低碳鋼板材生產工藝及板形控制研究

米鴻偉

（河鋼邯鋼集團，河北 邯鄲 056000）

低碳鋼是一種碳含量低于0.001%的碳素鋼，因為其具有強度低、硬度低等特點，所以又被稱之為軟鋼，由于其生產成本低，且具有良好的塑性、韌性和焊接性，已經被廣泛應用到能源、交通、建筑、汽車、工程機械等各個重要領域中，具有較大的市場潛力。近年來，隨著建設行業的飛速發展，對于鋼材的性能、成材率、板形、節能指標等方面都提出了更高的要求，導致低碳鋼板材生產上存在一定的局限性，低碳鋼板材生產工藝技術升級已經成為首要問題，為此提出低碳鋼板材生產工藝及板形控制研究，提高板材生產效率、生產質量，并且為鋼材板形控制提供參考依據。

1 低碳鋼板材生產工藝

1.1 低碳鋼板材成分設計

低碳鋼板材生產過程中主要涉及到的化學元素有碳元素、錳元素、磷元素、硫元素、硅元素、酸溶鋁、鈦元素、氮元素等[1]。其中碳元素是提高低碳鋼板材強度最有效的元素，但是該元素也能對低碳鋼板材的韌性和焊接性起到反作用，所以在生產過程中要對碳元素含量按照標準的中下限進行嚴格控制，以此保證低碳鋼板材的綜合性能；錳元素的作用是增加低碳鋼板材的強度和焊接性，并且在生產過程中還能起到固溶強化的作用，在一定含量范圍內，低碳鋼板材的焊接性和強度會隨著錳元素含量的增加而提高，并且該原材料成本較低；而磷元素和硫元素的添加是為了增加低碳鋼板材的塑性和韌性，但是添加過量或過少也會降低碳鋼板材的韌脆轉變溫度，所以在生產過程中要嚴格控制硫、磷等有害元素含量；由于降低板材碳含量會造成板材強度缺失，所以通過酸溶鋁和硅元素的細晶強化和洗出強化來彌補，同時在控制軋制中通過添加鈦元素和氮元素來改善板材強度和韌性的匹配，從而生產出高質量的低碳鋼板材。

根據GB/T1684-2000要求，低碳鋼板材的強度要求比普通級別鋼更高，但是還要保證板材韌性、焊接性與普通級別鋼相當，所以在普通鋼板材成分設計的基礎上，低碳鋼板材成分設計中除了添加0.001的碳含量以外，微合金元素采用硫元素、硅元素、錳元素、磷元素、酸溶鋁、鈦元素、氮元素符合添加，以此保證低碳鋼板材強度提高的同時韌性和焊接性不受損害[2]。根據以上分析，設計了低碳鋼板材原料成分，如下表所示。

表1 低碳鋼板材成分要求/%

1.2 板坯加熱

對于低碳鋼板材來說，由于其成分上采用普通鋼不同，其中含有難于溶解的硅元素、酸溶鋁、鈦元素、氮元素等微合金元素，所以對加熱溫度要求較高，以避免板坯過熱、過燒，從而影響低碳鋼板材的綜合性能，由于不同厚度規格的板坯，其在爐時間和出爐溫度是不同的，通常情況下，250mm厚度板材在加熱過程中，在爐時間不得小于200min，爐內溫度要控制在1220-1250℃之間；280mm厚度板材在加熱過程中，在爐時間不得小于240min，爐內溫度要控制在1230-1260℃之間；320mm厚度板材在加熱過程中，在爐時間不得小于280min，爐內溫度要控制在1265-1285℃之間[3]。加熱所使用的設備為RH爐，除了要對加熱時間和加熱溫度進行嚴格控制以外，還要結合生產需求，還要對RH爐其他技術參數進行設定，精煉鋼水范圍設定在235-270t? 爐?1，處理周期設定為30-38min，最大提升氣體流量設定為240m3m3?h?1，干式真空泵系統抽氣能力設定為100kg?h?1。

