軋鋼工藝對(duì)鋼板性能的影響

朱建業(yè)

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照 276800）

鋼板性能會(huì)因用戶使用條件變化而表現(xiàn)出較大的不同，這種不同應(yīng)在經(jīng)濟(jì)與技術(shù)統(tǒng)一的前提下，滿足用戶提出的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。通常所說(shuō)的鋼板質(zhì)量主要包括內(nèi)在質(zhì)量、板形、精度、外形尺寸等，而鋼的加工工藝、冶金質(zhì)量、化學(xué)成分等都會(huì)影響到鋼板各方面的使用性能。提升鋼板性能的方式可通過(guò)優(yōu)化加工工藝與應(yīng)用合金材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，后者成本較高，前者改善途徑較多，有著較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 軋鋼工藝概述

軋鋼即是在旋轉(zhuǎn)的軋輥間改變鋼坯形態(tài)的壓力加工過(guò)程，按照軋制溫度劃分，軋鋼生產(chǎn)主要包括熱軋與冷軋。通過(guò)熱軋與冷軋工藝能夠生產(chǎn)出社會(huì)各領(lǐng)域所使用的帶鋼、鋼板、線材等產(chǎn)品，比如日常生活當(dāng)中較為常見(jiàn)的橋梁鋼、汽車板、鍋爐鋼、螺紋鋼、建筑鋼筋等，都屬于軋鋼工藝的產(chǎn)物。下面圍繞熱軋與冷軋工藝，對(duì)軋鋼工藝流程予以闡述。

1.1 熱軋工藝流程

在結(jié)晶溫度以上實(shí)施的鋼坯軋制工藝被稱之為熱軋工藝，利用該工藝生產(chǎn)的板帶產(chǎn)品的工藝如下：鋼板的長(zhǎng)度為100mm或者50mm的倍數(shù)，鋼板寬度范圍為500mm～2350mm，一般是通過(guò)連鑄運(yùn)輸過(guò)來(lái)的熱坯或者冷坯通過(guò)加熱爐加熱，達(dá)到開(kāi)軋溫度約1100℃～1200℃的要求，再通過(guò)粗軋機(jī)反復(fù)軋制，然后到精軋，最后通過(guò)卷取機(jī)成卷到運(yùn)輸發(fā)貨區(qū)域。在軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中，采用熱軋工藝能夠大幅降低單位時(shí)間內(nèi)的能量損耗，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約成本的目的，同時(shí)，利用熱軋工藝生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，具有金屬塑性高、抗變形能力強(qiáng)、合金加工性能優(yōu)越、軋制速度快等特點(diǎn)，因此，在軋鋼生產(chǎn)當(dāng)中始終占據(jù)著主導(dǎo)位置。熱軋工藝流程如圖1所示。

從圖1中可以看出，當(dāng)鋼坯到軋鋼后首先進(jìn)入加熱爐進(jìn)行加熱，一般根據(jù)鋼種及鋼坯厚度不同，加熱不同時(shí)間，待達(dá)到出爐溫度后進(jìn)行出鋼軋制。鋼坯出爐后首先利用高壓水除鱗設(shè)備進(jìn)行除鱗，在粗軋工序，主要利用立輥及四輥可逆粗軋機(jī)對(duì)鋼坯進(jìn)行粗加工。在精軋工序，主要利用精軋機(jī)組對(duì)鋼材尺寸進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)層流冷卻達(dá)到不同強(qiáng)度的產(chǎn)品，最后經(jīng)過(guò)卷曲成卷，下線入庫(kù)。

圖1 熱軋工藝流程

1.2 冷軋工藝流程

冷軋主要是以熱軋鋼卷作為加工原料，經(jīng)過(guò)酸洗去除氧化皮等工序，對(duì)鋼卷進(jìn)行冷連軋，最終的成品為冷硬卷。由于冷軋過(guò)程中，鋼卷的塑性與韌性指標(biāo)大幅大降，在這種情況下，鋼卷的沖壓性能也將受到嚴(yán)重影響，因此，冷軋工藝?yán)溆簿矶噙m用于加工和生產(chǎn)一些簡(jiǎn)易的零部件，對(duì)于特殊要求的一般進(jìn)行退火等工藝，生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 冷軋工藝生產(chǎn)流程

