薄板坯連鑄連軋線生產(chǎn)冷軋基板的強(qiáng)度控制

1、薄板坯連鑄連軋線生產(chǎn)冷軋基板的強(qiáng)度控制史東日,呂長寶,耿立唐(唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司熱軋薄板廠,河北唐山063016摘要:為解決薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)的冷軋用鋼屈服強(qiáng)度較高問題,采用了鐵素體軋制工藝和加硼等措施,使SPHD 帶卷的平均屈服強(qiáng)度降至230MPa ,比用常規(guī)軋制工藝生產(chǎn)的熱軋板卷降低了61MPa 。關(guān)鍵詞:薄板坯連鑄邊軋;冷軋用帶鋼;屈服強(qiáng)度;鐵素體軋制中圖分類號(hào):TG 335155文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1003-9996(200602-0029-04Strength Control of Steel for Cold Rolling Produced by Thin Sl

2、abContinuous C asting and RollingSHI Dong 2ri ,L Chang 2bao ,GEN G Li 2tang(Tangshan Iron &Steel Group Co 1,Ltd 1,Tangshan 063016,China Abstract :In view of the high strength of steel for cold rolling which produced by thin slab continuous casting and rolling ,the ferrite rolling technology and the

3、measure of adding alloy element of B were applied 1The average yield strength of SPHD strip can be reduced to 230MPa 1K ey w ords :thin slab continuous casting and rolling ;steel strip for cold rolling ;yield strength ;ferrite rolling收稿日期:2005-08-19收修改稿日期:2005-10-19作者簡(jiǎn)介:史東日(1961-,男(漢族,河北灤南人,教授級(jí)高級(jí)工程師

4、,唐山鋼鐵股份有限公司副總經(jīng)理。1前言近幾年來,我國有8條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線相繼投產(chǎn),還有3條生產(chǎn)線在建。一些擁有薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線的企業(yè),已經(jīng)建成或正在建設(shè)配套的冷軋生產(chǎn)線,從而構(gòu)成完整的冷軋帶鋼生產(chǎn)流程。但是,薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)的熱軋板卷的屈服強(qiáng)度一般比常規(guī)熱連軋工藝生產(chǎn)的板卷高100MPa 以上,這給用作冷軋?jiān)蠋砩a(chǎn)上的困難。因此,國內(nèi)外有些薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)企業(yè)從冶金成分設(shè)計(jì)和熱軋工藝控制方面進(jìn)行調(diào)整,以降低冷軋料的屈服強(qiáng)度,目前已取得較好效果1。2004年唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司U TSP生產(chǎn)線開始生產(chǎn)供唐鋼冷軋薄板廠使用的冷軋?jiān)?SPHC 、SPHD ,初期也遇到了

5、冷軋?jiān)锨?qiáng)度過高問題。為此,開展了降低冷軋用料屈服強(qiáng)度的技術(shù)攻關(guān),目前已取得一定效果。2低碳帶鋼屈服強(qiáng)度分析珠江鋼鐵公司對(duì)其生產(chǎn)的121爐Z J 330熱軋薄板的屈服強(qiáng)度進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析得出,平均屈服強(qiáng)度為38716MPa ,與按式(1計(jì)算出的理論值387174MPa 很接近。s =0+g +d +p +ss (1式中,0為單晶純鐵的屈服強(qiáng)度,空冷時(shí)0=86124MPa ;g 為細(xì)晶強(qiáng)化值;d 為位錯(cuò)強(qiáng)化值;p 為沉淀強(qiáng)化值;ss 為固溶強(qiáng)化值。唐鋼對(duì)153卷SS330薄板的屈服強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),平均值為310MPa 。金相檢驗(yàn)表明,其晶粒尺寸為613712m ,取平均值6175m ,略大于Z