將加熱后得到的鋼水進行處理，要求處理后的鋼水中硫含量≤0.0030% ，鋼渣厚≤15mm，為后續冷卻和軋制提供高質量鋼水。

1.3 冷卻軋制

冷卻軋制是一種有效的變形處理手段，通過對熔煉后得到的鋼水進行冷卻軋制挖掘出低碳鋼板材的潛力，提供板材韌性、焊接性、強度等性能，通過調整控制冷卻軋制過程中鋼材晶粒度、第二相沉淀以及亞晶的尺寸和數量，是板材性能得到有效提高。首先對鋼水進行單道次壓縮，為了保證在對鋼水加熱過程中能夠是微合金元素充分固溶到板材中，首先將30℃/s的速度加熱到1000℃，然后保溫5.5min后，以15℃/s的速度冷卻到變形溫度，保溫15min后以消除鋼水內部溫度梯度，然后對其進行壓縮變形，將變形溫度控制在850-1100℃范圍內，變形后空冷到溫室。然后對其進行雙道次壓縮，將溫度以35℃/s的速度加熱到1200℃，保溫4.5min后以20℃/s的速度冷卻到不同變形溫度，保溫18min后進行雙道次壓縮變形，變形溫度控制在860-1200℃范圍內，道次變形間隔時間為110-450s范圍內，應變速度控制在5.6s[4]。由于不同低碳鋼板材成本厚度不同，冷卻軋制參數也有所不用，具體參數設置如下表所示。

表2 冷卻軋制參數

通過以上操作嚴格控制鋼液化學成分，保證板材純凈度，最大程度地去除鋼中雜質，同時也保證了板材的塑性、韌性、強度等性能，以此實現低碳鋼板材生產。

2 低碳鋼板材板形控制

板形是低碳鋼冷軋板材的主要質量指標，在對低碳鋼板材平整軋制過程中，低碳鋼塑性形變形態會因板材下壓量分布的不均勻度不同而明顯地呈現出兩種形態，一是板形調整有效狀態，二是板形調整飽和狀態[5]。在板材軋制過程中咬入能力是限制板形下壓規程分布的主要因素，所以對低碳鋼板材板形控制，首先要控制板材軋制過程中咬入能力，咬入能力在很大程度上取決于軋機型式、軋制速度、鋼板溫度、板材表面狀態等因素，由于目前常用的軋機的軋制速度是可以隨時調節的，所以在對咬入能力控制時不需要考慮軋制速度因素，由此得到板材下壓量計算公式如下：

公式（1）中，H為低碳鋼板材下壓量；D為軋制速度；L為最大咬入角，對于冷軋鋼板低速咬入時可取15°。通過對板材下壓量的嚴格控制，有助于鋼坯正常咬鋼，從而實現對低碳鋼板材板形控制[6]。除此之外，低碳鋼板材板形還與冷軋過程中軋制溫度和軋制速度有間接關系，軋制溫度和軋制速度過高或過低，容易使板材板形不容易塑形，出現板材不均勻現象，所以需要對軋制溫度和軋制速度進行控制，軋制溫度計算公式如下：

公式（3）中，u為應變速率，單位為s；f為軋制出口速度，單位為m/s；a為軋輥半徑，單位為m；y為接觸弧長，單位為m；α為壓下前初始厚度，單位為m；?為道次壓下量，單位為m。

綜上所述，通過對冷軋過程中板材下壓量、軋制時間、軋制速率的嚴格控制，實現對低碳鋼板材板形控制。

3 結束語

此次對低碳鋼板材生產工藝及板形控制進行了研究，探究了生產工藝中的成分設計、板坯加熱、冷卻軋制三個生產階段，對各個階段中涉及的重要參數進行了分析，同時還探究了冷軋過程中板材下壓量、軋制時間、軋制速率對板材控制的重要性，為低碳鋼板材生產和板形控制提供了良好的理論依據。由于此次研究時間有限，雖然取得了一定的研究成果，但還存在一些不足之處，對于板材的冷卻軋制工藝研究尚欠，今后還需要在該方面進行深入研究。