孟慶義?巨偉鋒?張洪杰?趙光?徐寬

摘 要：20年以來(lái)，受政策和環(huán)境的雙重影響鋼材市場(chǎng)逐漸低迷，各大鋼鐵企業(yè)都面臨著產(chǎn)線(xiàn)、產(chǎn)品轉(zhuǎn)型的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。基于Grade50板材在熱軋規(guī)格切換過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，結(jié)合客戶(hù)端質(zhì)量問(wèn)題識(shí)別、材料性能分析以及產(chǎn)線(xiàn)工藝監(jiān)控等手段，對(duì)厚規(guī)格板材出現(xiàn)的組織、性能不均勻等問(wèn)題進(jìn)行了深入剖析，基本判定貝氏體含量偏高、材料斷后延伸率不穩(wěn)定是造成客戶(hù)端鞍座件沖壓開(kāi)裂的直接原因。同時(shí)依托于板材生產(chǎn)過(guò)程中的貝氏體轉(zhuǎn)變機(jī)理及組織特性分析，圍繞冷卻速率控制對(duì)板材性能的影響，制定了降低軋制速率、調(diào)整層冷模式、規(guī)范工藝監(jiān)控等多項(xiàng)產(chǎn)線(xiàn)工藝優(yōu)化措施，有效地提升了材料組織性能穩(wěn)定性及客戶(hù)端應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：Grade50；問(wèn)題識(shí)別；組織分析；貝氏體；工藝研究

CRACKING ANALYSIS AND PROCESS OPTIMIZATION OF GRADE50 SLAB WITH THICK SPECIFICATIONS

Meng Qingyi Ju Weifeng Zhang Hongjie Zhao Guang Xu Kuan

（Technology Center of Tangshan Iron and Steel Co.，Ltd. Tangshan 063016， China）

Abstract：In the past 20 years， the steel market has been gradually depressed due to the dual influence of policy and environment， and the major steel enterprises are facing the severe challenge of production line and product transformation. In this paper， based on the quality problems that occur in Grade50 slabs during the hot rolling specification switching process， combining with the client quality problem identification， material performance analysis and production line process monitoring， this paper makes an in-depth analysis of the uneven organization and performance of thick specification slabs. It is concluded that high bainite content and unstable elongation after fracture are the direct causes of stamping cracking of client saddle parts. Based on the analysis of bainite transformation mechanism and microstructure characteristics in the production process of sheet metal， focusing on the influence of cooling rate control on the properties of sheet metal， a number of production line process optimization measures such as reducing the rolling rate， adjusting the layer cooling mode and standardizing the process monitoring were developed， which effectively improved the stability of material microstructure and properties and the application effect of client.

Key words：grade 50; problem identification; microstructure analysis; bainite; process research

0 前 言

我國(guó)是產(chǎn)鋼大國(guó)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)2020年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量達(dá)到了10.65億t，其中中高強(qiáng)鋼就占比20%[1]。而其中Grade50 是極具代表性的鋼種，主要用于橋梁、車(chē)輛、船舶、建筑等多個(gè)行業(yè)。20年以來(lái)受各方面因素影響鋼鐵市場(chǎng)日漸低迷，各大鋼廠粗鋼產(chǎn)量逐漸收緊，為緩解、應(yīng)對(duì)當(dāng)前局勢(shì)各大企業(yè)紛紛進(jìn)行了產(chǎn)線(xiàn)、產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型，而隨著相關(guān)進(jìn)程的推進(jìn)各種質(zhì)量問(wèn)題又隨之出現(xiàn)。本文主要針對(duì)厚規(guī)格Grade50板材在熱軋規(guī)格切換過(guò)程中出現(xiàn)的生產(chǎn)、質(zhì)量問(wèn)題，從問(wèn)題識(shí)別→性能分析→工藝優(yōu)化進(jìn)行了全流程剖析，從客戶(hù)端、材料端、產(chǎn)線(xiàn)等多角度進(jìn)行了深入研究，不僅指出了板材軋制規(guī)格切換過(guò)程中冷卻工藝與板材厚度的不匹配性問(wèn)題，同時(shí)也為產(chǎn)線(xiàn)優(yōu)化、工藝提升提供了建議。