如圖2所示，冷軋工藝一般采取縱軋的方式，其工藝流程需要經(jīng)過(guò)酸洗、軋制、平整、脫脂、退火等工序。在冷軋工序開(kāi)始之前，需要對(duì)熱軋鋼卷進(jìn)行除鱗處理，以確保冷軋成品的表面光潔度。而脫脂工序主要是為了去除附著在材料表面的各種油脂，這樣在進(jìn)入到退火工序以后，不會(huì)對(duì)鋼材表面造成污染。在進(jìn)入精整工序以后，需要經(jīng)過(guò)剪切、矯直、打印、包裝等步驟，尤其對(duì)產(chǎn)品的包裝工序來(lái)說(shuō)，對(duì)其提出了較高要求，以避免在運(yùn)輸過(guò)程中刮傷冷軋成品。

2 軋鋼工藝對(duì)鋼板性能的影響

2.1 加熱溫度、開(kāi)軋溫度對(duì)鋼板性能影響

在加熱時(shí)間相等的條件下，加熱溫度高低決定了原始奧氏體晶粒具體形態(tài)。其中低碳Mn鋼加熱溫度越高，晶粒尺寸就會(huì)越大，兩者間存在正變關(guān)系。而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鋼板加熱溫度雖然會(huì)在一定程度上影響晶粒度，但是這種影響幅度極為有限，主要原因是鋼坯有著較高的加熱溫度，合金元素會(huì)固滲，有著較大的變形量，且精軋加熱溫度會(huì)對(duì)鋼板性能造成較大的影響。

開(kāi)軋溫度決定于具體的軋制工藝，當(dāng)選擇的開(kāi)軋溫度不同時(shí)，鋼板會(huì)具備不同的性能，當(dāng)開(kāi)軋溫度不斷降低時(shí)，鋼板性能會(huì)有一個(gè)明顯的上升趨勢(shì)，當(dāng)開(kāi)軋溫度降低時(shí)，處于完全再結(jié)晶區(qū)間內(nèi)的鋼材變形量會(huì)明顯降低，且一定程度上提升了鋼材在一些未再結(jié)晶與再結(jié)晶區(qū)間內(nèi)的變形百分?jǐn)?shù)，從而出現(xiàn)形變硬化、晶內(nèi)缺陷，還包括因參與應(yīng)變產(chǎn)生的γ-α相變細(xì)晶機(jī)制增強(qiáng)，此時(shí)鋼材強(qiáng)度提升明顯。故而，對(duì)于要求性能良好、高深沖的鋼板，應(yīng)嚴(yán)格控制其溫度，避免其過(guò)低[1]。

2.2 變形量、精軋溫度對(duì)鋼板性能影響

在精軋低碳合金鋼的過(guò)程中，其中一大部分位于未再結(jié)晶與γ部分再結(jié)晶溫度區(qū)域，道次壓下率超過(guò)一些再結(jié)晶臨界壓下率時(shí)，該變形過(guò)程會(huì)進(jìn)入部分再結(jié)晶空間，當(dāng)軋制道次不斷增加時(shí)，再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)亦會(huì)同步增加，直至到達(dá)完全再結(jié)晶狀態(tài)細(xì)化奧氏體為止。變形量、精軋溫度對(duì)16Mn鋼奧氏體晶粒尺寸影響情況如下圖3所示，觀察圖中趨勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，在精軋溫度處于850℃與950℃時(shí)的再結(jié)晶狀況與1000℃以上軋制溫度的再結(jié)晶狀況相反，當(dāng)軋制溫度出現(xiàn)升高趨勢(shì)時(shí)，γ再結(jié)晶晶粒尺寸會(huì)有一個(gè)降低趨勢(shì)。而在軋制溫度處于900℃與1000℃之間時(shí)內(nèi)能夠獲取γ再結(jié)晶細(xì)小晶粒。此外，選擇多道次、小變形量在900℃實(shí)施精軋時(shí)，通過(guò)應(yīng)變積累的方式亦能獲取與大壓低溫下同樣的效果，對(duì)未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制，導(dǎo)致形變奧氏體在冷卻以及γ-α發(fā)生轉(zhuǎn)變前就產(chǎn)生一些晶面缺陷，這部分缺陷會(huì)促使鐵素體本身形核率的提升，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的目標(biāo)，這亦是實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化的主要技術(shù)措施。

