（材料加工工程专业论文）热轧超低碳带钢边部折叠控制的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 本文主要针对武钢二热轧在轧制超低碳钢带钢时，边部出现的折叠缺陷进行了研究。 主要分析了超低碳钢的热轧氧化特性和它在粗轧和精轧的温降模型。并通过用v b 软件对 结果进行了模拟计算。 通过对折叠缺陷的宏观和微观的观察，得出了缺陷产生机理以及初步的解决方案。 在分析热轧氧化特性时，主要是从加热时间，加热温度以及炉内气氛对氧化程度的影 响着手。利用实验所得数据对经验公式进行优化回归得出了超低碳钢的氧化烧损模型。粗 轧和精轧的温降模型通过回归统计的方式导出，与现场的实测数据比较，可以看出该模型 具有很好的预测度，预测温度与实际温度的误差基本不超过士1 5 。最后对整个工艺进行了 计算机模拟，并提出了工艺优化方案，得出了整个工艺的温降图。 关键词：超低碳钢；氧化特性；温降模型；氧化模拟 c a l c u l a t i o nr e s u l t sb yu s i n gv bs o 脚a r c a b s t r a c t d r a w i n gm ef o n l l i n gm e c h a n i s ma n dt h ei 枷a ls o l u t i o n s o fd e f e c tt l d u g l lo b s e r v a t i o no f m a 啪s c 0 p i c 鲫dr n i 啪s c o p i cf o rm en o d i n g d e f - e c t m a i l l l v 丘o mo x i d a t i o nh e a t i n gt i m e ，t 锄p e r a t u r e a n dh e a t i n g 如m a c e 咖o s p h e r eo t o x i d a t i o nd e g r e e0 fi n n u e n c eo n 她锄l y s i s o ft h cc h a r a c t 商s t i c so fr 0 1 l i n g u s i n gt h ed a t a 仃d m e x p e m 饥tt 0o p t i m i z et h e 咖p i r i c a lf 0 i 】【u l at 0u l 仃a - l o wc 讪o n s t e e lb a c kt h eo x y g e n a t l o nl o s s m o d e l r o u 幽r o l l i n ga n dp u r er o l l i n gt e r n p e r a t 哪ed r o pm o d e l i sd 耐v e db yr e g r e s s l o n s t a t l s t l c s w a vw i t ht h em e a 螂订d a ：c a i ls e et h i s h 岭d e lh 8 s9 0 0 dp r e d i 幽。n f o r e c a s ta n da c t u a l t 唧e r a t l l r et 锄p e r a t u r e 士l5 t h 觚b a s i ce f r o r l a s t l yf 0 rc 0 p u t e rs i m u l a t l o n t 0 rt t l ew h o l e p r o c e s s ，a i l dp u t sf 0 刑a r dm ep r o c e s so p t i m i z a t i o ns c h 锄e ，锄dg e t s t h ew h o l ep r o c e s so t t e i l l p e 劬l r ed r o p k e y w o r d s ：u l 胁l o wc 抽o n s t e e l ；o x i d i z i n gc h 删t c r i s t i c ；t e i l l p e r a t u r ed r o pm o d e ： o x i d a t i o ns i m u l a t i o n d b n黑心啦吼m 甜舣mn 卸um 础觚“w 丸蚺抓抛鼬脚 g f d鹕吖怕 l s 枷慨鹏d 撤 言埘量咖 s c p n m 唧 o 卸 a = 咖 w m 舭 b 鹤m灿峨 鬈舭 口 以 州吣 默m g l 川刨d 砒m n d 由 i l q 淼岫 n 口d m 州 蛐委懈矾 r f 0 e ( m咿啪雹舭豳如似 n 鹕岵 画hlj献m 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：三埤日期： 9 6 弓 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 芝迎蛆 圭z 嵫p 加7 、 弓 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章文献综述 1 1 课题的来源与研究意义 1 1 1 课题的来源 “热轧超低碳带钢边部折叠控制的研究”课题是结合武钢二热轧实际生产情况需要立定 的科研课题。