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2024年, 第41卷, 第2期 刊出日期:2024-04-28
  

  • 全选
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    特约综述
  • 王国栋, 田勇, 矫志杰, 李家栋, 孔祥伟, 袁国, 付天亮, 邓想涛
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    工程机械行业近年来发展迅猛,带动了上游钢铁行业在工程机械用钢生产方面的技术进步。我国钢铁企业基于工程机械行业的迫切需求,与高校和科研院所联合,开发出系列关键共性技术:(1)针对特厚规格钢板生产中面临的压缩比不足问题,开发出液芯大压下技术和“温控-形变”耦合轧制工艺,促进变形向钢板中心渗透、改善了其心部缩孔、疏松缺陷;(2)开发出超快冷技术,实现了工程机械用钢组织和性能在线调控;(3)开发出极薄、特厚规格离线淬火装置,解决了厚板冷却能力不足、薄板板形不良等热处理瓶颈问题;(4)开发出薄与极薄规格钢板在线热处理工艺和装备,实现了工程机械用钢的绿色化生产;(5)运用数字化手段,基于热轧过程极为丰富的大数据,解决了工程机械用钢生产中稳定性不足的问题。介绍了以上关键共性技术及其应用,实现了高强、高韧、特厚、极薄等各类工程机械用钢的批量稳定生产。此外,还介绍了我国典型工程机械用钢产品的研发历程,分析了国内知名钢企在工程机械用钢开发和推广过程中的高性能化和品牌化战略路线,探讨了工程机械用钢全生命周期循环利用策略。通过“产、学、研、制、用”协同攻关合作,我国钢铁企业开发出满足工程机械关键原材料制造需求的各类钢铁材料,促进了相关行业发展,提升了我国工程机械行业的国际竞争力。
  • 研究与开发
  • 唐郑磊, 王福明, 许少普, 李忠波, 张阳, 郭然
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    国内传统的特厚板热处理方式为调质处理,钢板表面为索氏体组织,心部为索氏体、贝氏体组织,可以获得较为理想的强度,但由于特厚板厚度较大,厚度方向组织不均匀,无法获得优良的韧性。采用Q550D低碳贝氏体钢的化学成分设计并采用QLT(淬火+两相区亚温淬火+回火)热处理工艺,引入未溶铁素体相,使钢板获得贝氏体+铁素体的均匀混合组织,在保证强度的基础上进一步提高了韧性,进而获得优良的综合性能。研究了不同单相区淬火温度、两相区亚温淬火温度及回火温度下试样的组织与性能,得出Q550D特厚板最佳的热处理工艺:925 ℃淬火+830 ℃两相区亚温淬火+640 ℃回火。
  • 赵晓敏, 银志军, 涛雅, 胡波, 牛斌, 石龙
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    为研究稀土元素对过共析钢非金属夹杂物和显微组织的作用机理,在过共析钢中添加了少量的稀土Ce元素,通过冶炼控制O、S含量,保证了稀土Ce元素在钢中的收得率,研究了稀土Ce元素对过共析钢拉伸性能、非金属夹杂物、珠光体片层间距等的影响。结果表明:与稀土Ce元素结合的非金属夹杂物尺寸约为5 μm,加入少量稀土Ce元素可以使氧化物类夹杂物形貌发生变化;消除过冷度对珠光体片层间距的影响后,稀土Ce元素可以使过共析钢的抗拉强度提高19 MPa,面缩率降低2%;添加与未添加稀土Ce元素的过共析钢盘条性能不同,主要与珠光体片层间距的大小和均匀性有关,稀土Ce元素的添加可以细化、均匀珠光体片层间距,提高过共析钢盘条的同圈性能均匀性。
  • 欧阳鑫, 姚震, 张坤, 胡昕明, 邢梦楠, 隋广雨
