電池殼用高精度極薄冷軋鋼帶開發(fā)生產(chǎn)實踐

王永勝，陳　普，侯元新，朱愛美，亓增艷

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 萊蕪271100）

1　前言

電池殼用鋼是一種高技術(shù)含量、高附加值、高品質(zhì)要求的精密冷軋鋼帶，其對材質(zhì)組織性能、尺寸精度、表面質(zhì)量要求嚴(yán)苛。中國目前已成為世界主要的電池生產(chǎn)基地之一，而電池殼用鋼長期以來被國外少數(shù)鋼企壟斷。雖然我國冷軋薄板產(chǎn)量快速增長，但電池殼用鋼仍不能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，這就決定了電池殼用高精度極薄冷軋鋼帶市場是一個亟待開發(fā)且具有極大發(fā)展空間的新興市場。隨著信息產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療、家電、輕工等各行業(yè)的飛速發(fā)展，我國對電池殼用高精度極薄冷軋鋼帶的需求量急驟上升。據(jù)預(yù)測，我國對電池殼用高精度極薄冷軋鋼帶的年總需求量280萬t以上，且年需求增長率達12%以上。

電池殼用冷軋鋼帶基于成形性能及安全考慮，不僅需要良好的沖壓性能，而且對表面質(zhì)量要求也非常高，生產(chǎn)難度很大。泰鋼產(chǎn)品開發(fā)前，由于未對六輥HC軋機進行輥系升級改造，采用二次軋制和二次退火工藝，雖然能達到產(chǎn)品極薄的目的，但加工成本居高不下；并且由于沒有經(jīng)過成分、組織的特殊控制，材料滲碳體變粗，容易產(chǎn)生拉絲狀缺陷及沖壓開裂，影響電池殼的外觀質(zhì)量和使用。為此，泰鋼結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量要求，采取系列優(yōu)化改進措施，開發(fā)出了厚度極薄、板形平直、表面光潔、尺寸精度高、沖壓性能優(yōu)良的電池殼用冷軋鋼帶。

2　產(chǎn)品要求

1）板面質(zhì)量要求：板面光潔，無劃傷、無夾雜、無油污、無氧化、無銹蝕、無氣孔及軋透現(xiàn)象，表面質(zhì)量達到高級精度（FC）要求。

2）尺寸精度要求：厚度均勻，厚度偏差0～-0.01 mm，寬度偏差～+2 mm。

3）板形要求：板形平整（不平度≤2 mm），無中浪、邊浪、肋浪等缺陷。

4）物理性能要求：屈服強度180～240 MPa，抗拉強度330～390 MPa，斷后伸長率≥35%，硬度50～60 HRB，沖壓無開裂。

3　產(chǎn)品開發(fā)情況

3.1　表面清潔度控制

3.1.1酸洗表面清潔度控制

1）加裝吹邊裝置。影響酸洗鋼帶表面質(zhì)量的重要因素是鋼帶邊部殘留的水分，未吹干造成鋼帶邊部帶水發(fā)黃。為此，在熱風(fēng)干燥裝置之前，設(shè)計并安裝了酸洗鋼帶吹邊裝置。與目前烘干酸洗鋼帶表面水分的裝置相比，酸洗鋼帶吹邊裝置帶有排放壓縮空氣水分的汽包，解決了吹掃用壓縮空氣帶水的問題。帶有壓縮空氣噴嘴的吹分管上、下對稱分布，壓縮空氣噴嘴與吹風(fēng)管、酸洗鋼帶之間的角度為45°，可有效吹干酸洗鋼帶上下表面邊部的水分。箱體分為上箱體和下箱體，并且在上箱體上表面兩側(cè)焊接2個吊裝環(huán)，如果出現(xiàn)壓縮空氣噴嘴堵塞或變形，可將吹風(fēng)管前的壓縮空氣閥門關(guān)閉，上箱體吊離后疏通或更換噴嘴。達到了吹邊效果好，維修更換方便的效果，解決了現(xiàn)有技術(shù)中因酸洗鋼帶邊部帶水導(dǎo)致的鋼帶發(fā)黃和銹蝕難題，提高了酸洗鋼帶表面質(zhì)量。

