摘要：为解决薄板坯连铸连轧生产线生产的冷轧用钢屈服强度较高问题，采用了铁素体轧制工艺和加硼等措施，使SPHD带卷的平均屈服强度降至230MPa，比用常规轧制工艺生产的热轧板卷降低了61MPa。

关键词：薄板坯连铸边轧；冷轧用带钢；屈服强度；铁素体轧制

1     前言

  近几年来，我国有8条薄板坯连铸连轧生产线相继投产，还有3条生产线在建。一些拥有薄板坯连铸连轧生产线的企业，已经建成或正在建设配套的冷轧生产线，从而构成完整的冷轧带钢生产流程。但是，薄板坯连铸连轧生产线生产的热轧板卷的屈服强度一般比常规热连轧工艺生产的板卷高I00MPa以上，这给用作冷轧原料带来生产上的困难。因此，国内外有些薄板坯连铸连轧生产企业从冶金成分设计和热轧工艺控制方面进行调整，以降低冷轧料的屈服强度，目前已取得较好效果。

    2004年唐山钢铁集团有限责任公司UTSP生产线开始生产供唐钢冷轧薄板厂使用的冷轧原料(SPHC、SPHD)，初期也遇到了冷轧原料屈服强度过高问题。为此，开展了降低冷轧用料屈服强度的技术攻关，目前已取得一定效果。

2  低碳带钢屈服强度分析

    珠江钢铁公司对其生产的121炉ZJ330热轧薄板的屈服强度进行的统计分析得出，平均屈服强度为387．6MPa，与按式(1)计算出的理论值387．74MPa很接近。

    σ_s =σ₀+σ_g+σ_d+σ_p+σ_ss    (1)

式中，σ₀为单晶纯铁的屈服强度，空冷时σ₀=86．24MPa；σ_g为细晶强化值；σ_d为位错强化值；σ_p为沉淀强化值；σ_ss为固溶强化值。

    唐钢对153卷SS330薄板的屈服强度进行统计，平均值为310MPa。金相检验表明，其晶粒尺寸为6．3～7．2μm，取平均值6．75μm，略大于ZJ1330的晶粒尺寸。按Hall-Petch公式计算，唐钢SS330的晶粒细化σ_q为183．7MPa。SS330典型化学成分见表l，[N]按10×10^-6计算，则固溶强化σ_ss为20．8MPa。利用透射电镜观察到SS330的微观组织中，存在沿晶界析出的链条状析出物(主要为Fe₃C)，线度约为300～400nm。按式(1)，代人σ₀、σ_g、σ_ss，得出SS330的沉淀强化与位错强化的效果共计为19．2MPa。因此，唐钢生产的低碳钢最主要强化机制为细晶强化，其次为固溶强化，位错强化和沉淀强化的效果较小。因此要降低与SS330化学成分、工艺制度相近的低碳冷轧用钢的屈服强度，主要是要减弱细晶强化效果，同时辅以减弱固溶强化、位错强化、沉淀强化的效果。

3    降低冷轧基板屈服强度的措施

3．1调整化学成分和热轧工艺

对冷轧用带钢中的C、Mn、Si含量作了调整，见表1。从表1可看出，SPHD钢的C含量变化不大，Mn、Si含量变化较大，由此可使SPHD钢的固溶强化作用降低约l0MPa，对降低屈服强度的作用有限。但是，Mn含量越低，渗碳体析出越充分，越容易粗化；而且，低Mn含量还有利于提高晶粒长大速率，并可减少钢中珠光体组织，二者均有利于降低钢的屈服强度。   

传统热连轧工艺采用的加热温度、终轧温度、卷取温度比薄板坯连铸连轧生产线高很多，生产的冷轧用钢屈服强度为200MPa左右。高的轧制温度有利于促进钢的再结晶，从而降低变形储存能的积累，减少变形带，降低铁素体相变的形核率。在700～1000℃之间，终轧温度每降低100℃，铁素体晶粒直径减小3～4μm。另外，高的卷取温度一方面能提高铁素体晶粒的长大速度，另一方面能延长铁素体晶粒长大的时间，因此提高卷取温度可以获得更大的铁素体晶粒。为此，唐钢将SPHD带钢的热轧工艺调整为：终轧温度870～910℃，卷取温度670～700℃。

