基于数据回归方法分析废钢中杂质元素对钢材性能的综合影响.pdf

第 2 1 卷第 3 期2023年 6 月13工业技术与职业教育Industrial Technology&Vocational Education基于数据回归方法分析废钢中杂质元素对钢材性能的综合影响马春红，高燕，杨小波（唐山钢铁集团有限责任公司，河北 唐山 063606）摘 要：钢铁企业在降铁耗实践中通常会提高炼钢废钢加入量，这会导致废钢中 Cr、Ni、Cu 等无法在炼钢过程有效去除的残余元素不断在钢水中积累，可能会导致热轧和冷轧产品质量波动。为研究废钢中 Cr、Ni、Cu 等残余元素对热轧和冷轧产品性能的影响，通过积累生产数据，利用数据回归分析方法，得出如下结论，在目前的杂质元素水平下，Cr、Ni、Cu 等元素的变化对中碳、低碳热轧产品的力学性能无明显影响，而对冷轧低碳退火、镀锌产品性能有轻微影响。关键词：数据回归；杂质元素；力学性能；冷轧退火产品；热轧卷板；镀锌产品中图分类号：TG111.7 文献标志码：B 文章编号：1674-943X(2023)03-0013-04AnalysisofComprehensiveEffectsofImpurityElementsinSteelScraponSteelPropertiesBasedonDataRegressionMethodMA Chunhong,GAO Yan,YANG Xiaobo(Tangshan Iron&Steel Group Co.,Ltd.,Tangshan 063606,China)Abstract：In the practice of reducing iron consumption,iron and steel enterprises usually increase the amount of scrap added in steel making,which will lead to the accumulation of Cr,Ni,Cu and other residual elements in the scrap which cannot be effectively removed in the process of steel making,and this may lead to the quality fluctuation of hot rolling and cold rolling products.In this paper,the influence of Cr,Ni,Cu and other residual elements in scrap steel on the properties of hot rolled and cold rolled products is studied.By accumulating production data and using data regression analysis method,the following conclusions are drawn.Under the current level of impurity elements,the changes of Cr,Ni,Cu and other elements have no obvious influence on the mechanical properties of medium carbon and low carbon hot rolled products.It has a slight influence on the properties of cold rolled low carbon annealed and galvanized products.Keywords:data regression;impurity elements;mechanical properties;cold rolled and annealed products;hot rolled plate;galvanized products0 引言 我国钢铁行业经过几十年的快速发展已经逐步进入了产能过剩阶段，钢铁企业同质化竞争日趋激烈，最低的资源消耗、最低的产品综合成本才能使产品具有较高的竞争力。在铁矿石价格日益走高，国家对钢铁企业产能压减和控制的大环境下，钢铁企业纷纷采用各种技术手段降低成本。为了降低炼铁成本，炼铁厂使用部分廉价矿；为了降低炼钢成本，炼钢厂降低铁耗，加大废钢投入量，这些工艺的变化导致钢中杂质元素升高，如 Cr、Ni、Cu 等微量元素含量较高，势必对成品质量产生一定的影响。但这些残余元素对产品性能究竟影响多少，需要进行量化的分析来保证产品质量并满足用户使用要求。为进一步分析工艺变化导致的残余元素变化对产品性能的影响，在产品残余元素含量升高以后，对公司热轧产品、冷轧产品进行数据统计分析，采用双总体 t 检验判断均值变化的显著性水平，并结合文献资料结论和冶金原理对残余元素的作用进行分析，给出这些杂质元素变化后产品性能的定量分析。早在 20 世纪 50 年代就有针对钢的成分、组织与性能的定量关系研究结果发表，这些结果主要涉及力学性能，其次是合金元素与相变点关系。