2）制作表面擠干輥。為解決因酸洗機組上、下兩個擠干輥機架分離造成的酸洗鋼帶跑偏蹭傷鋼帶邊部的問題和因酸液、漂洗水?dāng)D不干造成酸洗鋼帶表面發(fā)烏、發(fā)黃等問題，設(shè)計制作了便于更換和防止鋼帶跑偏的酸洗鋼帶表面擠干輥。與目前的酸洗鋼帶擠干裝置相比，上、下擠干輥軸承座設(shè)置在U型鋼結(jié)構(gòu)機架內(nèi)，與U型機架間隙配合，解決了目前因上、下兩個擠干輥機架分離造成的酸洗鋼帶跑偏蹭傷鋼帶邊部的問題；氣缸設(shè)置在上擠干輥軸承座的上方，提高了擠干效果，提高了酸洗鋼帶表面質(zhì)量。

3.1.2軋制表面清潔度控制

鋼帶板面殘留物主要來自軋制過程中軋輥與鋼帶磨損產(chǎn)生的鐵粉及微粒。這些鐵粉及微粒增大了板面的吸附面積，吸附大量的軋制油或其他殘油，退火將影響鋼帶的表面質(zhì)量。在乳化液殘留控制方面采取了以下措施：

1）對乳化液的磁棒過濾系統(tǒng)進行升級改造，由目前的人工運行磁棒改造為全自動定時運行，提高了乳化液清潔度，減少了乳化液雜油含量。

2）改進氣刀吹掃效果，在氣刀的兩端增加邊部吹掃噴嘴，避免鋼帶邊部殘留的乳化液在卷取過程中滲入板面。在軋機機前、機后各增加一排氣刀，進一步提高了乳化液攔截效果。

3）調(diào)整壓下規(guī)程和工作輥彎輥量，提高軋后產(chǎn)品的板形質(zhì)量，減少浪形區(qū)域乳化液殘留。

4）定期清洗軋制牌坊，杜絕牌坊內(nèi)異物落到鋼板上影響板面清潔度。

通過以上措施，提高了乳化液清潔度，達到了軋制后鋼帶光潔的效果。

3.1.3退火表面清潔度控制

根據(jù)氫氣退火過程中保護氣體成分隨時間和溫度的變化曲線，在加熱階段即300～500℃時，保護氣體中乳液煙氣含量迅速增加，該溫度為乳化液蒸發(fā)階段。為此在420℃設(shè)置2 h的排煙平臺，氫氣大流量吹掃，保證殘余乳化液有效揮發(fā)，既節(jié)約不必要的消耗，也滿足工藝需求。優(yōu)化吹氫工藝后，退火出爐鋼卷更加光亮，氧化色和碳化邊消失，鋼帶表面清潔度大幅提升。

3.2　板形質(zhì)量控制

為了找到板形缺陷形成的原因，從人、機、料、法、環(huán)等方面對板形缺陷形成的原因進行了全面分析，共找出了人員操作水平不高、乳化液壓力流量小、中間輥橫移不到位、彎輥波動大、一次軋制板形不良、軋輥熱膨脹不均、軋制壓力大、軋輥過鋼量偏大等8方面的原因。通過逐項確認(rèn)，共確認(rèn)了彎輥力波動大、軋制壓力大、軋輥熱膨脹不均、軋輥過鋼量大等4方面的主要原因，采取了對應(yīng)解決措施，鋼帶板形質(zhì)量明顯提升。

3.2.1減小彎輥力波動

對液壓油品進行化驗，對超標(biāo)的大顆粒物質(zhì)通過濾油機進行過濾，油品精度達到6級以下。根據(jù)油品精度調(diào)整濾芯，保證彎輥站油品精度。針對伺服閥零點存在的偏差問題，利用換輥時間對伺服閥線圈電阻進行測量，對電阻值超標(biāo)的進行調(diào)整。

通過采取以上措施，液壓油的油品精度由7～8級下降到5級，伺服閥線圈電阻偏差控制在了（1 000±100）Ω，彎輥力波動值控制在了±5 kN，從而減少了因彎輥力波動大引起的板形缺陷。

3.2.2提高軋輥熱膨脹均勻性

針對換輥后生產(chǎn)的前3件鋼卷的板形情況，通過優(yōu)化軋制速度（＜400 m/min），調(diào)整預(yù)熱時間（＞25 min），軋輥達到了均勻熱膨脹的效果，提高了板形質(zhì)量。

