鋼包頭用優(yōu)質碳素結構鋼冷軋鋼板開發(fā)

胡洪林，馬孝娟，盧鵬程

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

1 前言

根據(jù)碳鋼中所含有害雜質S、P的多少將碳鋼分為碳素結構鋼、優(yōu)質碳素鋼和高級優(yōu)質碳素鋼。實際上現(xiàn)在所說的優(yōu)質鋼已經達到高級優(yōu)質鋼的水平，優(yōu)質碳素鋼鋼中所含有害雜質含量S≤0.040%，P≤0.040%；高級優(yōu)質碳素鋼S≤0.030%，P≤0.035%。碳鋼的分類以含碳量0.25%為界限，低于此點是中低碳鋼，高于此點是高碳鋼。含碳量低的中低碳鋼，強度低，塑、韌性高，可加工性好，熱處理后可用于制造輕載高韌性的零部件[1]。

八鋼公司的第二煉鋼分廠120t1#、2#、3#三座轉爐分別與3#、4#1800板坯連鑄機配套生產，主要設備有鐵水倒罐站一座、三座鐵水脫硫預處理工位和3座120t頂?shù)讖痛缔D爐，年生產能力420萬t，與轉爐配套的還有1臺LF精煉爐、1臺CAS-OB和1臺雙工位的RH。鐵水預處理，可以使入爐鐵水的S含量控制在0.005%以下,鐵水預處理后硫小于0.003%，年處理量可達到80萬t；其中鐵水預處理后硫含量在0.003%～0.005%，年處理量可達到150萬t。120t頂?shù)讖痛缔D爐能夠保證良好的復吹效果，保證了出鋼過程中鋼水中較低的氧含量。LF鋼包精煉爐，年生產能力為250萬7t，實現(xiàn)鋼水的進一步脫氧、脫硫，為板坯連鑄提供高品質鋼水。八鋼煉鋼具備的工裝能力可以生產高級優(yōu)質碳素鋼。

2 鋼包頭用鋼冷軋關鍵工藝參數(shù)確定

一般需要保護腳趾的鞋與靴的鋼包頭采用25優(yōu)質碳結鋼冷軋退火鋼帶經4道工序加工成型，經過打磨拋光加工然后進行表面熱處理制成（圖1）。

圖1 鋼包頭從原料到成品的成型加工過程

2.1 鋼包頭原料用鋼的成分及性能要求

鋼包頭原料用鋼采用非合金結構的優(yōu)質碳素結構鋼，鋼中有害雜質含量較低，純凈度和化學成分均勻性較高，優(yōu)質碳素結構鋼化學成分要求見表1。碳素結構鋼以規(guī)定最低強度為主要特征，并具有一定的綜合力學性能和工藝性能（GB/T13237標準對冷軋力學性能的要求），見表1。

表1 GB/T13237標準對25鋼成分及冷軋力 %

2.2 工藝流程

鐵水脫硫處理—120t轉爐—LF爐—板坯連鑄—加熱—1750mm軋制—層流冷卻—冷軋酸洗冷軋—冷軋罩退—冷軋平整—冷軋重卷。

優(yōu)質碳素結構鋼其主要特點是w(C)、w(Mn)較高,w(S)、w(P)低,通過煉鋼的鐵水脫硫處理、120t轉爐、LF爐將硫、磷和成分控制到設計要求，并且要求熱軋卷板偏析小、無脫碳或少脫碳,熱軋狀態(tài)盡可能控制較低的強度和硬度,便于酸洗、冷軋加工,最終產品有好的淬透性。這類鋼轉爐冶煉后,使用LF爐進行爐外精煉,降低夾雜物含量,提高鋼的純凈度,調整鋼水的成分。熱軋要控制好加熱工藝,保證良好的板形和適當?shù)膹姸纫岳诶滠埖捻樌a。由于鋼的成分中碳的含量較高，要求酸軋機組具備合適的激光焊接工藝。

3 25鋼的生產工藝控制要點

3.1 化學成分設計

對碳素結構鋼而言,鋼的強度與韌塑性是一對矛盾,鋼的碳當量越高,強度越高,延伸率越低,冷彎性能越差。為了保證產品的質量和穩(wěn)定性，滿足25鋼各項性能要求，在開發(fā)和生產過程中，還需考慮異鋼種混交及余坯處理需要對鋼中的各種化學元素的作用，從而對鋼的化學成分進行設計(表2）。

