370 MPa級低碳方案冷軋碳素結構鋼帶工藝優化

葛樹海， 趙小龍， 王 強

（甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司， 甘肅 嘉峪關 735100）

冷軋碳素結構鋼，具有較好的抗腐蝕性能和力學加工性能，生產成本低、表面美觀的特點，廣泛應用在汽車零部件制造、機電工業和建筑業等[1-2]。隨著國民工業體系輕量化、高強化的發展，市場對冷軋碳素結構鋼產品的需求和要求越來越高。酒鋼生產冷軋結構碳素鋼采用低碳方案，并嚴格控制成分中硫、磷等有害元素，鋼質純凈、加工性能優良，尺寸精度高，實物質量水平達到國內主流鋼廠產品水平。但是隨著原材料價格不斷上漲，有必要對該系列產品的成分和工藝進行優化調整，以降低成本。本文對370 MPa級冷軋碳素結構鋼做了些工藝優化試驗，取得了一些結果。

1 工藝優化試驗

抗拉強度為370 MPa級的冷軋碳素結構鋼，代表牌號有德標的St37-2G，以及國標的Q235。國內許多鋼廠成分設計采用0.10%～0.20%左右的C再配合微合金Mn來實現。甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司（以下簡稱酒鋼）冷軋原料為CSP產線供給，在制定該級別鋼種技術條件時，結合自身工藝特點，采用低碳工藝方案進行設計。其設計思路和方案是在低碳鋼的基礎上，通過添加Mn、Si合金固溶強化來實現強度達標，其碳質量分數控制范圍為0.05%～0.07%。此次工藝調整優化，重點保證該產品力學性能穩定的同時，降低合金成本，也就是把Mn成分降下來。對于碳素結構鋼來說，除了Mn之外，C、P、Si都是強化元素。酒鋼采用CSP工藝生產冷軋原料，所以C含量不易再高，否則進入包晶區，給生產控制帶來較大困難；增加P能提高鋼的強度，但P降低鋼的韌性提高冷脆性，適合于超低碳鋼；加入Si也能提高鋼的強度，但是容易在鋼中形成非金屬夾雜物，考慮到目前Si控制范圍較低，計劃適度提高Si含量，以彌補降Mn之后提升強化效果。酒鋼目前370 MPa級的冷軋碳素結構鋼產品力學性能穩定，存在一定富余量，因此具備合金優化試驗的條件。

1.1 合金成分優化

酒鋼在生產370 MPa級的冷軋碳素結構鋼，在精煉爐處理時，加入低碳錳鐵進行錳合金化。此次試驗，重點進行降錳增硅，將鋼中Mn成分降下來，把Si成分提高，其他成分維持不變，在滿足力學性能達標的基礎上，使得合金成本得到大幅度降低。表1為成分設計優化方案。

表1 成分設計優化 %

根據優化成分，采用價格較低硅錳合金代替價格較高的低碳錳鐵進行合金化。加入硅錳合金首先保證鋼中錳含量達標，不足的硅成分通過加入價格更低硅鐵補齊。

1.2 熱軋工藝優化

370 MPa級的冷軋碳素結構鋼熱軋工藝采用的是1 140℃加熱溫度、890℃終軋及610℃低溫卷取。較高的加熱溫度有利于鑄坯中第二相粒子溶解，終軋溫度略高于Ar3和終軋后立即快速冷卻，可獲得均勻的鐵素體晶粒，并使Si、Mn充分固溶在鐵素體中，產生較好的強化效果。在冷卻模式上，本次配合成分優化，做了略微調整，由原來前段集中快速冷卻，變成后段分散冷卻。后段分散冷卻，可使組織中獲得彌散分布的珠光體，提高抗拉強度。表2為熱軋工藝及冷卻模式。

表2 熱軋工藝及優化的冷卻模式

1.3 冷軋工藝優化

冷軋工藝對帶鋼性能的影響主要體現在冷軋壓下率、退火制度和平整延伸率等。此次優化試驗，冷軋及罩式爐退火工藝不進行調整，罩式爐退火維持580℃/620℃冷熱點工藝設置。

