集裝箱板SPA-H翹曲原因及改善措施

粟勁超，周 靚，周 波

(柳州鋼鐵集團有限公司，廣西 柳州 545002)

近年來，物流行業(yè)蓬勃發(fā)展，集裝箱運輸以其裝卸方便，運費便宜等優(yōu)點越來越受到運輸行業(yè)的歡迎。隨著集裝箱板的市場份額急速擴大，使用要求的提升，客戶對其外形精度的要求也越來越高。雖然明確板形控制是帶鋼外形精度的關鍵，但生產(chǎn)過程中板形問題仍難以解決[1]。高強集裝箱板帶鋼在生產(chǎn)過程的不均勻延伸和后續(xù)裁切加工過程中幾何尺寸改變使應力重新分布都會導致翹曲現(xiàn)象，這使翹曲問題日益成為提高產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要瓶頸[2]。集裝箱板作為柳鋼熱軋廠的主導品種之一，其性能與板形等質(zhì)量因素對成品合格與否有重要影響。柳鋼熱軋廠生產(chǎn)的集裝箱板存在板形翹曲的現(xiàn)象，特別是2021年二季度生產(chǎn)的集裝箱板，客戶反饋在進行板帶裁切加工后，出現(xiàn)了嚴重的翹曲現(xiàn)象，給后續(xù)加工造成很大困難。因此，為了解決集裝箱板翹曲問題，本文將通過生產(chǎn)情況統(tǒng)計分析，力學性能試驗等方法，對集裝箱板翹曲的原因進行了分析，并通過對成分、軋制工藝、冷卻工藝和矯直工藝等進行優(yōu)化，改善集裝箱板裁切加工后翹曲問題。

1 材料及生產(chǎn)過程

以柳鋼熱軋廠1450 mm線生產(chǎn)的4 mm×1350 mm規(guī)格集裝箱板SPA-H為試驗對象，主要化學成分如表1所示。批量跟蹤該鋼種的生產(chǎn)情況，其主要生產(chǎn)流程為：鐵水脫S→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF(淺)精煉→板坯連鑄(電攪+軟壓下)→精整→送熱軋→鑄坯加熱→粗軋→精軋→卷取→(平整)→包裝→入庫，具體軋制工藝參數(shù)如表2所示。

表1 集裝箱鋼板SPA-H的化學成分 單位：%

表2 帶鋼軋制工藝參數(shù)

2 翹曲原因分析

軋制過程實質(zhì)上是單向壓縮、雙向延伸的塑性變形的過程。而塑性變形是一個復雜的物理過程，受到許多因素的影響，再加上材料本身的特性，就形成了最終的軋制狀態(tài)。翹曲的力學機理是帶鋼在寬度和厚度方向的不均勻延伸分布導致的彎曲變形。相關研究表明造成翹曲的原因主要為[3]：(1)熱軋帶鋼在寬度和厚度方向上變形和應力分布不均勻；(2)熱軋帶鋼長度方向上曲率分布不均勻；(3)熱軋鋼板內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)應力，如冷卻不均勻形成各種不均勻的殘余應力等。

針對用戶反饋的問題，對熱軋現(xiàn)場的生產(chǎn)情況以及客戶的生產(chǎn)狀況進行了分析。集裝箱板帶鋼在使用過程中一般都要經(jīng)歷三個加工過程，下料裁切、塑性成形、焊接連接。其中，下料裁切后由于高強集裝箱板固有的內(nèi)應力較大特性，導致使用中帶鋼開卷為平板時，存在沿長度方向的板形翹曲缺陷，并且用戶反饋裁切后，在較大的內(nèi)應力釋放同時還會出現(xiàn)邊浪，如圖1所示，這給后續(xù)加工造成很大的困難。此外，用戶在反映鋼卷翹曲的同時，提出了強度較高現(xiàn)象，這對其后序的成型工序有不少的壓力，為此我們獲取了二季度生產(chǎn)鋼卷的強度情況，如表3所示。由表3可知，其對應的屈服強度和抗拉強度在滿足了標準的要求的同時都比較高。強度較高會影響平整矯直能力，如果用戶矯直能力較弱，難以消除殘余應力的不均勻性，就越易造成裁切后的翹曲程度，可見強度較高也是影響帶鋼翹曲嚴重的一個重要原因。