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    针对大型原油储罐用12MnNiVR钢板超声无损探伤不合格的问题,采用金相显微镜、扫描电镜及能谱分析等手段对探伤波形异常的钢板和同炉连铸坯进行取样分析,明确了钢板探伤不合格的原因,并提出了相应的改进措施。结果表明:12MnNiVR连铸坯厚度方向出现明显的H元素偏析而导致基体组织结合力降低,且在轧制变形时由于位错滑移和塞积引起应力集中,产生低应力开裂,形成微裂纹并迅速扩展,导致了钢板探伤不合格;连铸坯内部存在较严重的合金元素偏析,偏析带中富集的(Nb,Ti)C导致其内部产生微裂纹,并在后序轧制过程中进一步扩展,造成钢板探伤不合格;大尺寸的MnS夹杂物在连铸坯的微裂纹和疏松中偏聚,严重影响钢板探伤结果;连铸坯中存在等级较高的疏松缺陷,在轧制过程中未完全焊合,作为裂纹源在钢板热处理冷却过程中扩展开裂,也是造成钢板探伤不合格的主要原因。通过延长VD真空处理时间,降低浇注过冷度,延长LF炉精炼时间,优化TMCP两阶段轧制工艺等措施,连铸坯内部质量得到明显改善,钢板探伤合格率由原来的86.7%提高至98.8%。
  • 项宁, 李海军, 宁新禹, 李睿昊
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    采用热芯大压下工艺可以消除大方坯芯部疏松、缩孔缺陷,然而大方坯应力状态复杂多变,符合大压下变形过程的断裂判据匮乏,制约了热芯大压下工艺的工业化应用。以GCr15大方坯为研究对象,通过设计异形压缩试样获取材料变形时不同的应力状态演化路径,还原了大方坯大压下过程复杂受力情况,建立了适用于热芯大压下轧制工艺的表面裂纹判据;结合大方坯芯部孔洞压合实验有限元模拟,分析了热芯大压下轧制时孔洞形状演变和表面开裂风险。结果表明:得益于热芯大压下大方坯的厚向温度梯度,压下率越大,对于铸坯芯部缺陷的改善效果越明显。当压下率为33.3%时,铸坯芯部孔洞实现完全闭合,且此时铸坯表面实际损伤值低于临界损伤值,不会产生新的表面裂纹缺陷。
  • 邢梦楠, 胡昕明, 杨雨泽, 欧阳鑫, 刘晨希
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    为进一步研究固溶热处理工艺对316L低碳奥氏体不锈钢性能的影响,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电子万能试验机等设备研究了不同固溶热处理工艺条件下316L不锈钢的显微组织和力学性能。结果表明:在1 080~1 150 ℃固溶温度和60~300 min固溶时间范围内,随着固溶热处理温度的升高、固溶热处理时间的延长,316L奥氏体不锈钢强度降低,伸长率增大,硬度值整体变化不大,冲击功呈上升趋势;316L奥氏体不锈钢组织中小角度晶界和大于45°的大角度晶界占比相对较大,大角度晶界能阻碍裂纹扩展,小角度晶界能降低界面能,对316L奥氏体不锈钢的强化产生积极作用;采用1 080 ℃、60 min固溶热处理后,316L奥氏体不锈钢的屈服强度为264 MPa,抗拉强度为553 MPa,伸长率为61%,布氏硬度值为141HBW,20 ℃冲击功可达306 J,晶间腐蚀性能合格,综合性能优异。
  • 耿梓洪, 展英姿, 王克柱, 李贺, 丁桦, 张晓明
