支穎　趙啟林　劉相華

關(guān)鍵詞：柔性軋制；產(chǎn)品組織性能；鋼種歸并

0 引言

柔性軋制可分為兩種類型：一是形狀尺寸方面的柔性軋制；二是軋制中對(duì)軋件組織性能的柔性控制。實(shí)際上，后者較前者有更大的發(fā)揮空間、更廣闊的應(yīng)用前景。早年提出一鋼多能的理念，首秦公司馮路路等將其與組織性能的柔性控制聯(lián)系起來，采用同一種鋼坯，生產(chǎn)出低合金船板、容器板、橋梁板和高層建筑用鋼板，實(shí)現(xiàn)了一鋼多能。這不僅簡(jiǎn)化了原材料和坯料管理，而且能減少不同鋼種連澆帶來的諸多不便以及連澆爐數(shù)，從而促進(jìn)了煉鋼階段的減量化生產(chǎn)。在本世紀(jì)初興起的超細(xì)晶粒鋼研究熱潮中，提出用同一種化學(xué)成分生產(chǎn)不同晶粒尺寸，獲得不同力學(xué)性能產(chǎn)品的思想，并用Q235鋼坯實(shí)驗(yàn)試制出200～400 MPa多種不同強(qiáng)度級(jí)別的產(chǎn)品。此后沿著這種思路繼續(xù)向前發(fā)展，把實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)實(shí)踐。例如：天津鋼鐵集團(tuán)花艷俠等采用普碳鋼Q235B-T連鑄坯，采用低溫軋制及快速冷卻技術(shù)，生產(chǎn)出Q345B 強(qiáng)度級(jí)別的鋼板，各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。寶武集團(tuán)韶鋼周中喜等用相同熔煉成分的Q390板坯，通過控軋控冷技術(shù)，充分發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化作用，生產(chǎn)出Q390C和Q420C兩種強(qiáng)度級(jí)別的熱軋低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板，性能全部合格。而寶武集團(tuán)梅鋼胡恒法等系統(tǒng)總結(jié)了前人經(jīng)驗(yàn)，利用產(chǎn)品性能柔性控制進(jìn)行鋼種歸并，用Q345強(qiáng)度級(jí)別原料，采用低溫終軋、低溫卷取的工藝路線生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度430 MPa、抗拉強(qiáng)度540 MPa， 伸長(zhǎng)率達(dá)到30%的產(chǎn)品。

人們對(duì)軋制過程中軋件組織性能柔性控制的追求沒有停下腳步，2021年LU Q等在國(guó)際著名期刊《Science Advances》上發(fā)表論文，提出UniSteel概念，即以單一化學(xué)成分取代已有的繁多汽車用鋼品種，進(jìn)一步體現(xiàn)出對(duì)軋制產(chǎn)品組織性能的柔性控制技術(shù)的深度思考。本文從產(chǎn)品組織性能柔性控制的基本思路及其理論基礎(chǔ)入手，介紹其在鋼種歸并中的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r。

1 產(chǎn)品性能柔性控制的思路和原理

過去為了滿足用戶對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)別產(chǎn)品的需求，往往采用調(diào)整化學(xué)成分的方法，這樣就需要在煉鋼、連鑄、軋制過程中頻繁切換鋼種，會(huì)帶來增加生產(chǎn)成本，加快稀缺資源消耗等問題，同時(shí)也增加了冶煉工序成分控制難度，使冶煉、連鑄、軋制面臨頻繁更換鋼種帶來的銜接技術(shù)復(fù)雜化與管理復(fù)雜化。如果能使用集約化成分坯料，使用同一種化學(xué)成分的原料，通過改變軋制和冷卻工藝得到不同性能級(jí)別的產(chǎn)品，上述問題將迎刃

