高温用捆带生产关键点分析

2016-03-20陶军晖张兆丽张建国

襄阳职业技术学院学报 2016年1期

黄菲，陶军晖，柳俊，匡伟，张兆丽，张建国

（1.武钢研究院，武汉430080；2.武钢江北公司，武汉 430415）

高温用捆带是一种高附加值的钢材深加工产品，广泛用于大卷重热轧板卷的在线高温卷取。[1]目前，我国年产热轧板卷约2亿吨，以每千吨板卷耗费1吨高温用捆带计算，其年需求量约为20万吨。由于吨钢利润一般不低于2千元，其市场前景极为广阔。然而，该产品综合性能要求较高，生产难度较大，国内外目前仅有宝钢、鞍山发蓝带钢有限责任公司、无锡方正金属捆带有限公司、韩国信诺公司等极少数企业能稳定批量供货，几乎垄断了国内全部的市场份额。[2-3]有鉴于此，本文基于产品性能要求，结合多年的实际经验，简要分析其生产中的关键点，以期为开展相关研究的企业提供有益的参考。

一、生产关键点分析

与普通捆带相比，高温用捆带的使用环境较为苛刻，某些性能指标如力学性能、弯曲性能、耐热性能等要高于前者。一方面，产品性能实现与否与原料钢种及所采用的生产工艺息息相关。[4]另一方面，全球当前严峻的经济形势迫使产品的性价比也成为影响其生产的一个重要因素。

表1 典型的高温用捆带原料钢种

（一）原料钢种

原料钢种是实现产品性能的基础。从已公开发表的技术文献来看，目前用于生产高温用捆带的原料主要有两大类：优质碳素结构钢及合金结构钢。[5]典型的钢种如30Mn和42SiMn。

从表1可以看到，无论是采用优质碳素结构钢，还是合金结构钢，其C和Si含量都较高，Mn含量则控制在一定范围内；有害元素P和S在冶炼时需要尽可能去除；而合金元素Cr、Ni、Mo等则一般处于残留或微量状态。

就本质来说，高温用捆带也是一种超高强度钢。一般来讲，增加C和Si含量会显著提高钢的强度。残留或微量的Cr、Ni、Mo等合金元素主要是为了提高钢的耐热性能，同时，也可以起到细化晶粒、改善钢的强韧性、增强淬透性、提高回火稳定性的作用。而去除P和S，则是为了提高钢的纯净度，减少夹杂物及发生脆断的概率。[6]至于采用哪类钢种，要结合后续的热处理工艺来确定。通常情况下，如果是非调质热处理(去应力退火)，以优质碳素结构钢为主；如果是调质热处理(铅浴等温淬火、两相区淬火+回火)，一般选择合金结构钢。

从原料冶炼的角度来讲，由于现有高炉炼铁和转炉炼钢工艺比较成熟，难度并不太大。其关键之处主要有两点：一是C和Si含量都应该尽可能接近下限，这是因为其含量的增加虽然提高了钢的强度，但却显著降低了塑性、韧性、耐热性能、焊接性能和表面质量；二是由于需要严格控制P和S含量，一般得采用高品质矿石，或者冶炼时进行炉外精炼及真空处理，而这会显著增加生产成本。

（二）力学性能

在目前的国标体系里，与其它级别捆带相比，高温用捆带的综合力学性能是最好的，可用“高强度、高塑性”来描述。这是为了保证热轧板卷在高温卷取时，捆带有足够的性能富余量来应对环境的变化，以防止断带。对韩国信诺、宝钢、鞍山发蓝带钢、无锡方正等厂家的产品进行大批量抽样检测发现，产品的抗拉强度一般为980～1 100 MPa，延伸率则为10%～14%，合格率难以完全达到100%。见表2。

表2 高温用捆带的力学性能

由此说明两点：一是高温用捆带的生产难度确实很大；二是从使用效果来说，现场工作环境并不强行要求产品的力学性能完全达到国家标准，但必须确保不低于实际使用条件，这样才有可能保证打捆时不发生断带。

一般来说，产品的力学性能是原料钢种、轧制工艺和热处理工艺三者共同作用的结果。如果原料钢种确定，那么，热轧轧制和卷取温度，冷轧道次和压下率，热处理方式、温度和时间等因素就会产生一定的影响。相对来说，热处理的影响更大一些。这是因为轧制工艺受实际装备水平的制约，调节余地有限。而热处理因为并不需要过于大型和复杂的设备，并且有多种方式可以选择，因而效果更加明显。以提高产品强度为例，与降低热轧卷取温度或提高冷轧压下率两种方式相比，经过淬火后，产品的强度增幅更为显著。

