高强度大梁钢板形改善实践

潘腾 赵松 杨才举

河钢集团邯钢邯宝热轧厂 河北 邯郸 056003

引言

2020年12月16 日召开的中央经济工作会议，首次将碳达峰、碳中和列入新一年的工作任务。汽车工业也要继续围绕节能减排的目标开拓发展，汽车减重是最有力的减排方法。汽车大梁钢是商用车的重要部件，几乎承载了车辆及货物的全部重量。汽车大梁钢板厚度分别减少0.05mm、0.10mm、0.15mm，车身就能减重6%、12%、18%，而增加钢板强度是减小板厚的重要途径[1]。河钢邯钢邯宝热轧厂拥有世界一流的设备和工艺，年设计产能460万吨；可生产船板钢、容器钢、车轮钢、大梁钢等高端品种。自投产以来，一直致力于汽车大梁钢的开发和生产，已经陆续开发420L、510L、610L和700L，其中700L年产量已达到19万吨，热轧700L大梁钢成为邯钢的拳头产品。高强度汽车大梁钢作为汽车用钢的一种重要金属材料，不仅强度级别高，而且具有优良的塑性和焊接性能，以满足汽车大梁加工过程和使用过程的高级别要求[2]。高强度大梁钢市场广阔、产品需求量大、产品利润高，但因板形问题造成的质量异议较多，由此大量的质量损失、市场抱怨，以及给进一步拓展高端市场带来困难。因此对700L高强度大梁钢板形的研究和改善，是进一步提升产品质量和市场开拓的头等问题。

1 板形问题

狭义上的板形就是指板带的平直度，表观现象为单边浪、双边浪、中间浪以及镰刀弯，不同的浪形表现都跟轧制和冷却过程息息相关，产生板形问题的主要原因为生产过程中板带存在残余应力。而广义上的板形，不仅指平直度，还包括板带的凸度、楔形等。根据市场反馈以及加工方式和用途不同，700L的板形问题主要为以下两个方面：

1.1 轧制厚度为5、6mm的边浪问题

一般宽度为1500mm的此类厚度钢卷，先开平切割为13m长的定尺钢板，再纵向切割为450mm左右宽的等宽钢板，作为挂车大梁的立板，严重的边浪问题造成立板焊缝对不上，焊接困难，严重时产生2/3的废品。边浪问题在钢卷开平后肉眼可见，通常在开平后就可判断能否进一步加工使用，严重的边浪问题如图1所示。

图1 700L边浪问题

1.2 轧制厚度≥8mm的侧弯问题

此厚度范围的700L钢卷，在纵剪机组切割为140mm左右的窄条，最外侧两条因镰刀弯严重，也存在焊缝不能对齐的问题。通常厚规格侧弯问题在钢卷生产过程中很难发现，只有切条后才能显现出来。侧弯问题严重影响产品包装和下一步加工使用。一般纵切钢板每两垛包装在一起，如图2所示，侧弯严重的钢板两头或中间无法对齐，间隙量最大可达到50mm。

图2 700L侧弯问题

1.3 影响板形的关键因素

影响板形的关键环节有三个：精轧机轧制过程、层流冷却冷却过程、库内冷却冷却过程。

1.3.1 轧制过程。邯宝热轧厂有2座粗轧机和1套七机架精轧连轧机组，每个轧机的轧制状态都会直接影响成品板形状态；精轧机作为板形控制的关键环节，拥有窜辊和弯辊两个重要的板形控制调节手段，用且拥有高精度的板形预设和反馈调整能力。精轧机组各机架的窜辊位置和弯辊力大小直接影响板带的平直度，因此，精轧机轧制过程是影响板形的关键环节。

1.3.2 层流冷却过程。板带钢在精轧机轧制完毕后，还要经过一个关键的冷却环节。就是在精轧机和卷取机之间的层流冷却。邯钢邯宝热轧厂有22组喷淋，包括20组粗调和2组精调。层流冷却的作用就是将板带从终轧温度冷却至卷取温度，在冷却过程中会发生晶粒和组织变化，最终影响成品的机械性能合力学性能。层流冷却的控制目标是根据实测的板带终轧出口温度、速度、厚度和工艺所确定的冷却速度曲线的要求确定相应的喷水区长度（阀门开启个数）和喷水模式，使卷取温度尽可能地接近工艺所要求的目标卷取温度[3]。不同的终轧温度和卷取温度直接影响层流冷却的冷却速率，进而影响板形控制。

1.3.3 库内冷却过程。成品钢卷下线后温度为600℃左右，在库内自然空冷至常温，温降达到550℃以上。由于带卷内外冷却程度不一，形成了一定的温差，从而会产生相应的热应力，当钢卷内部产生的切向压应力达到一定数值时，会使相应层的板带发生屈曲变形；若热应力超过材料的屈服极限，变形将不可恢复，这样就破坏了已轧制好的板带，进而产生板形问题[4]。

