CN111589857B - 一种热轧复合钢的制造方法及热轧复合钢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热轧复合钢的制造方法，包括如下步骤：(1)使用碳钢制备外径为D₁的芯材，使用不锈钢制备内径为D₂的包覆管材，D₁>D₂；(2)将包覆管材加热到温度T₁，使内径D₂膨胀到D₃，D₃>D₁，然后将芯材和加热后的包覆管材装配在一起，获得复合坯；(3)将复合坯加热到温度T₂后进行轧制，获得热轧复合钢；包覆管材与芯材在加热后轧制的过程中始终紧密结合。上述制造方法，通过对包覆管材的内径和芯材的外径尺寸进行设计，使包覆管材的内径小于芯材的外径，然后将包覆管材加热后与芯材组合获得复合坯，并且通过使包覆管材与芯材在加热后轧制的过程中始终紧密结合，避免了在包覆管材和芯材的界面产生裂缝，从而可以得到合格的热轧棒材或热轧型材。

Description

一种热轧复合钢的制造方法及热轧复合钢

技术领域

本发明涉及一种热轧复合钢的制造方法，尤其涉及一种芯材为碳钢、覆材为不锈钢的热轧复合钢的制造方法，本发明同时涉及由上述制造方法获得的热轧复合钢。

背景技术

不锈钢复合材通常是以不锈钢做覆材，以普碳钢或普通低合金钢做基材，通过冶金结合的方式制成复合材料。这种复合材料兼具不锈钢耐蚀防锈和普通钢高塑性低成本的优点，具有同规格纯不锈钢无法比拟的价格优势，因此，越来越受到人们的高度重视。不锈钢复合板与不锈钢复合管是不锈钢复合材中的两个典型的产品，目前，这两种产品已经在工程上得到广泛应用。由于不锈钢复合材具有普通钢材和全不锈钢钢材无法比拟的性价比，近年来，一些其它类型的不锈钢复合材也应运而生。

工业化生产不锈钢复合板主要有两种方法：爆炸复合和热轧复合。爆炸复合是将不锈钢板重叠置于碳钢基板上，不锈钢板和碳钢基板之间用垫子间隔出一定的距离。不锈钢板上面平铺炸药，炸药爆炸的能量，使不锈钢板高速撞击碳钢基板，产生高温高压使两种材料的界面实现固相焊接。热轧复合是以碳钢基板和不锈钢板处于物理纯净状态，在高度真空条件下进行轧制而成。在轧制过程中两种金属扩散实现完全的冶金结合。

现有技术中，人们曾尝试使用类似于轧制不锈钢复合板的方法来制造热轧不锈钢型材和棒材。例如，在专利号为ZL201610677162.8的中国发明专利中，公开了一种包覆轧制复合制备不锈钢复合螺纹钢筋的方法，包括以下步骤：原料准备，芯材、隔离层与不锈钢覆材的组合及成型，不锈钢覆材表面接缝的焊接，复合钢坯端部的焊接密封，复合钢坯的加热及轧制。具体来说，先将原料清理干净，利用冷弯成型方法将不锈钢覆材预先弯曲成U型槽钢，然后从U型槽钢上部开口处将表面镀有金属镍或镍合金层的芯材压入U型槽钢，使U型槽钢弯曲成封闭的外壳，将芯材和隔离层包裹在不锈钢覆材中，然后焊接接缝和端部，再加热后轧制成复合螺纹钢筋。然而，在实际制造中，经过冷弯工艺封闭的外壳和芯材之间很难做到真正贴合（参见图1），从而经过后续轧制工艺容易在芯材和外壳之间产生裂缝，无法实现界面处的冶金结合，无法生产出合格的复合钢。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种热轧复合钢的制造方法。

本发明所要接解决的另一技术问题在于提供一种由上述制造方法制造的热轧复合钢。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

根据本发明的一方面，提供一种热轧复合钢的制造方法，包括如下步骤：

（1）使用碳钢制备外径为D₁的芯材，使用不锈钢制备内径为D₂的包覆管材，D₁＞D₂，且D₁＝D₂＋△d，△d为预留过盈量；

（2）将所述包覆管材加热到温度T₁，使所述包覆管材的内径D₂膨胀到D₃，D₃＞D₁且D₃－D₁≥d’，d’是所述芯材和加热后的所述包覆管材之间的最小装配间隙；然后将所述芯材和加热后的所述包覆管材装配在一起，获得复合坯；

