高溫用捆帶生產(chǎn)關(guān)鍵點分析

黃 菲 ，陶軍暉，柳 俊 ，匡 偉，張兆麗 ，張建國

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

高溫用捆帶是一種高附加值的鋼材深加工產(chǎn)品，廣泛用于大卷重?zé)彳埌寰淼脑诰€高溫卷取。[1]目前，我國年產(chǎn)熱軋板卷約2億噸，以每千噸板卷耗費1噸高溫用捆帶計算，其年需求量約為20萬噸。由于噸鋼利潤一般不低于2千元，其市場前景極為廣闊。然而，該產(chǎn)品綜合性能要求較高，生產(chǎn)難度較大，國內(nèi)外目前僅有寶鋼、鞍山發(fā)藍帶鋼有限責(zé)任公司、無錫方正金屬捆帶有限公司、韓國信諾公司等極少數(shù)企業(yè)能穩(wěn)定批量供貨，幾乎壟斷了國內(nèi)全部的市場份額。[2-3]有鑒于此，本文基于產(chǎn)品性能要求，結(jié)合多年的實際經(jīng)驗，簡要分析其生產(chǎn)中的關(guān)鍵點，以期為開展相關(guān)研究的企業(yè)提供有益的參考。

一、生產(chǎn)關(guān)鍵點分析

與普通捆帶相比，高溫用捆帶的使用環(huán)境較為苛刻，某些性能指標(biāo)如力學(xué)性能、彎曲性能、耐熱性能等要高于前者。一方面，產(chǎn)品性能實現(xiàn)與否與原料鋼種及所采用的生產(chǎn)工藝息息相關(guān)。[4]另一方面，全球當(dāng)前嚴(yán)峻的經(jīng)濟形勢迫使產(chǎn)品的性價比也成為影響其生產(chǎn)的一個重要因素。

表1 典型的高溫用捆帶原料鋼種

（一）原料鋼種

原料鋼種是實現(xiàn)產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)。從已公開發(fā)表的技術(shù)文獻來看，目前用于生產(chǎn)高溫用捆帶的原料主要有兩大類：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼。[5]典型的鋼種如30Mn和42SiMn。

從表1可以看到，無論是采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，還是合金結(jié)構(gòu)鋼，其C和Si含量都較高，Mn含量則控制在一定范圍內(nèi)；有害元素P和S在冶煉時需要盡可能去除；而合金元素Cr、Ni、Mo等則一般處于殘留或微量狀態(tài)。

就本質(zhì)來說，高溫用捆帶也是一種超高強度鋼。一般來講，增加C和Si含量會顯著提高鋼的強度。殘留或微量的Cr、Ni、Mo等合金元素主要是為了提高鋼的耐熱性能，同時，也可以起到細(xì)化晶粒、改善鋼的強韌性、增強淬透性、提高回火穩(wěn)定性的作用。而去除P和S，則是為了提高鋼的純凈度，減少夾雜物及發(fā)生脆斷的概率。[6]至于采用哪類鋼種，要結(jié)合后續(xù)的熱處理工藝來確定。通常情況下，如果是非調(diào)質(zhì)熱處理(去應(yīng)力退火)，以優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼為主；如果是調(diào)質(zhì)熱處理(鉛浴等溫淬火、兩相區(qū)淬火+回火)，一般選擇合金結(jié)構(gòu)鋼。

從原料冶煉的角度來講，由于現(xiàn)有高爐煉鐵和轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝比較成熟，難度并不太大。其關(guān)鍵之處主要有兩點：一是C和Si含量都應(yīng)該盡可能接近下限，這是因為其含量的增加雖然提高了鋼的強度，但卻顯著降低了塑性、韌性、耐熱性能、焊接性能和表面質(zhì)量；二是由于需要嚴(yán)格控制P和S含量，一般得采用高品質(zhì)礦石，或者冶煉時進行爐外精煉及真空處理，而這會顯著增加生產(chǎn)成本。

（二）力學(xué)性能

在目前的國標(biāo)體系里，與其它級別捆帶相比，高溫用捆帶的綜合力學(xué)性能是最好的，可用“高強度、高塑性”來描述。這是為了保證熱軋板卷在高溫卷取時，捆帶有足夠的性能富余量來應(yīng)對環(huán)境的變化，以防止斷帶。對韓國信諾、寶鋼、鞍山發(fā)藍帶鋼、無錫方正等廠家的產(chǎn)品進行大批量抽樣檢測發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的抗拉強度一般為980～1 100 MPa，延伸率則為10%～14%，合格率難以完全達到100%。見表2。