而解。

從金屬成形理論上說，這樣的想法能不能做到呢？答案是肯定的。鋼的性能是由其化學(xué)成分、組織和結(jié)構(gòu)決定的，化學(xué)成分取決于煉鋼，而組織與結(jié)構(gòu)既與化學(xué)成分有關(guān)，也與生產(chǎn)過程密切相關(guān)。例如：連鑄條件決定了鑄坯初始組織的形成和偏析狀況；熱軋變形條件決定了軋件再結(jié)晶和相變的發(fā)生和發(fā)展，生成晶粒形態(tài)不同、占比不同的奧氏體和鐵素體等組織；軋制+軋后冷卻條件決定了鐵素體、貝氏體、馬氏體各相組織的比例和產(chǎn)品晶粒大小、形態(tài)和取向。由經(jīng)典的Hall-Petch 公式可知，材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的-1/2次方成正比，只要采用不同的工藝參數(shù)就能獲得不同的晶粒尺寸，即可用同一種化學(xué)成分得到不同性能的產(chǎn)品。日本學(xué)者在追求晶粒細(xì)化極限的過程中曾經(jīng)把普碳鋼強(qiáng)度提高到800 MPa以上，排除那些脫離現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)條件的極端做法，在我國(guó)現(xiàn)有煉鋼和軋鋼的技術(shù)裝備水平能夠?qū)崿F(xiàn)的范圍內(nèi)，可以把普碳鋼的屈服強(qiáng)度提高到400～500 MPa。這只是利用晶粒細(xì)化一個(gè)手段得到的結(jié)果， 而相變對(duì)性能的影響作用更大，通過控制變形和冷卻條件，合理控制鋼中馬氏體的比例，得到性能翻一番的產(chǎn)品并不困難。

由煉鋼得到一種化學(xué)成分的鋼，經(jīng)過不同工藝參數(shù)的連鑄、熱軋、冷軋、軋后冷卻過程，得到不同的組織結(jié)構(gòu)、從而獲得不同的力學(xué)和使用性能，從理論上說是完全可能的。提出“一鋼多能”想法符合金屬成形原理。甚至可以說這種想法正是在對(duì)金屬成形原理深刻理解的基礎(chǔ)上形成并提出的。這種認(rèn)識(shí)，為鋼種開發(fā)和鋼種歸并提供了廣闊舞臺(tái)和理論指導(dǎo)。

具體說來，面對(duì)用戶的多樣化需求，軋鋼廠拿到用戶訂單以后，管理者首先要分析已生產(chǎn)的鋼種中，是否可以找到完全能夠滿足用戶要求的產(chǎn)品，否則就要進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)。而新產(chǎn)品開發(fā)往往從化學(xué)成分設(shè)計(jì)開始，對(duì)應(yīng)生產(chǎn)過程是煉鋼，如圖1所示。

圖1中，TL、T1、T2、T3稱為制品分級(jí)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱為PDP點(diǎn)（Product Different Point）。從煉鋼開始的產(chǎn)品開發(fā)周期為TL，流程最長(zhǎng)；若產(chǎn)品開發(fā)的周期從軋制開始，甚至從冷卻開始，開發(fā)周期縮短到T2甚至T3，T2或T3之前共用同一流程生產(chǎn)出來的坯料，那么新產(chǎn)品開發(fā)的周期就會(huì)大為縮短。這就是柔性軋制所要追求的目標(biāo)。PDP點(diǎn)后移，簡(jiǎn)化了冶煉和連鑄的操作，但并不是降低了煉鋼、連鑄工序的難度。相反，柔性軋制及鋼種歸并要求煉鋼能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)冶煉、窄化學(xué)成分控制；要求連鑄能得到少偏析、甚至無偏析的均勻鑄坯，以減少在后續(xù)流程中帶來組織和性能的大幅度波動(dòng)。

2 鋼種歸并

鋼種歸并是軋制過程組織性能柔性控制的一個(gè)具體應(yīng)用例子。從分析鋼鐵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)入手，考慮對(duì)具有相同或相近力學(xué)性能的鋼鐵牌號(hào)進(jìn)行歸并，通過對(duì)軋制與冷卻工藝的優(yōu)化控制進(jìn)行產(chǎn)品性能的升級(jí)或者降級(jí)軋制，實(shí)現(xiàn)“一鋼多能”的集約化生產(chǎn)。

2.1 鋼種歸并的必要性

各大中型鋼鐵企業(yè)的鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)都有成百上千種，而且越是名牌、成熟的公司，所積累的成熟鋼種越多、越雜。如果新鋼種開發(fā)只做加法、不做減法，那么新鋼種無止境增添上去，總有一天會(huì)到達(dá)管理者不堪重負(fù)的程度，因此需要進(jìn)行必要的鋼種歸并。

鋼種歸并就是鋼材種類管理中的減法，通過歸類、合并同類項(xiàng)，減少不同化學(xué)成分的鋼種數(shù)量。對(duì)內(nèi)以“一鋼”為手段，簡(jiǎn)化煉鋼的管理，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制；對(duì)外達(dá)到“多能”的效果，滿足用戶的多樣化需求。這里關(guān)鍵是通過軋制和冷卻工藝參數(shù)的優(yōu)化，調(diào)控產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)，獲得不同性能。按照 “成分歸并做減法，工藝優(yōu)化做加法”的思路，推進(jìn)產(chǎn)品性能的柔性控制。