3.2.3優(yōu)化軋制工藝參數(shù)

生產(chǎn)電池殼用極薄冷軋鋼帶時采用硬度≥93 HSD的工作輥進行軋制，乳化液濃度由軋制常規(guī)產(chǎn)品的1.0%～2.0%優(yōu)化到1.8%～2.5%。改進后軋制壓力由原來的7 800 kN以上降低到6 000 kN以下，板形質(zhì)量也得到了明顯提高。

3.2.4保證軋輥的輥型精度

950軋機軋制電池殼用極薄鋼帶時，工作輥過鋼量由原來的80 t優(yōu)化到60 t以內(nèi)，中間輥的過鋼量由原來的120 t優(yōu)化到100 t以內(nèi)，并根據(jù)板形及板面質(zhì)量隨時換輥。支撐輥輥面凹坑尺寸≯50 mm，凹坑數(shù)量不超過3個，以保證軋輥的輥型精度。

3.3　軋機輥系升級改造

泰鋼原料材質(zhì)偏硬，軋機工作輥直徑較大（280～310 mm），造成一軋程軋制極薄鋼帶困難，出現(xiàn)軋制力偏高和軋不到目標(biāo)厚度的問題。生產(chǎn)電池殼用極薄冷軋鋼帶時需經(jīng)過中間退火，采用兩個軋程才能軋到目標(biāo)厚度，軋制極薄冷軋鋼帶需8個軋制道次，每增加一個軋制道次，軋制油、輥耗、電耗等軋制加工成本相應(yīng)增加，大量輥徑達到報廢直徑（280 mm）的工作輥只能報廢。鋼卷中間退火時消耗大量的能源介質(zhì)，并且鋼卷在軋機和退火之間倒運也造成電能的消耗，導(dǎo)致二軋程極薄冷軋鋼帶加工成本居高不下，既影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高，又影響了生產(chǎn)成本的降低。為此對軋機設(shè)備進行改造。

1）對軋機的輥徑、軸承座進行設(shè)計，減小工作輥的輥徑，增大中間輥的輥徑，減小工作輥鑲塊的高度，增大中間輥鑲塊的高度。采用小輥徑軋輥進行軋制，達到了一軋程生產(chǎn)0.15～0.2 mm極薄鋼帶、廢舊軋輥再利用的目的。

2）提高乳化液流量。乳化液噴射梁管徑由DN50 mm調(diào)整為DN80 mm，采用4903新型噴嘴，由電加熱優(yōu)化為蒸汽加熱，提高了工藝潤滑效果，從而提高了產(chǎn)品的板面質(zhì)量，板形不平度≤2 mm。

3）對軋機控制系統(tǒng)升級改造，AGC控制系統(tǒng)由計算機控制升級為西門子FM458模塊控制，測厚儀通訊方式由BCD碼升級為以太網(wǎng)，保證軋機運行平穩(wěn)，保證了產(chǎn)品的厚度精度（0～-0.01 mm）。

4）對軸頭抱緊裝置進行相應(yīng)改造，更換為抱緊鑲塊及弧形套。

改造后軋制道次平均減少兩個道次，省去了中間退火過程，降低了軋機加工成本，重量為8 t的每個鋼卷少切帶頭帶尾0.2 t，月節(jié)省電費10.58萬元，產(chǎn)品的厚度精度控制在了-0.01～0 mm。

3.4　退火工藝優(yōu)化試驗

較低的升溫速度可以保證罩式退火爐中鋼卷溫度的均勻性，在一定程度上可以提高產(chǎn)品的沖壓性能。利用發(fā)明專利技術(shù)（一種極薄搪瓷用冷軋鋼帶生產(chǎn)方法），在退火升溫過程中，全速升溫至420℃時，設(shè)置2 h保溫平臺，此后按30℃/h速率控制升溫。同時保溫結(jié)束后悶罩2 h，以保證產(chǎn)品良好的沖壓性能。

3.4.1退火溫度對帶鋼組織硬度的影響

對冷硬板在1/4處取金相試樣，選取6個溫度（440、480、520、560、600、640 ℃）、4 h保溫時間對試樣進行退火處理。當(dāng)溫度升高到560℃時，發(fā)現(xiàn)晶粒大小不一，此時是大晶粒吞并小晶粒的長大過程；到600℃時晶粒長大的過程基本結(jié)束，此時晶粒大小較為均勻，晶界基本都為大角度晶界，三晶粒界面間彼此之間的角度約為120°，形成的晶粒較為穩(wěn)定；當(dāng)溫度升高到640℃時，晶粒與600℃時無明顯變化。