余宗森等曾对宝钢、武钢、包钢和鞍钢的低碳钢、重轨的残余元素对产品性能影响进行了对比分析，利用统计回归方法得出一系列微量元素含量、组织与力学性能关系的回归方程式1。田亚强等对冷轧带钢的残余元素 Cr、Ni、Cu 的影响进行过相关分析，分析得出不同残留元素对冷轧工艺成品性能影响2。蔡清秀对 Ni、Mo 残量对 SPHC 钢种的屈服强度进行过对比分析，应用 SPSS 决策树模型对产品的Ni、Mo 元素控制提出要求3。裴斐等对残余元素在 CSP 热轧钢板中的残余元素形态及其对力学性能的影响进行了分析，着重分析了 As、Sn 和 Cu收稿日期：2022-12-10作者简介：马春红（1970-），男，河北唐山人，本科，唐山钢铁集团有限公司质量管理部高级工程师，主研方向为钢铁产品工艺技术质量研究。第 21 卷14工业技术与职业教育在 CSP 产线的超低碳产品中分布情况及其对性能影响4。王绚等从残余元素的种类和分布形式，阐述了其对产品性能的影响5-6。王翠娜等通过逐步回归法分析了 Q345B 常规的化学元素成分及轧制规格与力学性能的关系7。综上所述，产品的残余元素因不同的产品成分设计和使用要求会产生不同的影响，且若是有足够的数据支撑，是可以量化地分析其对产品的性能的影响程度，基于此，作者利用钢铁产品的实际力学性能数据，结合冶金学理论，开展了本次的残余元素对不同钢种性能影响的量化研究。1 数据与方法 1.1 数据来源数据采用某公司生产的热轧产品低碳产品、中碳产品、冷轧低碳连退、镀锌产品的质量数据作为分析数据源，采用数据回归的方法，在冶炼工艺条件变化后分析杂质元素的升高对最终产品的影响，取样数据包括：抗拉强度、屈服强度、延伸率、化学成分 C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Ni、Al、N。1.2 处理方式选取某几个月的质量数据进行统计分析。为简化分析，厚度进行限定，并用 t 检验方法检验残余元素水平变化前后成分性能变化的显著性水平。构造的 t 统计量公式为：t=（n1n2（n1+n2 2）/（n1+n2）1/2（X-Y）/(n1S12+n2S22)1/2 （1）式（1）式中n1、n2为两个总体的样本数，X、Y分别为两个样本的均值，S1、S2为两个样本的标准差。T 为负值表示均值增加，正值表示均值减小。2 结果与分析2.1 杂质元素变化对热轧板材产品性能的影响2.1.1 数据分析表 1、表 2 为两条生产线低碳产品成分、力学性能统计结果。其中 1#生产线低碳产品共采集数据为4 203组，其中残余元素变化前为2 837组数据，残余元素变化后为 1 366 组数据。2#生产线低碳产品共采集数据为 1 254 组，其中残余元素变化前为 781 组数据，残余元素变化后为 473 组数据。2#生产线中碳产品成分和力学性能统计结果，其中残余元素变化前为 2 366 组数据，残余元素变化后为924 组数据。显著水平=0.025，t 值为 2.014 1，表中t值小于该值表明均值变化在此水平下不显著。2.1.2 结果分析由表 1 表 3 可见，整体来讲残余元素变化前后，热板低碳产品力学性能基本没有变化。中碳产品的抗拉强度、屈服强度略有提高，其中抗拉强度提高了 3.81 MPa，屈服强度提高了 3.69 MPa，固溶强化元素 C、Mn、Cu、Cr 分别提高 0.000 3%、0.000 9%、0.004 7%、0.035%。s=4 570C+37Mn+38Cu+83Si+470P+11Mo+80Ti+113Sn+30Cr （2）按 经 验 公 式（2）计 算，屈 服 强 度 增 量s(MPa）为 0.000 34 570+0.000 9%37+0.000 97%470+0.03530-0.006 675*83+0.004 74*38=2.052 MPa，与统计结果比较接近，Cr 的贡献为1.05 MPa，说明在此含量水平残余元素的变化为固溶强化且对性能的影响不大。2.2 杂质元素变化对连退产线低碳产品性能的影响表 4 为连退生产线低碳产品成分、力学性能统计结果。为简化分析，厚度限定为 1.0 mm，在目前样本数量水平，概率为 0.005 单侧取值范围为 2.68，t 值为负值表示均值增加，从表中可见，Cr含量大于 0.04%后，Rm、Rp0.2显著增加，A80 降低。由表 4 可以看出随 Cr 元素含量的增加，产品的 Rm、Rp0.2单调增加。当产品中 Cr 含量为 0.06%、0.07%时产品性能指标 A80 降低明显。观察表 4 中的数据可以发现，随着残余 Cr 的增加，C 含量单调增加。Cr 为 0.06%时，C 含量增加 0.003 6%，按固溶强化效果公式（2）计算，抗拉强度的增量为 9.28 MPa，与屈服强度增量9.10 MPa 相近。通过数据分析可以得出结论：随着钢水中杂质元素的升高，对于冷轧退火产品引起 10 MPa 左右的性能变化。2.3 杂质元素变化对镀锌低碳产品性能的影响表 5 为镀锌低碳产品性能质量数据统计结果。其显著特点是 Rp0.2与 Cr 含量有非常明显的线性关系，相关系数为 0.93。随着 Cr 含量的升高，产品的 Rm 未发生变化，Rp0.2略有降低、A80 略有提高。