（1）碳鋼中碳含量高時殘余的固溶碳形成滲碳體,并有使奧氏體晶粒粗化的趨勢,進而影響到鋼的延展性能；碳含量過低不利于保證力學性能,因此碳含量應適當控制,冶煉過程終點碳應控制在0.25%～0.28%為佳。

（2）硅和錳固溶在鋼中形成固溶體,固溶強化明顯提高鋼的強度,但降低了鋼的韌塑性。由于錳的作用部分是固硫，在硫含量較低的情況下,可以適當降低錳含量從而改善鋼的塑性。

（3）一般情況下，硫、磷元素在鋼中屬于有害元素。在室溫時，硫以夾雜的形式存在會造成鋼在熱加工時開裂的熱脆危害，形成硫化物夾雜具有明顯的方向性從而對鋼的延展性能發(fā)生不利影響，因此應控制硫含量。磷會使鋼的脆性轉變溫度升高，P元素在晶界處產生偏析，易造成冷加工脆性，因此應盡量減少鋼中P含量。

（4）鋁在鋼中通常是作為脫氧劑加入的，少量的鋁可以在晶粒邊界上形成許多難溶的彌散分布的三氧化二鋁、氮化鋁夾雜，阻礙奧氏體晶粒的長大從而細化晶粒，鋁含量增多使處在固溶態(tài)的鋁濃度增加，則可以促使奧氏體晶粒長大。鋁在鋼中也能固定氮，起到抑制時效的作用。

3.2 煉鋼生產工藝控制

25鋼板坯由八鋼二煉鋼生產，板坯厚度220mm。鋼包采用下渣量控制，轉爐出鋼至鋼包的鋼水回磷量不大于0.003%。采用LF爐精煉深脫氧，鋼水需經LF爐脫硫、脫氣和調整成分處理，喂絲后保證軟吹時間≥8min。

連鑄采用全程氬氣保護澆注；連鑄第一爐中包過熱度≤40℃，連澆爐次中包TD過熱度≤30℃，液相線溫度1511℃；固相線溫度1455℃；連鑄板坯的最大拉速1.4m/min。異鋼種連澆基準為不混澆，初次試驗按異鋼種混澆降級對照表執(zhí)行。坯頭、坯尾、換水口切除長度≥3m按原出鋼記號判定?；鞚睬昂鬆t各2塊坯改判.正常坯第1塊取頭部樣檢測成分。

連鑄坯下線冷檢，主要檢查表面缺陷，不得有角橫裂、橫裂、縱裂、嚴重的結疤、毛刺或其它影響軋制質量的缺陷，缺陷坯清理后按檢驗標準檢驗，合格后放行。B類偏析≤2.0，C類偏析≤1.5，內裂≤1.5。

3.3 熱軋軋制工藝要求

25鋼板卷的熱軋在八鋼1750熱連軋機組進行。為保證后續(xù)25鋼的力學性能，在熱軋加熱控制環(huán)節(jié)，為了使板坯內的合金元素完全固溶，防止板坯存在“過燒”和“過熱”的現(xiàn)象，板坯在步進梁式加熱爐內的加熱時間大于160分鐘，將加熱爐板坯的出鋼溫度控制在1170±30℃。

為保證板坯再結晶的程度，盡量對原奧氏體進行細化，在粗軋階段增加對板坯的壓下量；板坯經過奇道次軋制后，中間坯的厚度在34～42mm，從粗軋拋鋼中間坯的溫度為970～1030℃。中間坯進入精軋機軋制，通過機架間的冷卻水達到對軋制鋼帶的冷卻，確保終軋溫度在870±20℃；為降低冷軋的變形抗力[4]，采用高溫卷取，卷取溫度在660℃。

在控軋控冷軋制過程中，控制變形作用非常重要。在粗軋過程中，板坯經過奇道次的變形得到進入精軋的中間坯，在這個變形的過程中發(fā)生了原奧氏體的再結晶，粗軋的變形量決定了原奧氏體再結晶后晶粒的大小。變形量越大，再結晶形核位置增多，晶粒越細化，細化的原奧氏體晶粒尺寸影響后續(xù)相變的過程，對材料的塑韌性產生積極的影響。受板坯重量和生產線長度的限制，為保證在精軋過程中原奧氏體的扁平程度和細化后續(xù)相變的組織[2]，25鋼中間坯的厚度一般選擇32～42mm。