1 質(zhì)量問(wèn)題識(shí)別

某單位沖壓廠生產(chǎn)卡車(chē)鞍座用材料Grade50，規(guī)格7.0 mm×1 800 mm。在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品沖壓開(kāi)裂，致多件產(chǎn)品嚴(yán)重開(kāi)裂、無(wú)法使用報(bào)廢處理，給客戶(hù)造成嚴(yán)重的損失，現(xiàn)場(chǎng)缺陷照片如圖1所示。

從開(kāi)裂表象來(lái)看，開(kāi)裂部位主要集中于R角和加強(qiáng)筋處：R角處變形量大，開(kāi)裂明顯；加強(qiáng)筋處變形量小，裂紋尺寸也較小，有時(shí)肉眼難以察覺(jué)，但通過(guò)著色探傷后可以發(fā)現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，調(diào)整沖壓參數(shù)、涂油量等相關(guān)成型工藝開(kāi)裂現(xiàn)象并未得到明顯優(yōu)化，基本判定開(kāi)裂主要由材料性能波動(dòng)造成。

2 組織、性能分析及討論

為進(jìn)一步明確產(chǎn)品開(kāi)裂的根本原因，就客戶(hù)提供的相關(guān)開(kāi)裂樣品及正常件進(jìn)行了取樣分析，并初步制定了包括成分、組織、拉伸等試驗(yàn)在內(nèi)的問(wèn)題分析方案。

正常板和開(kāi)裂板的化學(xué)成分如表1所示。

從成分角度來(lái)看，正常板、開(kāi)裂板的數(shù)值差別不大，基本滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)成分需求。

為進(jìn)一步深入分析板材內(nèi)部金相組織與樣件開(kāi)裂之間的關(guān)系，分別取樣正常板料及開(kāi)裂板料的邊部及心部進(jìn)行試樣，對(duì)比其組織構(gòu)成及分布情況，不難發(fā)現(xiàn)正常板中心部位組織在板寬的不同部位差別較小，同時(shí)其材料均勻性也更為優(yōu)異，鐵素體和貝氏體含量差別不大，如圖2所示。

反觀開(kāi)裂板料在板寬邊部的表面鐵素體含量明顯高于板寬中心部位，同時(shí)開(kāi)裂板相同板寬部位沿厚度方向的組織均勻性也較差，從邊部到心部鐵素體含量逐漸減少，貝氏體含量逐漸增加。

從材料拉伸性能試驗(yàn)來(lái)看，開(kāi)裂板料在板寬位置的橫、縱向斷后伸長(zhǎng)率相差11.5%，同時(shí)其寬度方向不同部位（板寬邊部、板寬中心）的縱向試樣強(qiáng)度和塑性亦存在明顯差別（抗拉相差32 MPa、屈服差54 MPa，伸長(zhǎng)率相差9%），如表2所示。

綜合上述相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，正常板和開(kāi)裂板在組織和性能上確實(shí)存在一定差異。與正常板料相比開(kāi)裂板本身的顯微組織和性能均勻性相對(duì)較差，貝氏體含量明顯高于前者，同時(shí)裂板本身的板寬不同部位以及橫縱向性能差別較大，斷后伸長(zhǎng)率差異顯著（橫向伸長(zhǎng)率相差9%）。貝氏體含量偏高、斷后延伸率不穩(wěn)定也是造成鞍座件沖壓開(kāi)裂的直接原因。

3 機(jī)理及產(chǎn)線(xiàn)工藝研究

3.1 貝氏體的產(chǎn)生機(jī)理分析

鋼中貝氏體是過(guò)冷奧氏體在珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變之間的中溫區(qū)域的分解產(chǎn)物，一般為鐵素體和碳化物組成的兩相混合物。貝氏體既有珠光體轉(zhuǎn)變的某些特征，又有馬氏體轉(zhuǎn)變的某些特征，這給貝氏體帶來(lái)復(fù)雜的相變性質(zhì)和多樣的組織形態(tài)。影響貝氏體組織形態(tài)除內(nèi)在因素諸如鋼的化學(xué)成分和母相組織以外，外在因素即熱加工工藝也是至關(guān)重要的因素[2]。