（3）将所述复合坯加热到温度T₂后进行轧制，获得热轧复合钢；其中，所述包覆管材与所述芯材在所述复合坯加热后轧制的过程中始终紧密配合，D₁＋D₁α_1（2）T₂≥D₂＋D₂α_2（2）T₂；α_1（2）、α_2（2）分别为所述芯材和所述包覆管材在T₂温度时的热膨胀系数；

其中，在步骤（1）中，根据下式计算所述预留过盈量△d：△d≥D₂α_2（2）T₂-D₁α_1（2）T₂,并且根据所述包覆管材和所述芯材在750℃时的膨胀量差值计算所述预留过盈量△d。

其中较优地，在步骤（1）中，根据包覆管材的内径D₂计算芯材的外径D₁。

其中较优地，在所述步骤（2）中，根据下式计算包覆管材的加热温度T₁：

D₂α_2（1）T₁－△d≥d’；α_2（1）为包覆管材在T₁温度时的热膨胀系数。

其中较优地，在所述步骤（3）中，所述复合坯轧制之前的加热温度T₂在1220℃～1280℃之间。

其中较优地，在步骤（1）中制备的所述包覆管材为圆管或方管；所述芯材为相应形状。

其中较优地，在所述步骤（1）中，所述包覆管材是直缝焊管，经过定内径获得管材内径D₂。

其中较优地，在所述步骤（1）中，所述芯材经冷拔定径获得芯材外径D₁。

其中较优地，在所述步骤（2）中，还包括将装配后的芯材和包覆管材的端部焊合的步骤。

根据本发明的另一方面，提供一种由上述制造方法获得的热轧复合钢，所述热轧复合钢是热轧棒材或热轧型材，热轧棒材包括但不限于各种规格的圆钢、方钢、六角钢、椭扁钢、热轧带肋钢筋、预应力混凝土用螺纹钢筋，热轧型材包括但不限于工字钢、角钢、槽钢、H型钢、扁钢、矩形材、各种专用异型材、T型钢、电梯导轨钢、球扁钢、矿用钢。

本发明所提供的热轧复合钢的制造方法，通过对包覆管材和芯材的尺寸进行设计，使包覆管材的内径小于芯材的外径，然后将包覆管材加热后与芯材组合，实现了包覆管材和芯材的压合，操作方便，并且通过使包覆管材与芯材在复合钢坯加热后轧制的过程中始终紧密结合，避免了在包覆管材和芯材的界面产生裂缝，从而可以得到合格的热轧复合钢。上述制造方法，适于制造各种形状的热轧棒材或热轧型材。

附图说明

图1是使用现有包裹法获得的复合坯断面图像；

图2是图1所示复合坯经过多道次热轧后形成的断面图像；

图3是本发明所提供的生产复合坯的工艺流程图；

图4是经图3所示生产方法获得的复合坯的断面图像；

图5是使用复合坯制造棒材的工艺流程示意图；

图6是使用复合坯制造型材的工艺流程示意图；

图7A和图7B分别是使用图4所示复合坯轧制成的椭圆扁钢和槽钢的断面图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。

如图1和图2所示，经过实验证明，已有包覆法不能生产出能保证产品质量的棒材及型材。经过分析之后，申请人认为，现有工艺完全按照复合不锈钢板的轧制思路来进行棒材及型材不锈钢复合材的生产是不正确的。原因在于：不锈钢复合钢板的钢坯为多层板材相互贴合，并且，不锈钢复合钢板材的轧制，轧制力是一对上下单向多道次轧制，而复合钢型材和棒材的坯料是外表层封闭的方形、矩形、圆形等复合钢坯，在多次轧制过程中存在换向轧制，受力的方向不同。