通过调整冶金成分和优化热轧工艺，冷轧用SPHD钢的性能较与其成分相近的SS330钢有所改善。但屈服强度仍在292．5MPa左右，与常规轧制工艺生产的热轧板卷200MPa左右的屈服强度相比，强度指标仍太高，难以适应冷轧生产的要求。SPHD钢的C、Mn、Si、P含量较低，固溶强化的效果已经很有限。与SS330钢860～890℃的终轧温度和600～640℃的卷取温度相比，SPHD钢的终轧温度和卷取温度提高的幅度不大，而且两者的平均冷却速率均较高，SS330为31～4l℃·s^-l，SPHD钢为24～34℃·s^-1  。由文献可知，冷却速率越高，冷却速率对铁素体晶粒尺寸的影响越小。因此，SPHD钢的铁素体晶粒尺寸虽比SS330钢的略大，但也只有10μm左右。由于唐钢受设备和工艺条件的限制，进一步提高终轧温度和卷取温度的难度非常大。因此，必须开发新措施，才能更有效地降低屈服强度。

3．2采用铁素体轧制工艺

    铁素体轧制工艺是指轧件在进入精轧机前就完成γ→a的相变，使精轧过程完全在铁素体范围内进行。铁素体轧制工艺解决了轧制薄规格带材时难以保证在完全奥氏体状态下轧制的难题，避免了两相区轧制时流变应力突变造成的问题。同时避免了两相区轧制时引起的带钢力学性能不均匀和厚度波动问题。

    研究表明，对于C含量小于0．04％的钢，在铁素体温度范围(850～750℃)和奥氏体温度范围(1050～860℃)内的轧制变形抗力几乎相同，如图1所示。

在两相区，由于铁素体的层错能高，变形过程中容易发生交滑移，扩散系数较大，动态回复比奥氏体快，所以在相同的变形速率和温度下，铁素体比奥氏体的变形抗力低。虽然温度降低会使变形抗力有所增加，但此时这一作用较铁素体本身的特性影响弱。因此，两相区的变形抗力随温度的降低而降低。当相变结束，奥氏体完全转变为铁素体后，随着温度的降低，变形机理发生变化，变形抗力随之升高。

采用铁素体轧制工艺时，必须首先确定生产条件下的Ar₃。因为采用铁素体轧制工艺，就是为了得到晶粒较大的铁素体组织，从而降低屈服强度。如果变形温度在Ae₃～Ar₃之间，将发生形变强化相变，不利于获得粗大的铁素体晶粒。影响A r₃的因素主要是化学成分、奥氏体晶粒度、轧制温度、变形量和冷却速度等。轧制过程中的A r₃温度可由下式计算：

    A r₃(℃)=910—310·[C]一80·[Mn]一20·[Cu]一15·[Cr]一55·[Ni]一80·[Mo]    (2)

  采用铁素体轧制工艺可获得较大的铁素体晶粒组织，从而获得较低的屈服强度。这是因为钢在进入精轧前温度已低于Ar₃，处于两相区，钢中部分奥氏体已经转变为铁素体。在两相区钢(0．04％C、0．26％Mn、0．05％Si)的应力一应变曲线如图2所示，这是明显的加工硬化型曲线。由于先析铁素体在精轧过程中未发生动态再结晶，粗大的先析铁素体被变形拉长，终轧、高温卷取时，变形的铁素体发生静态再结晶，晶粒尺寸有所细化。由于铁在铁素体区中的自扩散系数比在奥氏体区中高一个数量级，因此，在同一温度下处于铁素体状态的晶粒长大要容易得多；同时，铁素体组织长时间处于高温状态，因此更有利于获得较大尺寸的铁素体晶粒。精轧过程中，钢中的剩余奥氏体仅发生动态回复，在终轧、卷取后，奥氏体全部转变为铁素体和珠光体。由于钢中剩余奥氏体的晶粒尺寸粗大，因此相变后生成的铁素体晶粒尺寸也较大，在高温卷取后，铁素体晶粒进一步长大。