6、J 330的晶粒尺寸。按Hall 2Petch 公式計(jì)算,唐鋼SS330的晶粒細(xì)化q 為18317MPa 。SS330典型化學(xué)成分見表1,N 按1010-6計(jì)算,則固溶強(qiáng)化ss 為2018MPa 。利用透射電鏡觀察到SS330的微觀組織中,存在沿晶界析出的鏈條狀析出物(主要為Fe 3C ,線度約為300400nm 。按式(1,代入0、g 、ss ,得出SS330的沉淀強(qiáng)化與位錯(cuò)強(qiáng)化的效果共計(jì)為1912MPa 。因此,唐鋼生產(chǎn)的低碳鋼最主要強(qiáng)化機(jī)922006年4月第23卷第2期Apr.2006Vol 123No 12軋鋼STEEL ROLL IN G 制為細(xì)晶強(qiáng)化,其次為固溶強(qiáng)化,位錯(cuò)強(qiáng)化和沉淀

7、強(qiáng)化的效果較小。因此要降低與SS330化學(xué)成分、工藝制度相近的低碳冷軋用鋼的屈服強(qiáng)度,主要是要減弱細(xì)晶強(qiáng)化效果,同時(shí)輔以減弱固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化的效果。表1SS330和SPH D帶鋼的典型化學(xué)成分%類別C Mn Si S P N3降低冷軋基板屈服強(qiáng)度的措施311調(diào)整化學(xué)成分和熱軋工藝對(duì)冷軋用帶鋼中的C、Mn、Si含量作了調(diào)整,見表1。從表1可看出,SPHD鋼的C含量變化不大,Mn、Si含量變化較大,由此可使SPHD鋼的固溶強(qiáng)化作用降低約10MPa,對(duì)降低屈服強(qiáng)度的作用有限。但是,Mn含量越低,滲碳體析出越充分,越容易粗化;而且,低Mn含量還有利于提高晶粒長大速率,并可減少鋼中珠光體組織

8、,二者均有利于降低鋼的屈服強(qiáng)度。傳統(tǒng)熱連軋工藝采用的加熱溫度、終軋溫度、卷取溫度比薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線高很多,生產(chǎn)的冷軋用鋼屈服強(qiáng)度為200MPa左右。高的軋制溫度有利于促進(jìn)鋼的再結(jié)晶,從而降低變形儲(chǔ)存能的積累,減少變形帶,降低鐵素體相變的形核率。在7001000之間,終軋溫度每降低100,鐵素體晶粒直徑減小34m2。另外,高的卷取溫度一方面能提高鐵素體晶粒的長大速度,另一方面能延長鐵素體晶粒長大的時(shí)間,因此提高卷取溫度可以獲得更大的鐵素體晶粒。為此,唐鋼將SPHD帶鋼的熱軋工藝調(diào)整為:終軋溫度870910,卷取溫度670700。通過調(diào)整冶金成分和優(yōu)化熱軋工藝,冷軋用SPHD鋼的性能較與其成分

9、相近的SS330鋼有所改善。但屈服強(qiáng)度仍在29215MPa左右,與常規(guī)軋制工藝生產(chǎn)的熱軋板卷200MPa左右的屈服強(qiáng)度相比,強(qiáng)度指標(biāo)仍太高,難以適應(yīng)冷軋生產(chǎn)的要求。SPHD鋼的C、Mn、Si、P含量較低,固溶強(qiáng)化的效果已經(jīng)很有限。與SS330鋼860 890的終軋溫度和600640的卷取溫度相比,SPHD鋼的終軋溫度和卷取溫度提高的幅度不大,而且兩者的平均冷卻速率均較高,SS330為3141s-1,SPHD鋼為2434s-1。由文獻(xiàn)2可知,冷卻速率越高,冷卻速率對(duì)鐵素體晶粒尺寸的影響越小。因此,SPHD鋼的鐵素體晶粒尺寸雖比SS330鋼的略大,但也只有10m左右。由于唐鋼受設(shè)備和工藝條件的限制