具体来说，复合板材轧制的过程中，当把覆材（不锈钢板）贴在处理好表面的基材（碳钢）表面，然后将四周焊合，将覆材及基材间的间隙中的空气抽真空。经加热后高温高压下多道次平轧（压下率选取为20%、30%、40%、50%、60%），有利分割破碎金属表面氧化膜，覆材于基材界面上的新鲜金属在轧制初期短时间内形成新界面，在大的轧制力下，两种板材牢固的结合在一起。

而复合棒材和型材所用的坯料为外表层封闭的方型、矩形、圆形等坯料。利用已有包裹法，几毫米厚的不锈钢板无论如何包裹都做不到与芯部基材（下文简称：芯材）的贴紧，在覆材与芯材间产生的较大空隙始终无法消除（如图1所示）。而且，在轧制过程中，无法将覆材与芯材间的界面压合，留下永久的界面分离的缺陷。具体来说，由于棒材及型材轧制的孔型系统是平—立交替轧制（或二组共轨孔），开始的粗轧系统一般为平—平—立—平—立，或平—平—平—平—立轧制，前几孔的平轧使轧件两侧覆材及芯材的结合面上产生明显的间隙（详见图2）。这种间隙的出现在轧件两侧界面上形成永久缺陷，轧制力或轧件换向轧制时由于冷却水的作用轧件两侧覆材温度急速下降界面间迅速产生不同程度的氧化，失去了良好压合的可能性。

申请人通过研究和试验分析出现两侧间隙的原因主要有两点：

①覆材包裹芯材的过程中出现的间隙，当轧件开始在粗轧系统平轧时将间隙挤压到两侧，导致两侧界面上出现较大间隙。

②因两种材料线膨胀系数不同，包覆材料不锈钢的线膨胀系数大于芯材的热膨胀系数（不锈钢和碳钢的热膨胀系数可以参见表1），因此，在加热过程中，芯材和包覆材料之间的间隙会越来越大。

表1 多种碳钢和奥氏体不锈钢的膨胀系数表：

从表1可以看出，在750℃之内，奥氏体不锈钢和碳钢的热膨胀系数之间始终存在差值。当温度达到750℃时碳钢的热膨胀系数为15.02（10^-6×℃^-1），不锈钢为19.07（10^-6×℃^-1），不锈钢的热膨胀量远大于碳钢的热膨胀量。所以在加热过程中芯材和包覆材料的界面之间会产生一定的间隙。

为了进一步验证在大于750℃时两种材料之间的膨胀量差值，申请人对不锈钢、碳钢在1300℃时的膨胀量进行了测量，结果参见表2，对于100mm的试棒，两种材料在1300℃时的膨胀量差值为0.2mm。当复合坯加热到1300℃时，如为150×150连铸坯，界面间由于热膨胀产生的间隙会达到0.3mm。不锈钢、碳钢在1300℃时的膨胀量差值和不锈钢、碳钢在750℃时的膨胀量差值的数值接近，说明不锈钢和碳钢在加热过程中出现的膨胀量差值主要由较低温度时的膨胀量决定。

表2 不锈钢及碳钢高温下绝对的热膨胀量数据如下：

因此，由实验可知，如果用150×150不锈钢板揻裹或制成槽型及其它形状焊接包裹芯材，界面之间会产生很大的缝隙，再加上高温热膨胀产生的间隙，合计两种间隙可达到2～3mm。

经前几道次的平轧间隙集聚到轧件两侧时冷却水瞬间将包覆材急剧降温，再加上初轧过程中缝隙间瞬时产生的氧化层，轧件换向轧制时已完全失去了将界面压合的条件。

为了消除芯部基材和包覆材料之间的间隙，申请人对热轧复合钢的制造方法进行了改进，并同时对芯材基部和包覆材料的尺寸进行了设计，使芯材基部和包覆材料可以在轧制过程中始终保持紧密配合，从而实现基部芯材和包覆材料的冶金结合。

具体来说，本申请提供了一种新的热轧复合钢的制造方法，通过将碳钢加工成芯部基材（以下简称芯材），将不锈钢加工成包覆管材，并对芯材的外部尺寸和包覆管材的内部尺寸进行设计，然后通过将包覆管材加热后与芯材压合，实现芯材和包覆管材在整个轧制过程中的紧配合，从而可以通过轧制工艺生产出合格的复合钢。这种制造方法，一方面通过使用管材和芯材进行压合，消除了板材冷弯变形包裹芯材时无法避免的裂缝，另一方面，通过对芯材的外部尺寸和包覆管材的内部尺寸进行设计，使两者之间具有预留过盈量，从而抵消芯材和覆材加热过程中由于热膨胀所带来的的膨胀量差值，使芯材和覆材始终紧密结合。这种制造方法适于生产复合不锈钢热轧棒材和热轧型材。