圖1 集裝箱板裁切后鋼板翹曲情況

表3 2021年二季度生產(chǎn)的集裝箱板SPA-H的力學性能

2.1 成分與軋制工藝

為了降低集裝箱板強度因素對翹曲的影響，首先對集裝箱板的軋制工藝進行了優(yōu)化。2021年5月份通過調(diào)整軋制工藝參數(shù)，進行了不同軋制速度、不同終軋溫度和不同卷取溫度對集裝箱板性能的影響的試驗，得到了降低軋制速度、提高終軋溫度和卷取溫度有利于降低集裝箱板強度的規(guī)律。在綜合考慮了軋線的因素，2021年6月份對1450線的熱軋4 mm×1350 mm規(guī)格的集裝箱板的終軋溫度和卷取溫度進行優(yōu)化調(diào)整，將終軋溫度提高20 ℃，卷取溫度提高了30 ℃，具體工藝調(diào)整如表4所示。6月份實施軋制工藝優(yōu)化以來，厚規(guī)格箱板強度降低約10～20 MPa，且整體性能波動性略有改善，工藝調(diào)整前后集裝箱板強度變化趨勢如圖2所示，用戶反饋使用效果有一定改善，批量性下料變形問題總體有所緩解，但強度偏高、鋼板回彈較大的問題依然存在。

表4 帶鋼軋制工藝參數(shù)

圖2 軋制工藝優(yōu)化前后性能對比

對不同工藝調(diào)整后帶鋼的性能變化情況進行大量的對比跟蹤試驗，確認大范圍工藝調(diào)整均對厚規(guī)格箱板的性能調(diào)控作用不明顯。為了進一步的緩解強度因素對翹曲回彈的影響，在優(yōu)化軋制工藝的基礎上，采取了成分優(yōu)化的方式，通過降低了SPA-H集裝箱板中的Si、Mn元素，達到進一步降低集裝箱板強度，具體成分變化如表5所示。對采取成分和軋制工藝優(yōu)化的集裝箱板進行拉伸試驗，其性能情況如表6所示。由表6可知，對比未采取成分優(yōu)化的試樣，集裝箱板的強度降低了20～30 MPa，用戶反饋鋼卷裁切后翹曲的現(xiàn)象有進一步的緩解，但總體的性能波動大，翹曲情況仍然存在。

表5 調(diào)整后集裝箱鋼板SPA-H的化學成分 單位：%

表6 成分和軋制工藝優(yōu)化后集裝箱板SPA-H的力學性能

2.2 殘余應力的降低和均勻化

通過優(yōu)化成分和軋制工藝后，集裝箱板的翹曲嚴重性有了明顯的緩解，但由于性能波動較大，集裝箱板還存在翹曲情況，而且裁切后集裝箱板的浪形也存在，這說明集裝箱板中的還存在大量不均勻分布的殘余應力。集裝箱板在自然冷卻到室溫后，其每一個橫截面內(nèi)均存在殘余應力，一般情況下沿厚度方向上的任一點上的應力分布形狀，如圖3所示[3]。如果應力分布沿厚度寬度方向上是一樣的話，矢量和及力矩和都為零，這樣的鋼板在裁切之后，就不會翹曲。然而熱連軋生產(chǎn)的帶鋼其內(nèi)部和上下表面都還殘留著局部的殘余應力，由于這種殘余應力延長度和寬度方向不均勻分布，會對鋼板截面產(chǎn)生一個力矩，這樣的力矩往往會導致鋼板在裁切后發(fā)生翹曲。