（三）弯曲性能

捆扎热轧板卷时，无论是周向，还是径向，捆带都需要弯曲到一定的角度才能实现，这就要求其必须具有较好的弯曲性能。[8]一般来说，弯曲性能主要取决于原料钢种和热处理工艺。[9-10]由于高温用捆带的原料钢种往往具有高含量的C和Si，这就需要尽可能按下限冶炼。同时，最大限度地去除P、S、O、N等有害元素，减少夹杂物。另一方面，如果以合金结构钢作为原料，最好采用调质热处理进行生产。残留或微量的合金元素可以提高钢的淬透性，降低回火脆性，从而保证捆带的弯曲性能。

与普通捆带相比，由于高温用捆带的强度较高，理论上发生断裂的可能性也较大，因而对弯曲性能的要求也较高，一般应不少于4次（R=2.5 mm）。从图1可以看到，弯曲性能较好的高温用捆带，其断口处应无明显的分层开裂现象，呈现韧窝特征，也观察不到夹杂物。

图1 高温用捆带断口形貌分析图

（四）耐热性能

从已公开的技术文献来看，目前国内外对高温用捆带的耐热性能都没有进行系统深入的研究，也没有相关标准，这是因为现有一般的静态高温拉伸试验设备难以准确模拟动态复杂的高温环境。不过，高温用捆带作为一种耐热钢，也必须遵循一定的基本原则。[6]

热轧板卷的在线卷取温度通常是550～750°C，之后整个钢卷在空气中自然冷却。钢卷由内向外传导热量，温度缓慢下降，这就要求捆带的强度能长时间保持不变或仅仅小幅下降，防止降幅过大导致断带。另一方面，热轧结束后，即使经过一段时间冷却，钢卷温度仍然很高，这就要求捆带在紧密接触钢卷后，其表面不能发生大面积氧化，防止发生氧化断裂。实际生产中，一般建议保留或添加微量的Cr、Ni、Mo等合金元素，以保证捆带的耐热性能。

（五）焊接性能

对于焊接性能，国家标准同样没有做出明确的规定。出于安全考虑，目前高温用捆带仍以锁扣式打捆为主。[8]但是，某些特定位置往往要借助焊接方式进行连接，这就要求捆带必须具备一定的焊接性能。一般来说，焊接性能主要取决于原料钢种。然而，大部分原料钢种因高含量的C和Si，还有微量合金，导致碳当量较大，致使焊接性能不佳，热影响区容易出现裂纹。因此，实际生产中，原料钢种在冶炼时，普通元素和合金元素都应尽可能按含量下限控制，使其维持较低的碳当量。相对而言，如果以合金结构钢作为原料钢种，通过调质热处理后，捆带焊缝的性能一般较好。[11]

（六）表面质量

按表面状态划分，捆带一般可分为涂漆型和发蓝型两种。前者由于漆膜在高温环境下容易老化和脱落，基本无法使用。因此，高温用捆带主要是发蓝型。高质量的发蓝膜应该是附着力强、均匀一致、缺陷较少、色泽较好。但是，由于高温用捆带原料钢种大多具有高含量的C和Si，表面质量往往很难达到要求，其膜层特征是：厚度薄、蓝色浅、光泽差、缺陷多、纯度低。

图2 高温用捆带表面质量分析图

从图2A可以看到，产品表面不仅有蓝色Fe3O4的衍射峰，还有黄色Fe2O3的衍射峰。其中，Si对表面质量的影响较大，含量越高，表面质量越差。这是因为，在长时间的高温加热过程中，钢中的Si为选择性氧化，在氧化铁皮和钢基界面上产生层状的Fe2SiO4，界面温度在Fe2SiO4的凝固温度1 170°C以下时，氧化铁皮对基底的附着力增强，剥离性变差，导致红色加深。[12]

此外，从图2B可以看到，膜层均匀性差，缺陷较多。除了原料钢种自身的原因外，也由于产品的强度太高，轧制时需要很大的轧制力才能进行，因而容易破坏钢带表面，产生很多缺陷。经过发蓝后，进一步将缺陷放大。同时，出于对轧制设备的维护，轧制道次数一般不会太多，导致产品表面光洁度较低，显得非常粗糙。

实际生产中，为确保产品能有相对较好的表面质量，除了在冶炼时严格控制C和Si的含量外，还必须优化热轧卷取和酸洗工艺，减少氧化铁皮的数量。同时，制定合理的冷轧工艺，科学分配轧制道次及压下率。此外，为保证捆带在打包机内能高速平稳运行，避免出现卡带和打滑，膜层厚度和粗糙度都必须控制在一个合理的范围内。