圖3 變形量、精軋溫度對(duì)16Mn鋼奧氏體晶粒尺寸影響圖

2.3 終軋溫度對(duì)鋼板性能影響

終軋溫度是軋鋼工藝中對(duì)鋼板性能影響較大的因素，其對(duì)鋼板的機(jī)械性能以及顯微組織都會(huì)造成較大的影響，以510L鋼來(lái)說(shuō)，當(dāng)其終軋溫度在870℃與900℃范圍內(nèi)將至780℃時(shí)，σs與σb分別由320Mpa與470Mpa提升至390Mpa與510Mpa，但是延伸率卻會(huì)降低。此外，就18LT熱軋鏈條鋼來(lái)說(shuō)，若是其終軋溫度存在降低趨勢(shì)，鋼板強(qiáng)度反而會(huì)有提升的傾向，其數(shù)值變化如下表1所示。

表1 終軋溫度對(duì)應(yīng)鋼板強(qiáng)度表

就一般規(guī)律來(lái)說(shuō)，終軋溫度的提升利于屈強(qiáng)比的降低以及珠光體帶狀組織的減輕，而在一定范圍內(nèi)的強(qiáng)度條件下來(lái)提升終軋溫度，能夠形成{1 1 1}結(jié)構(gòu)，促進(jìn)鋼板厚向異性指數(shù)γ的提升，使得板材具備更高沖壓成形性能。當(dāng)終軋溫度在Ar3以下時(shí)，會(huì)讓鐵素體出現(xiàn)變形，并使得出現(xiàn)不利于鋼板變形的織構(gòu)（001），而該織構(gòu)的發(fā)展，利于解理軋制平行面位置的結(jié)晶面，在沖制鋼板過(guò)程中出現(xiàn)撕裂與分層。因此應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提升終軋溫度，亦或者將鋼板作淬火與正火+回火，實(shí)施再結(jié)晶退火可在一定程度上避免出現(xiàn)此類缺陷[2]。

2.4 冷卻速度對(duì)鋼板性能的影響

軋后冷卻速度會(huì)較大程度的影響鋼板性能，特別是對(duì)脆性、韌性、強(qiáng)度轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生的影響更為強(qiáng)烈。以0.8%Mn與0.15%低碳錳鋼板C為例進(jìn)行試驗(yàn)，軋后冷速分別為40℃/s以上以及10℃/s以下，兩者σs與σb冷速皆會(huì)隨著冷速的提升而增高，但是其脆性與韌性轉(zhuǎn)變溫度卻不會(huì)受到冷速變化太大的影響。冷速在10℃/s與40℃/s之間時(shí)，在冷速變化時(shí)，強(qiáng)度幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，鍋爐10mm厚度的鋼板，在經(jīng)過(guò)熱軋后，不同冷速狀況下對(duì)應(yīng)的鋼板性能如下表2所示。綜合試驗(yàn)結(jié)果可知，在Mn、C含量處于下限時(shí)，軋后冷速未形成對(duì)鋼板性能較大的影響。

