常规热连轧线Ti-IF钢铁素体轧制工艺探讨

孙　建，陈守东，陈子潘，李　杰

(铜陵学院机械工程学院，安徽 铜陵 244061)

0　引言

铁素体热轧轧制是先进的物理模拟生产工艺，其能够有效提升钢材的综合性能，减少资源消耗与生产成本。利用铁素体轧制工艺，可以完成超低碳钢、烘烤硬化钢和金属带卷卷绕系统的生产工作。因此铁素体轧制工艺在Ti-IF钢常规热连轧中的应用，能够有效完成钢材轧制的质量控制，降低超低碳钢生产的成本。

1　Ti-IF钢铁素体轧制工艺的发展状况与优势分析

1.1　Ti-IF钢铁素体轧制工艺的发展状况

铁素体热轧轧制工艺起源于欧洲，比利时冶金研究所的阿佩尔教授，主要研究利用铁素体轧制工艺，进行碳钢轧制过程的温度控制。当前大多数发达国家开始研究Ti-IF钢铁素体热轧工艺，并展开了一系列的热轧钢板生产实验。其中，比利时使用0.9 mm内的铁素体热轧工艺，代替了2.0 mm以上的冷轧钢材生产技术，有效降低了钢材轧制的生产成本。而日本钢铁工程控股公司也进行了Ti-IF钢常规热连轧实验，并能够完成3.0 mm以上厚度钢板的轧制。在超低碳钢铁素体热轧的生产中，已经可以完成三角多晶体金属和r>2.9钢板的工业化生产。同时，世界各地钢铁公司还在冷却控制、轧制模型等方面增加投入，来探究生产薄钢材的铁素体轧制工艺。

中国铁素体热轧轧制工艺的发展较慢，通常使用薄板坯进行钢材的浇筑与轧制。当前，我国已经完成了对传统轧线的设备升级，大型钢材企业在薄板坯钢材的浇筑与轧制中，可以实现1.0 mm的极限厚度轧制，部分钢材企业可以实现2.0 mm以内的极限厚度轧制。所有企业都运用铁素体薄板坯连铸连轧技术，来完成热轧薄板酸洗、退火的卷轧。我国宝山钢铁企业首先完成了铁素体轧制工艺在Ti-IF钢常规热连轧中的应用，并成功实现了超低碳钢热轧的批量化生产。唐山钢铁集团也利用铁素体轧制工艺，进行了薄板坯钢材的浇筑与轧制研究，但并没有实现Ti-IF钢的工业化生产。在CSP芯片和CPR图像技术快速发展的前提下，利用铁素体轧制工艺进行Ti-IF钢的超薄热轧生产，能够有效提高超低碳钢的产品质量，最大程度节约生产成本。

1.2　铁素体轧制工艺在Ti-IF钢常规热连轧中的优势

在传统奥氏体钢材组织重新分配的过程中，会使用铁素体轧制工艺进行Ti-IF钢的降温处理。当前关于铁素体轧制工艺的研究非常多，其中大多数研究集中于铁素体溶碳区域内热轧工艺的可行性。铁素体溶碳区域的热轧工艺，主要对奥氏体钢材进行重组，再经过酸洗、退火来实现热轧薄板的卷状结构。当前超低碳钢织构为三角多晶体，其在完成退火后能有效增大钢材在某一方向上的延展性。铁素体热轧工艺的主要步骤为：先使用二辊轧机将钢材热轧为2 mm的薄板，然后使用连轧机精细冷却系统进行钢材降温，最好将钢材温度降至奥氏体析出铁素体的临界温度，之后奥氏体进入精轧机组开始精细化轧制，直至奥氏体完全变为α-Fe铁素体。

