厚規(guī)格結(jié)構(gòu)鋼冷卻工藝與機(jī)械性能相關(guān)性研究

供稿|張冰 /

本鋼2300 mm熱連軋機(jī)組是本鋼優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵項(xiàng)目，是本鋼引進(jìn)集成、自主創(chuàng)新的生產(chǎn)線。機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，已經(jīng)累計(jì)軋制出各類鋼種200多個(gè)，規(guī)格多達(dá)2000個(gè)以上。主要供冷軋用熱軋?jiān)虾蜔彳埳唐肪?。熱軋商品卷主要包括普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)及管線鋼系列、汽車結(jié)構(gòu)用鋼、出口結(jié)構(gòu)鋼等，這些都是需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能檢驗(yàn)的鋼種。生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一部分結(jié)構(gòu)鋼，特別是較厚規(guī)格結(jié)構(gòu)鋼性能經(jīng)常出現(xiàn)較大的波動(dòng)，并由此造成降級(jí)或轉(zhuǎn)單等損失的產(chǎn)生。其中以普碳類最為明顯，如Q235B、Q345系列，以及汽車結(jié)構(gòu)用鋼等。為了找到生產(chǎn)工藝方面可能存在的問(wèn)題，找到解決方案，減少或避免損失，從而提高2300 mm機(jī)組產(chǎn)品的合格率，對(duì)普碳結(jié)構(gòu)鋼性能進(jìn)行了研究、測(cè)試及改進(jìn)。

產(chǎn)品性能不合格問(wèn)題

隨著2300 mm機(jī)組投產(chǎn)并進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)階段，所承擔(dān)的品種鋼的種類更加繁多，品種鋼產(chǎn)量所占比例也更大，質(zhì)量控制難度也相應(yīng)提高，性能波動(dòng)增大，產(chǎn)品的機(jī)械性能檢驗(yàn)平均合格率只有96.50%。其中，影響較大的是較厚規(guī)格，而總產(chǎn)量中9.5 mm以上厚規(guī)格所占比例達(dá)31.06%。由于鋼板較厚，鋼板內(nèi)部與表面的溫差較大、鋼板本體的淬透性差等原因，導(dǎo)致溫度控制命中率(溫度檢測(cè)值達(dá)到溫度控制目標(biāo)的比例)的提高難度很大，是造成溫度控制指標(biāo)波動(dòng)較大的主要原因之一，溫度控制成為厚規(guī)格所有熱軋線的難點(diǎn)。

性能不合格批次較多的鋼種集中在厚規(guī)格低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼上，主要鋼種為7.5 mm以上厚規(guī)格的Q345A和Q345B，不合格的性能指標(biāo)為屈服強(qiáng)度和延伸率。9個(gè)月累計(jì)因性能不合格造成降級(jí)和改判的批次中，厚規(guī)格Q345性能不合格批次占比達(dá)51%。當(dāng)因合同規(guī)定集中生產(chǎn)厚規(guī)格的Q345B時(shí)，軋制量增大，出現(xiàn)了連續(xù)20個(gè)批次的產(chǎn)品初檢和復(fù)檢均不合格的情況，使問(wèn)題凸顯出來(lái)。分析這些不合格批次的溫度控制，發(fā)現(xiàn)多個(gè)批次溫度控制良好但性能檢驗(yàn)仍然不合格(見(jiàn)圖1)，并造成多個(gè)批次降級(jí)和轉(zhuǎn)單。

圖1 卷取溫度控制實(shí)例

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示了兩年內(nèi)Q345系列鋼種累計(jì)不合格批次的情況，共有488個(gè)批次性能檢驗(yàn)不合格，主要指標(biāo)如下圖2所示。不合格批次中，屈服強(qiáng)度不合格批次占比最大。特別是隨著Q345B訂單量逐漸增大，其屈服強(qiáng)度的波動(dòng)也逐漸增多。以2011年1—8月份技術(shù)攻關(guān)時(shí)期為例，Q345B的軋制總量約為161068 t，共117批性能檢驗(yàn)不合格，其中54個(gè)批次屈服強(qiáng)度不合格，占總不合格批次的46.15%。并且隨著鋼種產(chǎn)量的增加，屈服強(qiáng)度不合格批次占比有逐漸增大的趨勢(shì)。

圖2 Q345系列鋼種累計(jì)性能不合格情況

同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)大量厚規(guī)格(10 mm以上)車輪用鋼BG420CL性能檢驗(yàn)不合格的問(wèn)題，不合格性能指標(biāo)主要為延伸率，集中在12和14 mm兩個(gè)規(guī)格上，并頻繁出現(xiàn)，因此將車輪鋼BG420CL延伸率檢驗(yàn)不合格的問(wèn)題同時(shí)列入技術(shù)攻關(guān)范圍內(nèi)。由上述兩個(gè)鋼種性能不合格造成的損失共計(jì)1511 t，占當(dāng)年全年損失總量的33.5%，見(jiàn)表1。