熱軋工藝采用控軋控冷的熱機械處理技術，其中包括板坯的加熱溫度的控制、形變奧氏體再結晶區(qū)粗軋階段的道次壓下和道次分配、形變奧氏體非再結晶區(qū)精軋階段的道次壓下和道次分配、層流冷卻的控制和板卷卷取溫度的控制。使晶粒尺寸變小、鋼材的強度上升，但鋼材組織仍保持為鐵素體+珠光體的軋后冷卻工藝，熱軋工藝參數(shù)設計見表3。

表3 熱軋工藝參數(shù)設計

3.4 冷軋酸聯(lián)軋工藝要求

試生產前進行焊機單板焊接測試，制定合理的焊縫加熱保溫措施；單板焊接測試成功后進行單卷上線試生產。酸聯(lián)軋入口段重點關注試驗鋼焊接質量。采用3～10卷SPCC熱輥過渡料。通過精心組織生產，保障測試順利進行。

酸洗是冷軋加工的關鍵步驟，熱軋帶鋼表面酸洗直接影響到冷軋帶鋼的表面質量[5]。由于優(yōu)質碳素鋼熱軋采用高溫卷取工藝，導致帶鋼表面形成的氧化鐵皮膜較厚，特別是熱軋內圈及邊部氧化鐵皮膜更厚。為了解決酸洗質量問題，從拉矯機參數(shù)、酸液濃度、酸洗速度等方面進行控制。

由于優(yōu)質碳素鋼的硬度大、延伸率低，為了降低拉矯機的電機負荷、減小拉矯機工作輥的磨損，在DC01的基礎上相應減小拉矯機的延伸率和插入深度值。帶鋼過拉矯機，需經過兩次彎曲變形再矯直，由于優(yōu)質碳素鋼焊縫質量比普通低碳鋼差，故優(yōu)質碳素鋼焊縫過拉矯機模式選擇為“降速通過”。正常酸洗普通低碳鋼時，每2小時加10m3新酸，酸洗優(yōu)質碳素鋼前10卷鋼要先加20m3新酸，然后每隔1h加10 m3新酸，確保酸液濃度在要求濃度的上限。提高酸洗質量的另一個方法是降低酸洗速度，由于軋機軋制優(yōu)質碳素鋼的速度不高，為避免欠酸洗，設定優(yōu)質碳素鋼的最大酸洗速度為150 m/min，由于頭尾氧化鐵皮較厚，酸洗速度降低至90 m/min。通過優(yōu)化拉矯機參數(shù)、提高酸液濃度、降低酸洗速度等措施，未發(fā)現(xiàn)欠酸洗等缺陷，酸洗表面質量得到了控制。具體參數(shù)見表4。

表4 壓下量及縮頸量

3.5 冷軋罩退工藝要求

鐵素體沿軋制方向被拉長，劇烈的塑性變形使得鐵素體內部聚集了高密度位錯，部分滲碳體片層出現(xiàn)彎曲、扭折甚至破碎，珠光體片層間距減小，部分滲碳體片在冷變形過程中發(fā)生一定程度的溶解，增加了滲碳體不穩(wěn)定性，為退火過程中滲碳體演變提供了前期條件。

冷軋優(yōu)質鋼退火通常將帶鋼加熱到稍高于再結晶點Ar1以上溫度，保溫一定的時間后隨爐冷卻,以獲得需要的珠光體組織。合適的加熱溫度既要使碳化物具有一定的擴散能力同時要保證材料的強度,確定保溫時間的依據(jù)是使碳化物具有一定的擴散時間。過高的加熱溫度會造成晶粒的過分長大，加熱溫度過低,碳化物的溶解不夠,將會造成片狀碳化物殘余及鏈狀等不均勻的欠熱組織，材料的延伸率也會下降。通過強對流罩式退火爐（配備自動溫控系統(tǒng)）進行退火工藝控制，以保證爐況良好，爐內溫度均勻,溫差不超過10℃。同時,要求各級操作和管理人員規(guī)范操作，嚴密監(jiān)控。

