高強(qiáng)度大梁鋼板形改善實(shí)踐

潘騰 趙松 楊才舉

河鋼集團(tuán)邯鋼邯寶熱軋廠 河北 邯鄲 056003

引言

2020年12月16 日召開(kāi)的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議，首次將碳達(dá)峰、碳中和列入新一年的工作任務(wù)。汽車(chē)工業(yè)也要繼續(xù)圍繞節(jié)能減排的目標(biāo)開(kāi)拓發(fā)展，汽車(chē)減重是最有力的減排方法。汽車(chē)大梁鋼是商用車(chē)的重要部件，幾乎承載了車(chē)輛及貨物的全部重量。汽車(chē)大梁鋼板厚度分別減少0.05mm、0.10mm、0.15mm，車(chē)身就能減重6%、12%、18%，而增加鋼板強(qiáng)度是減小板厚的重要途徑[1]。河鋼邯鋼邯寶熱軋廠擁有世界一流的設(shè)備和工藝，年設(shè)計(jì)產(chǎn)能460萬(wàn)噸；可生產(chǎn)船板鋼、容器鋼、車(chē)輪鋼、大梁鋼等高端品種。自投產(chǎn)以來(lái)，一直致力于汽車(chē)大梁鋼的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，已經(jīng)陸續(xù)開(kāi)發(fā)420L、510L、610L和700L，其中700L年產(chǎn)量已達(dá)到19萬(wàn)噸，熱軋700L大梁鋼成為邯鋼的拳頭產(chǎn)品。高強(qiáng)度汽車(chē)大梁鋼作為汽車(chē)用鋼的一種重要金屬材料，不僅強(qiáng)度級(jí)別高，而且具有優(yōu)良的塑性和焊接性能，以滿足汽車(chē)大梁加工過(guò)程和使用過(guò)程的高級(jí)別要求[2]。高強(qiáng)度大梁鋼市場(chǎng)廣闊、產(chǎn)品需求量大、產(chǎn)品利潤(rùn)高，但因板形問(wèn)題造成的質(zhì)量異議較多，由此大量的質(zhì)量損失、市場(chǎng)抱怨，以及給進(jìn)一步拓展高端市場(chǎng)帶來(lái)困難。因此對(duì)700L高強(qiáng)度大梁鋼板形的研究和改善，是進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)開(kāi)拓的頭等問(wèn)題。

1 板形問(wèn)題

狹義上的板形就是指板帶的平直度，表觀現(xiàn)象為單邊浪、雙邊浪、中間浪以及鐮刀彎，不同的浪形表現(xiàn)都跟軋制和冷卻過(guò)程息息相關(guān)，產(chǎn)生板形問(wèn)題的主要原因?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程中板帶存在殘余應(yīng)力。而廣義上的板形，不僅指平直度，還包括板帶的凸度、楔形等。根據(jù)市場(chǎng)反饋以及加工方式和用途不同，700L的板形問(wèn)題主要為以下兩個(gè)方面：

1.1 軋制厚度為5、6mm的邊浪問(wèn)題

一般寬度為1500mm的此類(lèi)厚度鋼卷，先開(kāi)平切割為13m長(zhǎng)的定尺鋼板，再縱向切割為450mm左右寬的等寬鋼板，作為掛車(chē)大梁的立板，嚴(yán)重的邊浪問(wèn)題造成立板焊縫對(duì)不上，焊接困難，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生2/3的廢品。邊浪問(wèn)題在鋼卷開(kāi)平后肉眼可見(jiàn)，通常在開(kāi)平后就可判斷能否進(jìn)一步加工使用，嚴(yán)重的邊浪問(wèn)題如圖1所示。

圖1 700L邊浪問(wèn)題

1.2 軋制厚度≥8mm的側(cè)彎問(wèn)題

此厚度范圍的700L鋼卷，在縱剪機(jī)組切割為140mm左右的窄條，最外側(cè)兩條因鐮刀彎嚴(yán)重，也存在焊縫不能對(duì)齊的問(wèn)題。通常厚規(guī)格側(cè)彎問(wèn)題在鋼卷生產(chǎn)過(guò)程中很難發(fā)現(xiàn)，只有切條后才能顯現(xiàn)出來(lái)。側(cè)彎問(wèn)題嚴(yán)重影響產(chǎn)品包裝和下一步加工使用。一般縱切鋼板每?jī)啥獍b在一起，如圖2所示，側(cè)彎嚴(yán)重的鋼板兩頭或中間無(wú)法對(duì)齊，間隙量最大可達(dá)到50mm。

圖2 700L側(cè)彎問(wèn)題

1.3 影響板形的關(guān)鍵因素

影響板形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有三個(gè)：精軋機(jī)軋制過(guò)程、層流冷卻冷卻過(guò)程、庫(kù)內(nèi)冷卻冷卻過(guò)程。