2 試驗結果分析

2.1 優化試驗成分分析

根據成分優化試驗方案，現場試驗2爐鋼，得到試驗鋼的成分和隨機抽取的原工藝的鋼種成分如表3所示。試驗工藝1、試驗工藝2均達到表1所要求的范圍。經過實際測算，精煉環節采用硅錳合金和硅鐵代替低碳錳鐵后，整體合金成本噸鋼降低約75.3元。

表3 優化試驗與原工藝成分 %

2.2 熱軋組織性能分析

熱軋軋制時采用52 mm薄板坯，連軋后成品厚度為5.5 mm。優化試驗采用后段分散冷卻模式。表4為同規格熱軋中間產品力學性能。采用優化試驗，熱軋中間產品的屈服強度和抗拉強度略有上升，屈強比有了明顯增加。圖1為熱軋中間產品組織金相照片。從圖1可以看出，熱軋中間產品微觀組織均為鐵素體+少量珠光體（灰色為鐵素體，亮色為珠光體）。無論是原工藝，還是優化試驗工藝1、2熱軋中間產品，其微觀組織晶粒均較細，約為8～15 μm左右，沿寬度方向均勻，晶粒度評級約為9.0級。優化試驗工藝1、2熱軋中間產品其的珠光體量略多于原工藝。從表4力學性能驗證了微觀組織分析結果。采用優化試驗工藝后，熱軋中間產品屈服強度增加約20 MPa，抗拉強度增加15～20 MPa，斷后伸長率基本維持不變，屈強比上升了3%。

表4 優化試驗與原工藝熱軋中間產品力學性能

圖1 熱軋中間產品微觀組織形貌

2.3 冷軋組織性能分析

試驗材料冷軋成品厚度為2.28 mm，酸軋壓下率為59%。酸軋后采用全氫罩式爐進行退火，設定冷熱點溫度為580℃/620℃，實際退火溫度為601～616℃，均熱時間為4 h。平整機延伸率為1.2%。最終冷軋產品的微觀組織見下頁圖2所示。可以看出，相同壓下率和相同退火溫度情況下，采用優化試驗工藝1、2生產的冷軋產品組織形貌和原工藝的產品微觀形貌相比，組織晶粒度大小基本一致，都為7.5級，組織均為鐵素體+碳化物。

圖2中灰色部分為鐵素體，白色亮點部分為固溶的硅錳粒子。可以看出采用優化試驗工藝1、2的冷軋最終成品中擁有較多的硅錳粒子相。最終得到冷軋產品的力學性能見下頁表5所示。可以看出，采用優化試驗工藝1、2生產的冷軋產品力學性能均滿足370 MPa級冷軋碳素結構鋼的力學性能要求，其屈服強度略高于原工藝方案的冷軋產品；抗拉強度相當，斷后伸長率有了略微提升，屈強比較原工藝方案提高約4%，基本維持了熱軋的屈強比關系。采用優化試驗工藝生產的冷軋產品整體力學性能仍有富余量。可以進一步試驗以降低生產成本。

圖2 冷軋成品微觀組織形貌

表5 優化試驗與原工藝熱軋中間產品力學性能

3 結論

1）按照降錳提硅方案，對370 MPa冷軋碳素結構鋼的合金成分進行了優化，熱軋冷卻模式由前段集中變更為后段分散，熱軋后中間產品抗拉強度、屈服強度略有增加，其中屈服強度增加明顯，屈強比升高約3%。

2）優化試驗產品采用580℃/620℃罩式爐退火后，產品力學性能優良，力學指標滿足該產品標準要求，且仍具有一定富余量，屈強比維持了熱軋屈強比關系，較原工藝方案有升高。

3）采用降錳增硅方案后，熱軋組織中出現了較多的珠光體；冷軋退火后組織中出現了更多的固溶的硅錳復合粒子相，最終產品的屈服強度有增加，屈強比較原工藝方案有了上升。

4）通過降錳增硅工藝優化，采用價格較低的硅錳合金、硅鐵代替價格較高低碳錳鐵后，產品合金成本噸鋼降低75.3元，工藝優化試驗取得預期目標。