以热代冷汽车板开发实践
【摘 要】薄板坯连铸连轧以短流程工艺、薄规格产品著称，在冶金工业节能降耗、提高附加值的发展趋势下，开发以热代冷新产品，进一步开发产品的新市场非常必要。通过对唐钢FTSR生产线产品的性能和表面质量测试，与工业标准进行了对比分析。根据结果，通过控制成分、轧制工艺、退火工艺、数值模拟，对新产品进行测试。结果说明：通过调整成分和优化工艺，热轧板的成形性能良好，可以代替一部分冷轧产品。为薄板坯连铸连轧以热代冷新产品的开发提供了理论和实验基础。
【关键词】薄板坯连铸连轧 以热代冷 汽车内板 产品开发
1.序言
薄板坯连铸连轧是继氧气转炉炼钢及连续铸钢之后，又一重大的钢铁工业的技术革命，是低耗高效、结构紧凑的短流程工艺技术，被誉为钢铁工业的“第三次技术革命”[1]。自1989年第一条薄板坯连铸连轧生产线在美国Nucor问世以来，获得了迅速的发展，目前全世界已有几十条生产线开始运转，我国薄板坯连铸连轧技术虽起步较晚，但发展很快，目前我国已有十几条薄板坯连铸连轧生产线投入生产。
与传统连铸相比，薄板坯连铸在铸坯厚度、浇铸速度、铸态组织、在线连轧等方面都发生了很大变化，既具有生产线短、能耗低、冷却强度大、凝固组织细小致密、中心偏析小、头尾温差小等优点，也具有表面质量不高、晶粒细小、强度较高、硬度较大、并且强度波动值较大、碳（/氮）化物析出对冷轧及镀锌产品的n、r值影响较大，产品适应范围较小等缺点。因此在利用薄板坯连铸连轧开发新品种时，不能完全照搬传统的连铸工艺技术，必须深入研究薄板坯连铸工艺的冶金特征，并根据其特点采取有针对性的技术措施，建立适合于薄板坯连铸连轧流程的优化产品体系，形成与传统流程的合理分工，方可生产出适合其工艺特点、满足不同使用要求的新产品,提高与传统流程的竞争能力[2]。
薄规格、以热代冷是薄板坯连铸连轧产品的发展方向之一[2]。因为常规的热轧带钢工艺不适合生产超薄规格的产品，而薄板坯连铸工艺是更适合生产超薄规格产品的。据报导在国外市场上同等规格的热轧带钢每吨价格比冷轧带钢低100～200美元，这对用户有很大的吸引力，目前许多薄板坯连铸连轧厂家都努力多生产薄规格产品[2]。薄规格热轧板可通过“以热代冷”替代冷轧板[2], 减少冷轧工序的建设投资、能源消耗、环境污染。通过“以薄代厚”，减小热轧钢材的消耗，因此薄规格热轧板是“资源节约型”、“环境友好型”的新材料。研究表明，世界范围内约25%的冷轧薄板可用薄规格热轧板替代，可见薄规格热轧板具有广阔的应用前景，经济效益和社会效益非常显著。
本项目利用实验室连铸连轧设备、各种性能检测设施及计算机数值模拟等方法进行了汽车内板以热代冷产品的系统开发实践：首先对唐钢生产的薄板坯热轧相关产品进行了系统的性能测试和表面质量评价，其结果与目前应用于汽车内板的工业标准进行了对比分析；根据分析结果，分别通过成分控制、轧制工艺制度控制、直接退火工艺研究、计算机数值模拟等分析方法，进行了全方位的产品开发和测试，获得了系列有价值的研究、测试结果，为以热代冷新产品的开发提供了理论基础和实验依据。
2.薄板坯热轧产品性能测试及对比分析
为了研究开发“以热代冷”热轧产品，在唐钢FTSR薄板坯连铸连轧生产线上进行了薄规格热轧带钢的试验性研究，针对汽车内板的工业标准，对带钢的性能、组织进行了系统的测试和分析。
试验材料取自唐钢FTSR薄板坯连铸连轧生产线生产的薄低碳钢板，厚度分别为1.5mm和2.0mm，经金相观察和晶粒度测定，显示其组织中均以铁素体为主，有少量的珠光体零星分布在晶界处。其中1.5mm热轧薄带的晶粒度级别约为10.5级，晶粒较为细小；而2.0mm的热轧薄带晶粒度为8.98级，较粗大。
织构检测结果表明，经薄板坯连铸连轧得到的热轧薄板，虽然未获得有利的织构取向，但各方向的织构强度都较弱。
对两个热轧薄带钢中的析出物利用透射电子显微镜进行观察、测试及能谱分析，表明所有样品中均没发现AlN，各试样中的第二相全部是Mn\Cu类硫化物。根据文献报道[1]，AlN的析出可以在冷轧后的退火过程中促进有利的{111}织构的形成，在本实验的组织观察中未检测出有AlN颗粒，与上文中未形成有利的织构相对应。