超低碳带钢的热轧氧化特性、温降模型的研究是该课题的主要的研究内容之 一。研究工作主要包括现场实测数据收集、粗轧、精轧温降模型的建立、氧化模拟计算。 1 1 2 研究意义 随着科学技术的不断进步，超低碳冷轧薄板( c 】冬3 0 1 0 击) 广泛应用于汽车、家电、电 子领域。由于固溶碳严重影响了钢的深冲性能，为了得到表面质量和加工性能良好的冷轧 薄板钢，必须降低钢中固溶碳含量。市场对冷轧薄板钢需求量的不断增加，超低碳钢生产 也在不断增加，超低碳钢的需求量越来越大。 随着我国经济的高速发展，各行业对带钢的需求也越来越大，同时对带钢质量的要求 也更加苛刻。我国汽车产量预计在2 0 1 0 年将达到6 0 0 万辆，其中轿车为4 0 0 万辆。共需 钢板4 1 0 万t 。其中热轧钢板1 3 7 万t ，冷轧钢板2 7 3 万t 。国内市场对汽车钢板如此巨大 的需求，势必有力推进汽车钢板生产的同步协调发展。我国具有1 5 0 0 r i l m 以上宽带热连轧 机和冷连轧机设备条件的宝钢、武钢、鞍钢和本钢都在新建或改造中完成了冶炼高纯净钢 所需的配套设备。武钢、宝钢和本钢的热镀锌线分别具有1 5 万t 、3 0 万t 和2 0 万t 的年生 产能力，宝钢的电镀线生产能力为1 5 万t 。今后几年这四大钢公司将使中国汽车板生产的 硬件条件达到世界先进水平。拥有这些先进技术装备和工艺水平的企业将通过调整产品结 构，增加汽车钢板，特别是轿车用高级精整表面钢板、镀锌钢板、高成型性钢板在产品中 的比例。加大其研究开发力度。发展成为国内汽车钢板生产基地，并可面向国际市场的需 要。较多的老企业将对现有装备的薄弱环节进行系统的技术改造，尽量采用先进的工艺技 术，并逐步完成上下工序的配套工作，积极开发与装备条件相适合的汽车钢板品种，成为 国内汽车钢板生产的新生力量。 1 2 超低碳钢的发展历程 最先开发出的超低碳钢品种是i f 钢，其发展可以追溯到1 9 4 9 年c o m a t o c k 等人的研究。 他们指出，在普通的低碳钢中加入足够量的钛能够使钢中的间隙固溶原子( c n ) 生成t i ( c n ) 粒子完全沉淀析出，所得的产品具有优异的深冲性能，这便成了i f 钢发展的基础。但是， 由于当时低碳钢中的碳、氮含量较高( 一般含0 0 5 c ，o 0 3 n ) ，固定c n 所需的t i 合金用量较 大( 钢中t i 含量约o 2 5 o 3 5 ) 。c o m a t o c k 的发现因t i 合金价格昂贵使得生产成本较大而被 搁置，i f 钢发展受阻。i f 钢的发展简历见表1 1 。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 表1 1 i f 钢的发展历程 类型 w 【c 】w 【t 】 特点 i f 钢的基础 0 0 5 0 2 5 o 3 5 具有优异的深冲性能，但钢中的碳、 ( 1 9 4 9 年) 氮含量较高，所需的t i 合金用量较大 商品i f 钢 o o lo 1 0真空处理技术的采用可以显著降碳， ( 1 9 6 9 1 9 7 2 ) 同时开发了连续退火机组，成本仍然 较高，仅用于少量难冲零件 人量生产郢0 1 o 1 0 连续热镀锌线首次用米生产防腐汽车 ( 1 9 7 9 年) 板，工艺简单更经济 飞速发展! 0 0 5 o 0 5 采片j 转炉和改进的i m 处理工艺可以 ( 8 0 年代来) 更经济地生产出超低碳钢，采用复合 微合金化， 直到六十年代后期，真空脱气技术成功用于冶金生产，能够使钢中的碳含量降到o 0 1 以下，约在1 9 6 7 1 9 7 0 年出现了商品i f 钢，含钛i f 钢( c o 0 1 具有足够高的r 值可满足深冲 级钢板的要求) 。大约在同时，发现n b 也可以改善深冲冲性能，便出现了含妮i f 钢( 0 1 5 n b ) 。 t i 处理的i f 钢比低碳铝镇静钢的深冲性能好，但由于需要真空脱气和昂贵的t i 合金化，其 成本仍然较高，仅限应用于少量难冲特殊零件。 约在1 9 7 2 年【1 1 ，n i p p o ns t e e l c o 和n k k 分别开发了连续退火机组。i f 钢在连续退火后有 良好的深冲性能，解决了当时低碳铝镇静钢经罩式退火难以生产高值的深冲板。于是，在 七十年代形成了用i f 钢经连续退火生产商用级( c q ) ，d q 级和d d q 级深冲钢板的局面。 到了1 9 7 9 年，连续热镀锌线首次用来生产防腐汽车板，并且实践证明，除了用i f 钢外， 没有别的钢种可以经过连续热镀锌线生产出具有良好性能的镀锌板。从此，i f 钢开始大量 生产，并且比铝镇静钢的生产工艺更简单、经济。 2 0 世纪八十年代以来，冶金生产技术得到进一步发展，世界上各大钢厂普遍采用转炉 和改进的r h 处理工艺可以更经济地生产出超低碳钢。钢中c 、n 含量大幅度降低，使得t i 、 n b 加入量大大减少，r h 处理时间大为缩短，生产成本大大降低，品种、质量大幅提高， 用途越来越广泛，从而导致由传统的i f 钢转变成现代i f 钢，在国际范围内取得飞速发展。 