減量化汽車機(jī)械攪拌罐用鋼開發(fā)

杜秀川，吳剛

（本鋼技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000）

目前，降低能耗、節(jié)約鋼材用量和降低汽車自重是汽車行業(yè)最重視的問題。汽車自重每減輕10%，燃油消耗可降低6%～10%[1]。汽車整體的減量化是降低油耗、增加承載量的有效途徑之一。汽車攪拌罐運輸車是用于傳送預(yù)攪混凝土的專用運輸設(shè)備，它具有工作時間長、運載重量大、服役環(huán)境惡劣的特點。由于環(huán)保的需要，國內(nèi)部分大城市陸續(xù)開始限制攪拌站的建設(shè)，因此，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，汽車攪拌罐運輸車的需求量會很大。而國內(nèi)一部分生產(chǎn)廠還采用強度為235 MPa級鋼材作為罐體的主要材料。由于所用鋼材的強度指標(biāo)低，勢必要增加罐體厚度，從而造成汽車自重較大。因此，開發(fā)高強鋼并替代現(xiàn)有鋼材，不但會明顯減薄罐體厚度，而且會獲得顯著的減量化效果。

本溪鋼鐵公司在熱連軋生產(chǎn)線上 （1700 mm和2300 mm）開發(fā)出了強度為520 MPa的減量化汽車攪拌罐用鋼，不僅減輕了汽車攪拌罐自重，而且具有良好的工藝性能和冷成形性能、焊接性能和耐磨性能，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保、降低消耗的目的。

1 攪拌罐用鋼的技術(shù)要求

根據(jù)攪拌罐用鋼的使用環(huán)境和技術(shù)特點，要求鋼板具有較高屈服強度和抗拉強度的同時，還要具有良好的韌性以及優(yōu)良的冷成形性能、焊接性能和耐磨性能等。汽車攪拌罐用鋼的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 汽車攪拌罐用鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能

2 攪拌罐用鋼的生產(chǎn)工藝

2.1 工藝流程

汽車攪拌罐用鋼的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理→180 t轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹→鋼包爐精煉→板坯連鑄機(jī)澆鑄→板坯加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→發(fā)貨。

2.2 化學(xué)成分

從保證鋼板具有良好的冷成形性能角度出發(fā)，設(shè)計汽車攪拌罐用鋼的化學(xué)成分時，在低成本碳-錳的基礎(chǔ)上，加入鈦、銅合金元素。為了保證鋼板具有優(yōu)良的耐磨性能和焊接性能，增加產(chǎn)品的塑韌性，嚴(yán)格控制鋼中的碳含量＜0.18%。鋼中加入適量的錳能有效降低奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體的相變轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)一步細(xì)化鐵素體晶粒，同時降低韌、脆性轉(zhuǎn)變溫度。在鋼中加入鈦元素，鈦與鋼中的氮發(fā)生液析反應(yīng)，生成長方形或方形的氮化鈦粒子[1]。因此，在冶煉和澆注過程中，要采用純凈鋼冶煉工藝，盡量減少鋼中氣體氫、氧、氮和有害元素磷、硫等雜質(zhì)元素含量，保證有效鈦的析出強化作用。另外，為了提高鋼板的耐腐蝕性能和耐磨性能，鋼中添加了一定量的銅元素。汽車攪拌罐用鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）實際控制范圍見表2。

表2 汽車攪拌罐用鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）實際控制范圍 %

2.3 工藝設(shè)計

2.3.1 冶煉和澆注工藝設(shè)計

一般認(rèn)為，鋼中Ti元素的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，它首先與鋼中的氣體O、N和雜質(zhì)元素S等結(jié)合生成大顆粒的化合物，對鋼的強度起不到作用。查閱有關(guān)Ti的經(jīng)驗公式可以得出[2]：當(dāng)鋼中氣體N含量偏高、雜質(zhì)S含量波動范圍較大時，將會造成鋼中有效Ti含量極不穩(wěn)定。實際生產(chǎn)中造成產(chǎn)品性能波動較大或力學(xué)性能偏低，滿足不了產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范的要求。因此，如何穩(wěn)定控制鋼中的鈦含量，是攪拌罐用鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵性控制環(huán)節(jié)。為此，開發(fā)了控制鋼中氣體O、N含量和控制低S鋼的技術(shù)規(guī)程，內(nèi)容包括：深脫S生產(chǎn)控制技術(shù)、深脫氣（低O、N）生產(chǎn)控制技術(shù)，最終使鋼中ω[S]≤0.004%、ω[N]≤0.005%、ω[O]≤0.002%。生產(chǎn)該鋼種時，鈦的收得率控制在85%以上。鋼中有效鈦含量計算公式為：