拉伸性能的测试结果见表1所示。1.5mm实验钢的屈服强度和抗拉强度较高，与该样品的晶粒细小相对应；2#实验钢的晶粒较大，其强度指标也相对较低。
表1 拉伸实验结果
|
试样编号
|
ReL,MPA
|
Rm,MPa
|
A80,％
|
n
|
r
|
|
1.5mm
|
270
|
365
|
37.5
|
0.21
|
1.15
|
|
2.0mm
|
225
|
310
|
35.5
|
0.165
|
1.2
|
由于两个试验钢中都没有较强的有利的热轧织构，因此与冷轧产品相比，试验钢的r值相对较低，但两种试验钢中的各强度指标都达到或超过了工业用简单冷轧冲压件的强度标准。该结论通过扩孔实验和杯突实验结果进一步得到了证明，测试结果见表2和表3。
表2 试验钢板扩孔率测量结果
|
试样编号
|
1
|
1
|
2
|
2
|
|
|
实际预制孔径,mm
|
9.8
|
9.98
|
10.2
|
11.0
|
|
|
扩孔后孔径,mm
|
18.54
|
18.36
|
14.36
|
15.04
|
|
|
λ,%
|
89.2
|
84.0
|
40.78
|
36.73
|
|
|
λ平均值,%
|
86.6
|
38.76
|
|||
表3 实验钢样板杯突试验结果
|
试样编号
|
1
|
1
|
2
|
2
|
|
|
成形力,kN
|
20.24
|
22.00
|
25.03
|
25.63
|
|
|
IE值（位移,mm
|
18.357
|
17.894
|
12.347
|
12.419
|
|
|
IE平均值,mm
|
18.13
|
12.38
|
|||
3.热轧板成分分析及轧制工艺研究（1）
为了考察热轧板成分对钢性能的影响，重点考察Al元素在钢中的作用，同时也考虑了C的影响，以及轧制规程对最终性能的影响，在实验室进行了钢的冶炼和轧制实验。实验钢成分经化学分析得到的结果见表4所示。
表4 试验钢化学成分
|
炉号
|
C
|
Mn
|
Si
|
S
|
P
|
Al
|
|
1
|
0.046
|
0.16
|
0.04
|
0.0043
|
0.0088
|
0.021
|
|
2
|
0.041
|
0.15
|
0.04
|
0.0041
|
0.0083
|
＜0.005
|
|
3
|
0.0019
|
0.14
|
0.033
|
0.0052
|
0.0084
|
＜0.005
|
|
4
|
0.01
|
0.13
|
0.046
|
0.0072
|
0.0078
|
0.005
|
经真空熔炼、浇铸后，铸锭即于高温转移至加热炉，经加热到一定温度后出炉，熔炼铸锭厚度为70mm，利用实验室热轧机分别采用5道次（11#,21#,31#样品）和6道次（12#，22#，32#样品）的轧制工艺，而41#、42#样品分别进行了8道次和7道次轧制，模拟连铸连轧生产工艺，最终都轧制到3mm，然后水冷至室温。
金相组织观察及晶粒度测试结果见表5。分析表明，增加轧制道次，同时相对降低各道次压下率，尤其降低前几道次的压下率，对获得较大的晶粒组织有利；对轧制道次及道次压下率的调整比提高终轧温度对于晶粒度的影响更显著。减少晶界碳化物等阻碍晶界移动的化合物颗粒的析出有利于晶粒的长大，而AlN的析出对晶界移动的影响不大。因此可以推断，在碳含量一定的情况下，适当添加Al，或适当减少Si、Mn等碳化物及碳氮化物形成元素对获得较大晶粒有利。
表5 晶粒度测试结果
|
观测面
|
11
|
12
|
21
|
22
|
31
|
32
|
41
|
42
|
|
平面
|
7.03
|
9.00
|
7.12
|
9.58
|
6.16
|
7.16
|
2
|
2.5
|
|
垂直轧制面
|
7.23
|
8.99
|
8.94
|
8.41
|
6.62
|
7.66
|
||
|
平行轧制面
|
7.06
|
7.56
|
8.57
|
7.81
|
7.01
|
7.16
|
力学性能测试结果如表6所示。对比1#和2#试样可知，两个试样的轧制工艺基本相同，晶粒较大的11#样品其屈服强度和抗拉强度都相对较低；而比较1#和3#样品的性能指标，可以判断1#试样中析出的AlN具有一定的强化作用，该结论与相关文献中的实验结论相一致。而强度的提高的同时又损失了部分塑性指标。