现在，以i f 钢为代表的各类超低碳钢生产的设备及工艺技术己十分先进成熟，所生产 的超深冲钢板的总延伸率n 值和r 值可分别达到5 0 ，o 2 5 和2 5 以上。超低碳钢系列产品有 良好而稳定的成形性和非时效性，可降低冲制废品率，能提高构件的几何精度，降低对模 具和冲压工艺参数的敏感性，提高生产率，几乎可以满足汽车用钢板的各种性能要求。因 此形成独具特色的高性能产品系列。可以说超低碳钢的生产已成为汽车用钢板生产水平的 标志。 2 0 世纪末以来，世界汽车工业朝着减重、节能、防腐、降噪的方向发展，其中以减重 和节能为目标的高强度板、以防腐为目标的各种新型镀锌板、以降噪为目标的减振复合板、 以使轿车外观更为漂亮的镜面板等都是研制的热点。特别是一些具有综合性能的汽车板如 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 超深冲高强板、超低碳高强度b h 板等的开发更为引人瞩目。 总之，i f 钢是超低碳钢品种系列中的一个核心钢种。现已开发出的超低碳钢品种有： 超深冲冷轧i f 钢板；深冲热镀锌i f 钢板；高强i f 钢板；高强热镀锌i f 钢板；超 低碳冷轧钢板；超低碳热轧深冲钢板等。超低碳钢系列是在i f 钢基础上发展起来的，除 了i f 钢，还开发一系列超低碳钢，如超低碳贝氏体钢( u l c b ：u l 讹l o wc a r b o nb a i n i t es t e e l ) 、 奥氏体不锈钢、超纯铁素体不锈钢0 2 j ( s f s s ：s u p * c l e a l lf e 盯i t i cs t a i n l e s ss t e e l ) 、无取向冷轧 硅钢等。 1 3 超低碳钢的性能与用途 超低碳钢的碳含量范围视具体要求而异，没有一个公认的严格标准，一般认为钢中 w 【c 】 o 0 2 ，可称为超低碳钢，这主要是根据铁碳相图和一般转炉的冶炼极限来确定。最 近的文酬3 】将 c 】9 0 0 p p m 称为超低碳钢( u l 缸a - l o w c a r b o ns t e e l ) ，而将 c s l o o p p m 称超微碳 钢( e x 仃a - l o w c a 而o ns t e e l ) 。超低碳钢因其具有良好的成形性能、深冲性能等原因，应用 极为广泛。以汽车用钢为例，超低碳系列钢种几乎可以满足汽车用钢板所提出的各种性能 要求，如深冲性、高强度、防腐性、b h 性。因此，超低碳钢的生产已成为一个国家汽车用 钢板生产水平的标志。表1 2 列举了几种典型超低碳钢的性能与用途。 表1 2 典型的超低碳钢性能与用途 代表性能主要用途 无间隙原子钢( i f深冲性能和延伸性能、高强汽车、家电 钢) 度、防腐性b h 性、非时效性 超低碳贝氏体钢强初性、良好的低温韧性和焊大口径高压油气管线钢，可用 接性能良好的冲击韧性和抗在寒冷地区工作的装备 低温脆断能力 超低碳奥氏体不锈良好的力学性能、耐蚀性、焊化工、石油化工、航空、能源、 钢接性能以及易冷热成型性能，交通、轻工纺织等部门。 超纯铁素体不锈钢不产生应力腐蚀、强的耐点蚀汽车发动机等 性、韧性和良好的可加_ t 性 电工钢铁芯损耗低、磁感应强度高、 各种电机和变压器的铁芯；电 ( 含 o 5 s i 电工 磁各向异 力、电子和军事工业中不可缺 钢、含0 5 6 5 s ij 性小、绝缘薄膜性能好、磁少的重耍软磁合金；节能的金 硅钢) 时效现象小属功能材料 ( 1 ) 冲压用钢基本性能要求 冲压用钢冷成形的基本性能指标有加工硬化指数n ，厚向异性指数r 值、面内各向异性 指数r 值、塑性指标& ，口等，其中最重要的是n 与r 值。高的n 、r 值能保证良好的拉胀变形 能力及深冲性能；低的r 值( 尤其当产o ) 能减轻“制耳”现象。该钢的另一基本要求是非 时效性( 即不具备时效硬化特性) ，这是钢板便于运输和贮存的必要条件。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 冲压成形性能与材料成分、组织的关裂4 7 】 影响n 值的因素 n 值的大小主要与钢的成分及组织有关，日前尚无公认确定的研究结果，但一般认为 提高钢的纯净度( 即减少碳及合金元素含量) 与增大铁素体晶粒尺寸均有利于提高n 值。 影响r 与r 值的因素 r 与值主要取决于晶粒的晶体学位向( 即织构) ，与钢的成分及加工历史密切相关。 当钢中铁素体内形成 1 1 1 织构，特别是 1 1 1 ) + 1 1 1 ) 混合织构时， 其r 值较大且r 趋近于零。冲压用钢要求其织构指数( 1 11 ) 1 0 0 ) 之比要高，则值越大。间 隙原子c ，n 含量对冲压用钢的织构；值与时效特性等影响极为重要。钢中固溶的c n 原子 不利于 l1 1 ) 织构的形成，急剧降低r 值，此外c 、n 含量高( 特别是n ) 还将明显增大冲压用钢 的时效硬化倾向。 1 4 超低碳钢化学成分对性能的影响 ( 1 ) 碳 碳虽然是提高强度的有效元素，但它是间隙固溶原子，会产生时效、损害韧性和可焊 性、影响深冲成型性能。热轧过程中固溶碳含量是决定r 值和再结晶织构最重要的冶金因素。 所以，低合金高强度钢以及超低碳钢中的碳含量呈不断降低的趋势。