2.2 鋼種歸并的優(yōu)缺點(diǎn)

鋼種歸并可以為企業(yè)帶來以下好處：

（1）減少品種類別，簡(jiǎn)化原料的管理，實(shí)現(xiàn)冶煉和連鑄的集約化生產(chǎn)；

（2）減少因頻繁更換品種帶來的冶煉時(shí)間和輔料消耗，增加連澆爐數(shù)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；

（3）根據(jù)市場(chǎng)行情變化，在達(dá)到同等指標(biāo)要求下選擇價(jià)格便宜的合金元素，降低原材料成本，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益；

（4）利用細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等手段，減少鋼中合金元素用量、實(shí)現(xiàn)性能升級(jí)生產(chǎn)和資源減量化生產(chǎn)；

（5）通過軋制變形和冷卻制度的參數(shù)優(yōu)化，特別是通過冷卻水量的合理使用，得到不同的冷卻速率、從而獲得不同的組織（鐵素體、貝氏體、馬氏體……），進(jìn)而得到不同的產(chǎn)品性能，來應(yīng)對(duì)用戶的多樣化需求。

鋼種歸并也存在一些負(fù)面作用，正如射擊訓(xùn)練，一槍只打一個(gè)目標(biāo)，命中率顯然會(huì)高于一槍要打中多個(gè)目標(biāo)，如圖2所示。也就是說，實(shí)現(xiàn)“一鋼多能”要比“一鋼一能”的難度大。要想在每一次嘗試中各個(gè)鋼種都能獲得滿足性能要求的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，要求軋鋼的設(shè)計(jì)和操作人員有像神槍手那樣過硬的本領(lǐng)，其中煉鋼需實(shí)現(xiàn)窄化學(xué)成分控制、連鑄需實(shí)現(xiàn)凝固參數(shù)精準(zhǔn)控制、熱軋和軋后冷卻需實(shí)現(xiàn)對(duì)變形和溫度的精準(zhǔn)控制，才能保證鋼種歸并后工藝參數(shù)能夠精準(zhǔn)運(yùn)行，這些是實(shí)現(xiàn)鋼種歸并的必要條件。此外，鋼材組織性能的在線預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)對(duì)鋼種歸并十分重要，把握了工藝參數(shù)對(duì)工件性能的影響規(guī)律，進(jìn)行鋼種歸并時(shí)才能得心應(yīng)手。

2.3 鋼種歸并的1條準(zhǔn)繩和4項(xiàng)原則

各個(gè)鋼材生產(chǎn)廠家的具體條件千差萬別，把握好鋼種歸并的尺度至關(guān)重要。哪些鋼種適于歸并、哪些鋼種不宜歸并？向著哪些訂單歸并？鋼種歸并時(shí)要考慮哪些有利因素？避免出現(xiàn)什么問題？這些都是在進(jìn)行鋼種歸并前必須解決的問題，為此提出下面的1條準(zhǔn)繩和4項(xiàng)原則，希望能對(duì)此方面感興趣的同行有所幫助，實(shí)現(xiàn)鋼種歸并的初衷。

鋼種歸并的最終目的是要保證企業(yè)獲得最大的綜合經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，這是要不要做鋼種歸并的準(zhǔn)繩。把握住這一點(diǎn)，鋼種歸并才能順利進(jìn)展、持之以恒。在這條準(zhǔn)繩之下，提出以下4項(xiàng)原則：

第1，不要輕易改變產(chǎn)量很大訂單的化學(xué)成分。對(duì)已有成熟經(jīng)驗(yàn)的大訂單，需要穩(wěn)定化學(xué)成分、優(yōu)化工藝，逐漸打造成企業(yè)的拳頭產(chǎn)品。如果把“一鋼多能”拆開來看，“一鋼”要向大訂單傾斜，盡可能把大訂單的化學(xué)成分、工藝優(yōu)化到極致；“多能”要向產(chǎn)量不大的訂單傾斜，讓小訂單多承擔(dān)歸并的義務(wù)。在化學(xué)成分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮將小訂單向大訂單靠攏，以確保大訂單生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。這一條可以總結(jié)為：“抓大并小”。