表6 力学性能检测结果
|
试样号
|
L0,mm
|
ReL,MPa
|
Rm,MPa
|
A50,%
|
r15
|
n
|
|
11
|
50
|
211
|
313
|
33.83
|
0.9
|
0.250
|
|
12
|
50
|
253
|
335
|
37.17
|
0.73
|
0.245
|
|
21
|
50
|
293
|
377
|
27
|
0.73
|
0.167
|
|
22
|
50
|
262
|
337
|
35
|
/
|
0.240
|
|
31
|
50
|
190
|
280
|
42.5
|
0.95
|
0.275
|
|
32
|
50
|
185
|
283
|
42
|
0.85
|
0.270
|
|
41
|
50
|
131
|
265
|
43.5
|
0.50
|
0.31
|
|
42
|
50
|
192
|
290
|
53.0
|
0.72
|
0.29
|
要降低实验钢的强度，降低道次压下率，提高轧制温度是一个可行的方案，但强度的降低以及晶粒的粗化是有限度的，过大的晶粒组织在导致强度降低的同时也恶化了实验钢的成形性能，表现为较低的r值和n值。
织构检测实验结果表明，连铸连轧得到的热轧薄板，未获得有利的织构取向，与性能测试实验结果中r值较低相对应，而试样合金中铝含量变化对热轧织构几乎没有影响，说明在热轧板中铝没有促进有利织构形成的作用。
4.热轧板直接退火工艺研究
为了研究热轧带钢在退火过程中组织和织构的演变规律，进行了不同工艺退火处理，通过对其组织性能进行分析，对其退火工艺进行了优化。
退火实验样品为唐钢的SPHC热轧板。退火试验的加热温度分别定为800℃、875℃、925℃，保温时间分别为10min、20min、30min，根据保温时间，每个温度的试样号依次取为1#、2#、3#试样。退火后各试样经炉冷至200℃时出炉，然后经空冷至室温。
FTSR生产线下的热轧板SPHC的晶粒形状多为等轴晶粒，组织以铁素体+珠光体+渗碳体为主，大量的渗碳体在晶界分布，少量的珠光体呈岛状分布在晶界上。退火后各热轧板的晶粒尺寸经测量，结果列于表7。热轧板在不同温度下保温10min时，随着退火温度的增加，晶粒组织由变形组织转变为等轴晶粒组织，当退火温度为925℃时，晶粒明显长大，保温20min时，在退火温度为900℃时晶粒有明显长大的趋势。保温30min时，当退火温度达到850℃时晶粒就有明显长大，随着保温时间的延长，晶粒长大所对应的温度越来越低。
表7 各热轧退火钢板的晶粒尺寸情况
|
退火工艺
|
800℃
|
875℃
|
925℃
|
|
保温10min
|
11.1
|
9.21
|
23.34
|
|
保温20min
|
9.19
|
9.63
|
24.57
|
|
保温30min
|
9.98
|
15.0
|
25.3
|
（a）850℃退火30min
（b）925℃退火30min
图1 不同退火温度下析出物的形貌及成分分析
利用透射电镜和EDX光谱分析仪对退火后各样品中析出物的形貌和成分进行分析表明，退火温度低于850℃，其析出物都很少，并且几乎没有AlN析出；当退火温度超过850℃时，析出物明显增多，分布在晶内和晶界的大量析出物主要以AlN为主，AlN析出物主要是分散在晶粒内部，主呈现弥散的粒状。保温时间相同，随着退火温度的升高，晶内的析出物逐渐增多，如图1所示。
由拉伸实验结果可以得出，要获得相对较低的强度及较高的n值、r值，退火温度应达到875℃以上，如果保温时间较长，则退火温度不宜超过925℃。对退火前后热轧板的织构分析结果表明，退火前热轧板以较弱的{110}织构为主。热轧板退火后的织构仍然比较弱，晶粒取向还是处于比较杂乱的状态。SPHC热轧板所形成织构的类型对r值的影响并不明显。
5.热轧板冲压性能试验及数值模拟
为了检测热轧板的实际冲压成形性能，分别采用数值模拟方法和冲压试验方法进行了系统的分析研究。