降低钢的含碳量可改 善钢的加工性能和使用性能。在低合金高强度钢中，管线钢对强韧性和可焊性要求比较苛 刻；超低碳钢中的i f 钢对非时效性、深冲成形性能要求较高。这两种钢都具有较强的代表 性，因此可以应用管线钢和i f 钢的化学成分及工艺变化来说明降碳的趋势。 ( 2 ) 氮 钢中的氮可以溶在渗碳体中形成碳氮化合物。对深冲性能要求高的超低碳钢对氮控制 很严，如i f 钢要求 n s 3 0 p p m ，同时添加a l 、v 、t i 、n b 使c 、n 原子固溶，强化铁素体基 体，并细化晶粒，以提高钢的强度和韧性。氮含量增高会引起钢的淬火时效和形变时效， 使钢的强度和硬度突然升高，同时范性和韧性突然降低。氮含量对低碳铝镇静钢力学性能 的影响如下【8 】：n 含量增加导致屈服强度、抗张强度提高而r 值降低。此外n 含量还严重影 响连续退火的冷轧产品的力学性能。对铝镇静钢，当热轧后采用高温卷取时n 原子有沉淀 出a i n 的倾向。由于n 含量增加妨碍了铁素体晶枝生长，使屈服强度和抗张强度提高而馗 降低，所以必须使n 含量减少到3 0 p p m 以下。在超纯铁素体不锈钢中添加适量的氮，不仅 能明显提高钢的强度，更重要的是可改善钢的耐蚀性能，尤其钢的耐应力腐蚀性能。 ( 3 ) 氢 溶解于钢液中的氢是造成缩孔、白点、发裂、钢锭上涨、气泡等缺陷的主要原因：溶 解于钢中而未及时析出的氢会降低钢的强度极限、断面收缩率、延伸率和冲击韧性。 ( 4 ) 硅、锰和磷 p 、s i 、m n 是强化铁素体基体的元素。研究表明 9 】：随w t ( s i + m n + 1 0 p ) 的增加，钢板 强度增加，塑性下降，并且近似于线性变化；每添加0 1 的p ，强度可提高7 7 m p a ( s i 提高 i o m p a ，m n 提高5 m p a ) ；对于同样的强度增量，m n 使艟下降最多，p 使r 值下降最少，s i 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 则居中。一般先用廉价的p 作为强化元素，但含量不宜高。因为在含p 较高的超低碳钢中， p 易在品界偏析使晶界脆化，使得钢板在深冲后有发生脆断的倾向，即所谓冷加工脆性。 因此在生产抗拉强度为3 4 0 - 4 0 0 m p a 级的超深冲高强度钢板时，先采用t i ( 或n b ) 固定钢中的 间隙原子以保证成形性，同时适当添加p ( 其含量通常在o 0 4 o 0 9 之间) 通过固溶强化保 证强度。但p 在提高倔度的同时却使 1 1 1 ) n d 取向织构减弱， 1 0 0 ) n d 取向织构加强， 从而使钢的r 值降低。 s i 的强化能力仅次于p ，但在浸镀性方面存在很多问题，故很少用于镀层钢。这主要是 由于s i 比f e 活汾。在热铃锌退火炉的盲接锻烧加热段中，很容易在钢板表面形成一层s i 的 氧化物，在还原段中又不能彻底还原，从而形成了随机分白的岛状s i 的氧化物，成为柱状 组织的形核区域，影响了镀层的附着力。当钢中的s i 含量大子o 3 时，镀层的附着力就会 明显下斛1 0 1 。 m n 是比较贵重的元素，和p ，s i 相比强化效果低，提高同样的强度所需的量较大，其 加入量通常在o 2 一1 6 之间，不能再高，否则会产生针状铁素体，使延伸率和r 值急剧 下降，但是用m n 强化的i f 钢对深冲脆性较不敏感。因此，强度级别在3 9 0 m p a 以上的多用 p ，m n 复合添加的方式，在添加p 的钢中，m n 会使再结晶开始温度降低【l 。相对于p ，s i 来 说，m n 对镀层附着力的影响较小。但是，与s i 一样，在退火时钢板表面也易形成一层富 m n 的氧化物，由于这种不良影响不如s i 那样明显。因而m n 常作为热镀锌高强度i f 钢板的 合金强化添加元素。 ( 5 ) 钛、铌和硼 钢中加入适量t i ，可以细化晶粒改善力学性能，防止晶间腐蚀，改善焊接性能。提高 耐锈性和深冲性【1 2 1 。加入适当的n b 可提高钢的高温强度，抑制高温加热时出现的高温敏化 现象，改善钢耐晶间腐蚀性能，提高耐应力腐蚀性能，有利于耐一般腐蚀性能和耐点蚀性。 研究以发现，t i i f 钢的再结晶温度比n b i f 钢的要低约5 0 ，而n b 十t i i f 钢的居中【1 2 1 。另 外抗粉化能力是镀锌板的重要问题。所谓粉化是指在冲压成形过程中镀层发生破损、粉碎。 研究发现，t i i f 钢的抗粉化能力较差，而n b + t i i f 钢和n b i f 钢的抗粉化能力强，因此， n b + t i i f 钢作为热镀锌用钢是适宜的。 在钢中加入适量的b 固溶c 可以使脆性转变温度降低，抑制p 在品界偏析减少冷加工脆 性，提高i f 钢的b h 性【i3 1 。但b 有降低r 值，提高再结晶温度的倾向，因此b 的含量( 训) 不 宜过高，一般在1 0 i o 击2 0 l o 南之间【1 3 】。 ( 6 ) 铜 钢中铜能明显地与加入的硼起综合作用，铜和硼联合会进一步抑制贝氏体转变前的铁 素体生成。同时加铜后可使铌碳化物高温应变诱导析出加速，再结晶停止温度升高，有利 于进行再结晶区控轧及进一步细化相转变产物。改善钢的综合性能【1 4 】。