10、,進(jìn)一步提高終軋溫度和卷取溫度的難度非常大。因此,必須開發(fā)新措施,才能更有效地降低屈服強(qiáng)度。312采用鐵素體軋制工藝鐵素體軋制工藝是指軋件在進(jìn)入精軋機(jī)前就完成的相變,使精軋過程完全在鐵素體范圍內(nèi)進(jìn)行。鐵素體軋制工藝解決了軋制薄規(guī)格帶材時(shí)難以保證在完全奧氏體狀態(tài)下軋制的難題,避免了兩相區(qū)軋制時(shí)流變應(yīng)力突變?cè)斐傻膯栴}。同時(shí)避免了兩相區(qū)軋制時(shí)引起的帶鋼力學(xué)性能不均勻和厚度波動(dòng)問題。研究表明,對(duì)于C含量小于0104%的鋼,在鐵素體溫度范圍(850750和奧氏體溫度范圍(1050860內(nèi)的軋制變形抗力幾乎相同,如圖1所示 。圖1低碳和超低碳鋼的變形抗力與變形溫度的關(guān)系1-低碳鋼;2-超低碳鋼在兩相區(qū),由

11、于鐵素體的層錯(cuò)能高,變形過程中容易發(fā)生交滑移,擴(kuò)散系數(shù)較大,動(dòng)態(tài)回復(fù)比奧氏體快,所以在相同的變形速率和溫度下,鐵素體比奧氏體的變形抗力低。雖然溫度降低會(huì)使變形抗力有所增加,但此時(shí)這一作用較鐵素體本身的特性影響弱。因此,兩相區(qū)的變形抗力隨溫度的降低而降低。當(dāng)相變結(jié)束,奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體后,隨著溫度的降低,變形機(jī)理發(fā)生變化,變形抗力隨之升高。采用鐵素體軋制工藝時(shí),必須首先確定生產(chǎn)條件下的A r3。因?yàn)椴捎描F素體軋制工藝,就是為了得到晶粒較大的鐵素體組織,從而降低屈服強(qiáng)度。如果變形溫度在A e3A r3之間,將發(fā)生3軋鋼2006年4月出版形變強(qiáng)化相變,不利于獲得粗大的鐵素體晶粒。影響A r 3的

12、因素主要是化學(xué)成分、奧氏體晶粒度、軋制溫度、變形量和冷卻速度等3。軋制過程中的A r 3溫度可由下式計(jì)算:A r 3(=910-310C -80Mn -20Cu -15Cr -55Ni -80Mo (2采用鐵素體軋制工藝可獲得較大的鐵素體晶粒組織,從而獲得較低的屈服強(qiáng)度。這是因?yàn)殇撛谶M(jìn)入精軋前溫度已低于A r 3,處于兩相區(qū),鋼中部分奧氏體已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。在兩相區(qū)鋼(0104%C 、0126%Mn 、0105%Si 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示,這是明顯的加工硬化型曲線。由于先析鐵素體在精軋過程中未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,粗大的先析鐵素體被變形拉長,終軋、高溫卷取時(shí),變形的鐵素體發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶,晶粒尺

13、寸有所細(xì)化。由于鐵在鐵素體區(qū)中的自擴(kuò)散系數(shù)比在奧氏體區(qū)中高一個(gè)數(shù)量級(jí),因此,在同一溫度下處于鐵素體狀態(tài)的晶粒長大要容易得多3;同時(shí),鐵素體組織長時(shí)間處于高溫狀態(tài),因此更有利于獲得較大尺寸的鐵素體晶粒。精軋過程中,鋼中的剩余奧氏體僅發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù),在終軋、卷取后,奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體。由于鋼中剩余奧氏體的晶粒尺寸粗大,因此相變后生成的鐵素體晶粒尺寸也較大,在高溫卷取后,鐵素體晶粒進(jìn)一步長大 。圖2實(shí)驗(yàn)鋼在兩相區(qū)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線變形溫度/:1-700;2-750;3-800;4-825試生產(chǎn)結(jié)果表明,采用鐵素體軋制工藝高溫卷取生產(chǎn)的SPHD 帶卷,屈服強(qiáng)度平均為230MPa ,抗拉強(qiáng)度