結(jié)合產(chǎn)線(xiàn)板材生產(chǎn)過(guò)程中貝氏體的產(chǎn)生機(jī)理分析，在珠光體轉(zhuǎn)變溫度與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度形成的區(qū)間溫度范圍內(nèi)，過(guò)冷奧氏體發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。同時(shí)根據(jù)貝氏體的不同形態(tài)又分為上貝氏體和下貝氏體。上貝氏體轉(zhuǎn)變溫度在350～600 ℃之間，呈羽毛狀，在顯微鏡下觀測(cè)是由許多互相平行的過(guò)飽和鐵素體片和分布在片間的斷續(xù)細(xì)小的滲碳體組成的混合物，其硬度較高可達(dá)HRC40-45[3]。但由于其鐵素體片較粗，因此塑性和韌性較差，其含量的增高也會(huì)造成鋼帶力學(xué)性能的波動(dòng)。而下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度在230～350 ℃之間，呈雙凸透鏡狀，在顯微鏡下可以觀測(cè)到下貝氏體中碳化物的形態(tài)，它們細(xì)小、彌散，呈粒狀或短條狀，沿著與鐵素體長(zhǎng)軸成55°～65°角取向平行排列，但由于形成溫度偏低，結(jié)合板材軋制溫度區(qū)間范圍其對(duì)材料組織、性能影響有限，故本文所述貝氏體均為上貝氏體。由CCT組織轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)分析，影響冷卻后貝氏體組織比例的原因主要受冷卻速率影響。隨著冷卻速度的增大鐵素體晶粒明顯細(xì)化珠光體在組織中更為彌散地分布；冷卻速度進(jìn)一步增大時(shí)，鐵素體體積分?jǐn)?shù)減少，珠光體消失，組織中出現(xiàn)了板條貝氏體和粒狀貝氏體[4]，當(dāng)冷卻速度達(dá)到30 s時(shí)，除在原奧氏體晶界析出的少量仿晶界形鐵素體外，其余組織均為貝氏體。

故初步分析開(kāi)裂板材由于規(guī)格較厚，在寬度及厚度方向上冷卻速率存在明顯差異：邊部冷卻速率高于心部，表面冷卻速率高于內(nèi)部。同時(shí)基于貝氏體組織產(chǎn)生機(jī)理從金相組織角度也不難看出，板材邊部及表面的貝氏體含量明顯偏高，是造成材料組織、性能不均勻性的根本原因。

3.2 冷卻速率控制研究

結(jié)合帶鋼產(chǎn)線(xiàn)工藝情況，軋線(xiàn)控制鋼帶冷卻速率主要通過(guò)層流冷卻（簡(jiǎn)稱(chēng)“層冷”）工序?qū)崿F(xiàn)，對(duì)層冷工序與冷卻相關(guān)的參數(shù)控制情況進(jìn)行調(diào)查分析：

1）缺陷產(chǎn)生時(shí)間段。

調(diào)查缺陷板材7.0 mm×1 800 mm規(guī)格Grade50熱卷生產(chǎn)情況，自該規(guī)格板材生產(chǎn)開(kāi)始，統(tǒng)計(jì)缺陷趨勢(shì)如圖4所示。

質(zhì)量標(biāo)記1代表缺陷發(fā)生，統(tǒng)計(jì)2021年數(shù)據(jù)，在11月份發(fā)生缺陷，其他月份未發(fā)生，對(duì)11月份可能影響冷卻速率變化的因素進(jìn)行跟蹤分析。

2）冷卻速率統(tǒng)計(jì)。

冷卻速率=溫度變化量÷冷卻時(shí)間，用終軋溫度平均值減去卷取溫度平均值代表溫度變化量，用精軋F(tuán)7出口速度為鋼帶在層冷運(yùn)行速度，層冷段長(zhǎng)度結(jié)合產(chǎn)線(xiàn)實(shí)際按照130 m測(cè)算，估算冷速。調(diào)查2021年該規(guī)格的工藝參數(shù)調(diào)整情況，截取穩(wěn)定控制參數(shù)相同的時(shí)間段，同時(shí)環(huán)境溫度相近，選取以上兩個(gè)月的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析：

如圖5所示，在終軋溫度、卷取溫度設(shè)定目標(biāo)不變的前提下，后者冷卻速率比前者高0.12 ℃/s，相對(duì)于前者0.71 ℃/s提高17%。

3）對(duì)冷卻速率影響因素進(jìn)行對(duì)比。

結(jié)合圖6、圖7來(lái)看，在終軋溫度、卷取溫度設(shè)定目標(biāo)不變的前提下，產(chǎn)線(xiàn)11月份實(shí)際控制終軋溫度平均比10月份低5 ℃，卷取溫度比10月份平均低10 ℃，并且溫度波動(dòng)范圍變大。