    试生产结果表明，采用铁素体轧制工艺高温卷取生产的SPHD带卷，屈服强度平均为230MPa，抗拉强度平均值为318MPa，分别比常规奥氏体轧制工艺生产的同一批次的SPHD带卷低6lMPa和55MPa。

3．3添加硼

    国内外电炉薄板坯连铸连轧生产线生产热轧薄板的实践表明，加硼在一定条件下可使钢的屈服强度降低。纽柯公司Berkeley厂通过加入适量的硼来控制热轧板卷的强度和硬度，对于低碳钢(0．02％～0．065％C)，力学性能控制在：σ_s为224MPa，σ_b为315MPa，δ为41％。国内某厂生产加硼冷轧用钢的实验表明，该钢经室温48h时效后，σ_s为191～220MPa，平均值约204MPa。可见，加硼是降低冷轧用钢屈服强度的一种有效手段。

    钢中加硼对铁素体形核有强烈的抑制作用，但它对铁素体长大并无影响。大量实验表明，通过偏聚在奥氏体晶界来阻碍铁素体形核。对加硼超低碳钢(0．028％C、1．56％Mn)的研究表明，在700℃等温5s时，硼已在奥氏体晶界产生明显偏聚，硼偏聚的发生先于相变，它能推迟沿晶铁素体的形成，同时，铁素体的长大不受硼在奥氏体中扩散的控制；在低碳铝镇静钢中添加硼，细小的AlN析出的量会因粗大的BN的析出而减少，使铁素体晶粒生长的性能有所提高。因此，钢中加硼有利于得到较粗大的铁素体晶粒。

    另外，卷取温度对加硼钢的屈服强度影响不大，所以，加硼钢不需要采用很高的卷取温度。

    冷轧用钢加硼的技术关键是硼的合理添加和控制。因为硼在钢中不仅可溶于Fe形成固溶体，同时还与Fe、C、N、O等元素形成Fe-C-B型化合物和Fe-O-B型化合物。这两种化合物均称为B相，其中Fe-C-B型化合物为脆性相复合化合物。由于B偏聚在奥氏体晶界上，所以，B相也主要沉淀在晶界上。B相数量随硼含量的提高而增加且粗化，成网状分布，从而引发硼脆。硼的合理加入量，一般要根据钢中N的含量，使硼的加入量满足剩余[B]=[B]一[N]×1l／14=0的要求。这是目前解决B相网状沉淀的最有效措施。但是当钢中N含量高时，就不能依据上式计算硼的加入量，因为硼的加入量有一个最适宜的上限，当硼的加入量超过这个上限时，极易引发硼脆问题。此时，可适当加入Ti来固定部分N；同时，硼的加入量要满足剩余[B]=[B]一[N]×1l／14一[Ti_必需]／5=0的要求。

    唐钢正在进行SPHD钢加硼试验。在未对轧钢工艺进行调整的情况下，某次试验的结果是，在线检测无硼钢的屈服强度为296MPa，加硼钢为284MPa；加硼的冷轧用钢经室温48h时效后，屈服强度为256MPa。

4结论

    (1)唐钢生产的低碳钢的主要强化机制为细晶强化、沉淀强化、位错强化和固溶强化，其中，细晶强化是最主要的强化方式。

    (2)调整冷轧用钢的冶金成分，适当降低C、Mn、Si含量，可以降低固溶强化效果，但是作用有限。

    (3)采用较高的终轧温度和卷取温度，可以降低细晶强化的效果。但是，在实际生产中，由于工艺和设备条件的限制，达不到常规热连轧工艺生产的热轧板卷强度水平。

    (4)唐钢采用铁素体轧制工艺，冷轧用钢的屈服强度已降至205MPa，因此铁素体轧制工艺是薄板坯连铸连轧生产线生产冷轧用钢的一个很有价值的选择。

    (5)低碳钢加硼可显著降低γ→a相变时铁系体的形核率，但对铁素体晶粒的长大速率影响不大，有利于得到较粗大的铁素体晶粒。

                                                                                                                      (唐山钢铁集团有限责任公司热轧薄板厂 )