表2 高溫用捆帶的力學(xué)性能

由此說明兩點：一是高溫用捆帶的生產(chǎn)難度確實很大；二是從使用效果來說，現(xiàn)場工作環(huán)境并不強行要求產(chǎn)品的力學(xué)性能完全達到國家標(biāo)準(zhǔn)，但必須確保不低于實際使用條件，這樣才有可能保證打捆時不發(fā)生斷帶。

一般來說，產(chǎn)品的力學(xué)性能是原料鋼種、軋制工藝和熱處理工藝三者共同作用的結(jié)果。如果原料鋼種確定，那么，熱軋軋制和卷取溫度，冷軋道次和壓下率，熱處理方式、溫度和時間等因素就會產(chǎn)生一定的影響。相對來說，熱處理的影響更大一些。這是因為軋制工藝受實際裝備水平的制約，調(diào)節(jié)余地有限。而熱處理因為并不需要過于大型和復(fù)雜的設(shè)備，并且有多種方式可以選擇，因而效果更加明顯。以提高產(chǎn)品強度為例，與降低熱軋卷取溫度或提高冷軋壓下率兩種方式相比，經(jīng)過淬火后，產(chǎn)品的強度增幅更為顯著。

（三）彎曲性能

捆扎熱軋板卷時，無論是周向，還是徑向，捆帶都需要彎曲到一定的角度才能實現(xiàn)，這就要求其必須具有較好的彎曲性能。[8]一般來說，彎曲性能主要取決于原料鋼種和熱處理工藝。[9-10]由于高溫用捆帶的原料鋼種往往具有高含量的C和Si，這就需要盡可能按下限冶煉。同時，最大限度地去除P、S、O、N等有害元素，減少夾雜物。另一方面，如果以合金結(jié)構(gòu)鋼作為原料，最好采用調(diào)質(zhì)熱處理進行生產(chǎn)。殘留或微量的合金元素可以提高鋼的淬透性，降低回火脆性，從而保證捆帶的彎曲性能。

與普通捆帶相比，由于高溫用捆帶的強度較高，理論上發(fā)生斷裂的可能性也較大，因而對彎曲性能的要求也較高，一般應(yīng)不少于4次（R=2.5 mm）。從圖1可以看到，彎曲性能較好的高溫用捆帶，其斷口處應(yīng)無明顯的分層開裂現(xiàn)象，呈現(xiàn)韌窩特征，也觀察不到夾雜物。

圖1 高溫用捆帶斷口形貌分析圖

（四）耐熱性能

從已公開的技術(shù)文獻來看，目前國內(nèi)外對高溫用捆帶的耐熱性能都沒有進行系統(tǒng)深入的研究，也沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這是因為現(xiàn)有一般的靜態(tài)高溫拉伸試驗設(shè)備難以準(zhǔn)確模擬動態(tài)復(fù)雜的高溫環(huán)境。不過，高溫用捆帶作為一種耐熱鋼，也必須遵循一定的基本原則。[6]

熱軋板卷的在線卷取溫度通常是550～750°C，之后整個鋼卷在空氣中自然冷卻。鋼卷由內(nèi)向外傳導(dǎo)熱量，溫度緩慢下降，這就要求捆帶的強度能長時間保持不變或僅僅小幅下降，防止降幅過大導(dǎo)致斷帶。另一方面，熱軋結(jié)束后，即使經(jīng)過一段時間冷卻，鋼卷溫度仍然很高，這就要求捆帶在緊密接觸鋼卷后，其表面不能發(fā)生大面積氧化，防止發(fā)生氧化斷裂。實際生產(chǎn)中，一般建議保留或添加微量的Cr、Ni、Mo等合金元素，以保證捆帶的耐熱性能。

（五）焊接性能

對于焊接性能，國家標(biāo)準(zhǔn)同樣沒有做出明確的規(guī)定。出于安全考慮，目前高溫用捆帶仍以鎖扣式打捆為主。[8]但是，某些特定位置往往要借助焊接方式進行連接，這就要求捆帶必須具備一定的焊接性能。一般來說，焊接性能主要取決于原料鋼種。然而，大部分原料鋼種因高含量的C和Si，還有微量合金，導(dǎo)致碳當(dāng)量較大，致使焊接性能不佳，熱影響區(qū)容易出現(xiàn)裂紋。因此，實際生產(chǎn)中，原料鋼種在冶煉時，普通元素和合金元素都應(yīng)盡可能按含量下限控制，使其維持較低的碳當(dāng)量。相對而言，如果以合金結(jié)構(gòu)鋼作為原料鋼種，通過調(diào)質(zhì)熱處理后，捆帶焊縫的性能一般較好。[11]