圖3 帶鋼沿厚度方向的殘余應力的分布示意圖

為了緩解殘余應力對裁切后鋼板翹曲的影響。針對冶煉成分、軋制工藝調(diào)整后性能穩(wěn)定性不足、殘余應力分布不均的情況，對軋后的冷卻工藝進行了優(yōu)化。在前期試驗跟蹤的基礎上，對不同冷卻模式條件下的性能變化情況進行大量的對比試驗，最終得到了將軋后冷卻模式由急冷調(diào)整為快冷，同時對軋制速度、機架間帶鋼水的選用進行相應的窄窗口優(yōu)化控制，旨在進一步降低軋后冷卻速度和冷卻均勻性，緩解強度偏高、鋼板內(nèi)應力不均勻?qū)е碌牟们新N曲變形問題。對冷卻工藝優(yōu)化后的集裝箱板性能進行測試，其強度情況如表7所示。集裝箱板強度較6月份，再次下降15～20 MPa，性能穩(wěn)定性也得到進一步提升。經(jīng)跟蹤確認，用戶反饋冷卻工藝優(yōu)化后的鋼卷，殘余應力降低的同時均勻性也提高了，裁切后鋼板翹曲問題基本消除。

表7 2021年二季度生產(chǎn)的SPA-H的力學性能

2.3 矯直工藝優(yōu)化

柳鋼熱軋廠對裁切后集裝箱板矯直工作進行了跟蹤，選取了與用戶同批次有翹曲問題的鋼卷進行平整矯直試驗。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，試驗鋼卷在經(jīng)過熱軋廠內(nèi)正常的矯直后，均沒有翹曲問題，但當采用降低矯直能力的手段后，裁切后的鋼板翹曲現(xiàn)象就出現(xiàn)了，而且強度越高，翹曲現(xiàn)象越嚴重。由此可推斷，用戶反饋裁切后鋼板的翹曲問題與其矯直設備能力和工藝有關。當集裝箱板的強度較高時，矯直難度加大，就會出現(xiàn)矯直效果不明顯，帶鋼矯直后仍存在邊浪、翹曲等問題。生產(chǎn)實踐證明，在矯直設備能力足夠的條件下，合理設置矯直工藝可以得到整張平直的鋼板[4]。

相關文獻表明，隨著帶鋼的強度及原始曲率增大，殘余應力值有增大的趨勢，翹曲程度則隨鋼板的強度和原始曲率越大而增大，并且裁切后的翹曲情況很可能是一致的。要解決熱連軋集裝箱板裁切后翹曲的問題，必須消除帶鋼沿長度方向上的曲率，然后使上下表面的殘余應力均勻化。因此，技術人員需根據(jù)集裝箱板帶翹曲情況，對用戶矯直的工藝參數(shù)進行優(yōu)化。(1)改進矯直機深彎輥和反彎輥的使用方式。在開卷穿帶完成后繼續(xù)保持深彎輥與反彎輥的配合，使其一直緊緊壓著帶鋼，達到消除原始曲率的目的。(2)對矯直機輥縫設定進行優(yōu)化。重新調(diào)整矯直機的輥縫初始設定值，并且保證在矯直過程中輥縫根據(jù)帶鋼厚度變化進行調(diào)整，利用粗矯直輔助精矯直對帶鋼的殘余應力進行均勻化。(3)優(yōu)化支撐輥的位置設定。在矯直過程中，保證矯直輥受到支撐輥的支撐作用，避免矯直過程中矯直輥產(chǎn)生彎曲，未使整個帶鋼表面受到矯直作用。對集裝箱熱軋帶鋼采用優(yōu)化的矯直工藝后，帶鋼矯直效果大幅度提升，用戶反饋裁切翹曲情況基本消除。

3 結(jié)語

(1)針對用戶反饋的問題，對熱軋現(xiàn)場的生產(chǎn)情況以及客戶的生產(chǎn)狀況進行了分析，認為集裝箱板翹曲的主要原因是帶鋼局部殘余應力分布不均勻和強度較高。

(2)對集裝箱板的成分和軋制工藝調(diào)整后，帶鋼的強度降低了20～30 MPa，翹曲現(xiàn)象有一定改善。通過軋后冷卻工藝的優(yōu)化，降低冷卻速度和冷卻均勻性，帶鋼的強度再次降低了15～20 MPa，進一步緩解強度偏高、鋼板內(nèi)應力不均勻?qū)е碌牟们新N曲變形問題，裁切后翹曲問題明顯改善。

(3)針對用戶集裝箱板矯直效果差的問題，通過優(yōu)化矯直工藝，矯直效果大幅提升，裁切翹曲情況基本消除。