第2，隨著煉鋼、軋鋼技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)鋼種歸并遇到產(chǎn)品可向上升級(jí)提高性能指標(biāo)、也可向下降級(jí)調(diào)低性能指標(biāo)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮向提高性能指標(biāo)的方向歸并，這樣既有利于新技術(shù)的推廣，也有利于降低生產(chǎn)成本。但并不排除容許向下調(diào)低性能指標(biāo)的可能性，對(duì)那些總體經(jīng)濟(jì)效益影響不大的小訂單，即使從表面上看歸并可能帶來合金元素添加略有浪費(fèi)，但考慮到連續(xù)生產(chǎn)頻繁更換工藝的附加成本，向下歸并到低性能指標(biāo)的層別，還是合算的。這一條可概括為“就高容低”。

第3，過去有些鋼種由于當(dāng)時(shí)工藝條件的限制，依靠添加多種合金元素來保證其某些方面的特殊性能。近年來隨著煉鋼和軋鋼技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用工藝優(yōu)化來改善產(chǎn)品性能的空間越來越大，這就為擺脫對(duì)昂貴合金元素的依賴提供了新途徑。在有各種途徑都能獲得相同性能指標(biāo)的情況下，優(yōu)先選用那些合金元素添加量少、化學(xué)成分相對(duì)簡(jiǎn)單的方案。充分認(rèn)識(shí)到“水是最廉價(jià)的合金元素”的樸素思想，巧用冷卻水來改變凝固過程、控制軋制溫度和冷卻速率，從而實(shí)現(xiàn)降成本、增效益。這一條可以總結(jié)為 “刪繁就簡(jiǎn)”。

第4，有些合金元素在鋼中的作用可以互相替代，如Nb、V、Ti， 都能起到細(xì)化晶粒的作用，此時(shí)做鋼種歸并首先要考慮市場(chǎng)因素，在此消彼長(zhǎng)的市場(chǎng)波動(dòng)中，哪一種性/價(jià)比最高就優(yōu)先選擇哪一種。這一條可總結(jié)為 “棄貴用廉”。

對(duì)那些現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)化學(xué)成分有明確、具體要求的鋼種，進(jìn)行鋼種歸并時(shí)無論是“刪繁就簡(jiǎn)”還是“棄貴用廉”，都不能突破標(biāo)準(zhǔn)畫出的紅線，絕不能“偷工減料”、“以次充好”。而對(duì)那些只要求性能、不限制化學(xué)成分，或者對(duì)化學(xué)成分只規(guī)定出寬泛的上限值或者下限值的場(chǎng)合，正是實(shí)施鋼種歸并的廣闊空間，最容易獲得鋼種歸并的成果。

2.4 鋼種歸并的具體做法和實(shí)施例

鋼種歸并的對(duì)象可以分為兩種類型：一類是跨系列合并，把相同或者相近性能級(jí)別組合到一起；另一類是同系列性能升降級(jí)的合并。

梅山公司在跨系列合并和同系列性能升降級(jí)兩個(gè)方面都做了大量的研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工作。對(duì)跨系列鋼種合并，將化學(xué)成分、性能接近的MDB350、X52、B510L、SM490YA、Q345C等產(chǎn)品歸為一類、進(jìn)行合并。這些鋼種的化學(xué)成分和屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率如表1所示。將這5類鋼種歸并為化學(xué)成分接近MDB350的一種牌號(hào)，降低了多數(shù)產(chǎn)品的錳含量，采用控軋控冷工藝獲得了不同性能。合并的結(jié)果是用一種成分完全滿足上述5個(gè)系列鋼種的全部力學(xué)性能要求。

對(duì)同系列中不同性能級(jí)別之間的合并，梅山公司的做法是：針對(duì)管線鋼，利用X52的化學(xué)成分，生產(chǎn)X46、X52、X56不同強(qiáng)度級(jí)別的產(chǎn)品，這3種管線鋼的力學(xué)性能要求如表2所示。

通過在軋制工序采用不同的開軋溫度、終軋溫度、卷取溫度和冷卻速率，同一種原料獲得力學(xué)性能不同的產(chǎn)品，如表3所示。可見，正確選擇工藝參數(shù)，3種不同牌號(hào)管線鋼的力學(xué)性能完全滿足表2中的規(guī)定，其中伸長(zhǎng)率還有較大裕量。

對(duì)同系列的結(jié)構(gòu)鋼，梅山公司采用參照SS400鋼化學(xué)成分，通過控軋控冷工藝，向上升級(jí)為SS490，向下調(diào)整到SS330的策略，3個(gè)牌號(hào)結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能如表4所示，表中也給出了歸并后鋼種的化學(xué)成分和力學(xué)性能。