（六）表面質(zhì)量

按表面狀態(tài)劃分，捆帶一般可分為涂漆型和發(fā)藍型兩種。前者由于漆膜在高溫環(huán)境下容易老化和脫落，基本無法使用。因此，高溫用捆帶主要是發(fā)藍型。高質(zhì)量的發(fā)藍膜應(yīng)該是附著力強、均勻一致、缺陷較少、色澤較好。但是，由于高溫用捆帶原料鋼種大多具有高含量的C和Si，表面質(zhì)量往往很難達到要求，其膜層特征是：厚度薄、藍色淺、光澤差、缺陷多、純度低。

圖2 高溫用捆帶表面質(zhì)量分析圖

從圖2A可以看到，產(chǎn)品表面不僅有藍色Fe3O4的衍射峰，還有黃色Fe2O3的衍射峰。其中，Si對表面質(zhì)量的影響較大，含量越高，表面質(zhì)量越差。這是因為，在長時間的高溫加熱過程中，鋼中的Si為選擇性氧化，在氧化鐵皮和鋼基界面上產(chǎn)生層狀的Fe2SiO4，界面溫度在Fe2SiO4的凝固溫度1 170°C以下時，氧化鐵皮對基底的附著力增強，剝離性變差，導(dǎo)致紅色加深。[12]

此外，從圖2B可以看到，膜層均勻性差，缺陷較多。除了原料鋼種自身的原因外，也由于產(chǎn)品的強度太高，軋制時需要很大的軋制力才能進行，因而容易破壞鋼帶表面，產(chǎn)生很多缺陷。經(jīng)過發(fā)藍后，進一步將缺陷放大。同時，出于對軋制設(shè)備的維護，軋制道次數(shù)一般不會太多，導(dǎo)致產(chǎn)品表面光潔度較低，顯得非常粗糙。

實際生產(chǎn)中，為確保產(chǎn)品能有相對較好的表面質(zhì)量，除了在冶煉時嚴(yán)格控制C和Si的含量外，還必須優(yōu)化熱軋卷取和酸洗工藝，減少氧化鐵皮的數(shù)量。同時，制定合理的冷軋工藝，科學(xué)分配軋制道次及壓下率。此外，為保證捆帶在打包機內(nèi)能高速平穩(wěn)運行，避免出現(xiàn)卡帶和打滑，膜層厚度和粗糙度都必須控制在一個合理的范圍內(nèi)。

（七）微觀組織

如前所述，高溫用捆帶的熱處理方式一般有兩種：一種是非調(diào)質(zhì)熱處理，主要是去應(yīng)力退火，所得金相組織為纖維狀的冷形變組織(圖3A)。這種工藝操作比較簡單，能耗較低，但對原料依賴程度較高，稍有波動，產(chǎn)品質(zhì)量就不易穩(wěn)定，不適合大批量生產(chǎn)。另一種是調(diào)質(zhì)熱處理，主要是鉛浴等溫淬火或兩相區(qū)淬火+回火（圖3B）。前者以熔融的液態(tài)Pb作為淬火冷卻介質(zhì)，導(dǎo)熱能力強，保證鋼帶能均勻受熱，因而產(chǎn)品性能穩(wěn)定。其實質(zhì)是貝氏體強化機理，所得金相組織為下貝氏體。但是該工藝因為嚴(yán)重的Pb污染問題和高能耗，已被國家明令禁止。后者則以水作為淬火冷卻介質(zhì)，無污染，成本低。其實質(zhì)是馬氏體強化機理，所得金相組織為馬氏體。但是由于水的冷卻速度過快，容易引起較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生開裂，因而無法保證產(chǎn)品的板形。[13]調(diào)質(zhì)熱處理的優(yōu)勢在于產(chǎn)品的高強度和高塑性分別是通過后期淬火和回火分別實現(xiàn)的，不完全依賴原料性能，生產(chǎn)時相對主動一些。但總的來說，非調(diào)質(zhì)熱處理因為成本低、操作簡單，因而更受捆帶企業(yè)的青睞，使用面較廣。

圖3 高溫用捆帶金相組織及熱處理設(shè)備圖

實際生產(chǎn)中，如何選擇熱處理方式，除了要考慮原料鋼種本身外，必須兼顧原料自身的性能。以優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼為例，通常以冷軋原料“抗拉強度1 050 MPa，延伸率5%”為標(biāo)準(zhǔn)，低于該值采用調(diào)質(zhì)熱處理，達到或超過該值采用非調(diào)質(zhì)熱處理。如果原料力學(xué)性能未達標(biāo)，說明富余量不足，如采用非調(diào)質(zhì)熱處理，產(chǎn)品的力學(xué)性能將更難保證。反之，如果原料力學(xué)性能達標(biāo)或超標(biāo)，則最好采用非調(diào)質(zhì)熱處理。這是因為，此時如采用調(diào)質(zhì)熱處理，產(chǎn)品的強度將會空前提高，但塑性和韌性則會急劇下降，脆性大增，極易斷帶，產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能反而嚴(yán)重削弱。