（七）微观组织

如前所述，高温用捆带的热处理方式一般有两种：一种是非调质热处理，主要是去应力退火，所得金相组织为纤维状的冷形变组织(图3A)。这种工艺操作比较简单，能耗较低，但对原料依赖程度较高，稍有波动，产品质量就不易稳定，不适合大批量生产。另一种是调质热处理，主要是铅浴等温淬火或两相区淬火+回火（图3B）。前者以熔融的液态Pb作为淬火冷却介质，导热能力强，保证钢带能均匀受热，因而产品性能稳定。其实质是贝氏体强化机理，所得金相组织为下贝氏体。但是该工艺因为严重的Pb污染问题和高能耗，已被国家明令禁止。后者则以水作为淬火冷却介质，无污染，成本低。其实质是马氏体强化机理，所得金相组织为马氏体。但是由于水的冷却速度过快，容易引起较大的内应力，导致产品发生开裂，因而无法保证产品的板形。[13]调质热处理的优势在于产品的高强度和高塑性分别是通过后期淬火和回火分别实现的，不完全依赖原料性能，生产时相对主动一些。但总的来说，非调质热处理因为成本低、操作简单，因而更受捆带企业的青睐，使用面较广。

图3 高温用捆带金相组织及热处理设备图

实际生产中，如何选择热处理方式，除了要考虑原料钢种本身外，必须兼顾原料自身的性能。以优质碳素结构钢为例，通常以冷轧原料“抗拉强度1 050 MPa，延伸率5%”为标准，低于该值采用调质热处理，达到或超过该值采用非调质热处理。如果原料力学性能未达标，说明富余量不足，如采用非调质热处理，产品的力学性能将更难保证。反之，如果原料力学性能达标或超标，则最好采用非调质热处理。这是因为，此时如采用调质热处理，产品的强度将会空前提高，但塑性和韧性则会急剧下降，脆性大增，极易断带，产品的综合力学性能反而严重削弱。

（八）板形

板形是影响高温用捆带使用效果的一个重要因素。板形不良，捆带在打包机内难以顺畅运行，容易产生卡带、断带、散卷、塌卷、捆扎不紧等严重影响打包质量的事故。[14]对板形的要求主要体现在三个方面。

1.尺寸精度：高温用捆带的厚度一般为0.8～1.0 mm，宽度一般为31.75～32.00 mm，属于常规尺寸。关键问题是要保证合理的尺寸公差，通常情况下，厚度控制在±0.03 mm，而宽度则控制在±0.10 mm。[7]公差太正容易引起卡带，太负则容易导致钢带跑偏。理论上，通过现代化的冷连轧机组进行轧制，问题不大。但实际生产中，由于高温用捆带的强度很高，轧制过程中，随着变形量的持续增加，加工硬化效应开始显现，轧制难度加大，尺寸精度逐渐下降。特别是最后一个轧制道次，尤其难以控制。因此，要实现精确的尺寸公差，除了优化轧制及剪切工艺外，必须严格控制原料的尺寸、平直度、弯曲度及同板差。

2.边部质量：为避免发生卡带现象，高温用捆带边部不允许出现毛刺或者裂边缺陷。因此，生产线上应增加去毛刺装置，定期更换剪切刀刃，并合理调整剪刃间隙。（见图4A）

图4 产品板形分析图

3.外形特征：为保证捆扎包装的工作效率，高温用捆带应该具有良好的卷形。要求是圆形特征明显，没有自动散卷和塌卷现象，无明显的侧弯，外形美观（见图4B）。因此，必须严格控制原料的板形，不能出现边浪、中间浪、瓢曲、回弹等缺陷。同时，生产时应制定合理的轧制、平整、精整工艺。钢带在卷取时，要保证张力和运行速度，以及原料外径和产品卷径之间互相匹配。

（九）性价比

性价比关系到产品能否得到大范围推广应用。提高性价比简单地说就是降低成本的同时维持或提高产品质量。以当前的市场行情进行初步测算，“抗拉强度≥980 MPa，延伸率≥10%，反复弯曲次数≥4次，进销差价≥1千元/吨”可以作为衡量产品性价比是否合理的一个简单判据。

对一般的中小型民营捆带企业来讲，以价格相对低廉的优质碳素结构钢作为原料钢种，直接购买其冷硬卷，采用低能耗的非调质热处理工艺进行生产，理论上总成本要低一些。当然也要看到，高温用捆带是一种高性能的产品，生产难度较大导致产生一些废次材也是无法完全避免的（图5），关键是要进行严格的质量控制，尽可能提高产品成材率，减少钢耗和浪费，切实做到“环境友好，资源节约”。[15]