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    针对某企业在生产DC03冷轧板过程中,其热轧带钢酸洗后表面出现氧化铁皮针孔缺陷的问题,结合现场开展了理论和实验研究工作。首先对现场实物进行取样分析,认为在精轧过程中氧化铁皮被压入到带钢表面是造成氧化铁皮针孔缺陷形成的主要原因。为了进一步探究这一缺陷的形成机制,在实验室对DC03钢进行了温度为830~1 080 ℃的氧化动力学实验和氧化铁皮高温变形实验。结果表明:该钢的氧化激活能较低,在精轧温度范围内容易产生较厚的氧化铁皮,而且随着温度的升高,氧化铁皮中FeO所占比例提高,氧化铁皮的塑性改善。当精轧温度较低时,氧化铁皮破碎严重,氧化铁皮很容易被压入到基体中,形成氧化铁皮针孔缺陷,而随着轧制温度的升高,氧化铁皮的塑性逐步改善,当达到一定温度时,氧化铁皮能很好地随基体变形,使氧化铁皮保持相对较好的完整性。基于上述研究结果,针对现场实际,提出了适当提高轧制速度和严格控制终轧温度等改进措施,氧化铁皮的厚度及塑性得到有效控制,彻底消除了DC03冷轧基料氧化铁皮针孔缺陷。
  • 赵千龙, 苏福永, 李斌, 李存旺, 范光炎
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    线材轧后斯太尔摩风冷过程对其最终组织性能非常关键,而奥氏体相变与温度场的双向耦合是线材风冷过程温度场预测的一大难题。为此,对斯太尔摩风冷过程中线材温度场及相变进行了研究,建立了线材风冷过程的三维模型及相变动力学数学模型。采用CFD模拟的方法对换热系数进行求解,发现线材搭接点区域换热系数远小于非搭接点区域,并且搭接点区域换热系数随时间呈周期性变化。通过模拟计算得出线材同一截面上下表面换热系数相差70~100 W/(m2·K)。采用有限差分法对线材相变动力学及线材在风冷条件下温度场的数学模型进行计算,得到线材温度场分布,发现线材在风冷过程中温差最大为30~50 ℃,与现场测量数据非常吻合,这表明模型可以用于工业生产线材风冷冷却过程温度场和相变过程的预测。
  • 李硕, 于洋, 宋浩源, 马家骥, 李明远, 武巧玲
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    随着冷轧产品规格的拓展,冷轧机组的板形控制能力面临极大压力和挑战。针对行业内较难解决的低碳钢薄窄规格碎边浪问题,以某冷轧厂1 970 mm酸轧机组带钢板形为研究对象,试验和仿真结合对该问题进行了研究。结果表明:薄窄规格碎边浪缺陷是在上游机架产生,并在下游机架缺陷板形逐渐被消化遗传到出口形成的。碎边浪的产生原因:一方面由于低碳钢精轧过程中边部温降过快容易导致边部粗晶,使得边部相较于中部硬度低约15HRB;另一方面由于轧制薄规格带钢的过程中工作辊会产生更大的挠曲和弹性压扁,且宽幅轧机轧制窄规格带钢过程中轧机对辊缝凸度的调节能力有限,使得薄窄规格带钢更容易发生局部延伸不均。为此,针对全流程提出了改善碎边浪的一系列措施,包括设计边部带锥度的工作辊辊形以及VCL支撑辊辊形以减少边部区域金属的延伸,降低五机架轧机轧制力以提高对碎边浪的消化能力,对酸轧入口带钢进行切边处理或采用边部加热工艺以改善边部、中部组织性能均匀性等措施。试验结果表明:采用边部加热工艺相较于增大装钢间隙(至200 mm)、提高终轧温度(10 ℃)等措施对改善带钢宽度方向温度分布均匀性效果显著,冷轧带钢板形IU值降低43%,改善效果与冷轧前进行切边处理相当。将优化措施在现场固化后,厚度0.8 mm、宽度1 250 mm以下薄窄规格带钢碎边浪缺陷发生率由40%降至0.5%,板形控制水平在1 IU左右。
  • 刘广会, 徐呈亮, 秦汉成, 蒋光锐, 刘全利