測量各溫度下退火處理金相試樣的維氏硬度，7組數(shù)據(jù)除去最大最小值后取平均值，結(jié)果見表1。

表1　退火溫度對冷硬板試樣硬度的影響

由表1可知，SPCC極薄鋼板在480℃到520℃階段硬度下降明顯，下降幅度達50%左右，說明材料在此階段發(fā)生再結(jié)晶。600℃和640℃退火處理后材料的晶粒度等級符合沖壓用要求，選取600℃和640℃退火溫度繼續(xù)進行試驗探討。

3.4.2保溫時間對帶鋼組織硬度的影響

退火溫度為600℃、640℃，退火保溫時間分別為0、10、30、60、120、240 min，鋼帶試樣的晶粒度及硬度見表2。

表2　退火保溫時間對冷硬板試樣晶粒度及硬度的影響

金相分析可知，隨著保溫時間的延長，試樣的晶粒度變小，晶粒尺寸稍微增加，試樣硬度變化平緩。退火溫度640℃時，晶粒度從9.87級下降到8.75級，硬度從95.43 HV緩慢下降到86.85 HV。

另外，力學(xué)性能檢測發(fā)現(xiàn)，SPCC極薄鋼板經(jīng)過600℃、640℃退火后，隨著退火溫度的升高，屈服強度、抗拉強度逐漸降低，屈強比呈現(xiàn)降低的趨勢。

3.5　平整工藝優(yōu)化

在平整工序，采用延伸率閉環(huán)控制，消除了再結(jié)晶退火后鋼帶存在的屈服平臺，進一步改善了鋼帶的板形及平直度，提高了產(chǎn)品的厚度精度，并獲得了良好的物理性能和表面光潔度。通常在小變形量范圍內(nèi)進行鋼帶的平整，將屈服極限降低到最小值，同時屈服平臺消失。隨著平整延伸率的增大，屈服極限得到了提高。在屈服平臺消失的同時也消除了滑移線。對于厚度為0.15～0.2 mm的電池殼用極薄冷軋鋼帶，軋制力控制在1 600～1 700 kN時，消除了屈服平臺。平整工藝參數(shù)見表3。

表3　平整工藝參數(shù)

4　產(chǎn)品實物質(zhì)量分析

根據(jù)退火工藝試驗數(shù)據(jù)，確定了工業(yè)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，保證了生產(chǎn)的順行，每月生產(chǎn)電池殼用高精度極薄冷軋鋼帶1 500 t以上，達到了批量化生產(chǎn)。產(chǎn)品物理性能檢驗表明，屈服強度180～240 MPa，抗拉強度330～390 MPa，斷后伸長率≥35%，沖壓無開裂。厚度偏差-0.01～0 mm，寬度偏差0～+2 mm，不平度≤2 mm，表面質(zhì)量達到了一等品要求。產(chǎn)品經(jīng)蕪湖聚源金屬制品有限公司、昆山眾一超金屬材料有限公司、蕪湖德瑞金屬材料科技有限公司等客戶使用反饋，泰鋼開發(fā)的電池殼用高精度極薄冷軋鋼帶與傳統(tǒng)的極薄冷軋鋼帶相比，具有厚度極薄、尺寸精度高、板形平直、表面光亮均勻一致、屈強比低，性能均勻、沖壓性能優(yōu)良的特點，廣泛應(yīng)用于電池殼、通信電纜、電視彩管、碳膜電阻等電子基礎(chǔ)元件的制作。

5　結(jié)　語

通過分析六輥HC軋機的輥系結(jié)構(gòu)，并對軋機輥系、乳化液系統(tǒng)等進行升級改造，對退火及平整工藝參數(shù)進行優(yōu)化，確定了在六輥HC可逆軋機、全氫罩式退火爐和四輥平整機生產(chǎn)線生產(chǎn)電池殼用高精度極薄冷軋鋼帶的工藝技術(shù)，解決了電池殼用極薄冷軋鋼帶存在的板形差等方面的技術(shù)難題，滿足了客戶對高精度極薄冷軋鋼帶的質(zhì)量要求。