1.3.1 軋制過(guò)程。邯寶熱軋廠有2座粗軋機(jī)和1套七機(jī)架精軋連軋機(jī)組，每個(gè)軋機(jī)的軋制狀態(tài)都會(huì)直接影響成品板形狀態(tài)；精軋機(jī)作為板形控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，擁有竄輥和彎輥兩個(gè)重要的板形控制調(diào)節(jié)手段，用且擁有高精度的板形預(yù)設(shè)和反饋調(diào)整能力。精軋機(jī)組各機(jī)架的竄輥位置和彎輥力大小直接影響板帶的平直度，因此，精軋機(jī)軋制過(guò)程是影響板形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.3.2 層流冷卻過(guò)程。板帶鋼在精軋機(jī)軋制完畢后，還要經(jīng)過(guò)一個(gè)關(guān)鍵的冷卻環(huán)節(jié)。就是在精軋機(jī)和卷取機(jī)之間的層流冷卻。邯鋼邯寶熱軋廠有22組噴淋，包括20組粗調(diào)和2組精調(diào)。層流冷卻的作用就是將板帶從終軋溫度冷卻至卷取溫度，在冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生晶粒和組織變化，最終影響成品的機(jī)械性能合力學(xué)性能。層流冷卻的控制目標(biāo)是根據(jù)實(shí)測(cè)的板帶終軋出口溫度、速度、厚度和工藝所確定的冷卻速度曲線的要求確定相應(yīng)的噴水區(qū)長(zhǎng)度（閥門(mén)開(kāi)啟個(gè)數(shù)）和噴水模式，使卷取溫度盡可能地接近工藝所要求的目標(biāo)卷取溫度[3]。不同的終軋溫度和卷取溫度直接影響層流冷卻的冷卻速率，進(jìn)而影響板形控制。

1.3.3 庫(kù)內(nèi)冷卻過(guò)程。成品鋼卷下線后溫度為600℃左右，在庫(kù)內(nèi)自然空冷至常溫，溫降達(dá)到550℃以上。由于帶卷內(nèi)外冷卻程度不一，形成了一定的溫差，從而會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱應(yīng)力，當(dāng)鋼卷內(nèi)部產(chǎn)生的切向壓應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，會(huì)使相應(yīng)層的板帶發(fā)生屈曲變形；若熱應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限，變形將不可恢復(fù)，這樣就破壞了已軋制好的板帶，進(jìn)而產(chǎn)生板形問(wèn)題[4]。

2 改進(jìn)措施

2.1 精軋機(jī)微中浪軋制

常規(guī)熱軋板帶鋼均以平直度達(dá)到0 I-U為目標(biāo)，即軋機(jī)出口板帶平直無(wú)翹曲，但在冷卻過(guò)程中由于邊部組織變化，產(chǎn)生了邊浪問(wèn)題。為了改善此問(wèn)題，精軋機(jī)出口的板帶頭尾保持微中浪，中間部分保持平直。此策略可通過(guò)修改目標(biāo)平直度數(shù)值以及手動(dòng)調(diào)整彎輥、竄輥來(lái)實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)平直度范圍：-3~-7 I-U，目標(biāo)值從0修改為負(fù)值，軋制模型會(huì)自動(dòng)計(jì)算出合適的竄輥位置和彎輥力，每個(gè)機(jī)架出口的凸度和板形也會(huì)發(fā)生變化，精軋機(jī)出口的中浪會(huì)向著-3~7 I-U自學(xué)習(xí)和自調(diào)整。根據(jù)平直度曲線以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際板形來(lái)判斷板形是否符合要求，平直度曲線測(cè)量的浪形范圍：5~-30 I-U為最佳，操作員會(huì)根據(jù)平直度曲線來(lái)實(shí)時(shí)干預(yù)，確保其命中。不同溫度下的板形表現(xiàn)會(huì)有差異，卷取機(jī)入口的板形基本能代表成品板形，因此，卷取入口帶鋼頭尾均有可見(jiàn)中浪、帶中無(wú)邊浪為最佳狀態(tài)。

2.2 層流冷卻工藝優(yōu)化

層流冷卻控制的輸入信息為終軋溫度、卷取溫度、帶鋼速度、層冷水溫以及材料導(dǎo)熱特性，冷卻模型根據(jù)上述信息進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作命令，最終使帶鋼達(dá)到設(shè)定的卷取溫度。在軋制溫度一定的情況下。軋制速度又取決于終軋溫度的設(shè)定；層冷水溫的也只在3℃左右波動(dòng)；同一個(gè)鋼種的材料導(dǎo)熱特性相同；因此，合理設(shè)定終軋溫度和卷取溫度目標(biāo)值是發(fā)揮層流冷卻工藝最直接和最有效的辦法。

