SPHD沖壓用鋼熱軋生產工藝及質量控制研究

劉金英，宋進英

（1.唐山瑞豐鋼鐵（集團）有限公司河北 063000；2.華北理工大學，河北 063000）

0 引言

瑞豐鋼鐵公司原來主要生產Q195、Q235B、Q355B等系列傳統鋼鐵產品，為了提高產品競爭力和市場份額，公司集中技術力量不斷開發新產品。其中前兩年通過批量工業生產試驗，在950熱軋線成功開發了優質低碳SPHD熱軋中寬帶鋼，這種高性能SPHD鋼在汽車部件、家電外殼、靜電地板底板和搪瓷用品等領域得到了廣泛應用。SPHD熱軋中寬帶鋼的成功開發使公司實現了從普通低端產品到優質高端產品生產的升級轉型。

本文介紹了SPHD熱軋中寬帶鋼的軋制工藝流程及裝備，根據該鋼種的用途和性能要求制定了該產品組織性能控制目標以及軋制工藝控制要點。通過加熱及軋鋼工藝試驗，最終確定了950軋線軋制SPHD中寬帶鋼的最佳熱軋工藝。

1 熱軋生產工藝裝備及流程

SPHD熱軋中寬帶鋼是在950熱軋線進行工業試生產，該線設計生產能力為160×104t/a，主要產品為2.0～13.0mm×685～880mm中寬帶鋼。主要工藝設備有：1座步進梁式雙蓄熱加熱爐，2架2輥可逆粗軋機，7架4輥精軋機，2臺地下臥式卷取機。生產工藝流程為：加熱爐加熱→爐后20MPa以上高壓水除鱗→粗軋：20MPa以上水除鱗及可逆軋制→熱卷箱卷取→飛剪切頭、尾→精軋：20MPa以上高壓水除鱗及7機架4輥連軋→13組層流冷卻→2臺臥式卷取→打包→檢驗入庫。950熱軋線工藝流程如圖1所示。

圖1 950熱軋線工藝流程圖

2 熱軋產品組織性能控制目標

作為冷軋基料的供應者，熱軋是SPHD鋼生產鏈中承上啟下的一道重要工序。若熱軋顯微組織不均，出現粗晶、混晶及晶粒過細等問題時，在其冷軋的組織中均會有不同程度的體現，即冷軋工序不能完全解決熱軋工序產生的組織缺陷，熱軋組織具有一定的遺傳性，因此合理地控制熱軋工藝對最終獲得具備高成形性能的沖壓產品用鋼至關重要。

熱軋工序中影響產品質量的關鍵點為加熱工藝、軋制工藝和卷取工藝，本文主要以罩式退火工藝用SPHD鋼為例闡述熱軋工藝控制。為了保證SPHD鋼的各項成形性能，熱軋主要采用“三高一低”的方式，即高溫加熱、高溫開軋、高溫終軋和低溫卷取[1]。制定的質量控制目標見表1。

表1 SPHD沖壓用鋼質量控制目標

3 熱軋工藝設計

因SPHD屬于低碳鋁鎮靜鋼，鋼中加入的Al除了脫氧作用外，在鋼中主要成為酸溶鋁（Als），即固溶Al和A1N，為了保證沖壓成形性能，熱軋過程中主要是控制A1N粒子的狀態和產品組織性能。

3.1 高的加熱和開軋溫度

因AlN溶解溫度在1100℃以上，故鋼坯需要高的加熱溫度，使AlN充分固溶在奧氏體晶粒內，并獲得均勻奧氏體晶粒，便于軋制。一般開軋溫度要高于1100℃，可保證鑄坯處于單相奧氏體區，且鋼中的AlN呈溶解狀態[2]，同時考慮工序溫降，保證終軋溫度在Ar3以上進行。