基于b h 钢同样的 考虑，含c u 高强度i f 钢是在原料中添加1 5 左右的c u ，采用低温卷取，使c u 固溶，利用热 处理使s 相析出，从而提高材料的强度( 约提高1 5 0 2 0 0 m p a ) 。利用这一原理可生产出具有 优良成型性和高强度的钢板，这是利用常规的固溶强化元素( p 、m n 、s i ) 所难实现的。此外， 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 这类钢板还具有良好的疲劳特性。但是，这种材料在使用时也有其局限性，主要表现在： 用常规的涂装烘烤工序达不到预期的效果。其热处理温度必须在5 5 0 7 0 0 ，因此这类钢 板难以简单地应用于一般的冲压成形零件，而适应于加工性要求严格的高强度的热处理零 件。 1 5 超低碳钢国内外现状 世界各大钢铁企业都将广泛用于汽车、家电、电力等行业的超低碳钢列为最重要产品 之一最早实现用r h 设备连铸生产超低碳钢的厂家是同本川崎公司的水岛厂和千叶厂【i5 1 。 随后几年间，日本钢管的京滨厂、福山厂也开始生产超低碳钢。2 0 世纪8 0 年代中期，新日 铁就开始使用v a d 生产超低碳钢，但是由于成本和质量问题，于9 0 年代用r h 取代了原来 的v a d 。 北美东芝加哥的i n l a n d 钢铁公司【1 6 1 8 】1 9 8 4 年7 月引进r h o b 设备和技术生产超低碳钢， 分为碳含量小子1 0 0 p p m 、5 帅、3 0 p p m 三个品级的超低碳钢。1 9 9 4 年4 月美国国立钢铁公 司在盐湖建成了r h o b 设备用来生产超低碳钢【1 9 】。美国a k 公司也使用i m k t b 设备生产含 碳3 0 5 0 p p m 的超低碳i f 钢【2 0 2 1 1 ，以及含碳在5 0 1 0 0 p p m 的超低碳电工钢和硅钢，其产量分 别占总产量的7 和3 【2 2 1 。 在欧洲，法国s o l l a cd u i l l ( i r k 钢铁公司【2 3 】1 9 8 8 年生产5 1 7 万吨钢，其中2 5 产量的钢是 用l b e c o n v e n e r r h 0 b 工艺生产的。年初超低碳钢产量仅占总产量的4 3 ，年末就达到 1 0 ，以后每年都在增加超低碳钢的生产比例【2 4 2 6 1 。 我国研制i f 钢类型的超低碳钢始于1 9 8 9 年【2 。7 1 ，北京科技大学先后与宝钢、武钢合作， 用不到2 年时间基本上完成了该钢种的开发。1 f 钢的生产工艺流程为转炉冶炼r h 真空处理 一连铸一热轧冷轧一退火一平整，生产了i f 钢( b w j 18 ) 、超低碳电工钢和硅钢。 我国超低碳钢冶炼的生产、研究以及产品性能与日本川崎等先进企业相比还有一定差 距，很多超低碳钢系列产品有待开发。以国内汽车钢板生产现状为例【2 8 】，我国的汽车钢板 生产，从无到有，由小到大，经历了大约五十年的发展里程，己经初具规模，生产的汽车 钢板基本上可以满足生产货车需要，并且有部分用于轿车。鞍钢是我国最早生产汽车钢板 的企业。6 0 年代开发成功的深冲0 8 a l 冷轧汽车钢板，满足解放牌货车需要：开发成功的 1 6 m n l 、l o t i 等低合金高强度热轧汽车结构钢板，用于货车大梁、横梁以及其他结构，具 有较高的强韧性，满足货车需要。“七五 以来，鞍钢半连轧机组和冷轧机组进行了技术 改造，使装备技术水平得到一定程度改善，提高了综合生产能力及汽车钢板质量。 武钢自1 7 0 0 i r 吼轧机工程投产以来，就致力于汽车钢板开发和生产，成功生产了0 8 a l 系列冷轧钢板、含磷高强度冷轧钢板、含钛高强度热轧钢板等汽车钢板品种，并实现了对 汽车厂批量供货。至1 9 9 6 年，武钢已累计生产汽车钢板约2 0 0 万t 。武钢在“八五 期间先 后对1 7 0 0 机组进行系统技术改造，生产汽车钢板能力和产品质量均有较大提高。 目前国内生产汽车钢板数量最大、品种最多的是宝钢。白1 9 8 8 年热、冷轧厂相继投产 以来，十分重视汽车钢板生产和开发，不断提高产品结构中汽车钢板比例，满足汽车钢板 需求。宝钢生产的s t l 4 和s p c e 牌号冷轧钢板，实物质量达到国外同类钢板水平，替代进口 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 钢板。生产的冷轧汽车钢板主要品种有：c q 、d q 、d d q 、不同冲压级别低碳软钢以及 s t 3 7 2 g 、s t 4 4 3 g 、b 3 2 0 l w 、b 3 6 0 l w 牌号冷轧结构钢板。近年来，又相继开发了b p 3 4 0 和b p 3 8 0 牌号加磷高强度钢板，b h 3 4 0 牌号烘烤硬化钢板，s t l 6 牌号高成形性i f 钢板和具有 高级精整表面的钢板，用于轿车生产。 1 9 9 6 年以来本钢和攀钢的冷连轧机组相继顺利投产，技术装备均具备生产汽车钢板的 条件，只要相关的配套条件跟上，生产汽车钢板只是一个时间问题，成为国内生产汽车钢 板的新生力量。 从目前我国汽车用钢的供给品种来看，国内大宗生产的汽车钢板还主要是用于货车制 造的热轧钢板和冷轧钢板，以及部分用于轿车内板的冷轧板。