原因分析

2300 mm熱連軋機(jī)組帶鋼冷卻系統(tǒng)由SMS設(shè)計(jì)并提供關(guān)鍵設(shè)備，采用國(guó)內(nèi)合作制造的方式建設(shè)。該系統(tǒng)由20組冷卻集管構(gòu)成，其中前18組為普通層冷，19～20組為加密的精冷組，用于卷取溫度的反饋控制。系統(tǒng)總流量為63000 m3/h(見(jiàn)圖3)。

表1 Q345和BG420CL性能不合格造成的損失情況

2300 mm機(jī)組層流冷卻設(shè)備分為二部分：主冷卻區(qū)、精調(diào)區(qū)，其中：1～18組為主冷卻區(qū)，19～20組為精調(diào)區(qū)。主冷卻區(qū)上噴與下噴每組集管流量之比SMSS設(shè)計(jì)為1∶1.22，即1～18組上排流量：92 m3/h，下排流量：112.5 m3/h。以表2中設(shè)備為基礎(chǔ)，構(gòu)成了卷取溫度控制系統(tǒng)。其主要功能有預(yù)設(shè)定溫度計(jì)算、前饋修正計(jì)算、反饋控制計(jì)算和自學(xué)習(xí)功能，還包括使用超快冷設(shè)備的分段冷卻控制功能。

圖3 2300 mm機(jī)組層流配置

表2 層冷高溫計(jì)的布置

為了研發(fā)高級(jí)別管線鋼、快速進(jìn)入高端管線鋼市場(chǎng)，需要理想的冷卻速率，以保證高級(jí)別管線鋼產(chǎn)品高強(qiáng)度的性能要求，將原來(lái)的層流冷卻1～5組總計(jì)20根集管的水流量進(jìn)行了調(diào)整。加大了主冷卻區(qū)1～5組的水流量，加大后的上、下排噴水流量均為設(shè)定流量的1.6倍左右，即1～5組上排流量為147 m3/h，下排流量為180 m3/h。調(diào)整之后，整個(gè)帶鋼冷卻系統(tǒng)的流量配置情況如表3示。

表3 層冷各類集管流量

由于1～5組冷卻集管的流量調(diào)整較大，為避免由于冷卻過(guò)大對(duì)其他普通鋼種造成不利影響，設(shè)備改造后，除管線鋼外，其余鋼種的冷卻均從第6組層冷噴水集管開(kāi)始投入使用，這就使得除管線外的其他鋼種在軋出F7機(jī)架后，先經(jīng)過(guò)大約22.5 m的空冷，然后再進(jìn)行噴水冷卻至目標(biāo)卷取溫度。

Q345B模型控制中，與其他非管線鋼一樣，帶鋼的冷卻是采用F7出口后第6組層流冷卻段開(kāi)始投入，并且較厚規(guī)格均投入熱尾功能(帶鋼尾部冷卻水提前關(guān)閉，使尾部溫度高于帶鋼帶身溫度，即為熱尾)，以補(bǔ)償尾部溫度的下降。

此外，為了降低該類鋼種生產(chǎn)成本，Q345系列鋼種的Mn含量下調(diào)了0.05%，強(qiáng)化成分含量的降低，使熱軋工藝過(guò)程中性能的控制窗口變窄，必須通過(guò)更加有效和準(zhǔn)確的冷卻控制保證工藝溫度的實(shí)現(xiàn)，補(bǔ)償由于強(qiáng)化成分含量的降低導(dǎo)致的強(qiáng)度降低。這一點(diǎn)，從多個(gè)批次屈服強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果的平均值就可以看出，檢驗(yàn)的屈服強(qiáng)度平均為340 MPa(標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度≥345 MPa)。

考慮上述實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程控制情況，認(rèn)為帶鋼強(qiáng)度下降的原因是帶鋼軋制完成后先經(jīng)過(guò)大約20 m的空冷，而未立即進(jìn)行噴水冷卻。同時(shí)，通過(guò)帶鋼微觀組織結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，可以看到較大的晶粒尺寸(圖4)，這是由于帶鋼完成軋制后在2～3 s的緩冷中晶粒在較高溫度下有機(jī)會(huì)長(zhǎng)大，導(dǎo)致帶鋼強(qiáng)度下降。

圖4 顯微組織

改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)比前期Q345系列性能檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)應(yīng)溫度控制情況以及形成的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出了改進(jìn)方案：取消熱尾，避免熱尾波動(dòng)產(chǎn)生額外的影響因素；增加層冷噴水組數(shù)，增大冷卻速率；采用層冷第二組開(kāi)始投入的方式；同時(shí)為了防止由于前五組過(guò)大的水量而造成過(guò)冷，采用集管間噴的模式投入。