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    为了使热镀锌产品获得更好的耐腐蚀性能,通过感应熔炼制备了3种不同Mn含量的Zn-Al-Mg合金铸锭,分别为Zn1Al1Mg0.5Mn、Zn1Al1Mg1.2Mn、Zn1Al1Mg2.5Mn,并分析了其凝固组织和腐蚀行为。结果表明:通过相图计算预测了含Mn的Zn-Al-Mg合金中Al-Mn化合物类型为Al11Mn4、Al8Mn5、Al0.8Mn;Zn1Al1Mg0.5Mn、Zn1Al1Mg1.2Mn合金的Al-Mn析出相分别为Al11Mn4、Al8Mn5,随着Mn含量的增加,Zn1Al1Mg2.5Mn合金中的Al-Mn析出相为Al8Mn5和Al0.8Mn,其中Al11Mn4和Al8Mn5相主要在共晶组织中析出,Al0.8Mn主要在纯锌相内部析出;随着Mn含量的增加,自腐蚀电流密度降低,阻抗值增加,Zn1Al1Mg2.5Mn合金的耐腐蚀性最佳。这是因为Zn1Al1Mg2.5Mn合金中具有六方晶系结构的Al0.8Mn弥散分布在纯锌相中,所产生的析出强化效应使合金的凝固组织更为细化,并且在腐蚀过程中能生成致密的氧化膜,减缓合金镀层的腐蚀速率,因此提高了合金的耐腐蚀性能。
  • 杨峰, 李杨, 王朝, 路洪洲, 汪健, 桂林涛
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    为研究实际工业应用中不同微合金化方式对2 GPa热成型钢折弯性能和氢致延迟开裂性能的影响,在模具热冲压后,对采用Nb-Ti和V-Ti两种微合金化方式的2 GPa热成型钢的上述能进行了表征。结果表明:Nb-Ti微合金钢的折弯与氢致延迟开裂性能要优于V-Ti微合金钢,无镀层微合金钢的折弯与氢致延迟开裂性能要显著优于铝硅镀层钢;与V-Ti微合金化相比,Nb-Ti微合金化的细晶作用、更加细小的析出物尺寸、片状或细条状的析出物形貌、淬火后马氏体的特殊亚结构均有利于提高2 GPa热成型钢的折弯与氢致延迟开裂性能;铝硅镀层硬而脆的特征与对氢扩散的“封闭”作用,削弱了铝硅镀层钢的折弯与氢致延迟开裂性能。
  • 吕家舜, 徐闻慧, 杨洪刚, 金勇, 王永明, 徐承明
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    Al-Si镀层热冲压用钢越来越多的被应用于汽车行业,为探究冲压前的再加热工艺对Al-Si镀层微观组织的影响,对22MnB5冷轧基板进行了热浸镀实验,利用扫描电镜、激光共聚焦显微镜、辉光光谱仪、电子探针、X-射线衍射仪研究了在不同保温温度下Al-Si镀层微观组织的演变规律。结果表明:随保温温度的升高,镀层Fe含量逐渐升高,其质量分数最高可达到50%以上,在900 ℃以上时Al、Fe的质量分数比基本固定;Al元素向Fe基体渗透的深度可达30 μm;镀层中的物相包括Al-Fe二元合金相、Al-Fe-Si三元合金相。
  • 张阳阳, 王林, 张栋, 李明远, 于洋, 王贤贤
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    DP590是冷轧高强钢代表性产品之一,对其生产工艺要求极为严格。生产中由于存在带钢边部温降,其边部、中部力学性能波动较大,然而沿带钢宽向的全域力学性能评价是生产工艺参数调整的重要参考。目前采用的抽样、有损检测方法不能满足性能沿带钢宽向整体、全域的评价要求。微磁检测是一种无损、高效的性能评价方法,基于微磁原理,采集得到的多种磁特征与相应位置的力学性能相关。选用首钢顺义冷轧公司生产的DP590高强钢为研究对象,分析了多种微磁特征与其屈服强度、抗拉强度及断后伸长率(A80)之间的相关性,利用神经网络方法建立了相应的定量预测模型,模型预测精度在93%以上,可用于实际生产。
  • 设计与改造
  • 郑晓, 张泽琳, 张欢, 王蕾, 夏绪辉
