高性价比点焊捆带的研制

2015-03-21胡因洪陶军晖张兆丽张建国

襄阳职业技术学院学报 2015年4期

黄菲，胡因洪，陶军晖，张兆丽，匡伟，张建国

（1.武钢研究院，武汉 430080；2.武钢江北公司，武汉 430415）

点焊捆带是一种具有高附加值和广阔市场前景的冷轧深加工产品，广泛用于高速自动打包机对钢卷，特别是冷轧钢卷进行捆扎包装。［1］

一般来说，钢卷包装主要采用三种方式：锁扣式、免扣式和焊接式。锁扣式是将捆带接头用钢扣扣压的方式结合在一起，主要用于气动（人工）打捆，拉紧力大于6 kN。免扣式是将捆带接头通过冲压变形（冲模做扣）的方式结合在一起，主要用于全自动打捆，拉紧力大于14 kN。焊接式是将捆带接头通过点焊的方式连接在一起，主要用于全自动打捆，最大拉紧力达到 20 kN。［2-5］

采用锁扣式打捆，拉紧力本身较小，同时受气源压力和人工操作等因素的影响较大，速度慢，效率低，钢卷在打包过程中易发生包装损坏和散包等问题，主要适用于常规条件下的打捆作业。此外，捆扎时需要辅助以大量的钢质锁扣，生产成本较高。相对而言，免扣式或焊接式打捆主要依靠高速运行的自动打包机，速度快，效率高，特别适合极端或高速连续的工作环境。同时，无需专门的锁扣，降低了生产成本。焊接式，由于拉紧力是三种方式中最大的，捆扎的安全系数最高。同时，由于没有锁扣，也极大减轻了对钢卷表面的损伤，保证了钢卷的表面质量。此外，操作也最为简便。因此，焊接式打捆在国外钢铁企业中获得了广泛应用，是钢卷包装技术未来的发展方向。随着近年来我国钢铁工业的迅猛发展及产能的急剧扩增，钢材生产日益呈现出“规模化、高速化、连续化、自动化”的特征，因此，点焊捆带的市场需求量将会大幅增加。

有鉴于此，针对某客户的现实需求，我们通过优化原料钢种和生产工艺，成功研制出满足使用要求的高性价比点焊捆带，在相关产线得到广泛应用，替代了部分同类进口产品。

一、实验部分

（一）实验试样

实验试样由客户提供，实验前对其进行裁剪，其中热轧原料厚度一般为3.0 mm，冷轧原料和成品捆带的厚度一般为0.8 mm，并清洁表面。

（二）实验设备

化学元素分析在ULTIMA 2C等离子发射光谱仪（法国JOBIN-YVON公司）和EMIA-820V碳硫分析仪（日本HORIBA公司）上完成，力学性能分析在GALDABINI SUN10电子拉伸试验机（意大利GALDABINI公司）和WJJ-6C机动式弯折试验机（宁夏青山试验机有限公司）上完成，金相分析在PME3-323UN金相显微镜（日本OLYMPUS公司）上完成，焊接试验在三相次级整流DZ-3×40型点焊机上完成。

二、结果与讨论

（一）产品研制

产品优良的使用性能是确保不发生断带的关键。基于客户现有自动打包机的运行情况，产品性能的要求一般如下：厚度0.8 mm，抗拉强度不低于900 MPa，延伸率不低于9%，反复弯曲次数不少于4次，焊点质量良好。简而言之，力学性能和焊接性能是重点。这里，主要通过优化原料钢种和生产工艺来实现产品性能。

1.原料钢种

原料钢种非常关键，是保证产品性能的基础。客户现有A、B、C、D四个钢种，分别是低合金成分系A，高Si高P成分系B，C-Mn成分系C和D。为保证产品的强度，钢种A采取的办法是加入合金元素Nb；钢种B则大幅提高Si和P的含量；而钢种C和D主要通过C和Mn的固溶强化来实现。见表1。从理论上来说，这四个钢种的设计思路均有一定的合理之处。

表1 不同钢种的化学成分（wt%）

2.生产工艺

生产工艺主要包括两部分：轧制工艺和热处理工艺。只有原料钢种与生产工艺相匹配，才有可能真正实现产品性能。

（1）轧制工艺

表2 不同钢种的热轧工艺

从表2可以看到，A→D四个钢种的轧制和卷取温度不完全相同。这是因为钢种A和B加入了Nb或者大幅提高了Si和P的含量，导致热轧原料强度相对较高。只有同时提高卷取温度，才有可能保证热轧原料的塑性和韧性。相对而言，钢种C和D的热轧原料强度要低一些，因此，它们的轧制和卷取温度要低一些。这其中，又由于钢种C的Mn含量约是D的一倍，因而其轧制和卷取温度相对较高。

