軋鋼工藝對鋼板性能的影響

朱建業

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276800）

鋼板性能會因用戶使用條件變化而表現出較大的不同，這種不同應在經濟與技術統一的前提下，滿足用戶提出的各項技術指標。通常所說的鋼板質量主要包括內在質量、板形、精度、外形尺寸等，而鋼的加工工藝、冶金質量、化學成分等都會影響到鋼板各方面的使用性能。提升鋼板性能的方式可通過優化加工工藝與應用合金材料來實現，后者成本較高，前者改善途徑較多，有著較大的發展潛力。

1 軋鋼工藝概述

軋鋼即是在旋轉的軋輥間改變鋼坯形態的壓力加工過程，按照軋制溫度劃分，軋鋼生產主要包括熱軋與冷軋。通過熱軋與冷軋工藝能夠生產出社會各領域所使用的帶鋼、鋼板、線材等產品，比如日常生活當中較為常見的橋梁鋼、汽車板、鍋爐鋼、螺紋鋼、建筑鋼筋等，都屬于軋鋼工藝的產物。下面圍繞熱軋與冷軋工藝，對軋鋼工藝流程予以闡述。

1.1 熱軋工藝流程

在結晶溫度以上實施的鋼坯軋制工藝被稱之為熱軋工藝，利用該工藝生產的板帶產品的工藝如下：鋼板的長度為100mm或者50mm的倍數，鋼板寬度范圍為500mm～2350mm，一般是通過連鑄運輸過來的熱坯或者冷坯通過加熱爐加熱，達到開軋溫度約1100℃～1200℃的要求，再通過粗軋機反復軋制，然后到精軋，最后通過卷取機成卷到運輸發貨區域。在軋鋼生產過程中，采用熱軋工藝能夠大幅降低單位時間內的能量損耗，進而達到節約成本的目的，同時，利用熱軋工藝生產出來的產品，具有金屬塑性高、抗變形能力強、合金加工性能優越、軋制速度快等特點，因此，在軋鋼生產當中始終占據著主導位置。熱軋工藝流程如圖1所示。

從圖1中可以看出，當鋼坯到軋鋼后首先進入加熱爐進行加熱，一般根據鋼種及鋼坯厚度不同，加熱不同時間，待達到出爐溫度后進行出鋼軋制。鋼坯出爐后首先利用高壓水除鱗設備進行除鱗，在粗軋工序，主要利用立輥及四輥可逆粗軋機對鋼坯進行粗加工。在精軋工序，主要利用精軋機組對鋼材尺寸進行調整，經層流冷卻達到不同強度的產品，最后經過卷曲成卷，下線入庫。

圖1 熱軋工藝流程

1.2 冷軋工藝流程

冷軋主要是以熱軋鋼卷作為加工原料，經過酸洗去除氧化皮等工序，對鋼卷進行冷連軋，最終的成品為冷硬卷。由于冷軋過程中，鋼卷的塑性與韌性指標大幅大降，在這種情況下，鋼卷的沖壓性能也將受到嚴重影響，因此，冷軋工藝冷硬卷多適用于加工和生產一些簡易的零部件，對于特殊要求的一般進行退火等工藝，生產工藝流程如圖2所示。

圖2 冷軋工藝生產流程

如圖2所示，冷軋工藝一般采取縱軋的方式，其工藝流程需要經過酸洗、軋制、平整、脫脂、退火等工序。在冷軋工序開始之前，需要對熱軋鋼卷進行除鱗處理，以確保冷軋成品的表面光潔度。而脫脂工序主要是為了去除附著在材料表面的各種油脂，這樣在進入到退火工序以后，不會對鋼材表面造成污染。在進入精整工序以后，需要經過剪切、矯直、打印、包裝等步驟，尤其對產品的包裝工序來說，對其提出了較高要求，以避免在運輸過程中刮傷冷軋成品。

2 軋鋼工藝對鋼板性能的影響

2.1 加熱溫度、開軋溫度對鋼板性能影響

在加熱時間相等的條件下，加熱溫度高低決定了原始奧氏體晶粒具體形態。其中低碳Mn鋼加熱溫度越高，晶粒尺寸就會越大，兩者間存在正變關系。而在實際生產過程中，鋼板加熱溫度雖然會在一定程度上影響晶粒度，但是這種影響幅度極為有限，主要原因是鋼坯有著較高的加熱溫度，合金元素會固滲，有著較大的變形量，且精軋加熱溫度會對鋼板性能造成較大的影響。

開軋溫度決定于具體的軋制工藝，當選擇的開軋溫度不同時，鋼板會具備不同的性能，當開軋溫度不斷降低時，鋼板性能會有一個明顯的上升趨勢，當開軋溫度降低時，處于完全再結晶區間內的鋼材變形量會明顯降低，且一定程度上提升了鋼材在一些未再結晶與再結晶區間內的變形百分數，從而出現形變硬化、晶內缺陷，還包括因參與應變產生的γ-α相變細晶機制增強，此時鋼材強度提升明顯。故而，對于要求性能良好、高深沖的鋼板，應嚴格控制其溫度，避免其過低[1]。