式中，[Ti]s為固溶鈦含量，一般按0.005%計算。

（1）鋼中O含量的控制工藝

由于Ti元素活潑，能夠與鋼中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成二氧化鈦、三氧化二鈦等，導(dǎo)致鋼中有效鈦含量顯著減少。為了嚴(yán)格控制鋼中O含量，轉(zhuǎn)爐冶煉過程采用的是滑板自動擋渣新技術(shù)和頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉控制技術(shù)，可以顯著地減少鋼中的氧和降低出鋼過程的下渣量；出鋼過程使用Al脫氧，并對鋼渣進(jìn)行有效改質(zhì)，可以嚴(yán)格地控制渣的氧化性和鋼中氧含量，鋼中氧含量控制在0.002 0%以下。另外，在鋼包爐精煉過程中，要求鋼中的Al保持一定，使鈦和氧化鈦在鋼、渣中保持平衡，從而使鈦在鋼中獲得較高的收得率。

由鈦和鋁的熱力學(xué)公式計算結(jié)果可以得出，當(dāng)其它條件不變時，提高酸溶鋁含量，鋼中有效鈦明顯增多。因此，鋼中適量的酸溶鋁能夠防止鈦被大量氧化。與此同時，在鋼水澆注過程中，采取水口氬封、中間包充氬氣等保護(hù)性澆注措施[3]，也可避免二次氧化的發(fā)生。

（2）鋼中N含量的控制工藝

鋼中的鈦極易與碳、氮結(jié)合生成碳化鈦、氮化鈦和碳氮化鈦。通過熱力學(xué)計算可知，鋼中鈦與氮的結(jié)合力大于鈦與碳的結(jié)合力，因此鈦首先與氮反應(yīng)生成氮化鈦，余下的有效鈦才會與碳反應(yīng)生成碳化鈦，而最終對鋼的強度起強化作用的是碳化鈦。由于氮化鈦在鋼中的凝固溫度較高，鋼中氮化鈦粒子析出尺寸較大，在后續(xù)的加熱和軋制過程中難以消除，將會造成鋼的性能不穩(wěn)定。

為了消除氮化鈦對鋼性能的不利影響，可以采用加快澆注過程冷卻、嚴(yán)格防止過程增氮，防止和避免氮化鈦析出。為防止鋼中增氮，一般采取的措施有：采用頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐新技術(shù)，嚴(yán)格控制終點氮含量降至最低；在加入合金時，優(yōu)先考慮加入低氮含量或不含氮合金；鋼包爐精煉過程中，可以優(yōu)先考慮采取微正壓，以減少電離過程增氮，并采取大渣量埋弧操作的方式；澆注過程采用嚴(yán)格的保護(hù)性澆注等。

2.3.2 熱連軋工藝

對于含鈦、銅較高的微合金鋼來說，加熱制度是獲得優(yōu)良的組織和性能的前提條件。國內(nèi)外研究資料表明[4]：鋼中添加適量的銅可以顯著地提高鋼板的耐腐蝕性能。銅在攪拌罐用鋼中起到活化陰極，使陽極鈍化，減緩腐蝕速率的作用，即加快了Fe2+的氧化和鋼的溶解速度，促進(jìn)了γ–FeOOH在均勻銹層中的生成以及隨后向非晶態(tài)δ-FeOOH的轉(zhuǎn)化速度，生成表面均勻致密的保護(hù)膜，起到耐腐蝕的作用。

為了杜絕“銅脆”的發(fā)生，在加熱階段連鑄坯采用熱送熱裝，裝爐時嚴(yán)格檢查連鑄坯表面質(zhì)量。為了有效地減少連鑄坯表面龜裂所造成的成品卷邊裂缺陷，必須保證加熱爐內(nèi)的弱氧化性氣氛以及嚴(yán)格控制升溫速度，尤其是當(dāng)板坯加熱溫度達(dá)到銅熔點（1 083℃）時，需要提高升溫速度，增加煤氣量，減少高溫在爐時間，縮短銅在連鑄坯表面及晶界的集聚。另外，在鋼中添加適量的鈦元素，合理的加熱工藝是：在保證鋼中碳化鈦粒子充分溶解的同時，還要防止奧氏體晶粒過分長大，為后續(xù)軋制創(chuàng)造良好的條件。鋼中碳化鈦粒子的尺寸大小對精軋溫度、終軋溫度和層流冷卻工藝都比較敏感，精軋溫度、終軋溫度過低和卷取溫度較高都會使碳化鈦粒子尺寸變大，起不到析出強化作用。還有工藝制度的波動，也會造成鋼板不同批次之間或同一批次的鋼板不同部位之間力學(xué)性能的不穩(wěn)定。另外，鈦與鋼中的氮結(jié)合，降低了鋼板的時效性，保證在焊接過程中，有效地控制奧氏體的晶粒大小，防止魏氏組織的產(chǎn)生，對焊接也有較好的作用。

綜合考慮上述各因素的影響，軋制工藝制度定為：板坯出爐溫度1 180～1 250℃，板坯加熱時間150～210 min，精軋終軋溫度設(shè)定為870℃，卷取溫度設(shè)定為＜630℃。