用于轿车外板的高级精整表 面钢板、复杂部件的高成形性钢板，只能小批量生产，尚不能完全满足轿车需要。至于轿 车用的镀层钢板，还只是处于试验阶段。 国产轿车用钢板市场的占有率仅有一半，大部分汽车用优质钢材和三分之一用量的钢 板还需依赖进口，主要品种有：( 1 ) 镀铝钢板、镀锌板、3 5 - 4 0 用量的冷轧板和镀层钢板； ( 2 ) 优质钢，尤其是齿轮钢、轴瓦精密冷轧钢带、双金属轴瓦带、冷轧高强度钢板、精密淬 硬弹簧钢带等；( 3 ) 宽面单、双面电镀锌板；( 4 ) 轿车用顶盖和底板的1 8 5 0 1 9 5 0 i 】m 宽面板； ( 5 ) 技术要求较高的高精密冷轧钢带。 随着国内钢铁企业研发能力的不断提高，以及与众多汽车厂家合作的深入，国产汽车 用钢的发展步伐逐渐加快，国产汽车用钢的质量和品种不断改进和完善，并越来越多地代 替了进口产品，体现在如下几个方面。 ( 1 ) 冷轧板 目前，国内冷轧汽车板生产厂家主要有宝钢、鞍钢和武钢。它们在生产汽车钢板方面 取得了重大进展，己生产出了多种汽车用冷轧钢板。其中，宝钢三期工程的建成投产使宝 钢的产品质量基本可以满足国内现有车型对钢材质量的要求。 ( 2 ) 热轧板 目前，国内热连轧企业( 主要为宝钢、武钢、鞍钢、攀钢、本钢和梅钢等) 大多具备生 产汽车用钢的技术，以现代化热连轧机组生产的热轧板卷完全能够达到轮躺和轮辐的要 求，产量也逐年提高，基本实现了全部由国内提供。2 0 0 0 年、2 0 0 1 年、2 0 0 2 年的产量大约 为2 4 万吨、3 8 万吨和7 5 万吨，2 0 0 3 年的产量在8 5 万吨左右，品种也日趋多样化，包括大梁 用板、车轮用板、车厢结构用板、桥壳用钢、传动轴用钢等。 随着我国热轧技术的提高，特别是短流程技术的进步，热轧薄带钢产能日益增大，将 部分实现“以热代冷 ，主要取代用于制造汽车内部构件的厚度1 o 3 o l 】m 之间的普通冷轧 薄板及冷轧镀锌板等产品。一些汽车生产厂家己批量使用热轧酸洗板带生产载货汽车的排 气管、保险杠、纵梁支板、前档泥板支架等2 0 多个部件。 ( 3 ) 特殊钢材 在汽车用特殊钢方面，上海五钢、抚顺特钢、大冶特钢等企业取得了一定的进展。其 中，上海五钢已经形成了全国汽车用钢精品基地。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 1 6 本章小结 阐述了超低碳钢国内外研究状况和生产状况，并列举了超低碳钢的性能和用途，以及 化学成分对超低碳钢性能的影响。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第二章超低碳钢表面“折叠”缺陷现状分析 2 1 武钢二热轧超低碳带钢生产工艺流程 铁水预处理一转炉冶炼一炉外精炼一连铸一板坯加热一轧制层流冷却一 卷取一横切卜包装入库。 2 2 武钢二热轧生产线工艺装备简介 武钢二热轧2 2 5 0 生产线是在原热轧厂的基础上改造而成的，设计年生产能力为第一阶 段3 5 0 万吨，是武钢( 集团) 公司在十五期间改扩建配套工程的重要项目，也是本世纪初 国内冶金行业最大的投资改扩建项目。其设计、设备引进国际成熟、可靠的先进工艺技术 和装备，是本世纪初世界最先进水平。整个二热轧工程由三条生产作业线及相关辅助设备 组成。其中主轧线及横切线由德国西马克公司技术总承包，电气数字控制系统的软、硬件 均由西门子公司提供。机械设备及大部分电气设备实现了国产化。 二热轧板坯库是热轧和连铸工序的连接纽带，其作业过程及物流已完全实现了生产管 理计算机控制。具有直接热装和冷装两种生产方式，可保证热装率达到7 0 。主轧线设有 两座步进梁板坯加热炉，它采用先进的计算机最佳化燃烧技术控制加热炉温度，确保板坯 加热质量，降低吨钢能耗，节约生产成本。 采用最新式高压水除鳞机，清除了热坯表面氧化铁皮，降低生产能耗，提高表面质量。 连续式定宽压力机，减宽能力最大达3 ，经过定宽机的板坯头、尾部的宽度缩颈 减少，使剪切损失最小化，提高了成材率。 。 粗轧机i 迎采用自动宽度控制系统和自动厚度控制系统，使粗轧带坯宽度、厚度控制更 精确。 采用飞剪最佳化剪切技术的使用，提高了带钢成材率。带坯经过7 机架精轧机连轧组， 轧制成目标厚度。它采用西门子计算机控制技术，极大的提高了带钢( 终轧温度、宽度、 厚度、卷取温度) 四项精度，该系统装备的c v c 板形控制，大幅提高产品板形质量及目标 凸度，产品质量达到世界先进水平。 全自动更换工作辊，大大减少换辊时间，提高了轧制线生产率。 先进的c v c 板形控制轧机需要配备精确的轧辊辊型，在干净整齐的二热轧磨辊间内， 安装了5 台引进的数控磨床，用于加工支撑辊和工作辊，磨削精度在1 0 p m 以内，装备有磨 辊间计算机管理系统，是目前国内最先进的磨辊车间。 二热轧电气控制系统由三级计算机控制系统组成，从西门子公司引进的设备，主要由 p c 服务器组成的过程控制系统、开放结构的t d c 数字化控制系统组成的基础自动化系统及 交流变频技术组成的主辅传动系统构成。武钢二热轧技术人员承担了部分系统的编程和调 试任务，现已成长为能独立完成该套设备运行、维护的合格技术人员。 