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    为研究辊子间距对带材拉矫工艺的影响,理论分析了辊子间距和带钢曲率、弯曲辊载荷之间的解析关系。针对“两弯两矫”下的SPCC带钢拉矫工艺,结合有限元计算建立了弯曲辊载荷、带钢伸长率和辊子间距、辊子插入量之间的数学模型,研究了辊子间距对弯曲辊载荷、带钢伸长率的影响规律。结果表明:弯曲辊载荷、带钢伸长率均随辊子间距的增大而减小,且随着辊子插入量的增大,辊子间距对弯曲辊载荷、带钢伸长率的影响逐渐增大;在给定工艺参数空间内,变辊子间距可扩大带钢伸长率控制范围。基于“大张力小插入量”的工艺设计原则,研究了目标伸长率控制下的辊子间距设计方法,对比分析了设计辊子间距31.1 mm与产线辊子间距28.6 mm下的工艺参数,研究表明入口侧张力增大18.6%,弯曲辊载荷减小28.8%,通过辊子间距与工艺参数的组合设计,有效降低了弯曲辊载荷,有利于延长弯曲辊系的使用寿命。
  • 乔松, 李福平, 刘德红, 蔡茗宇, 孙卫华
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    采用炉卷轧机生产宽幅薄规格中厚板可以在轧制过程中进行在线保温处理,具有钢板组织性能均匀和生产效率高的优点。阐述了山东钢铁集团日照有限公司3 500 mm炉卷产线工艺装备技术的自主研发工作,系统介绍了超大宽厚比薄规格中厚板高精度控制和炉卷轧线数智控制的主要成果和创新点。通过工艺创新及多维度多模态的热轧全流程数字驱动智能控制技术的开发,实现了超大宽厚比薄规格中厚板高稳定性、高均质化生产,带来了良好的经济社会效益。
  • 自动化与智能化
  • 邱碧涛, 但斌斌, 肖涵, 阮金华, 袁锐
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    轧机刚度对热轧带钢厚度、板形控制等有重要影响,轧机牌坊与辊系轴承座之间间隙变化引起的辊系轴线交叉是导致轧机刚度变化的主要因素。为此,以某精轧机为研究对象,建立了轧机的数值仿真模型,并以轧机设计刚度对模型正确性进行验证。基于该仿真模型,采用正交试验方法,通过修改轧机牌坊与辊系轴承座之间的间隙,计算不同辊系轴线交叉状态下的轧机刚度值,构建了训练数据集。采用BP神经网络建立间隙与轧机刚度之间的非线性映射数学模型,实现了轧机刚度预测。现场的刚度试验和轧机刚度调整实践均验证了该模型的可靠性。该模型为轧机刚度精确预测、轧机牌坊和辊系轴承座间隙调整以及轧机精度智能调整提供了理论依据。
  • 秦红波, 郑立康
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    热轧带钢卷取温度控制过程中,带钢速度是最重要的影响因素之一。当带钢尾部离开精轧末机架后,带钢速度由轧辊线速度转化为卷取机芯轴速度,复杂的卷取过程影响了带钢速度的稳定,导致带钢尾部卷取温度控制出现严重偏差。为了解决该问题,将温度模型、张力扭矩模型以及热轧生产大数据进行有机结合并进行了系统性分析。结果表明:卷取机芯轴张力控制异常是造成带钢卷取温度偏差的主要原因。因此,开发了卷取机芯轴张力报警功能,细化了芯轴张力与夹送辊压力控制的带钢厚度层别,优化了控制参数以保证带钢速度稳定,同时开发了带钢尾部卷取温度补偿模型。结合多目标优化,取得了较好的应用效果,带钢尾部温度超差占比下降3.26%,卷取温度命中率提升2.29%,为全面解决带钢通长方向卷取温度命中率提供了新的技术方案。
  • 徐芳, 王文广, 艾矫健, 李东宁, 王元嵩