（八）板形

板形是影響高溫用捆帶使用效果的一個重要因素。板形不良，捆帶在打包機內(nèi)難以順暢運行，容易產(chǎn)生卡帶、斷帶、散卷、塌卷、捆扎不緊等嚴(yán)重影響打包質(zhì)量的事故。[14]對板形的要求主要體現(xiàn)在三個方面。

1.尺寸精度：高溫用捆帶的厚度一般為0.8～1.0 mm，寬度一般為31.75～32.00 mm，屬于常規(guī)尺寸。關(guān)鍵問題是要保證合理的尺寸公差，通常情況下，厚度控制在±0.03 mm，而寬度則控制在±0.10 mm。[7]公差太正容易引起卡帶，太負(fù)則容易導(dǎo)致鋼帶跑偏。理論上，通過現(xiàn)代化的冷連軋機組進行軋制，問題不大。但實際生產(chǎn)中，由于高溫用捆帶的強度很高，軋制過程中，隨著變形量的持續(xù)增加，加工硬化效應(yīng)開始顯現(xiàn)，軋制難度加大，尺寸精度逐漸下降。特別是最后一個軋制道次，尤其難以控制。因此，要實現(xiàn)精確的尺寸公差，除了優(yōu)化軋制及剪切工藝外，必須嚴(yán)格控制原料的尺寸、平直度、彎曲度及同板差。

2.邊部質(zhì)量：為避免發(fā)生卡帶現(xiàn)象，高溫用捆帶邊部不允許出現(xiàn)毛刺或者裂邊缺陷。因此，生產(chǎn)線上應(yīng)增加去毛刺裝置，定期更換剪切刀刃，并合理調(diào)整剪刃間隙。（見圖4A）

圖4 產(chǎn)品板形分析圖

3.外形特征：為保證捆扎包裝的工作效率，高溫用捆帶應(yīng)該具有良好的卷形。要求是圓形特征明顯，沒有自動散卷和塌卷現(xiàn)象，無明顯的側(cè)彎，外形美觀（見圖4B）。因此，必須嚴(yán)格控制原料的板形，不能出現(xiàn)邊浪、中間浪、瓢曲、回彈等缺陷。同時，生產(chǎn)時應(yīng)制定合理的軋制、平整、精整工藝。鋼帶在卷取時，要保證張力和運行速度，以及原料外徑和產(chǎn)品卷徑之間互相匹配。

（九）性價比

性價比關(guān)系到產(chǎn)品能否得到大范圍推廣應(yīng)用。提高性價比簡單地說就是降低成本的同時維持或提高產(chǎn)品質(zhì)量。以當(dāng)前的市場行情進行初步測算，“抗拉強度≥980 MPa，延伸率≥10%，反復(fù)彎曲次數(shù)≥4次，進銷差價≥1千元/噸”可以作為衡量產(chǎn)品性價比是否合理的一個簡單判據(jù)。

對一般的中小型民營捆帶企業(yè)來講，以價格相對低廉的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼作為原料鋼種，直接購買其冷硬卷，采用低能耗的非調(diào)質(zhì)熱處理工藝進行生產(chǎn)，理論上總成本要低一些。當(dāng)然也要看到，高溫用捆帶是一種高性能的產(chǎn)品，生產(chǎn)難度較大導(dǎo)致產(chǎn)生一些廢次材也是無法完全避免的（圖5），關(guān)鍵是要進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，盡可能提高產(chǎn)品成材率，減少鋼耗和浪費，切實做到“環(huán)境友好，資源節(jié)約”。[15]

圖5 高溫用捆帶廢次材

二、結(jié)論

作為一種高性能和高附值的鋼材深加工產(chǎn)品，高溫用捆帶的制造難度較大。捆帶企業(yè)應(yīng)基于自身實際狀況，準(zhǔn)確定位生產(chǎn)中的關(guān)鍵點，優(yōu)化原料鋼種及生產(chǎn)工藝，嚴(yán)格控制質(zhì)量，盡可能提高產(chǎn)品的性價比。

［1］黃菲，陶軍暉，柳俊，匡偉，張兆麗，張建國.高溫用捆帶冷軋原料使用性能評價[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2015（3）：88-90.

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［5］黃菲，陶軍暉.捆帶原料研發(fā)進展評析[J].襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014（4）：4-8.

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