将铁素体轧制的热轧温度控制在1 000 ℃左右，则在钢材加热生产方面所耗费的能量更小，相比于传统加热工艺的成本更低。因此，使用铁素体轧制工艺进行Ti-IF钢常规热连轧，主要包含以下几方面优势：1)铁素体轧制工艺的生产成本更低。由于铁素体轧制在钢材生产中的温度为1 000 ℃左右，因此，出钢时刻的加热炉温度更低，在后续生产中的能源储备更充足，并有效降低钢材轧制过程的生产成本。2)超深冲钢板的成品率更高。通常，超低碳钢生产温度为奥氏体析出铁素体的临界温度，而且钢材生产中的温度一般控制在1 300 ℃左右，高温会产生更多的氧化铁皮，因此，在钢坯轧制前要除去表面的氧化铁皮。而使用铁素体轧制工艺的温度更低，加热炉中氧化铁皮的产生量也会更少，钢坯在氧化过程中的烧损率也会更低，超深冲钢板的成品率就更高。3)降低轧辊滚动过程中产生的材料损耗，增强产品质量。由于铁素体轧制工艺的温度更低，所以轧辊滚动过程中的温度上升更慢，轧辊在温度改变中的断裂与磨损情况也更少。同时，低温轧制加热炉中氧化铁皮的产生量更少，热轧超低碳钢最终成品的质量更好。4)降低热轧钢材的酸洗难度。在氧化铁皮减少的情况下，轧辊的磨损速度也会减慢，热轧钢材的酸洗难度会显著降低。5)提高超低碳钢在某一方向上的延展性。通过铁素体热轧工艺进行轧制，可以生产出屈服极限与硬度低的三角多晶铁素体，并大大提升热轧钢材的冷连轧变形率。通常，钢材冷连轧变形率只有70%左右，而铁素体轧制钢材的冷连轧变形率能达到90%。除此之外，利用铁素体轧制工艺，可以对常规热连轧生产线中的设备进行升级，升级改造的成本也较低。

2　常规热连轧生产线铁素体轧制工艺的制订

2.1　钢板坯料的选取

在运用铁素体热轧工艺轧制之前需要选取适宜的钢板坯料展开实验，当前只有某些含碳量较低的钢种能够使用铁素体热轧工艺进行轧制。用于铁素体轧制钢体的主要化学成分包括C、Si、Mn、P、Cr、Alt和Ti等，主要为低碳钢和超低碳钢等钢种。目前,只有氧的质量分数低于0.01%的镇静钢和含碳量低于0.01%的IF钢能够运用铁素体热轧工艺完成工业化生产。在奥氏体析出铁素体临界温度的情况下，对Ti-IF钢和中碳钢的动静态相变进行模拟，得出铁素体在动态相变中的温度为820～850 ℃，动态Ar1铁素体温度变化情况如图1所示。根据不同钢材生产企业的产线设计特征，首先使用连轧机精细冷却系统进行钢材降温(制坯温度900 ℃左右)，之后将钢材放入精轧机组，开始精细化轧制及钢材内部组织重构。在运用铁素体轧制工艺进行Ti-IF钢常规热连轧的过程中，应该使用含碳量低于0.003%的超低碳钢，轧制形成宽度1 200 mm、厚度5 mm的成品板坯。

图1　动态Ar1铁素体温度变化情况

2.2　过程温度的制订与应用

相比于奥氏体轧制而言，铁素体在粗轧、精轧和卷取等阶段的轧制温度较低，一般粗轧阶段铁素体轧制温度为800～1 050 ℃，精轧阶段铁素体轧制温度为750～850 ℃，卷取阶段铁素体轧制温度为700～750 ℃。因此，在铁素体轧制过程中要做好温度控制，要将板坯的精轧温度控制在较低范围内。而且在板坯精轧与卷取的过渡节点，要控制好精轧与终轧之间的温差。针对多种常规热连轧生产线的钢材轧制，需要运用无旋水流来完成热轧板带的冷却活动，热轧板带冷却长度为80 m左右。在使用铁素体进行热轧层流冷却过程中，一般用空冷式换热器进行环境空气的冷却。同时，要保证热轧速度控制在合理范围内，以避免出现轧辊热膨胀增大和轧制过程力能负荷增加的情况。其中热轧加热温度控制在1 100～1 150 ℃范围内，终轧温度控制在750～820 ℃范围内，卷取温度控制在700℃左右。对于轧制过程的温度控制，应根据轧机轧辊的力能负荷状况，进行均匀三角多晶铁素体的生产，铁素体区域内的总变形量在60%以上。实验研究发现：在850～1 000 ℃的奥氏体温度范围内进行超低碳钢轧制，与在750～900 ℃的铁素体温度范围内进行超低碳钢轧制，两者产生的变形阻力基本相同。而且在轧制温度逐渐降低过程中，两者的变形阻力会缓慢升高。