實驗室試驗，冷軋后的試樣經過500℃保溫變形鐵素體基本沒有變化，滲碳體呈片層或短棒狀，部分滲碳體片層雖然已經溶解，但仍按原滲碳體片層方向有序排列，其軟化機制以鐵素體回復為主；冷軋試樣經過600℃退火后鐵素體基本呈等軸狀，仍有部分變形后的長條狀鐵素體存在。部分滲碳體在內應力以及高溫作用下發(fā)生溶斷，而在變形階段溶解于鐵素體的碳原子有析出傾向，滲碳體片層幾乎全部轉變?yōu)榱?，粒狀滲碳體仍然聚集于原珠光體區(qū)域，沿原滲碳體片層方向排列，滲碳體顆粒尺寸較小。經過650℃退火后鐵素體發(fā)生完全再結晶且呈等軸狀，滲碳體顆粒分布較均勻，有少量滲碳體顆粒偏聚于晶界，呈短鏈狀分布，從滲碳體分布來看，已經分辨不出原珠光體區(qū)域，短棒狀滲碳體消失，全部為粒狀；鐵素體再結晶使得晶粒內部缺陷的密度降低，冷變形時固溶于鐵素體內部的碳原子得以在晶粒內部析出。

罩退采用640℃±10℃，罩退工藝見表5。加熱溫度升至430℃以后，加熱速率應為30～50℃/h。

表5 25鋼罩退工藝

3.6 冷軋平整工藝要求

25鋼在冷軋平整工序可采用延伸率模式和軋制力模式，原則上優(yōu)先選用延伸率模式。25鋼采用延伸率模式時,具體要求見表6。

表6 25鋼采用延伸率模式時的平整工藝參數(shù)

25鋼采用延伸率模式生產，當采用軋制力模式時，軋制力范圍為2300～2850KN。平整工序嚴密關注產品粗糙度,發(fā)現(xiàn)異常要及時換輥返修。

4 產品檢測與使用情況

4.1 金相組織檢測

（1）冷軋原料熱軋卷取樣金相情況。冷軋原料卷組織為鐵素體+珠光體，晶粒度8～8.5級，心部有偏析，帶狀組織 2～3級（見表 7，圖 2）。

表7 冷軋原料卷熱軋取樣金相檢驗結果

（2）冷軋產品卷取樣金相檢測。冷軋卷組織為鐵素體+球狀珠光體，晶粒度9～9.5級，心部有偏析，帶狀組織1.5級（見表8，圖3）。

圖2 冷軋原料熱軋卷金相檢驗結果

表8 冷軋產品卷取樣金相檢驗結果

圖3 冷軋產品金相檢驗結果

4.2 產品使用情況

在保證產品成分要求的前提下，用戶主要要求加工性能。在生產過程中保證罩式退火的加熱速度，加熱時間、保溫溫度和保溫時間，通過控制珠光體的大小以及滲碳體的分布均勻來實現(xiàn)，產品性能見表9。

表9 力學性能要求（冷軋態(tài)交貨）

八鋼公司生產的鋼包頭用25優(yōu)質碳素鋼冷帶產品,經鋼包頭制造企業(yè)試用，滿足了產品的加工要求，通過了制鞋企業(yè)采用強制性的質量檢驗標準進行的耐沖擊與承壓試驗，最終獲得了用戶一致認可。

5 結束語

通過鋼包頭用優(yōu)質碳素結構鋼冷軋鋼板開發(fā),可以確認25鋼冷帶產品是一種制造鋼包頭用的新材料，滿足鋼包頭制造企業(yè)的加工要求和行業(yè)對鋼包頭的使用要求。在生產過程中要重點控制好幾個關鍵技術點。

（1）煉鋼過程中鋼包采用下渣量控制，轉爐出鋼至鋼包的鋼水回磷量不大于0.003%，采用LF爐精煉深脫氧，鋼水需經LF爐脫硫、脫氣和調整成分處理，達到高級優(yōu)質鋼的要求。

（2）在冷帶生產過程中的熱軋生產工藝的控制重點是軋后冷卻制度。

（3）在冷帶生產過程中的冷軋生產工藝控制重點是冷軋焊接、酸洗與總變形量及冷帶罩式退火工藝。

（4）在冷帶技術要求方面的重點是抗拉強度為400～500MPa,顯微組織應為球狀珠光體。