表2 不同冷速狀況下對(duì)應(yīng)的鋼板性能表

軋后冷卻速度是部分低合金鋼板保證組織性能的重要舉措，其中第一次冷卻為鐵素體形成創(chuàng)造了條件，產(chǎn)生形核并形成較多數(shù)量的細(xì)晶鐵素體，在其后的冷卻過(guò)程中應(yīng)使得鋼板能夠冷卻至對(duì)應(yīng)的卷曲溫度，這利于剩余一部分濃度較高的奧氏體發(fā)生相應(yīng)的相變。冷卻強(qiáng)度與冷卻方式因鋼組成成分不同與產(chǎn)品組織性能差異而進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制，比如終軋后雙相鋼的冷卻，應(yīng)保證其能夠產(chǎn)生足量多邊形鐵素體，在發(fā)生卷曲后，殘存奧氏體可朝著馬氏體轉(zhuǎn)變，以此來(lái)獲取雙相組織給予的優(yōu)良性能。而當(dāng)熱軋薄板發(fā)生冷卻不均勻時(shí)，在其后制管時(shí)有可能造成焊管成品彎曲并扭轉(zhuǎn)，從而使其變成廢品，故而軋板噴淋應(yīng)力應(yīng)維持均勻冷卻[3]。

2.5 卷曲溫度對(duì)鋼板性能影響

熱軋鋼板本身卷曲溫度影響鋼板組織性能可以將其理解為對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的系列影響，軋后已經(jīng)完成冷卻的鋼板，奧氏體→鐵素體的轉(zhuǎn)變過(guò)程，其中一部分是處于卷曲溫度下經(jīng)過(guò)緩慢冷卻完成的。就510L鋼來(lái)說(shuō)，厚度為7mm鋼板，在處于21℃/s～28℃/s的高速冷卻狀態(tài)時(shí)，若是卷曲溫度持續(xù)上升，鋼板強(qiáng)度會(huì)隨之直線下降，而560℃與690℃下的卷曲，在ψ與σ上有著較大的變化，且在巻取溫度上升時(shí)，ak亦會(huì)有所上升，在-40℃溫度下ak值有著明顯的提升。當(dāng)冷速處于9℃/s～13℃/s之間時(shí)，若是卷曲溫度提升，鋼板強(qiáng)度會(huì)直線下降，在卷曲溫度為770℃時(shí)，σs的值為420Mpa,在卷曲溫度為600℃時(shí)，σs的值為500Mpa，差距為8Mpa，ψ與σ,沒(méi)有明顯的變化，ψ只是在卷曲溫度上升時(shí)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。在3℃/s空冷條件下，卷曲溫度上升時(shí)，鋼板強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)下降，其中σs變化幅度達(dá)到50Mpa.在850℃卷曲溫度環(huán)境下，σs值為400Mpa，在卷曲溫度達(dá)到850℃以上時(shí)，其溫度上升，鋼板性能數(shù)值變化程度不大，在-40℃環(huán)境下ak值有著明顯的變化。

卷曲溫度對(duì)鋼板性能的諸多影響中，金相組織變化是其中的主要特征，其中510L鋼板卷曲溫度為690℃時(shí)，24℃/s冷速，鐵素體晶粒多邊形且較為粗大，珠光體呈塊狀分布，若是其卷曲溫度為560℃時(shí)，25℃/s冷速，此時(shí)會(huì)呈粗狀貝氏體組織，此外軋后卷曲與冷卻的工藝參數(shù)對(duì)強(qiáng)化沉淀硬化型鋼板有著重要意義，進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整，利于控制彌散硬化相的分布狀況以及析出數(shù)量，這是實(shí)現(xiàn)鋼板強(qiáng)化的有效措施。