14、平均值為318MPa ,分別比常規(guī)奧氏體軋制工藝生產(chǎn)的同一批次的SPHD 帶卷低61MPa 和55MPa 。313添加硼國內(nèi)外電爐薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)熱軋薄板的實(shí)踐表明,加硼在一定條件下可使鋼的屈服強(qiáng)度降低。紐柯公司Berkeley 廠通過加入適量的硼來控制熱軋板卷的強(qiáng)度和硬度,對(duì)于低碳鋼(0102%01065%C ,力學(xué)性能控制在:s 為224MPa ,b 為315MPa ,為41%4。國內(nèi)某廠生產(chǎn)加硼冷軋用鋼的實(shí)驗(yàn)表明,該鋼經(jīng)室溫48h 時(shí)效后,s 為191220MPa ,平均值約204MPa ?？梢?加硼是降低冷軋用鋼屈服強(qiáng)度的一種有效手段。鋼中加硼對(duì)鐵素體形核有強(qiáng)烈的抑制作用,但它

15、對(duì)鐵素體長大并無影響。大量實(shí)驗(yàn)表明,硼通過偏聚在奧氏體晶界來阻礙鐵素體形核。對(duì)加硼超低碳鋼(01028%C 、1156%Mn 的研究表明,在700等溫5s 時(shí),硼已在奧氏體晶界產(chǎn)生明顯偏聚,硼偏聚的發(fā)生先于相變,它能推遲沿晶鐵素體的形成,同時(shí),鐵素體的長大不受硼在奧氏體中擴(kuò)散的控制;在低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中添加硼,細(xì)小的AlN 析出的量會(huì)因粗大的BN 的析出而減少,使鐵素體晶粒生長的性能有所提高5,6。因此,鋼中加硼有利于得到較粗大的鐵素體晶粒。另外,卷取溫度對(duì)加硼鋼的屈服強(qiáng)度影響不大6,所以,加硼鋼不需要采用很高的卷取溫度。冷軋用鋼加硼的技術(shù)關(guān)鍵是硼的合理添加和控制。因?yàn)榕鹪阡撝胁粌H可溶于Fe 形成

16、固溶體,同時(shí)還與Fe 、C 、N 、O 等元素形成Fe 2C 2B 型化合物和Fe 2O 2B 型化合物。這兩種化合物均稱為B 相,其中Fe 2C 2B 型化合物為脆性相復(fù)合化合物。由于B 偏聚在奧氏體晶界上,所以,B 相也主要沉淀在晶界上。B 相數(shù)量隨硼含量的提高而增加且粗化,成網(wǎng)狀分布,從而引發(fā)硼脆。硼的合理加入量,一般要根據(jù)鋼中N 的含量,使硼的加入量滿足剩余B =B -N 11/14=0的要求。這是目前解決B 相網(wǎng)狀沉淀的最有效措施。但是當(dāng)鋼中N 含量高時(shí),就不能依據(jù)上式計(jì)算硼的加入量,因?yàn)榕鸬募尤肓坑幸粋€(gè)最適宜的上限,當(dāng)硼的加入量超過這個(gè)上限時(shí),極易引發(fā)硼脆問題。此時(shí),可適當(dāng)加入Ti