在上述尺寸设计过程中，芯材的外部尺寸是指外径（圆形钢坯）或外部边长（方型钢坯），包覆管材的内部尺寸是指内径（圆管）或内部边长（方管）。下文描述中，统一以内径和外径进行描述，相应的，内径和外径可以理解为内部边长和外部边长。

图3是本发明所提供的生产复合坯的工艺流程图。如图3所示，本发明所提供的热轧复合钢的制造方法，包括如下步骤：（1）使用碳钢制备外径为D₁的芯材，使用不锈钢制备内径为D₂的包覆管材，D₁＞D₂，且D₁＝D₂＋△d，△d为预留过盈量；（2）将包覆管材加热到温度T₁，使包覆管材的内径D₂膨胀到D₃，D₃＞D₁且D₃－D₁≥d’，d’是芯材和加热后的包覆管材之间的最小装配间隙；然后将芯材和加热后的包覆管材装配在一起，获得复合坯；（3）将复合坯加热到温度T₂后进行轧制，获得热轧复合钢；其中，包覆管材与芯材在复合钢坯加热后轧制的过程中始终紧密配合，D₁＋D₁α_1（2）T₂≥D₂＋D₂α_2（2）T₂；α_1（2）、α_2（2）分别为芯材和包覆管材在T₂温度时的热膨胀系数。

在步骤（1）中，当包覆管材内径D₂已知时，可以根据芯材和包覆管材在T_２温度时的热膨胀系数，计算出芯材和包覆管材两者的膨胀量差值，并使预留过盈量△d≥D₂α_2（2）T₂-D₁α_1（2）T₂。然后，可以根据包覆管材的内径D₂和预留过盈量△d计算芯材的外径D₁。考虑到不锈钢和碳钢两种材料的膨胀量差值主要由较低温度时的膨胀量决定，可以直接从国标给定的热膨胀系数表中选取最高温度时的热膨胀系数进行近似计算，从而简化尺寸设计过程。例如，从表1中选取包覆管材和芯材在750℃时的膨胀量差值计算预留过盈量△d，并根据包覆管材的内径D₂计算芯材的外径D₁。

在步骤（2）中，在D₁和D_２已知的情况下，可以根据下式计算包覆管材的加热温度T₁：D₂α_2（1）T₁－△d≥d’；其中，α_2（1）为包覆管材在T₁温度时的热膨胀系数，d’是芯材和加热后的包覆管材之间的最小装配间隙。当芯材和加热后的包覆管材之间的装配间隙越大时，越容易将芯材压紧包覆管材内部。

由上述计算过程可知，在常温下，芯材的外径和包覆管材的内径之间的预留过盈量△d相对于芯材和包覆管材在T₂温度时的膨胀量差值越大，芯材和包覆管材在加热轧制的过程中的结合越紧密。然而，当芯材的外径和包覆管材的内径之间的预留过盈量△d越大时，在步骤（2）中，为了顺利地将芯材压合到包覆管材内部，包覆管材需要的膨胀量越大，也就是说包覆管材需要加热的温度T₁越高。因此，出于经济安全的角度考虑，预留过盈量△d并非越大越好，应进行折中设计。

下面以芯材为150×150连铸坯为例，对上述制造过程进行说明。

在步骤1中，首先制备芯材和包覆管材。使用厚度为2～12mm的不锈钢覆材，根据芯材的形状和尺寸用制管生产线制成相应规格的直缝焊管，可以是圆管或方管；相对于冷弯后焊接，焊管生产属高效率生产方式；而后定内径获得包覆管材内径D₂，并使其达到规定的公差范围。将作为芯材的连铸方坯、矩形坯、圆坯或二次开坯的方坯、矩形坯、圆坯等进行抛丸，冷拔（用冷拔油）定径获得芯材外径D₁，去污。冷拔的精度，保证覆材不锈钢内孔尺寸精度与芯材碳钢外径（方或圆）有0.30～0.40mm的过盈量。