二热轧主马达采用隐极式交流同步电机，减少传动惯量，改善系统的响应。 另外，在主轧线上还装备了全国唯一一套热轧线表面质量检测系统，更加严格控制了 产品质量。 高效节能型的层流冷却系统具有带钢微结构性能预报系统，能更准确的跟踪控制带钢 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 卷取温度，保证了带钢全长性能均匀稳定。 具有a j c 踏步控制技术和全自动调节系统、分段张力控制和自动对尾控制的卷取机， 使带钢获得非常整齐的卷形和表面质量。 热轧卷展丈卷重达3 8 吨，平均2 分钟轧制完成一个钢卷。 成品钢卷由运输链送至钢卷库，一部分进入横切线组织生产成钢板，一部分进入平整 线进行平整和分切，另以部分直接送到即将建成的二冷轧。 钢卷入库、堆放、质检、出库均实现计算机自动化管理。 2 3 超低碳带钢表面“折叠”缺陷产生机理简述 2 3 1 缺陷特征 沿钢带的两边产生一条平行于边部的薄皮( 有时只在一边产生) ，薄皮的宽度约为2 3 m m ，厚度约为00 1 0 1 m m ；起皮部位一般在离边部的5 2 0 m m 内。在钢带的下表面有 时为一条平行于边部的直线。热轧在线表面检测仪检测到的缺陷形貌和实物照片见图21 。 固2 1 取s p h c - m 2 0 钢成品缺陷试样( 宏观形态见图2 2 ) 用电子探针进了分析。分析 圈2 2 板边缺陷的宏观形态 方法：用二次电子和背散射电子像观察形态，用能谱仪分析成分。截面观察，板边存在一 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 条太致与板边平行的裂缝，缝内存在断续的氧化铁( 图2 3 、24 ) 延伸部位也存在一条明 显的折叠线，缺陷深度约5 0 微米( 图25 ) 。 二；麓 璃醚 亡= 医 二_c=!= 图25 缺陷延伸部位的折叠线 ( 缺陷深度约舯微米) 2 3 2 产生机理 热轧超低碳钢折叠缺陷产生的原因十分复杂，随机性较强，据丁解，这类缺陷在国内 其它钢铁企业也没有得到有效的控制，国内未见相关的研究报道，本课题通过跟踪调查、 实验室试验、金属塑性变形理论分析和查阅相关论文资料，认躺折叠有重要关联的因素 如f ： 第1 2 页武汉科技大擘硕士学位论文 ( i ) 金属材料变形抗力 金属变形抗力是表征金属与合金塑性加工的一个最基本量，金属在一定变形温度、变 形程度和变形速率条件下的屈服极限称为金属的变形抗力。金属的理论屈服强度决定于原 子问的结合力，实际屈服强度则取决于位错运动时受到的各种阻力，这些阻力是和金属材 料的成分与组织结梅有关的，而材料的组织结构又髓变形温度、应变速率和变形程度变化 的，是变形温度、变形速度和变形程度的函数。 不同的钢种，由于化学成分不同，变形抗力曲线不同一般表现在应变区间内应力值 的大小，线性段的长度，届服深度和屈服点的数量等方面有一定差别。如果材料高温下变 形抗力低，线性段长度短，屈服深度大，屈服点多，则带钢边部不均匀变形较大，沿厚度 方向易出现较湃的折叠，就有可能导致表面翘皮。超低碳钢变形抗力曲线图( 2 - 6 ) 。 ( 2 ) 氧化铁皮 氧化铁皮的影响可归结为两个方面，一方面是氧化铁皮对摩擦系数有影响，在温度为 8 0 0 - 1 2 0 0 的范围内，氧化铁皮可使摩擦系数增加；但氧化铁皮的熔点较低，当轧制温度 达到一定高度时又可能成为粘性体鼠而减小摩擦系数；另一方面，氧化铁皮在带钢侧面如 果除不干净，折叠层闻氧化铁皮沉积过多，在轧件减薄过程中，折叠带不能压合，从而可 能迸一步形成翘皮。 f 3 ) 摩擦系数 轧辊与轧件接触表面的摩擦力影响到轧件变形，根据有关文献介绍，随着古碳量降低 摩擦系数有增高趋势，但超低碳钢摩擦系数未见报道，实验表明，这种钢的摩擦系数比一 般钢种高，因此对轧件边部变形产生剧烈的影响。 摩擦系数一般和以下因素有关： l 占 图2 6 变形速度为2 0 5 _ 。 罔i一 一 一 一 一 一 - 一一 一 一。 一 一 ， 一 r ，| | 一 、 、 一三 瑚斟御御椭恤恤o 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 1 ) 轧制温度变形温度不同，摩擦系数变化很大，热轧带钢轧制温度范围在9 0 0 1 2 0 0 的，摩擦系数可达到一倍的差距。 2 ) 辊表面状态热轧带钢辊面状态受轧件高温的影响变化会很大，使用时间长，辊面 粗糙增加，摩擦系数可变得很大，当轧辊润滑时，摩擦系数可显著降低。 3 ) 材质对于超低碳钢，摩擦系数较高。 ( 4 ) 温度 温度的高低影响材料变形抗力，同时对轧件的变形流动性也产生影响，温度的影响一 般通过摩擦系数的变化发生作用。 2 4 本章小结 简介了武钢二热轧的生产工艺流程，描述了超低碳钢折叠缺陷的表面特征并阐述了该 缺陷的形成机理。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章超低碳钢的热轧氧化特性 3 1 氧化理论 金属高温氧化理论起始于1 9 0 2 年，当时及t a m m 籼在银、铅与镉氧化时观察到，氧化 膜增厚与氧化时间平方根成正比。