3.2 高的終軋溫度

高的終軋溫度主要是保證AlN在終軋時必須固溶，且帶鋼是在Ar3以上變形，以免在兩相區軋制，造成異常組織，影響成品成形性能。考慮到950產線層流冷卻設備的冷卻能力及一般沖壓用鋼冷卻強度在20～30℃/s，要求終軋溫度控制在880～920℃

3.3 低的卷取溫度

低的卷取溫度主要是保證AlN在卷取時過飽和固溶[3]，并能獲得合適的晶粒尺寸，故將卷取溫度設為630℃以下。

4 加熱工藝試驗及優化

4.1 加熱工藝試驗

為了使SPHD鋼坯處于單相奧氏體區，從而獲得最佳的初始奧氏體晶粒度并得到均勻分布的奧氏體晶粒，同時在該加熱溫度下，保證鋼中的AlN能夠充分的溶解固溶于奧氏體中，并使終軋溫度保持在Ar3以上。第一次試驗將鋼坯開軋溫度控制目標定為1180±20℃，加熱溫度定為1300±20℃，制定加熱工藝如表2所示。

表2 SPHD沖壓用鋼坯初始加熱爐加熱制度

在實際試生產時，因加熱溫度偏高，鋼坯在爐時長達180～260min，出爐除鱗后板坯的溫度達到1180～1200℃，板坯在爐內出現軟化、塌腰變形等問題，因出鋼困難導致停軋處理。

經分析，因加熱爐為步進式，爐內有4根固定梁和3根活動梁間隔布置，且活動梁與固定梁間距1300mm，鋼坯兩端懸臂量達到750～1150mm。活動梁在運行過程中，將鋼坯托起100mm后，再前行600mm，然后放下鋼坯，最后退回原位。由于SPHD沖壓用鋼碳含量≤0.05%，屬于軟質鋼種，除鱗后的溫度為1180～1200℃，雖然沒有達到過熱、過燒的溫度，但強度顯著下降。在重力作用下，軟化的板坯隨著步進梁循環運動，出現塌腰、下垂等問題（如圖2所示），導致出鋼時鋼坯卡到加熱爐下端墻頂部，需要人工在出鋼臂上方放置兩層磚，以提高出鋼高度，才可以將鋼坯托出，出鋼較困難。

圖2 板坯加熱過程塌腰、下垂示意圖

4.2 加熱工藝優化

鑒于上述原因，結合AlN的固溶條件和軋制過程溫降情況，對加熱制度進行了優化，即降低各段加熱溫度，縮短加熱時間，優化后的SPHD沖壓用鋼坯加熱爐加熱制度如表3所示。按此工藝執行后，實際鋼坯開軋溫度在1120±20℃范圍內，滿足熱軋工藝溫度要求。

表3 優化后的SPHD沖壓用鋼坯加熱爐加熱制度

5 熱軋工藝試驗及固化

5.1 熱軋工藝試驗

5.1.1 不同工藝條件試驗過程

在調整加熱工藝之后，在950軋線又進行了三次工業生產試驗，軋制規格為2.5mm×685mm中寬帶。對三次工業試驗統計熱軋工藝實際控制結果如表4所示。由表4可知，3次工業試驗加熱和開軋溫度均達到了試驗預期，可保證AlN的充分固溶。

表4 SPHD熱軋工藝生產試驗統計

但第一次熱軋生產試驗時，因精軋出口速度在12.0m/s以上，軋制速度較快，控制不穩定，得到終軋溫度940～970℃，導致層流冷卻采取后4組集中冷卻后，卷取溫度仍在700～730℃范圍內，偏高，不滿足設計要求；第二次熱軋生產試驗時，將精軋出口速度控制在10.5 m/s左右，得到的終軋溫度為910～940℃，層流冷卻采用后段6組粗冷加2組精冷的冷卻方式，最后獲得卷取溫度為650～680℃，仍偏高；第三次熱軋現場試驗時，再次降低精軋出口速度至9.5m/s左右，并將層流冷卻方式進行調整，改為前4組集中粗冷和后段稀疏冷卻加精冷方式，最后獲得卷取溫度560～600℃，滿足設計要求。