表3 不同钢种的冷轧工艺

从表3可以看到，对于A→D四个钢种而言，当热轧原料和冷轧原料厚度固定后，总压下率也就固定了，均为73.3%。但是，无论是哪个钢种，如果道次数不超过9次，将无法完成轧制。这是因为道次压下率较高，对轧制设备的损伤较大。采用10道次轧制，适当降低了道次压下率，既可以保护轧制设备，又保证了冷轧原料的力学性能。而如果进一步增加轧制道次，虽然同样能完成轧制，但冷轧原料的表面光洁度会大幅增加，容易造成捆带在打包机内运行时发生打滑现象。同时，也会无谓地增加轧制时间和轧辊损耗，降低工作效率，导致生产成本上升。因此，采用10道次轧制比较合理。当然，如果能采用更先进的冷连轧方式进行轧制，轧制速度更快，效率更高，生产成本会更低。

表4 不同钢种冷轧原料的力学性能

从表4可以看到，按照上述轧制工艺进行生产，A和B的冷轧原料强度比较高，延伸率较低，韧性都不是太好；而C和D虽然强度较低，但延伸率较高，并且韧性较好。这和原料钢种的化学成分息息相关。钢中添加了合金元素Nb后，在大幅增加强度的同时，也会降低塑性和韧性。而如果大幅提高Si和P的含量，则会明显增加钢的脆性。

（2）热处理工艺

由于产品强度要求不是太高，没有必要采用能耗较大、操作复杂的调质热处理工艺，只需能耗较低、操作简单的去应力退火工艺就可达到目的。生产中一般主要考察两个工艺参数：热处理温度和时间。从表5可以看到，相对于C和D，由于A和B的冷轧原料强度较高，延伸率较低，韧性较差，只有适当提高热处理温度和延长热处理时间，才有可能保证产品的力学性能。

表5 不同钢种产品的热处理工艺

3.性能分析

（1）力学性能

从表6可以看到，由于B钢种Si和P的含量过高，导致产品的韧性很差，存在明显的分层开裂现象，完全无法使用。虽然经过了热处理，但仍然难以解决这一问题。A钢种虽然加入了Nb，却无法保证产品同时具有较高的强度、塑性和韧性，达不到使用要求，只能降级处理。因此，从实际考虑，A和B作为点焊捆带的原料钢种是不合适的。相对而言，C和D钢种的产品则具有较好的力学性能，满足使用要求。其中，D钢种产品的塑性和韧性更好，与C相比，捆扎时发生断带的可能性较低。

表6 不同钢种产品的力学性能

（2）焊接性能

表7 点焊工艺参数及试验结果

表8 剪切拉伸试验结果

从表7和表8可以看到，进行点焊试验，焊接时有一定飞溅。对于C和D钢种的产品，在5～7 kA及8～9 kA时，焊接剥离试验为扣孔式剥裂，剥离试验合格。每个焊核最小直径（Dmin）满足要求，焊接性能良好，满足使用要求。剪切拉伸试验均为扣孔式撕裂，其中D钢种剪切拉伸试样见图1。拉剪力分别达到9.8～11 kN和9.4～11 kN。因此，两者的焊接性能大致相当。

从图2可以看到，焊接后，D钢种产品焊缝熔合区和热影响区的金相组织均为马氏体，母材则为粒状贝氏体。焊点成形良好，内部无缺陷。

（二）成本分析

图1 D钢种产品剪切拉伸试样图

图2 D钢种产品焊缝金相组织图

据客户介绍，其以前每年从国外进口点焊捆带至少1 000吨，由于单价不低于1万元/吨，采购成本常年居高不下，因此，强烈渴望产品实现国产化，以期降低成本。产品只有物美价廉，客户才能大批量采购并大范围推广。对产品的生产成本来说，主要包括原料成本和工序成本两个方面。

1.原料成本

对于A、B、C、D四个钢种而言，其原料成本大致是A＞B≈C＞D，这是因为A添加了贵重的合金元素Nb，相对于D而言，其原料成本增加了400～500元/吨。对于B和C来说，B的Si含量要远远高于C，冶炼时需要加入大量的Si。但C的P含量要远远低于B，需要脱P处理。由于Si为富含元素，而脱P处理也是炼钢过程中的常规手段，因此，两者对成本的影响大致相当，因而B和C的原料成本也差别不大。而对同属C-Mn成分系的C和D来说，在C、Si、P、S等元素含量几乎一致的情况下，钢种C的Mn含量是D的一倍，显然，钢种C的原料成本要高于D。

2.工序成本

热轧工序中，因为化学成分不同，导致A和B的热轧原料强度要高于C和D，因此轧制温度和卷取温度也较高（表2）。从能耗来说，基本上是A≈B＞C≈D。冷轧工序中，由于都是采用10道次反复轧制，轧制成本相差不大。但由于冷轧原料强度基本上也是A≈B＞C≈D（表4），因而轧制A和B时，轧辊的损耗相对较大，可能会增加设备的维护成本。在热处理工序，为保证产品同时具有较高的强度、塑性和韧性，热处理温度和时间同样遵循A≈B＞C≈D的规律（表5），显然能耗大致也是这个趋势。