高強度大梁鋼板形改善實踐

潘騰 趙松 楊才舉

河鋼集團邯鋼邯寶熱軋廠 河北 邯鄲 056003

引言

2020年12月16 日召開的中央經濟工作會議，首次將碳達峰、碳中和列入新一年的工作任務。汽車工業也要繼續圍繞節能減排的目標開拓發展，汽車減重是最有力的減排方法。汽車大梁鋼是商用車的重要部件，幾乎承載了車輛及貨物的全部重量。汽車大梁鋼板厚度分別減少0.05mm、0.10mm、0.15mm，車身就能減重6%、12%、18%，而增加鋼板強度是減小板厚的重要途徑[1]。河鋼邯鋼邯寶熱軋廠擁有世界一流的設備和工藝，年設計產能460萬噸；可生產船板鋼、容器鋼、車輪鋼、大梁鋼等高端品種。自投產以來，一直致力于汽車大梁鋼的開發和生產，已經陸續開發420L、510L、610L和700L，其中700L年產量已達到19萬噸，熱軋700L大梁鋼成為邯鋼的拳頭產品。高強度汽車大梁鋼作為汽車用鋼的一種重要金屬材料，不僅強度級別高，而且具有優良的塑性和焊接性能，以滿足汽車大梁加工過程和使用過程的高級別要求[2]。高強度大梁鋼市場廣闊、產品需求量大、產品利潤高，但因板形問題造成的質量異議較多，由此大量的質量損失、市場抱怨，以及給進一步拓展高端市場帶來困難。因此對700L高強度大梁鋼板形的研究和改善，是進一步提升產品質量和市場開拓的頭等問題。

1 板形問題

狹義上的板形就是指板帶的平直度，表觀現象為單邊浪、雙邊浪、中間浪以及鐮刀彎，不同的浪形表現都跟軋制和冷卻過程息息相關，產生板形問題的主要原因為生產過程中板帶存在殘余應力。而廣義上的板形，不僅指平直度，還包括板帶的凸度、楔形等。根據市場反饋以及加工方式和用途不同，700L的板形問題主要為以下兩個方面：

1.1 軋制厚度為5、6mm的邊浪問題

一般寬度為1500mm的此類厚度鋼卷，先開平切割為13m長的定尺鋼板，再縱向切割為450mm左右寬的等寬鋼板，作為掛車大梁的立板，嚴重的邊浪問題造成立板焊縫對不上，焊接困難，嚴重時產生2/3的廢品。邊浪問題在鋼卷開平后肉眼可見，通常在開平后就可判斷能否進一步加工使用，嚴重的邊浪問題如圖1所示。

圖1 700L邊浪問題

1.2 軋制厚度≥8mm的側彎問題

此厚度范圍的700L鋼卷，在縱剪機組切割為140mm左右的窄條，最外側兩條因鐮刀彎嚴重，也存在焊縫不能對齊的問題。通常厚規格側彎問題在鋼卷生產過程中很難發現，只有切條后才能顯現出來。側彎問題嚴重影響產品包裝和下一步加工使用。一般縱切鋼板每兩垛包裝在一起，如圖2所示，側彎嚴重的鋼板兩頭或中間無法對齊，間隙量最大可達到50mm。

圖2 700L側彎問題

1.3 影響板形的關鍵因素

影響板形的關鍵環節有三個：精軋機軋制過程、層流冷卻冷卻過程、庫內冷卻冷卻過程。

1.3.1 軋制過程。邯寶熱軋廠有2座粗軋機和1套七機架精軋連軋機組，每個軋機的軋制狀態都會直接影響成品板形狀態；精軋機作為板形控制的關鍵環節，擁有竄輥和彎輥兩個重要的板形控制調節手段，用且擁有高精度的板形預設和反饋調整能力。精軋機組各機架的竄輥位置和彎輥力大小直接影響板帶的平直度，因此，精軋機軋制過程是影響板形的關鍵環節。

1.3.2 層流冷卻過程。板帶鋼在精軋機軋制完畢后，還要經過一個關鍵的冷卻環節。就是在精軋機和卷取機之間的層流冷卻。邯鋼邯寶熱軋廠有22組噴淋，包括20組粗調和2組精調。層流冷卻的作用就是將板帶從終軋溫度冷卻至卷取溫度，在冷卻過程中會發生晶粒和組織變化，最終影響成品的機械性能合力學性能。層流冷卻的控制目標是根據實測的板帶終軋出口溫度、速度、厚度和工藝所確定的冷卻速度曲線的要求確定相應的噴水區長度（閥門開啟個數）和噴水模式，使卷取溫度盡可能地接近工藝所要求的目標卷取溫度[3]。不同的終軋溫度和卷取溫度直接影響層流冷卻的冷卻速率，進而影響板形控制。

1.3.3 庫內冷卻過程。成品鋼卷下線后溫度為600℃左右，在庫內自然空冷至常溫，溫降達到550℃以上。由于帶卷內外冷卻程度不一，形成了一定的溫差，從而會產生相應的熱應力，當鋼卷內部產生的切向壓應力達到一定數值時，會使相應層的板帶發生屈曲變形；若熱應力超過材料的屈服極限，變形將不可恢復，這樣就破壞了已軋制好的板帶，進而產生板形問題[4]。