在綜合考慮卷曲溫度與冷速后，還需關(guān)注熱軋后鋼板對(duì)應(yīng)的終冷溫度，就低碳低合金鋼來(lái)講，其本身顯微組織在拋出鐵素體基體后，第二相類型對(duì)于鐵板性能有著較大的影響，鐘冷溫度間表現(xiàn)出的差異化，會(huì)使得第二相表現(xiàn)出貝氏體、珠光體、馬氏體等諸多特征。奧氏體→珠光體的條件包括兩個(gè)：其一，奧氏體中含有超過(guò)0.8%碳含量，這是共析轉(zhuǎn)變臨界值；其二鋼板溫度需超過(guò)500℃，這在珠光體轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)，如此可根據(jù)其不同的用途體積成分調(diào)節(jié)其工藝參數(shù)，使其能夠按照要求形成對(duì)應(yīng)的額第二相組織，進(jìn)而獲取所需性能。而第二相對(duì)鋼板強(qiáng)度的影響可由△TS來(lái)判斷，而第二相體積百分?jǐn)?shù)直接關(guān)系著強(qiáng)度差值?！鱐S=12.9Vm、△TS=2.5VB，其中△TS指的是強(qiáng)度差值，Vm指的是第二相馬氏體體積百分?jǐn)?shù)，而VB指的是貝氏體體積百分?jǐn)?shù)。

2.6 金屬變形方式與方向?qū)︿摪逍阅艿挠绊?/h3>

在軋制鋼坯過(guò)程中，涉及多種軋制方式，其中最為常見(jiàn)的是橫軋與縱軋，橫軋工藝主要是與鋼坯原始變形的方向保持垂直狀態(tài)，而縱軋工藝則是與鋼坯原始變形的方向保持平行狀態(tài)。從軋制效果分析，采用橫軋工藝軋制出的成品鋼，各項(xiàng)性能較為完善，而各向異性傾向小，但是，受到一些客觀因素的影響，橫軋工藝往往在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程受到限制和使用。而縱軋工藝軋制出的成品鋼性能較差，其原因主要是原始變形已出現(xiàn)的晶粒方向性變形與夾雜物變形產(chǎn)生的帶狀組織，在縱軋時(shí)得到進(jìn)一步發(fā)展，這種方式將給成品鋼性能造成嚴(yán)重影響。

另外，坯件的軋制變形方向也會(huì)對(duì)鋼板性能產(chǎn)生不良影響。比如在單一方向變形的情況下，坯件沒(méi)有經(jīng)過(guò)多方向、多角度受力，繼而使鋼板性能嚴(yán)重下降，而如果對(duì)坯件施加多方向與多角度變形處理，生產(chǎn)出的鋼板性能也相對(duì)較好。以成分相同、數(shù)量相同的坯料為例，軋制成長(zhǎng)而窄的鋼板與短而寬的鋼板，其性能將存在明顯差異。而采用冷軋工藝來(lái)生產(chǎn)鋼板時(shí)，如果冷軋溫度遠(yuǎn)低于再結(jié)晶溫度，軋制產(chǎn)品的厚度小于3mm，那么，軋制出來(lái)的成品鋼，不僅表面光潔度好、板形順直，而且軋制尺寸精確度也相對(duì)較高。因此，為了改善冷軋成品鋼板的性能，可以適當(dāng)增加鋼板的時(shí)效能力或者加工硬化指數(shù)，使鋼板在成型以后能夠產(chǎn)生烘烤硬化，這樣既能夠保證沖壓成品率，而且冷軋件的強(qiáng)度也明顯增加。與此同時(shí)，也可以在冷軋鋼板表面附著彩色涂層，這時(shí)，鋼板的性能不僅得到進(jìn)一步改善，而且也提高了外表的美觀度。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，經(jīng)過(guò)以上的論述，發(fā)現(xiàn)加熱溫度、開(kāi)軋溫度、變形量、精軋溫度、終軋溫度、冷卻制度等都會(huì)對(duì)鋼板性能產(chǎn)生不同程度的影響，因此在應(yīng)用軋鋼工藝來(lái)進(jìn)行鋼板生產(chǎn)時(shí)，需應(yīng)用對(duì)應(yīng)的技術(shù)，遵循相應(yīng)的生產(chǎn)流程來(lái)逐步推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程，以此來(lái)避免其他因素對(duì)鋼板性能產(chǎn)生不好的影響，使其切實(shí)滿足使用要求。