1 9 2 3 年，p i i l i n g 与b e d w o n h ，在研究镍、铁、铅、锌、 镉及铝与铜氧化时，确认抛物线氧化速度定律具有普遍性，并对不带电荷的原子经由氧化 膜扩散控制的氧化，提出了反应速度的经验方程，称之为t a m m a l l i l p i i l i n g b e d w o d 抛物 线定律，同时指出，金属与其形成的氧化物的体积比( 即p b r ) 是判断金属氧化物动力学的 一个重要判据，当p b r 1 时，氧化膜生长才有可能遵守抛物线速度规律【2 9 1 。 1 9 3 3 年，马普学会物理化学研究所的w a 辨e r 提出带电荷物质( 金属阳离子与氧阴离子) 以化学位梯度和电位梯度为驱动力，经氧化膜缺陷扩散传质为模型，从理论上推导出高温 氧化厚膜生长的经典抛物线氧化物理论，并于1 9 5 1 年最后完善【2 3 】。脚e n 氧化理论( 厚膜 理论1 总结出了形成厚的氧化膜时膜增厚的动力学规律，并且定量地建立了氧化膜生长动力 学与氧化膜的物理化学性质之间的关系，给出了抛物线速度常数与氧化膜中各种粒子的电 导率与迁移数、各种点缺陷的浓度、各种粒子的扩散系数、氧化的生成自由能、环境氧分 压及氧化物的分解压等参数之间的定量关系【3 l 】。据此，可以确定金属在高温下的氧化膜厚 度。 根据w a 鲫e r 氧化理论得到的高温氧化规律，氧化速度与氧化膜厚度的关系式( 即抛物线 规律) 为例 z 2 = 2 k ( 3 1 ) 式中：x 为氧化膜厚度； t 为时间常数； 尼。为抛物线速度常数，量纲为硎2 j 1 然而，实际的氧化速度经常偏离w a 舯e r 理论，一般认为有以下几个原因： 1 ) 认为氧化膜与金属剥离( 与w a 盟e r 理论的前提相悖) ，使氧化速度下降。 2 ) 认为在氧化膜内晶界扩散也起了很大作用。 3 ) 当氧化膜增厚到一定程度，在膜内产生应力，促使氧化膜破裂，使膜与金属分离， 周围的氧气直接侵入内部，与金属发生反应。 3 2 氧化膜的形成 对钢的氧化仍可用帅e r 理论来分析，在钢坯加热的初始阶段，金属表面己经形成薄 氧化膜，它是由于金属和氧直接接触，互扩散几乎无阻碍形成的。在加热的过程中，金属 的氧化通过形成的氧化膜中的缺陷结构( 或物质) 的扩散来实现。在2 0 以上，钢的氧化符 合普遍适用的抛物线增厚规律，此时钢的氧化动力主要来源于已形成的氧化层的内表面( 与 铁基体交界) 和外表层( 与空气交界) 之间存在的化学势差与电势差，在二者的综合作用下， 内外表面的势差使铁、氧离子与电子发生迁移，从而使钢材表面继续氧化。钢的初始氧化 第1 5 页 速度，毒直线分布，氧化反应取决于气体的量，可由化学反应速度及接触金属的氧化性气体 的量，柽控制。当反应氧化层达到一定厚度后，氧化机制转换，由氧化层内晶格扩散控制， 氧化符合抛物线规律，此时的反应速度主要由铁原子的扩散控制【3 1 1 。 多j 外，在实际中发现有多层氧化膜形成，可以把多层膜形成机制作为w a 弘e r 理论的补 充。 3 3 氧化铁皮的形成机理、种类、及影响因素 3 3 1 氧化铁皮的形成机理 钢铁在常温下会氧化生锈，在干燥的条件下，这一氧化过程是缓慢的，到了2 0 0 3 0 0 时， 表面会生成氧化膜，但如果湿度不大，这时的氧化还是比较缓慢的；温度继续升高，氧化的 速度也会随之加快，到了1 0 0 0 以上氧化过程开始激烈进行；当温度超过1 3 0 0 以后，氧化 铁皮j l ：始熔化，氧化进行得更剧烈。 氧化过程是炉气内的氧化性气体( 0 2 、c 0 2 、h 2 0 、s 0 2 ) 和钢的表面层的铁进行化学反 应的结果。根据氧化程度的不同，生成几种不同的氧化物( f e o 、f e 3 0 4 、f e 2 0 3 ) 。 氧化铁皮的形成过程也是氧和铁2 种元素的扩散过程，氧由表面向铁的内部扩散，而铁 则向外部扩散。外层氧的质量浓度大，铁的质量浓度小，生成铁的高价氧化物；内层铁的 质量浓度大，而氧的质量浓度小，生成氧的低价氧化物。 3 3 2 氧化铁皮的种类 氧化铁皮的结构是分层的。一般氧化铁皮的层次有3 层：最外l 层为f e 2 0 3 ，约占整个 氧化铁皮厚度的1 0 ，其性质细腻有光泽、松脆、易脱落，并且有阻止内部继续剧烈氧化的 作h j ：第2 层是f e 2 0 3 和f e o 的混合体，通常写成f e 3 0 4 ，约占全部厚度的5 0 ；与金属本体 相连的第3 层是f e o ，约占氧化铁皮厚度的4 0 ，f e o 的性质发粘，粘到钢料上不易除掉。氧化 铁皮可分为一次氧化铁皮、二次氧化铁皮、三次氧化铁皮和红色氧化铁皮。 ( 1 ) 一次氧化铁皮 钢在热轧前，往往要在1 l o o 1 3 0 0 加热和保温。在此温度下，钢表面于高温炉气接 触发，l 三氧化反应，生成1 3 n u n 厚的一次鳞以及由粗轧侧压不充分、除鳞不彻底所致，该一 次鳞l i i 称为一次氧化铁皮【3 2 】。一次氧化铁皮的内部存在有较大的空穴，灰黑色鳞层，呈片 状菠。矗在钢板表面。氧化铁皮主要成分由磁铁矿( f e 3 0 4 ) 组成。 ( 2 ) 二次氧化铁皮 热轧钢坯从加热炉出来后，经高压水除去一次氧化铁皮后，即表面氧化铁皮脱落，进 行荆轧。在短时间的粗轧过程中钢坯表面与水和空气接触，钢坯表面产生了二次鳞，也称 为二次氧化铁皮。二