品的性價比是D＞C＞A≥B。對客戶來說，采用D鋼種是最適合的，產品可以獲得最高的性價比。

（四）產品應用情況

客戶將所研制的點焊捆帶應用于冷軋產線，結果表明，產品性能完全達到要求，使用情況良好（見圖3），替代了部分同類進口產品，達到國內領先水平。

三、結論

通過優(yōu)化原料鋼種和生產工藝，成功開發(fā)出高性價比點焊捆帶。產品性能優(yōu)良，使用情況良好，完全滿足客戶要求，并為其大幅降低了采購成本。

［1］袁潔敏，嚴俊.鋼質捆帶應用技術探討［J］.江蘇科技信息，2011（5）：43-45.

［2］于革剛，劉明利，孫瑞濤.鋼卷包裝技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢淺析［J］.冶金設備，2005（2）：48-50.

［3］劉明利，于革剛，孫瑞濤.鋼卷包裝工藝技術研究［J］.冶金設備，2005（3）：35-38.

［4］于革剛，劉明利，孫瑞濤，柴俊英.對鋼卷包裝中幾個關鍵技術問題的研究［J］.軋鋼，2006（2）：45-48.

［5］王浩宇，石焱，饒洪宇.我國冷軋鋼卷包裝工藝現(xiàn)狀分析［J］.四川冶金，2007（4）：32-33.