步骤2：加热包覆管材后，组合芯材和包覆管材，获得复合钢坯。

组合复合钢坯之前，可以将包覆管材加热到250℃～300℃，使包覆管材获得一定膨胀量。

下面以将包覆管材加热到250℃，以150×150连铸坯为例，对包覆管材的膨胀量进行计算，从而说明芯材和包覆管材的压合过程。奥氏体不锈钢250℃温度下热膨胀系数α _2（250） ＝17.42，方管内径边长为148×148，热膨胀量为148×250×17.42×10^﹣6＝0.645mm。芯材方坯冷拔后的尺寸为边长

。当覆材加热到250～300℃后，将准备好的芯材用压力机快速压入，这时芯材和覆材之间有0.345mm左右的间隙很容易装配。当冷却到室温时，装配的复合材与芯材形成过盈的装配状态。

以将复合坯加热到750℃为例计算芯材和包覆管材在热轧过程中的膨胀量，包覆管材148×148方管边长的膨胀量：148×750×19.07×10^－6＝2.1168mm，芯材膨胀量148×750×15.02×10^－6＝1.6672mm，这时两种材料的界面间隙为2.1168－1.6672＝0.4496mm，用0.4496减去芯材预留的过盈量，其界面间的间隙为0.4496－0.4＝0.0496，基本上处于紧密配合无间隙。由于经过试验证明，在750℃以上不锈钢和碳钢两种材料的膨胀量接近，因此，在尺寸设计及复核计算的过程中，可以以750℃的热膨胀系数进行计算。

图4是使用内径D₂＝148mm的圆管和外径D₁＝148＋0.40mm的圆形芯材经过上述工艺压合后获得的复合坯，从中可以看出，芯材和包覆管材的界面紧密结合。并且，在图7A和图7B中分别给出了使用上述复合坯轧制成的椭圆扁钢和槽钢的断面图像，从中可以看出，在热轧过程中，没有在芯材和包覆管材之间形成间隙，两者之间的界面紧密结合。

为保证加热过程中覆材和芯材的界面间确保压合状态以及防止前几道次轧制时芯部的芯材与包覆材相对滑移，故将两端界面焊合。

另外需注意每批复合坯装配必须在芯材冷拔表面去污后立刻装配，防止其表面再次污染与锈蚀。装配完成后的复合坯可较长时间存放。

这种方式制作的不锈钢复合坯，确保轧制全过程包覆管材和芯材的界面间保持在紧密状态，并始终保持了界面压合的良好条件，从而能保证产品包覆材和芯材界面的结合强度。界面的结合率达到GB/T8165-2008(不锈钢复合板钢板和钢带)中7、2项指标。

复合坯根据成品断面的大小，可组成100mm圆或方以下及100～150mm圆或方，也可做成150mm以上圆或方。还可以做成各种尺寸的矩形坯等。

步骤3：将复合坯轧制成热轧复合钢。

图5和图6分别提供了将复合坯轧制成棒材和型材的工艺。由于使用复合坯轧制棒材或型材的过程与现有技术中的轧制工艺没有区别，在此不再详述。仅对其中轧制之前的加热温度进行了限定。

为使复合材界面的良好压合，复合坯的出炉温度略高一些，效果更好。因不锈钢的熔点较高，覆着在外层的不锈钢材料很好的保护了内部芯材，火焰的直接冲刷易使与不锈钢材料接触的芯材表面出现微熔的现象，因而将复合坯出炉的温度T₂提高到1220℃～1280℃，可以给界面间的压合提供更良好的条件。

上面介绍的这种制造方法适于生产复合不锈钢热轧棒材和热轧型材，热轧棒材包括但不限于各种规格的圆钢、方钢、六角钢、椭扁钢、热轧带肋钢筋、预应力混凝土用螺纹钢筋等，热轧型材包括但不限于工字钢、角钢、槽钢、H型钢、扁钢、矩形材、各种专用异型材、T型钢、电梯导轨钢、球扁钢、矿用钢等。其中，包覆管材所使用的不锈钢可以是各种奥氏体不锈钢及双向不锈钢，芯材所使用的碳钢可以是普通碳素结构钢、低合金结构钢、合金结构钢及所有能用于热轧生产的钢种。