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    针对首钢京唐1 580 mm产线精轧高速钢工作辊多次上机服役中因局部磨损而导致带钢板廓缺陷问题,基于TMEIC公司PASolution应用平台和二级系统应用组件特点,通过设计功能架构、建立算法模型和规划数据流程,在二级系统中设计开发了精轧高速钢工作辊磨损评估功能,实现了高速钢轧辊在线磨损的预测和累积磨损状态的评级。评级结果引入轧辊管理系统参与上机服役标准的判定,有效避免了不满足标准的高速钢轧辊继续上机服役而产生的质量缺陷问题。
  • 革新与交流
  • 郭冬青, 杨雄, 林震, 黄利, 王少炳
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    针对压力容器制造业对减薄壁厚、降低造价,同时提高球罐运行安全可靠性的要求,包钢需要尽快开发出符合新版标准的新型正火Q370R高强度压力容器用钢,以持续推动产品技术创新。在对压力容器用钢同类产品技术要求、生产工艺调研的基础上,对Q370R钢冶炼、轧制及正火工艺及其性能进行了研究。Q370R高性能压力容器用钢采用C-Si-Mn系化学成分,并添加Nb、V、Ti等微合金元素,钢板显微组织为珠光体和铁素体,强度、塑性等均满足容器钢标准要求,且强度富裕量适中,-20 ℃下钢板的应变时效冲击功仍在150 J以上。在580 ℃下对正火态Q370R钢板进行PWHT处理,保温2 h和4 h后,Q370R钢板拉伸性能和冲击性能仍表现良好,满足标准和用户的使用要求。
  • 张杰, 吕梁, 王通启
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    针对无头轧制产线薄规格带钢头部在卷取夹送辊穿带时容易飞翘、卷取后产生折叠缺陷的问题,从设备结构和钢种、带钢厚度规格方面分析了造成带钢头部折叠缺陷的成因,并提出了针对性改进措施。结果表明:受产线工艺、设备结构影响,带钢在1#夹送辊穿带时容易撞击出口导板产生飞翘,带钢头部顶在2#夹送辊上辊产生折叠缺陷;折叠缺陷的严重程度受钢种、带钢厚度规格的影响,薄规格、强度低的带钢产品容易产生折叠缺陷甚至造成堆钢事故。通过开发夹送辊偏心功能、对防飞起装置进行改造、优化设备超前率等措施,有效改善了带钢头部折叠缺陷,缺陷发生率由15%下降至1%。
  • 李成亮, 张志鸿, 程斌, 李爱民, 岳章林
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    针对某厂2 250 mm热轧产线带钢在卷取过程中产生椭圆卷缺陷的问题,结合设备状态和生产实际,分析了产生椭圆卷缺陷的原因,并提出了有效的控制措施。结果表明:热轧带钢椭圆卷缺陷产生的主要原因为带钢板形或横断面形状不良、卷形工艺控制和卷取温度控制不合理。通过优化带钢板形和横断面控制,优化带钢头部跟踪,提高卷取张力,采用助卷辊压力控制,优化助卷辊压力设定和芯轴扩张时机,调整卷取温度,改变相变过程等控制措施,使椭圆卷缺陷得到了有效控制,卷形质量得到了大幅提升,提高了产品竞争力。
  • 孙风晓, 康华伟, 高兴昌
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    结合用户个性化需求及钢铁厂工业化生产特点,采用相同的冶炼成分、相近的热轧工艺、不同的冷轧压下率与退火工艺制度,同时生产出S350GD与S550GD两种强度级别的热镀锌带钢。试制生产的S350GD带钢屈服强度在360 MPa以上,抗拉强度在480 MPa以上,断后伸长率A80在20%以上;S550GD带钢屈服强度在560 MPa以上,抗拉强度在640 MPa以上,断后伸长率A80在10%以上;其锌层表面质量与尺寸精度均满足标准与用户要求,实现了S350GD与S550GD热镀锌带钢的柔性化批量稳定生产,提高了生产效率并降低了生产成本。