2 改进措施

2.1 精轧机微中浪轧制

常规热轧板带钢均以平直度达到0 I-U为目标，即轧机出口板带平直无翘曲，但在冷却过程中由于边部组织变化，产生了边浪问题。为了改善此问题，精轧机出口的板带头尾保持微中浪，中间部分保持平直。此策略可通过修改目标平直度数值以及手动调整弯辊、窜辊来实现。目标平直度范围：-3~-7 I-U，目标值从0修改为负值，轧制模型会自动计算出合适的窜辊位置和弯辊力，每个机架出口的凸度和板形也会发生变化，精轧机出口的中浪会向着-3~7 I-U自学习和自调整。根据平直度曲线以及现场实际板形来判断板形是否符合要求，平直度曲线测量的浪形范围：5~-30 I-U为最佳，操作员会根据平直度曲线来实时干预，确保其命中。不同温度下的板形表现会有差异，卷取机入口的板形基本能代表成品板形，因此，卷取入口带钢头尾均有可见中浪、带中无边浪为最佳状态。

2.2 层流冷却工艺优化

层流冷却控制的输入信息为终轧温度、卷取温度、带钢速度、层冷水温以及材料导热特性，冷却模型根据上述信息进行自动开启和关闭动作命令，最终使带钢达到设定的卷取温度。在轧制温度一定的情况下。轧制速度又取决于终轧温度的设定；层冷水温的也只在3℃左右波动；同一个钢种的材料导热特性相同；因此，合理设定终轧温度和卷取温度目标值是发挥层流冷却工艺最直接和最有效的办法。

以厚度为5/6mm的700L为例，原设计终轧温度为880℃，卷取温度为610℃，层冷温降为270℃，层流冷却水的开启组数达到8-9组，冷速和冷却强度较大，板形不良。攻关期间，尝试使用终轧温度为860℃，卷取温度为630℃的工艺策略，层冷温降减小至230℃，层冷水开启组数为5-6组。根据后工序检查板形情况来看，边浪问题有所改善，但性能偏低，最终确定为折中的工艺，终轧温度860℃，卷取温度610℃，既降低了冷却强度，又在一定程度上改善了板形控制。

2.3 层冷侧喷改造

改进前的层冷末端为单侧两个侧喷水吹扫，造成带钢单侧瞬时冷却速度增加，进而影响带钢断面的冷却均匀性，给板形控制带来较大的影响。为此，将两个单侧的侧喷水改造为纵向的横喷水，如图3所示，管道安装在距离辊道上方1.5米的位置，安装4个45度喷射角度的喷嘴，吹扫效果良好，避免了温降不均匀造成的板形问题。

图3 层冷侧喷水改造实景

2.4 库内缓冷

钢厂的成品库为了有效快速地冷却钢卷，会在厂房顶部设计通风装置，地面也安装大量的冷却风机，来达到快速降温的目的。但对于高强大梁钢700L来说，钢卷的快速冷却，尤其是边部的快速冷却会造成晶粒组织与中间部分存在差距，进而产生板形问题。

为了减小钢卷在成品库内的冷却速率，在成品库建造挡风墙，用于700L缓冷。如图4所示，挡风墙使用钢结构做支撑，四周铺设耐火棉，起到阻止钢卷热量水平方向扩散的作用。挡风墙内单层放置80个钢卷托盘，双层可存放152个钢卷，钢卷批量生产和集中堆放，可以起到良好的“保温缓冷”功能。缓冷时间48小时，有效减小成品钢卷边部的冷却速率。

图4 库内缓冷挡风墙内景

2.5 其他措施

此外，从精轧机架间冷却水投用数量和水量测试、层流冷却上下水比调整等方面做了大量的试验，进一步研究和改进700L板形控制。针对纵切备料厚规格，投用边部加热器生产，改善精轧出口断面温度均匀性，将层流冷却上下水比优化为1:1.2，层流冷却使用间隔冷却等，改善了纵切侧弯程度，实际侧弯量在20mm以下。

3 结束语

通过目标平直度范围-3至-7 I-U控制，辅助手动干预调整，实现微中浪轧制，杜绝轧制产生边浪缺陷。确定700L的终轧温度860℃，卷取温度610℃，既降低了冷却强度，又改善了层流冷却过程的板形控制。将层流冷却末端两个单侧的侧喷水改造为纵向的横喷水，避免了温降不均匀造成的板形问题。成品钢卷在挡风墙内缓冷48小时，减小钢卷，尤其是边部的冷却速率，避免边部冷却速度过快造成的边浪问题。

通过采用以下措施，邯钢邯宝热轧厂在700L板形改善方面取得了长足的进步，厚度为5/6mm的边浪问题发生率迅速下降，厚度为8mm以上的侧弯宽度减小40%以上，板形质量异议仅同比降低了60%，为降低质量损失以及开拓市场做出了突出的贡献。