针对低碳钢和超低碳钢等钢种，进行铁素体热轧的动态热形模拟试验。在钢铁材料变形量为0.6时，轧制速度不同的情况下，超低碳钢的变形抗力会随着温度增加而发生先下降后上升的变化趋势。其中，铁素体区域、奥氏体区和铁素体区的变形阻力会随着温度降低而升高，而奥氏体、铁素体中间区域的变形阻力会随着温度降低而下降。

当前使用6机架板带连轧进行常规热连轧的精轧生产，若低碳钢精轧过程发生在铁素体区内，则在轧制温度降低的前提下，机架连轧的变形阻力会逐渐增大，这就会产生轧制不稳定的情况。而且在轧制工艺不确定的情况下，F5、F6后机架工作辊会发生相应的甩尾或堆钢事故。因此，在Ti-IF钢铁素体轧制之前，应按照热轧1 100～1 150 ℃、终轧750～820 ℃和卷取700 ℃的温度控制，进行超低碳钢铁素体轧制的变形阻力分析。铁素体轧制中F1～F6机架的变形阻力与轧制温度如图2所示。从图2的变形阻力走势得出：在F1～F2的机架轧制温度段，铁素体区的轧制变形阻力高于奥氏体；在F3～F6的机架轧制温度段，奥氏体区轧制变形阻力大于铁素体区的轧制变形阻力。因此，使用铁素体热轧的轧辊力能负荷能够满足Ti-IF钢的热轧要求。

图2　奥氏体区、铁素体区轧制中 F1～F6机架的变形阻力与轧制温度

3　润滑工艺对铁素体组织结构的影响

在热连轧精轧机组中添加润滑油，能够有效改善铁素体轧制过程的工艺水平。运用轧辊滚动进行超低碳钢的轧碾，会在热轧板、轧辊之间产生轧制磨损，同时还会由于热轧板物体剪切而发生相对形变。而且超低碳钢与轧辊之间的摩擦系数也会迅速增长，剪切力作用下钢体轧制会发生一定偏斜，剪切相对形变也会迅速增加。同时，在两个相反剪切力的应变作用下，超低碳钢会形成三角多晶体织构，而三角多晶体织构与轧辊之间的摩擦系数也会发生相应变化。其中，三角多晶体织构与超低碳钢的板面平行，但该三角多晶体的大小分布不均匀。在两个相反剪切力的应变作用下，超低碳钢表面的三角多晶体织构较为平整，而其内部的三角多晶体织构的厚度不均匀，因此，会对超低碳钢的成品质量造成影响。

在超低碳钢与轧辊之间加入润滑油，主要是为了减小摩擦因数对轧钢成品造成的不良影响。通过在铁素体热轧中加入润滑油，可以生产出具有出色可成形性和优异均匀性的钢材。同时，润滑油还可以降低剪切力作用下的偏斜与不均匀形变状况，从而保证钢板在某一方向上的三角多晶体均匀分布。日本川崎重工率先将轧制润滑工艺加入到铁素体区热轧制钢的过程中，并通过对常规热连轧产品线的改造升级，实现了r>2.9超低碳钢的工业化生产。