其中数值模拟方法采用热轧板的力学性能参数，弹性模量、泊松比取经验值；强化系数K用经验公式计算。利用热轧板进行复杂件冲压试验的数值模拟研究；根据数值模拟结果，直接用热轧酸洗板进行具有一定复杂程度的冲压件的冲压成形试验研究。计算分析采用Altair HyPErform软件。计算分析模型如图2所示。对右前纵梁进行简化，取消钢带毛胚冲压后冲孔等工艺形成的孔，建立有限元模型，见图2。采用四边形规则进行网格划分，三角形网格控制在10%以内。
图2 右前纵梁件及冲压毛胚有限元模型
以1.6mm、2.0mm厚度热轧材料试验数据为基础，项目计算分析结果见表8。
表8 板带冲压成形指标结果
|
1.6mm厚钢板
|
2.0mm厚钢板
|
|
|
减薄率%
|
最大23.2
|
最大18.4
|
|
厚度mm
|
最小厚度1.25
|
最小厚度1.63
|
|
有效应变
|
0.4
|
0.47
|
|
有效应力
|
377
|
331
|
|
成形性
|
相对差
|
相对好
|
图3 1.6mm厚钢板成形性计算结果
图4 2.0mm厚钢板成形性计算结果
1.6mm、2mm厚板带分析结果分别如图3、4所示。模拟分析结果表明，1.6mm钢板局部所受拉应力较大，2.0mm厚钢板的成形性较1.6mm厚钢板好。
为了检测热轧酸洗板的实际冲压性能，进行了简单件和较复杂件的冲压试验，简单冲压件的冲压结果如表9所示。
表9 热轧板简单冲压试验结果
较复杂的热轧板冲压试验结果如表10所示：
表10 实际冲压试验结果
|
零件名称
|
材料厚度
,mm
|
图片
|
牌号
|
剪后毛坯尺寸
，mm
|
||
|
新牌号
|
原牌号
|
|||||
|
左、右前连接板
|
1.5
|
SPHC(热轧酸洗）
|
ST13
|
360
|
330
|
|
|
1.5
|
SPHC(热轧酸洗）
|
ST13
|
360
|
330
|
||
|
左、右仪表板横梁支架
|
2.0
|
SPHC(热轧酸洗）
|
ST13
|
350
|
970
|
|
|
2.0
|
SPHC(热轧酸洗）
|
ST13
|
350
|
970
|
||
冲压实验结果表明，试验所用热轧酸洗板的冲压成形性能良好，未发现有异常现象，说明热轧酸洗板可以进行一定复杂程度汽车内板的小批量试生产。
6.结论
6.1 目前唐钢FTSR薄板坯连铸连轧生产线生产的薄规格热轧低碳和超低碳带钢的性能测试结果表明，其性能指标达到生产简单的汽车内板冲压件的标准，可以替代部分冷轧产品。
6.2在将碳含量控制到尽可能低的情况下，适当添加Al，或适当减少Si、Mn等碳化物及碳氮化物形成元素对获得较大晶粒有利。减少晶界碳化物等阻碍晶界移动的化合物颗粒的析出有利于晶粒的长大，而AlN的析出对晶界移动的影响不大。
6.3组织中析出的AlN具有一定的强化作用，而强度提高的同时又损失了部分塑性指标。而热轧组织中析出的AlN对获得有利的织构没有明显作用。
6.4 适当降低轧制前几道次的压下率，在轧制温度较高的情况下，增加中间道次的压下率，可获得较大的晶粒组织，进而可降低热轧板强度指标。
6.5 热轧板直接退火达到875℃以上，可获得相对较低的强度及较高的n值、r值，如果保温时间较长，则退火温度不宜超过925℃，此时晶粒发生粗化。退火温度达到875℃时，析出的AlN略有增多，但对热轧织构的影响不明显。
6.6以热轧板材料进行冲压的数值模拟研究及实际的冲压成形试验结果表明，热轧酸洗板可以作为简单的和具有一定复杂程度的汽车内板的冲压成形材料。
参考文献
[1] 田乃媛，薄板坯连铸连轧[M]，北京:冶金工业出版社，1998。
[2] 廖建云，对薄板坯连铸连轧技术的客观分析，炼钢，2009,25(5),66-69。
[3] 张若生、毛新平、李轲新,等，珠钢薄规格热轧钢板生产技术现状[A]，薄板坯连铸连轧技术交流与开发协会:第五次技术交流会论文集[C]，长沙: 中国工程院产业工程科技委员会，2007.174-178。
[4] 张绍贤，薄板坯连铸连轧工艺技术发展的概况，炼钢,2000,16(2):51-55。
[5] 王定武，特薄规格热轧带钢生产现状和前景[J]，轧钢.2000,17(5):29-33。
[6] 王昭东，王国栋，冷轧压下量对铁素体区热轧Ti-IF钢冷轧板的再结晶织构特点和深冲性能的影响，金属学报，2000，6:613-620。