5.1.2 三次工業試驗結果分析

SPHD動態CCT曲線如圖3所示[4]。由圖3分析可知：

圖3 SPHD鋼的動態CCT曲線

第一次試驗卷取溫度在700℃以上，奧氏體轉變尚未結束，但軋后冷卻已經結束，奧氏體中的AlN無法一直以固溶的狀態保持到室溫，而是大量析出[5]，這樣AlN在冷軋后的退火過程中引導{111}織構發展的作用是無法實現的[6]，因此第一次試驗以失敗告終，試驗產品全部改判為鍍鋅用途的SPHC。

第二次卷取溫度為650～680℃，仍偏高，因AlN在600℃時開始析出，在650～680℃的范圍內已有較多的AlN析出[7]，仍然不利于冷軋罩退工序有利織構的形成。

第三次獲得卷取溫度550～600℃，因AlN在600℃以下析出很少，可保證AlN是以飽和狀態固溶在鋼中，這為冷軋罩式退火后獲得良好的γ織構提供了充分條件。

5.2 組織性能研究

5.2.1 三次生產試驗產品組織分析

三次試驗用光學顯微鏡觀測軋制面金相組織如圖4所示，將三次試驗用掃描電鏡觀測軋制面金相組織如圖5所示。圖4、圖5中，（a）：CT 730℃，（b）：CT 680℃，（c）：CT 580℃。通過三次試驗可以觀察到：

圖4 三次試驗板面中部的軋制面金相組織

圖5 三次試驗板面中部的軋制面電鏡掃描組織

（1）第一次現場試驗終軋溫度970℃，卷取溫度730℃，測得樣板平均晶粒尺寸為24.7μm，晶粒度7.5級，晶粒較大；第二次現場試驗終軋溫度940℃，卷取溫度680℃，平均晶粒尺寸為18.7μm，晶粒度8.5級，較第一次晶粒變細，但仍偏大；第三次終軋溫度890℃，卷取溫度580℃，晶粒尺寸為9.1μm，晶粒度10.0級，基本滿足設計要求。

（2）相同的終軋溫度，卷取溫度越高，組織中的游離滲碳體和珠光體的數量越多，如卷取溫度730℃和680℃時的金相組織；另外，SPHD在730℃和680℃卷取時，滲碳體析出量較多，且分布相對分散，尺寸較大；580℃卷取游離滲碳體和珠光體的數量明顯減少，且尺寸較小。

5.2.2 三次工業試驗性能對比分析

SPHD三次熱軋生產試驗力學性能統計如表5所示。由表5可以看出，三次試驗力學性能均滿足設計要求。

表5 SPHD熱軋生產試驗力學性能統計表

5.3 熱軋工藝固化

綜上所述，最后確定950軋線生產SPHD中寬帶鋼執行的熱軋工藝如表6所示。目前950軋線SPHD產品產量占該線產品的20%以上，用途廣泛，銷往全國各地冷軋沖壓用戶。

表6 SPHD熱軋中寬帶鋼熱軋工藝

6 結語

通過加熱工藝工業試驗以及熱軋工藝工業試驗，分析了SPHD熱軋中寬帶鋼的加熱、軋制和卷取工藝的控制要點，最終確定了950軋線軋制SPHD中寬帶鋼的最佳熱軋工藝。

加熱和軋制工藝優化后，鑄坯熱加溫度控制在1250±20℃，加熱時間控制在120～160min之間，開軋溫度控制在1130±20℃，終軋溫度控制在880±20℃，精軋出口速度控制在10±0.5m/s,卷取溫度控制在580±15℃，可以消除加熱爐鋼坯塌腰、下垂問題，SPHD中寬帶熱軋產品的組織性能完全滿足冷軋罩式退火工藝用戶的質量要求。