根據(jù)鋼種工藝要求，厚度8.0 mm以下的Q345B采用間隔冷卻的層冷噴水模式，即冷卻集管隔管噴水；厚度8.0 mm以上的Q345B采用前部連續(xù)噴水模式。同時(shí)為了防止由于前五組過(guò)大的水量而造成過(guò)冷，采用集管間噴的模式。結(jié)合同規(guī)格9.5、13.5以及15.5 mm進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖5)。圖5中“豎線”表示該集管噴水；“圓圈”表示該集管投入但未噴水(根據(jù)溫度反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整的)；“×”表示該集管閥門損壞且關(guān)閉；“橫線”表示不投入，即不在噴水模式內(nèi)。

圖5 技術(shù)攻關(guān)后Q345B的層流噴水模式

此外，由于采用了集管間隔噴水的冷卻方式，使卷取溫度控制波動(dòng)較大，如整體溫度偏低等，但并未造成強(qiáng)度偏高、延伸率偏低的影響。先后實(shí)驗(yàn)的20卷鋼，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及延伸率指標(biāo)平均值分別達(dá)到377 MPa、530 MPa和26%(標(biāo)準(zhǔn)值為345 MPa、470 MPa和18%)，效果理想。之后對(duì)7.5 mm以上規(guī)格Q345A/B鋼種均采用相同的冷卻模式。固定冷卻模式后的16 d內(nèi)7.5 mm以上厚度的Q345A/B累計(jì)生產(chǎn)了1445塊，39595 t，共取樣381個(gè)批次，全部合格。隨后，將該噴水冷卻控制模式擴(kuò)展到了厚度5.0 mm以上的Q345系列鋼種上，并且控制過(guò)程和性能檢驗(yàn)結(jié)果都非常穩(wěn)定。

同時(shí)，對(duì)改善后的組織進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸明顯變小，這是強(qiáng)度指標(biāo)提升的主要原因(見(jiàn)圖6)。

圖4和圖6是調(diào)整冷卻模式前后相同厚度帶鋼的晶粒尺寸及組織結(jié)構(gòu)，對(duì)比兩圖可以看出，經(jīng)過(guò)20 m空冷之后再進(jìn)行水冷的模式控制下的帶鋼晶粒尺寸明顯較大并且?guī)钶^嚴(yán)重，而出精軋機(jī)架F7后(即完成軋制后)立即水冷的帶鋼晶粒尺寸非常細(xì)小并且?guī)罴?xì)微。

參考Q345系列鋼種冷卻模式調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，對(duì)厚度規(guī)格在10 mm以上的BG420CL車輪鋼進(jìn)行了卷取溫度及類似的冷卻模式的調(diào)整和測(cè)試，延伸率平均值達(dá)到29.6%(標(biāo)準(zhǔn)值26%)，擴(kuò)大并穩(wěn)定了延伸率余量，且屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度方面沒(méi)有出現(xiàn)下降，二者的平均值分別為358 MPa和450 MPa(鋼種強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)分別為290 MPa和410 MPa)。工藝調(diào)整后，再未出現(xiàn)性能不合格導(dǎo)致的BG420CL的降級(jí)和改判。

圖6 顯微組織

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)厚規(guī)格Q345A/B和車輪用鋼BG420CL采用新的帶鋼冷卻控制模式，適當(dāng)調(diào)整工藝中卷取溫度目標(biāo)值等措施，解決了鋼種性能波動(dòng)問(wèn)題降低了性能問(wèn)題造成的損失。攻關(guān)的規(guī)格鋼種性能檢驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定、檢驗(yàn)合格率提高。

此外，根據(jù)攻關(guān)經(jīng)驗(yàn)，增加了噴水模式形式，將改進(jìn)后的大流量層冷前五組集管按照不同噴水需求組成不同的模式，編寫(xiě)進(jìn)模型表中，使原來(lái)的三種冷卻模式擴(kuò)展到了目前的八種，可用于不同需求的鋼種和規(guī)格的卷取溫度控制當(dāng)中。噴水模式應(yīng)用的靈活化，使卷取溫度控制和產(chǎn)品性能檢驗(yàn)結(jié)果更加的穩(wěn)定，大幅度降低了損失，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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作者簡(jiǎn)介：張冰(1971—)，女，遼寧人，本鋼板材技術(shù)研究院汽車板表面技術(shù)研究所研究員，副高級(jí)工程師。1993年畢業(yè)于東北大學(xué)金屬壓力加工專業(yè)，主要從事軋鋼工藝、汽車表面板表面技術(shù)研究工作。獲2010年中國(guó)金屬學(xué)會(huì)論文集一等獎(jiǎng)。參與或主持多個(gè)科技項(xiàng)目，獲得省、市級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。E-mail：zhangbing215@126.com。