3 檢驗結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能檢驗及分析

通過低成本碳-錳-銅-鈦化學(xué)成分設(shè)計，采用純凈鋼冶煉和控軋控冷工藝，獲得了優(yōu)良的攪拌罐用鋼性能，厚度為4.0～6.0 mm鋼板的力學(xué)性能見表3。由表3看出，下屈服強度達(dá)到430 MPa以上，抗拉強度達(dá)到540 MPa以上，斷后伸長率達(dá)到29.5%以上，達(dá)到了攪拌罐用鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 厚度為4.0～6.0 mm鋼板的力學(xué)性能

為了解同卷鋼板的各向異性情況，按頭、中和尾部分別取樣分析，4.0 mm和5.0 mm厚鋼板的同卷各項異性的檢驗結(jié)果見表4。

表4 4.0 mm和5.0 mm厚鋼板同卷各項異性的檢驗結(jié)果

分析表4的數(shù)據(jù)可見,同卷產(chǎn)品中部的屈服強度、抗拉強度數(shù)值略高于鋼板頭部、尾部數(shù)值，斷后伸長率數(shù)值略低于頭部、尾部數(shù)值，強度波動在30 MPa以內(nèi)，斷后伸長率波動在4%以內(nèi)。這與軋制工藝制度有關(guān)。由于該鋼種精軋終軋溫度高、卷取溫度低，精軋過程和層流冷卻強烈抑制了奧氏體中碳化鈦的長大。但由于卷取后，鋼卷中間的冷卻速率低于鋼卷頭部、尾部，實際上鋼卷中部碳化鈦粒子長大和析出更完全。因此，碳化鈦粒子在鋼板不同位置的析出時間和析出數(shù)量存在一定的差別，使得鋼板產(chǎn)生了同卷性能差。

3.2 金相組織、夾雜物檢驗及分析

在鋼板板寬的中心部位截取金相試樣，研磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液浸蝕，在實驗室光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織。圖1為4.0 mm厚汽車攪拌罐用鋼的金相組織照片。由圖1可以看出，該鋼種的金相組織由鐵素體加珠光體組成，珠光體百分含量為23%～26%，晶粒度為11.6級。

圖1 4.0 mm厚汽車攪拌罐用鋼金相組織照片（200倍）

圖2為夾雜物形貌，鋼中夾雜物大部分為球形。能譜分析結(jié)果表明，夾雜物中含有硫化鈣、硫化錳、三氧化二鋁、氧化亞鐵等。

圖2 4.0 mm汽車攪拌罐用鋼夾雜物形貌

分別對厚度規(guī)格為4.0 mm、6.0 mm鋼板進(jìn)行夾雜物分析，檢驗結(jié)果見表5。

分析表5的數(shù)據(jù)可見，4.0 mm鋼板的硫化物夾雜為0.5級，單顆粒球狀氧化物級別為0.5級;6.0 mm鋼板的夾雜物較少，鋼質(zhì)較純凈。兩種厚度鋼板的晶粒均較細(xì)，晶粒度為11.4～11.6，晶粒細(xì)化既提高了強度，也提高了塑性。

3.3 工藝性能檢驗及分析

取4.0 mm厚的鋼板進(jìn)行寬冷彎實驗。試樣寬度分別為35 mm和80 mm，寬冷彎試樣各4支，彎心直徑d=2.0a，彎曲角度為180°。試驗結(jié)果全部合格，壓靠至d=0，冷彎后肉眼觀察，冷彎試樣表面無裂紋，說明汽車攪拌罐用鋼具有優(yōu)良的工藝性能和冷成形性能。

4 應(yīng)用效果

520 MPa高強鋼的加工工藝流程為：裁剪→下料片→剪切→冷沖壓成形→二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接→組裝成形→涂漆→外發(fā)。替換原來的Q235普碳鋼，其中，4.0 mm厚的替換原5.0 mm厚的普碳鋼，主要生產(chǎn)汽車攪拌罐的葉片和罐體外殼；6.0 mm和5.0 mm厚的分別替換原來8.0 mm和6.0 mm厚的普碳鋼，主要生產(chǎn)汽車攪拌罐的后臺支架和前臺支架。實際使用效果表明，520 MPa汽車攪拌罐用鋼同卷各項異性小、強度高、韌性好，且耐磨性能優(yōu)良，減重比例達(dá)到15%。

5 結(jié)論

（1）本溪鋼鐵公司在設(shè)計汽車機(jī)械攪拌罐用鋼的化學(xué)成分時，采用了低成本的碳-錳-鈦-銅，嚴(yán)格控制鋼中氣體氮、氧和有害元素硫含量，并使鋼中的鈦以碳化鈦的形式存在，對鋼的強度起到了有效的作用。

（2）該鋼的合理軋制工藝制度是：板坯出爐溫度1 180～1 250℃，連鑄坯采用熱送熱裝，板坯加熱時間為150～210 min，精軋終軋溫度設(shè)定為870℃，卷取溫度設(shè)定為＜630℃。生產(chǎn)實踐證明，所研制的520 MPa高強汽車攪拌罐用鋼具有同卷各項異性小、強度高、韌性好的特點。

（3）采用520 MPa高強汽車攪拌罐用鋼替代Q235普碳鋼，攪拌罐整體減輕15%，降低了能源消耗，實現(xiàn)了綠色環(huán)保。