经过实际的实验研究证明，本申请所提的热轧复合钢的制造方法可靠，能生产出保证质量合格的不锈钢复合棒材、型材、及各种特殊断面的专用型材。

综上所述，本发明所提供的热轧复合钢的制造方法，采用包覆管材和芯材组装的方式，避免了冷弯覆材时在包裹管材和芯材之间产生缝隙，通过对包覆管材和芯材的尺寸进行设计，使包覆管材的内径小于芯材的外径，然后将包覆管材加热后与芯材组合，实现了包覆管材和芯材的压合，操作方便，并且通过使芯材外径相对于包裹覆材的内径具有预留的过盈量，预留的过盈量与两种材料在加热过程中产生的膨胀量差值相当，从而使包覆管材与芯材在复合钢坯加热后轧制的过程中始终紧密结合，避免了在轧制过程中在包覆管材和芯材的界面产生裂缝，从而可以得到合格的热轧复合钢。上述制造方法，适于制造各种形状的热轧棒材或热轧型材。

以上对本发明所提供的热轧复合钢的制造方法及热轧复合钢进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种热轧复合钢的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)使用碳钢制备外径为D₁的芯材，使用不锈钢制备内径为D₂的包覆管材，D₁＞D₂，且D₁＝D₂+△d，△d为预留过盈量；

(2)将所述包覆管材加热到温度T₁，使所述包覆管材的内径D₂膨胀到D₃，D₃＞D₁且D₃－D₁≥d’，d’是所述芯材和加热后的所述包覆管材之间的最小装配间隙；然后将所述芯材和加热后的所述包覆管材装配在一起，获得复合坯；

(3)将所述复合坯加热到温度T₂后进行轧制，获得热轧复合钢；其中，所述包覆管材与所述芯材在所述复合坯加热后轧制的过程中始终紧密配合，D₁+D₁α₁₍₂₎T₂≥D₂+D₂α₂₍₂₎T₂；α₁₍₂₎、α₂₍₂₎分别为所述芯材和所述包覆管材在T₂温度时的热膨胀系数；

其中，在步骤(1)中，根据下式计算所述预留过盈量△d：△d≥D₂α₂₍₂₎T₂-D₁α₁₍₂₎T₂,并且根据所述包覆管材和所述芯材在750℃时的膨胀量差值计算所述预留过盈量△d。

2.如权利要求1所述的热轧复合钢的制造方法，其特征在于：

在步骤(1)中，根据所述包覆管材的内径D₂计算所述芯材的外径D₁。

3.如权利要求1所述的热轧复合钢的制造方法，其特征在于：

在所述步骤(2)中，根据下式计算所述包覆管材的加热温度T₁：

D₂α₂₍₁₎T₁－△d≥d’；α₂₍₁₎为所述包覆管材在T₁温度时的热膨胀系数。

4.如权利要求1-3中任一项所述的热轧复合钢的制造方法，其特征在于：

在所述步骤(3)中，所述复合坯轧制之前的加热温度T₂在1220℃～1280℃之间。

5.如权利要求1-3中任一项所述的热轧复合钢的制造方法，其特征在于：

在步骤(1)中制备的所述包覆管材为圆管或方管；所述芯材为相应形状。

6.如权利要求1-3中任一项所述的热轧复合钢的制造方法，其特征在于：

在步骤(1)中，所述包覆管材是由制管生产线制成的直缝焊管，经过定内径获得管材内径D₂。

7.如权利要求1-3中任一项所述的热轧复合钢的制造方法，其特征在于：

在步骤(1)中，所述芯材经冷拔定径获得芯材外径D₁。

8.如权利要求1-3中任一项所述的热轧复合钢的制造方法，其特征在于：

在步骤(2)中，还包括将装配后的所述芯材和所述包覆管材的端部焊合的步骤。

9.一种由权利要求1至8中任意一项所述制造方法获得的热轧复合钢，其特征在于：所述热轧复合钢是热轧棒材或热轧型材。

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