利用表4中歸并后的同一種化學(xué)成分，改變軋制和冷卻的工藝參數(shù)，進(jìn)行了8個(gè)批次的生產(chǎn)試驗(yàn)，所得產(chǎn)品力學(xué)性能和工藝參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。對(duì)比表4和表5可見，用同一種化學(xué)成分經(jīng)控軋控冷能夠生產(chǎn)出力學(xué)性能全部滿足要求的SS330、SS400、SS490 3種結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品，這有力地證實(shí)了文獻(xiàn)中提出的設(shè)想在實(shí)踐中是可行的。

2.5 鋼種歸并實(shí)施的效果

梅山公司鋼種歸并工作取得了令人矚目的效果，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：屈服強(qiáng)度235 MPa級(jí)別（包括SS400、SM400系列、S235 J系列、St37、StE255等）的出鋼記號(hào)由原來的25個(gè)減少到4個(gè)，屈服強(qiáng)度345 MPa級(jí)別（包括S355 J系列、S355K2、S355 N、StEa355、SM490系列等）的出鋼記號(hào)由原來的30個(gè)減少到4個(gè)。這一方面使煉鋼、連鑄等工序因更換鋼種帶來的附加成本大幅度減少、作業(yè)率提高，因節(jié)省合金元素用量而降低了原材料成本；另一方面為科學(xué)研究對(duì)工程實(shí)踐的指導(dǎo)和引領(lǐng)作用提供了很好的佐證和數(shù)據(jù)，同時(shí)也為有意嘗試鋼種歸并的同行起到示范作用。

3 鋼種歸并工作面臨的問題和建議

梅山公司在產(chǎn)品性能的柔性控制和鋼種歸并等方面走在了行業(yè)的前列，首鋼、天鋼、韶鋼等各家鋼鐵企業(yè)也嘗試著做了一些產(chǎn)品性能升級(jí)方面的工作，為鋼種合并奠定了良好的基礎(chǔ)。但從總體上看，大多數(shù)廠家目前缺乏對(duì)性能柔性控制和鋼種歸并優(yōu)點(diǎn)的充分認(rèn)識(shí)，其關(guān)注度遠(yuǎn)未達(dá)到對(duì)晶粒細(xì)化的關(guān)注水平，還需要在軋鋼工作中積極開展產(chǎn)品性能柔性控制的應(yīng)用研究，推進(jìn)對(duì)鋼種歸并的介紹、推廣、普及工作。建議為上述兩項(xiàng)新技術(shù)在企業(yè)的大面積應(yīng)用做好以下準(zhǔn)備工作：

（1）努力提高煉鋼、連鑄、軋鋼等各個(gè)工序的裝備、工藝、操作水平，逐步實(shí)現(xiàn)流程工藝參數(shù)的精細(xì)控制，達(dá)到窄化學(xué)成分控制煉鋼、無（少）缺陷連鑄、精準(zhǔn)工藝窗口軋鋼和軋后冷卻，為產(chǎn)品性能的柔性控制和鋼種歸并推廣應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)；

（2）在煉鋼、軋鋼環(huán)節(jié)采用智能化、數(shù)字化技術(shù)，開發(fā)鋼材智能化組織性能預(yù)測(cè)及應(yīng)用、鋼鐵材料動(dòng)態(tài)快速設(shè)計(jì)與優(yōu)化和智能化操作指導(dǎo)系統(tǒng)，給產(chǎn)品性能的柔性控制和鋼種歸并插上一雙智能化的翅膀；

（3）在具備條件的企業(yè)，從鋼材產(chǎn)品性能升級(jí)入手，逐步開展同系列鋼種歸并，陸續(xù)向跨系列鋼種歸并推進(jìn)，發(fā)揮出軋制過程中產(chǎn)品性能柔性控制的潛力，學(xué)習(xí)梅鋼等單位的成功經(jīng)驗(yàn)，水到渠成地實(shí)現(xiàn)鋼種歸并。

鋼鐵企業(yè)肩負(fù)著既要滿足用戶多品種、小批量的個(gè)性化需求，又要組織柔性化的大規(guī)模定制生產(chǎn)的責(zé)任，產(chǎn)品性能的柔性控制和鋼種歸并為處理好這兩者之間的關(guān)系提供了手段。切實(shí)做好鋼種管理的加、減法，在推進(jìn)鋼種歸并的過程中，實(shí)現(xiàn)管理升級(jí)和技術(shù)進(jìn)步。同時(shí)把握好鋼種歸并的準(zhǔn)繩，為企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，更好地服務(wù)于用戶和社會(huì)。

本文摘自《軋鋼》2023年第3期