以厚度為5/6mm的700L為例，原設(shè)計(jì)終軋溫度為880℃，卷取溫度為610℃，層冷溫降為270℃，層流冷卻水的開(kāi)啟組數(shù)達(dá)到8-9組，冷速和冷卻強(qiáng)度較大，板形不良。攻關(guān)期間，嘗試使用終軋溫度為860℃，卷取溫度為630℃的工藝策略，層冷溫降減小至230℃，層冷水開(kāi)啟組數(shù)為5-6組。根據(jù)后工序檢查板形情況來(lái)看，邊浪問(wèn)題有所改善，但性能偏低，最終確定為折中的工藝，終軋溫度860℃，卷取溫度610℃，既降低了冷卻強(qiáng)度，又在一定程度上改善了板形控制。

2.3 層冷側(cè)噴改造

改進(jìn)前的層冷末端為單側(cè)兩個(gè)側(cè)噴水吹掃，造成帶鋼單側(cè)瞬時(shí)冷卻速度增加，進(jìn)而影響帶鋼斷面的冷卻均勻性，給板形控制帶來(lái)較大的影響。為此，將兩個(gè)單側(cè)的側(cè)噴水改造為縱向的橫噴水，如圖3所示，管道安裝在距離輥道上方1.5米的位置，安裝4個(gè)45度噴射角度的噴嘴，吹掃效果良好，避免了溫降不均勻造成的板形問(wèn)題。

圖3 層冷側(cè)噴水改造實(shí)景

2.4 庫(kù)內(nèi)緩冷

鋼廠的成品庫(kù)為了有效快速地冷卻鋼卷，會(huì)在廠房頂部設(shè)計(jì)通風(fēng)裝置，地面也安裝大量的冷卻風(fēng)機(jī)，來(lái)達(dá)到快速降溫的目的。但對(duì)于高強(qiáng)大梁鋼700L來(lái)說(shuō)，鋼卷的快速冷卻，尤其是邊部的快速冷卻會(huì)造成晶粒組織與中間部分存在差距，進(jìn)而產(chǎn)生板形問(wèn)題。

為了減小鋼卷在成品庫(kù)內(nèi)的冷卻速率，在成品庫(kù)建造擋風(fēng)墻，用于700L緩冷。如圖4所示，擋風(fēng)墻使用鋼結(jié)構(gòu)做支撐，四周鋪設(shè)耐火棉，起到阻止鋼卷熱量水平方向擴(kuò)散的作用。擋風(fēng)墻內(nèi)單層放置80個(gè)鋼卷托盤(pán)，雙層可存放152個(gè)鋼卷，鋼卷批量生產(chǎn)和集中堆放，可以起到良好的“保溫緩冷”功能。緩冷時(shí)間48小時(shí)，有效減小成品鋼卷邊部的冷卻速率。

圖4 庫(kù)內(nèi)緩冷擋風(fēng)墻內(nèi)景

2.5 其他措施

此外，從精軋機(jī)架間冷卻水投用數(shù)量和水量測(cè)試、層流冷卻上下水比調(diào)整等方面做了大量的試驗(yàn)，進(jìn)一步研究和改進(jìn)700L板形控制。針對(duì)縱切備料厚規(guī)格，投用邊部加熱器生產(chǎn)，改善精軋出口斷面溫度均勻性，將層流冷卻上下水比優(yōu)化為1:1.2，層流冷卻使用間隔冷卻等，改善了縱切側(cè)彎程度，實(shí)際側(cè)彎量在20mm以下。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)目標(biāo)平直度范圍-3至-7 I-U控制，輔助手動(dòng)干預(yù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)微中浪軋制，杜絕軋制產(chǎn)生邊浪缺陷。確定700L的終軋溫度860℃，卷取溫度610℃，既降低了冷卻強(qiáng)度，又改善了層流冷卻過(guò)程的板形控制。將層流冷卻末端兩個(gè)單側(cè)的側(cè)噴水改造為縱向的橫噴水，避免了溫降不均勻造成的板形問(wèn)題。成品鋼卷在擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷48小時(shí)，減小鋼卷，尤其是邊部的冷卻速率，避免邊部冷卻速度過(guò)快造成的邊浪問(wèn)題。

通過(guò)采用以下措施，邯鋼邯寶熱軋廠在700L板形改善方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，厚度為5/6mm的邊浪問(wèn)題發(fā)生率迅速下降，厚度為8mm以上的側(cè)彎寬度減小40%以上，板形質(zhì)量異議僅同比降低了60%，為降低質(zhì)量損失以及開(kāi)拓市場(chǎng)做出了突出的貢獻(xiàn)。