2 改進措施

2.1 精軋機微中浪軋制

常規熱軋板帶鋼均以平直度達到0 I-U為目標，即軋機出口板帶平直無翹曲，但在冷卻過程中由于邊部組織變化，產生了邊浪問題。為了改善此問題，精軋機出口的板帶頭尾保持微中浪，中間部分保持平直。此策略可通過修改目標平直度數值以及手動調整彎輥、竄輥來實現。目標平直度范圍：-3~-7 I-U，目標值從0修改為負值，軋制模型會自動計算出合適的竄輥位置和彎輥力，每個機架出口的凸度和板形也會發生變化，精軋機出口的中浪會向著-3~7 I-U自學習和自調整。根據平直度曲線以及現場實際板形來判斷板形是否符合要求，平直度曲線測量的浪形范圍：5~-30 I-U為最佳，操作員會根據平直度曲線來實時干預，確保其命中。不同溫度下的板形表現會有差異，卷取機入口的板形基本能代表成品板形，因此，卷取入口帶鋼頭尾均有可見中浪、帶中無邊浪為最佳狀態。

2.2 層流冷卻工藝優化

層流冷卻控制的輸入信息為終軋溫度、卷取溫度、帶鋼速度、層冷水溫以及材料導熱特性，冷卻模型根據上述信息進行自動開啟和關閉動作命令，最終使帶鋼達到設定的卷取溫度。在軋制溫度一定的情況下。軋制速度又取決于終軋溫度的設定；層冷水溫的也只在3℃左右波動；同一個鋼種的材料導熱特性相同；因此，合理設定終軋溫度和卷取溫度目標值是發揮層流冷卻工藝最直接和最有效的辦法。

以厚度為5/6mm的700L為例，原設計終軋溫度為880℃，卷取溫度為610℃，層冷溫降為270℃，層流冷卻水的開啟組數達到8-9組，冷速和冷卻強度較大，板形不良。攻關期間，嘗試使用終軋溫度為860℃，卷取溫度為630℃的工藝策略，層冷溫降減小至230℃，層冷水開啟組數為5-6組。根據后工序檢查板形情況來看，邊浪問題有所改善，但性能偏低，最終確定為折中的工藝，終軋溫度860℃，卷取溫度610℃，既降低了冷卻強度，又在一定程度上改善了板形控制。

2.3 層冷側噴改造

改進前的層冷末端為單側兩個側噴水吹掃，造成帶鋼單側瞬時冷卻速度增加，進而影響帶鋼斷面的冷卻均勻性，給板形控制帶來較大的影響。為此，將兩個單側的側噴水改造為縱向的橫噴水，如圖3所示，管道安裝在距離輥道上方1.5米的位置，安裝4個45度噴射角度的噴嘴，吹掃效果良好，避免了溫降不均勻造成的板形問題。

圖3 層冷側噴水改造實景

2.4 庫內緩冷

鋼廠的成品庫為了有效快速地冷卻鋼卷，會在廠房頂部設計通風裝置，地面也安裝大量的冷卻風機，來達到快速降溫的目的。但對于高強大梁鋼700L來說，鋼卷的快速冷卻，尤其是邊部的快速冷卻會造成晶粒組織與中間部分存在差距，進而產生板形問題。

為了減小鋼卷在成品庫內的冷卻速率，在成品庫建造擋風墻，用于700L緩冷。如圖4所示，擋風墻使用鋼結構做支撐，四周鋪設耐火棉，起到阻止鋼卷熱量水平方向擴散的作用。擋風墻內單層放置80個鋼卷托盤，雙層可存放152個鋼卷，鋼卷批量生產和集中堆放，可以起到良好的“保溫緩冷”功能。緩冷時間48小時，有效減小成品鋼卷邊部的冷卻速率。

圖4 庫內緩冷擋風墻內景

2.5 其他措施

此外，從精軋機架間冷卻水投用數量和水量測試、層流冷卻上下水比調整等方面做了大量的試驗，進一步研究和改進700L板形控制。針對縱切備料厚規格，投用邊部加熱器生產，改善精軋出口斷面溫度均勻性，將層流冷卻上下水比優化為1:1.2，層流冷卻使用間隔冷卻等，改善了縱切側彎程度，實際側彎量在20mm以下。

3 結束語

通過目標平直度范圍-3至-7 I-U控制，輔助手動干預調整，實現微中浪軋制，杜絕軋制產生邊浪缺陷。確定700L的終軋溫度860℃，卷取溫度610℃，既降低了冷卻強度，又改善了層流冷卻過程的板形控制。將層流冷卻末端兩個單側的側噴水改造為縱向的橫噴水，避免了溫降不均勻造成的板形問題。成品鋼卷在擋風墻內緩冷48小時，減小鋼卷，尤其是邊部的冷卻速率，避免邊部冷卻速度過快造成的邊浪問題。

通過采用以下措施，邯鋼邯寶熱軋廠在700L板形改善方面取得了長足的進步，厚度為5/6mm的邊浪問題發生率迅速下降，厚度為8mm以上的側彎寬度減小40%以上，板形質量異議僅同比降低了60%，為降低質量損失以及開拓市場做出了突出的貢獻。