17、 來固定部分N ;同時(shí),硼的加入量要滿足剩余B =B -N 11/14-Ti 必需/5=0的要求。唐鋼正在進(jìn)行SPHD 鋼加硼試驗(yàn)。在未對(duì)軋鋼工藝進(jìn)行調(diào)整的情況下,某次試驗(yàn)的結(jié)果是,13第23卷第2期史東日等:薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)冷軋基板的強(qiáng)度控制在線檢測(cè)無硼鋼的屈服強(qiáng)度為296MPa,加硼鋼為284MPa;加硼的冷軋用鋼經(jīng)室溫48h時(shí)效后,屈服強(qiáng)度為256MPa。4結(jié)論(1唐鋼生產(chǎn)的低碳鋼的主要強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化,其中,細(xì)晶強(qiáng)化是最主要的強(qiáng)化方式。(2調(diào)整冷軋用鋼的冶金成分,適當(dāng)降低C、Mn、Si含量,可以降低固溶強(qiáng)化效果,但是作用有限。(3采用較高的終軋溫度和卷

18、取溫度,可以降低細(xì)晶強(qiáng)化的效果。但是,在實(shí)際生產(chǎn)中,由于工藝和設(shè)備條件的限制,達(dá)不到常規(guī)熱連軋工藝生產(chǎn)的熱軋板卷強(qiáng)度水平。(4唐鋼采用鐵素體軋制工藝,冷軋用鋼的屈服強(qiáng)度已降至205MPa,因此鐵素體軋制工藝是薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)冷軋用鋼的一個(gè)很有價(jià)值的選擇。(5低碳鋼加硼可顯著降低相變時(shí)鐵系體的形核率,但對(duì)鐵素體晶粒的長大速率影響不大,有利于得到較粗大的鐵素體晶粒。參考文獻(xiàn):1狄麗華,明紹玉.在CSP線上開發(fā)冷軋用低碳鋼帶J.軋鋼,2005,22(5:9-11.2金茲伯格V B.板帶軋制工藝學(xué)M.北京:冶金工業(yè)出版社.1998.3王有銘,李曼云,韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻M.北京:冶金

19、工業(yè)出版社,1999.4王中丙.我國短流程薄板坯連鑄連軋工藝發(fā)展的若干問題J.鋼鐵,2002,37(8:71-73.5船川義正.Al對(duì)含B冷軋鋼板r值的影響J.世界鋼鐵,2003(3:34-38.6班必俊.提高連續(xù)退火生產(chǎn)的鋁鎮(zhèn)靜鋼性能均勻性措施的探討J.寶鋼技術(shù),2003,4:56-59.唐山恒通采用新的無頭軋制全自動(dòng)控制技術(shù)唐山恒通精密金屬有限公司一條二手串列式冷軋生產(chǎn)線(由3架四輥軋機(jī)和2架六輥軋機(jī)組成和一條連續(xù)式酸洗聯(lián)合作業(yè)線準(zhǔn)備進(jìn)行升級(jí)改造。該作業(yè)線設(shè)計(jì)年生產(chǎn)01250180mm8001220mm的酸洗和冷軋?zhí)间搸Ь?5萬t。改造將采用無頭軋制工藝,在連軋機(jī)入口處變換帶鋼斷面時(shí),可實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)快速實(shí)時(shí)設(shè)定控制。傳動(dòng)系統(tǒng)更換為新的采用4象限配置、可實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的交流/直流變換器(電機(jī)裝機(jī)容量:1#機(jī)架為3500kW,2# 5#機(jī)架分別為6000kW。另外,還增設(shè)了1臺(tái)具有工藝參數(shù)設(shè)定功能的二級(jí)服務(wù)器,配備有質(zhì)量控制系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型,軋制計(jì)劃、材料和生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)庫管理,帶卷數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計(jì)性能分析(對(duì)帶鋼進(jìn)行厚度和板形精度分級(jí)等系統(tǒng)。本次改造采用了達(dá)涅利自動(dòng)化公司開發(fā)的無頭軋制全自動(dòng)控制技術(shù),其HiPAC高性能自動(dòng)控制系統(tǒng)具有6個(gè)功能:(1厚度控制(HGC/A GC,包括前饋、反饋、質(zhì)量流量和先進(jìn)的干