2.2 變形量、精軋溫度對鋼板性能影響

在精軋低碳合金鋼的過程中，其中一大部分位于未再結晶與γ部分再結晶溫度區域，道次壓下率超過一些再結晶臨界壓下率時，該變形過程會進入部分再結晶空間，當軋制道次不斷增加時，再結晶百分數亦會同步增加，直至到達完全再結晶狀態細化奧氏體為止。變形量、精軋溫度對16Mn鋼奧氏體晶粒尺寸影響情況如下圖3所示，觀察圖中趨勢可發現，在精軋溫度處于850℃與950℃時的再結晶狀況與1000℃以上軋制溫度的再結晶狀況相反，當軋制溫度出現升高趨勢時，γ再結晶晶粒尺寸會有一個降低趨勢。而在軋制溫度處于900℃與1000℃之間時內能夠獲取γ再結晶細小晶粒。此外，選擇多道次、小變形量在900℃實施精軋時，通過應變積累的方式亦能獲取與大壓低溫下同樣的效果，對未再結晶區進行軋制，導致形變奧氏體在冷卻以及γ-α發生轉變前就產生一些晶面缺陷，這部分缺陷會促使鐵素體本身形核率的提升，以此來實現晶粒細化的目標，這亦是實現析出強化的主要技術措施。

圖3 變形量、精軋溫度對16Mn鋼奧氏體晶粒尺寸影響圖

2.3 終軋溫度對鋼板性能影響

終軋溫度是軋鋼工藝中對鋼板性能影響較大的因素，其對鋼板的機械性能以及顯微組織都會造成較大的影響，以510L鋼來說，當其終軋溫度在870℃與900℃范圍內將至780℃時，σs與σb分別由320Mpa與470Mpa提升至390Mpa與510Mpa，但是延伸率卻會降低。此外，就18LT熱軋鏈條鋼來說，若是其終軋溫度存在降低趨勢，鋼板強度反而會有提升的傾向，其數值變化如下表1所示。

表1 終軋溫度對應鋼板強度表

就一般規律來說，終軋溫度的提升利于屈強比的降低以及珠光體帶狀組織的減輕，而在一定范圍內的強度條件下來提升終軋溫度，能夠形成{1 1 1}結構，促進鋼板厚向異性指數γ的提升，使得板材具備更高沖壓成形性能。當終軋溫度在Ar3以下時，會讓鐵素體出現變形，并使得出現不利于鋼板變形的織構（001），而該織構的發展，利于解理軋制平行面位置的結晶面，在沖制鋼板過程中出現撕裂與分層。因此應當適當提升終軋溫度，亦或者將鋼板作淬火與正火+回火，實施再結晶退火可在一定程度上避免出現此類缺陷[2]。

2.4 冷卻速度對鋼板性能的影響

軋后冷卻速度會較大程度的影響鋼板性能，特別是對脆性、韌性、強度轉變溫度產生的影響更為強烈。以0.8%Mn與0.15%低碳錳鋼板C為例進行試驗，軋后冷速分別為40℃/s以上以及10℃/s以下，兩者σs與σb冷速皆會隨著冷速的提升而增高，但是其脆性與韌性轉變溫度卻不會受到冷速變化太大的影響。冷速在10℃/s與40℃/s之間時，在冷速變化時，強度幾乎沒有發生變化，鍋爐10mm厚度的鋼板，在經過熱軋后，不同冷速狀況下對應的鋼板性能如下表2所示。綜合試驗結果可知，在Mn、C含量處于下限時，軋后冷速未形成對鋼板性能較大的影響。

表2 不同冷速狀況下對應的鋼板性能表

軋后冷卻速度是部分低合金鋼板保證組織性能的重要舉措，其中第一次冷卻為鐵素體形成創造了條件，產生形核并形成較多數量的細晶鐵素體，在其后的冷卻過程中應使得鋼板能夠冷卻至對應的卷曲溫度，這利于剩余一部分濃度較高的奧氏體發生相應的相變。冷卻強度與冷卻方式因鋼組成成分不同與產品組織性能差異而進行對應的控制，比如終軋后雙相鋼的冷卻，應保證其能夠產生足量多邊形鐵素體，在發生卷曲后，殘存奧氏體可朝著馬氏體轉變，以此來獲取雙相組織給予的優良性能。而當熱軋薄板發生冷卻不均勻時，在其后制管時有可能造成焊管成品彎曲并扭轉，從而使其變成廢品，故而軋板噴淋應力應維持均勻冷卻[3]。