綜合上述分析，通過(guò)對(duì)開(kāi)裂缺陷按月份分布及冷速估算的跟蹤測(cè)算，初步判定開(kāi)裂板材在終軋溫度、卷取溫度設(shè)定目標(biāo)不變的前提下，卷取溫度實(shí)際控波動(dòng)范圍大，造成鋼帶貝氏體含量比正常水平增多，組織不均勻出現(xiàn)沖壓開(kāi)裂缺陷。

4 工藝優(yōu)化

通過(guò)對(duì)目標(biāo)材料在精軋后層冷階段的組織轉(zhuǎn)變機(jī)理進(jìn)行了深入剖析并結(jié)合Grade50材料試樣的成分、拉伸、金相等試驗(yàn)結(jié)果分析，初步確定了帶鋼心部與邊部貝氏體組織量存在差異是造成相關(guān)鋼種厚規(guī)格材料通寬方向性能差異明顯的直接因素。同時(shí)也明確了相關(guān)板材生產(chǎn)過(guò)程中薄、厚規(guī)格切換相關(guān)工藝調(diào)整不及時(shí)，層冷工藝控制工藝不穩(wěn)定，材料內(nèi)部潛熱嚴(yán)重、心部與邊部溫差大的問(wèn)題。綜合分析組織轉(zhuǎn)變以及相關(guān)問(wèn)題點(diǎn)基本確認(rèn)材料組織異常析出的主要因素主要集中于帶鋼軋制速度、層冷冷卻速率、材料厚度等三方面，結(jié)合單位產(chǎn)線(xiàn)實(shí)際情況初步制定了相關(guān)措施：1）結(jié)合產(chǎn)線(xiàn)及客戶(hù)需求，根據(jù)材料厚度的變化適當(dāng)調(diào)整、降低軋制速率，間接降低材料冷卻速率，延長(zhǎng)冷卻時(shí)間；2）層冷模式由密集冷卻改為稀疏冷卻，通過(guò)調(diào)整層冷冷卻水量，直接調(diào)整冷卻工藝，保證材料冷卻穩(wěn)定性；3）嚴(yán)格執(zhí)行層流工藝規(guī)范，加強(qiáng)對(duì)故障閥、集管水流量的監(jiān)控。

通過(guò)對(duì)相關(guān)措施的逐步投用，材料組織性能穩(wěn)定性得到了有效提升。

綜合圖8，對(duì)比試制樣品與原材料樣品的金相組織情況可知，試制板的顯微組織均勻性明顯優(yōu)于原材料試樣，且其貝氏體含量更加符合材料組織設(shè)計(jì)原則。同時(shí)根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，試制樣品材料拉伸性能明顯優(yōu)于原材料，同時(shí)由于對(duì)材料貝氏體組織的優(yōu)化，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別降低了30～40 MPa，材料整體成型性能得到大幅度提升。

5 結(jié) 論

本文對(duì)厚規(guī)格Grade50板材在客戶(hù)端的應(yīng)用缺陷情況進(jìn)行了表述，結(jié)合材料組織性能及產(chǎn)線(xiàn)工藝分析對(duì)板材開(kāi)裂原因及工藝優(yōu)化方向進(jìn)行了研究，其結(jié)論如下：

1）Grade50厚規(guī)格板材內(nèi)部組織不均勻、貝氏體組織偏高是造成材料性能不穩(wěn)定，客戶(hù)端沖壓開(kāi)裂的根本原因。

2）在終軋溫度、卷取溫度設(shè)定目標(biāo)不變的前提下，卷取溫度實(shí)際控波動(dòng)范圍大是厚規(guī)格Grade50板材軋制過(guò)程內(nèi)部潛熱嚴(yán)重、貝氏體異常析出偏離設(shè)計(jì)組織構(gòu)成的主要原因。

3）通過(guò)調(diào)整層流冷卻工藝，將層冷模式由密集冷卻改為稀疏冷卻，加強(qiáng)層冷工藝段的故障發(fā)閥監(jiān)控，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)工藝流程能夠有效地改善厚規(guī)格材料軋制過(guò)程中出現(xiàn)的性能不均勻性問(wèn)題，改善厚規(guī)格板材軋制材料組織不均勻性問(wèn)題。

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