通过对存在润滑与无润滑情况的比较，能够有效得出轧制润滑对热轧板表面织构的影响。在无润滑轧制的情况下，随着铁素体热轧板表面温度的升高，由于轧辊与钢板表面存在的摩擦应力，使得超低碳钢表面的{110}<110>织构强度高于润滑条件织构强度。所以在φ=30～90 ℃的情况下，无润滑轧制{112}<110>、{111}<110>和{110}<110>的织构强度，高于润滑条件织构强度。而且摩擦应力还会使实验钢得到较强的110//RD织构，其中RD为轧制方向。热轧钢卷在冷连轧过程中会产生变形情况，经过重结晶退火的再结晶能够形成{110}<110>织构，该织构也能够达到r>2.9的力学性能。因此，在铁素体热轧工艺实施之前，需要将润滑油加入到超低碳钢热轧生产线中，从而保证F1～F6的机架精轧轧制的正常运转。实验结果表明，在铁素体区热轧工艺中使用轧制润滑，可以实现整个铁素体轧制流程的润滑效果，也能够达到超低碳钢的工艺与精度要求。

4　铁素体轧制热轧钢板的显微组织与性能分析

在铁素体热轧轧制过程中，热轧钢板为纯化重结晶的组织结构，但钢板结晶微粒的尺寸不均匀，大结晶微粒之间还有很多细小的集点微粒，以及金属固溶体、化合物和纯物质等。在完成常规超低碳钢热轧后的组织结构，热轧钢板在某一方向的结晶微粒更加均匀，重结晶组织结构的纯净度也更高，利用铁素体轧制工艺进行的IF钢热轧板组织结构如图3所示。

图3　铁素体轧制工艺的IF钢热轧板组织结构

对于常规热连轧产品线的钢材生产而言，超低碳钢在进行终轧轧制的温度为900 ℃左右，而粗轧、精轧温度一般控制在750～1 100 ℃范围内。超低碳钢在奥氏体区的轧制，会产生纯化重结晶的组织结构，在热轧完成后会得到立方晶铁素体组织。钢板首先在铁素体轧制工艺的奥氏体区进行粗轧，铁素体区进行精轧，从而有效降低冷连轧过程的变形情况。在运用铁素体热轧工艺轧制过程中，由于热轧钢板的加热温度过低，析出晶粒不能溶解在钢板中，所以生成超低碳钢重结晶微粒的尺寸更大。同时，由于重结晶退火的变形阻力较小，热轧钢卷在冷连轧过程中也会产生晶粒增大的情况。因此，使用铁素体轧制工艺进行Ti-IF钢常规热连轧生产，能够在某一方向获得较高的织构力学性能与延展性。

5　结语

在使用铁素体轧制工艺进行Ti-IF钢常规热连轧实验前，需要对超低碳钢进行铁素体热轧的动态热形模拟。通过F1～F6机架轧制的变形阻力与轧制温度分析，来降低机架连轧的变形阻力，从而减少机架轧辊的甩尾或堆钢情况。然后根据铁素体热轧层流冷却速度的差异，选择合理的相变临界点进行超低碳钢热连轧制实验。通过使用铁素体轧制工艺进行低碳量无间隙钢热轧后，超深冲钢板会呈现出更加优良的韧性与延展性。

[1] 李大亮.铁素体轧制在传统热轧中宽带上的开发应用[J].河北冶金，2014(7)：22-24.

[2] 张贺咏，曹陈杰.宝钢1580热轧IF钢铁素体轧制工艺探讨[J].金属材料与冶金工程，2014(2)：40-43.

[3] 夏明生，李桂兰，韩冰.冷轧退火含磷高强IF钢的组织和性能[J].钢铁研究学报，2015(12)：54-57.

[4] 吕家舜，周芳.IF钢铁素体区轧制对带钢最终性能的影响[J].轧钢，2016(1)：10-14.

[5] 付培茂，王育田.700MPa级高强度低合金热轧铁素体钢带强化机制[J].钢铁，2016(3)：78-83.

[6] 郭薇，李飞.热连轧工作辊热平衡的优化研究与应用[J].中国冶金，2017(7)：50-53.