2.5 卷曲溫度對鋼板性能影響

熱軋鋼板本身卷曲溫度影響鋼板組織性能可以將其理解為對奧氏體轉變溫度的系列影響，軋后已經完成冷卻的鋼板，奧氏體→鐵素體的轉變過程，其中一部分是處于卷曲溫度下經過緩慢冷卻完成的。就510L鋼來說，厚度為7mm鋼板，在處于21℃/s～28℃/s的高速冷卻狀態時，若是卷曲溫度持續上升，鋼板強度會隨之直線下降，而560℃與690℃下的卷曲，在ψ與σ上有著較大的變化，且在巻取溫度上升時，ak亦會有所上升，在-40℃溫度下ak值有著明顯的提升。當冷速處于9℃/s～13℃/s之間時，若是卷曲溫度提升，鋼板強度會直線下降，在卷曲溫度為770℃時，σs的值為420Mpa,在卷曲溫度為600℃時，σs的值為500Mpa，差距為8Mpa，ψ與σ,沒有明顯的變化，ψ只是在卷曲溫度上升時出現下降趨勢。在3℃/s空冷條件下，卷曲溫度上升時，鋼板強度會出現下降，其中σs變化幅度達到50Mpa.在850℃卷曲溫度環境下，σs值為400Mpa，在卷曲溫度達到850℃以上時，其溫度上升，鋼板性能數值變化程度不大，在-40℃環境下ak值有著明顯的變化。

卷曲溫度對鋼板性能的諸多影響中，金相組織變化是其中的主要特征，其中510L鋼板卷曲溫度為690℃時，24℃/s冷速，鐵素體晶粒多邊形且較為粗大，珠光體呈塊狀分布，若是其卷曲溫度為560℃時，25℃/s冷速，此時會呈粗狀貝氏體組織，此外軋后卷曲與冷卻的工藝參數對強化沉淀硬化型鋼板有著重要意義，進行工藝參數的調整，利于控制彌散硬化相的分布狀況以及析出數量，這是實現鋼板強化的有效措施。

在綜合考慮卷曲溫度與冷速后，還需關注熱軋后鋼板對應的終冷溫度，就低碳低合金鋼來講，其本身顯微組織在拋出鐵素體基體后，第二相類型對于鐵板性能有著較大的影響，鐘冷溫度間表現出的差異化，會使得第二相表現出貝氏體、珠光體、馬氏體等諸多特征。奧氏體→珠光體的條件包括兩個：其一，奧氏體中含有超過0.8%碳含量，這是共析轉變臨界值；其二鋼板溫度需超過500℃，這在珠光體轉變范圍內，如此可根據其不同的用途體積成分調節其工藝參數，使其能夠按照要求形成對應的額第二相組織，進而獲取所需性能。而第二相對鋼板強度的影響可由△TS來判斷，而第二相體積百分數直接關系著強度差值。△TS=12.9Vm、△TS=2.5VB，其中△TS指的是強度差值，Vm指的是第二相馬氏體體積百分數，而VB指的是貝氏體體積百分數。

2.6 金屬變形方式與方向對鋼板性能的影響

在軋制鋼坯過程中，涉及多種軋制方式，其中最為常見的是橫軋與縱軋，橫軋工藝主要是與鋼坯原始變形的方向保持垂直狀態，而縱軋工藝則是與鋼坯原始變形的方向保持平行狀態。從軋制效果分析，采用橫軋工藝軋制出的成品鋼，各項性能較為完善，而各向異性傾向小，但是，受到一些客觀因素的影響，橫軋工藝往往在實際生產過程受到限制和使用。而縱軋工藝軋制出的成品鋼性能較差，其原因主要是原始變形已出現的晶粒方向性變形與夾雜物變形產生的帶狀組織，在縱軋時得到進一步發展，這種方式將給成品鋼性能造成嚴重影響。

另外，坯件的軋制變形方向也會對鋼板性能產生不良影響。比如在單一方向變形的情況下，坯件沒有經過多方向、多角度受力，繼而使鋼板性能嚴重下降，而如果對坯件施加多方向與多角度變形處理，生產出的鋼板性能也相對較好。以成分相同、數量相同的坯料為例，軋制成長而窄的鋼板與短而寬的鋼板，其性能將存在明顯差異。而采用冷軋工藝來生產鋼板時，如果冷軋溫度遠低于再結晶溫度，軋制產品的厚度小于3mm，那么，軋制出來的成品鋼，不僅表面光潔度好、板形順直，而且軋制尺寸精確度也相對較高。因此，為了改善冷軋成品鋼板的性能，可以適當增加鋼板的時效能力或者加工硬化指數，使鋼板在成型以后能夠產生烘烤硬化，這樣既能夠保證沖壓成品率，而且冷軋件的強度也明顯增加。與此同時，也可以在冷軋鋼板表面附著彩色涂層，這時，鋼板的性能不僅得到進一步改善，而且也提高了外表的美觀度。

3 結語

綜上，經過以上的論述，發現加熱溫度、開軋溫度、變形量、精軋溫度、終軋溫度、冷卻制度等都會對鋼板性能產生不同程度的影響，因此在應用軋鋼工藝來進行鋼板生產時，需應用對應的技術，遵循相應的生產流程來逐步推進生產過程，以此來避免其他因素對鋼板性能產生不好的影響，使其切實滿足使用要求。