由于 Rm 未发生变化，同规格、同生产工艺条件下Rp0.2也不会发生太大变化。表 5 显示随着 Cr 元素的变化，C、N、P 等强化元素无明显相关性。与退火产品不同的是，镀锌低碳的原料采用高温卷取工艺（680），Cr 为非强氮化物形成元素，其固溶度积公式为：第 3 期15表 3 2#线生产线中碳产品残余显著变化前后统计结果表 1 1#线生产线低碳产品残余显著变化前后统计结果表 2 2#线生产线低碳产品残余显著变化前后统计结果统计项残余元素变化前残余元素变化后均值差计算t值平均值标准差平均值标准差元素C0.041 540.005 3380.042 80.005 4-0.001 26-7.139 15Mn0.172 2490.008 680.171 10.007 80.001 1493.972 88S0.010 3150.002 5450.009 850.002 50.000 4655.548 5P0.014 7410.002 5340.015 670.002 3-0.000 93-11.331 5Si0.022 7630.005 3340.021 650.005 10.001 1136.421 16Als0.034 5180.002 4050.034 010.0020.000 5085.569 1Cu0.007 3310.002 4380.013 110.005 4-0.005 78-47.788 8Cr0.019 560.005 820.050 80.016-0.031 24-92.214 3Ni0.005 0190.002 6690.020 960.009 3-0.015 94-84.330 7N0.002 270.000 4750.002 3740.000 5-0.000 1-6.745 73性能抗拉363.071 611.777 41362.04710.2081.024 62.755 02屈服295.046 512.426 42295.72911.173-0.682 5-1.722 07伸率47.134 472.469 52147.1232.3750.011 470.138 4统计项残余元素变化前残余元素变化后均值差计算t值平均值标准差平均值标准差元素C0.041 550.005 3470.043 50.005 461-0.001 95-6.279 34Mn0.176 90.009 4040.176 50.008 6530.000 40.737 312S0.0060.001 350.006 20.001 383-0.000 23.520 654P0.013 70.002 1670.015 10.002 233-0.001 4-10.357 3Si0.024 280.005 4460.023 30.005 4890.000 983.222 163Als0.034 8180.002 3250.034 240.002 1360.000 5784.332 308Cu0.007 450.001 8740.010 40.005 277-0.002 95-14.184 8Cr0.018 10.004 5020.040 360.018 58-0.022 26-31.948 2Ni0.005 60.002 450.015 50.009 125-0.009 9-28.614 3N0.002 40.000 5310.002 30.000 4870.000 12.780 317性能抗拉360.47811.324 74359.648.868 2850.8381.369 036屈服293.7110.931 2294.1739.359 432-0.463-0.766 45伸率48.315 62.391 74648.0422.212 7650.273 62.016 79统计项平均值残余元素变化前残余元素变化后均值差计算t值标准差平均值标准差元素C0.192 50.007 6650.192 80.007 887-0.000 3-1.192 33Mn0.2230.008 2620.222 10.007 6720.000 93.630 267S0.006 390.001 1440.005 580.001 2560.000 8117.651 31P0.016 50.003 1550.017 470.002 886-0.000 97-7.839 36Si0.053 90.014 2210.047 2250.011 870.006 67512.651 08Als0.013 520.001 5180.013 530.001 605-0.000 01-0.070 73Cu0.007 3620.002 1860.012 10.005 194-0.004 74-37.006 1Cr0.019 660.006 6950.054 70.016 623-0.035 04-86.313 5Ni0.005 080.002 5060.021 10.008 68-0.016 02-81.859 3性能抗拉453.9619.935 7450.1519.758 923.814.783 324屈服341.2622.088 57337.5720.755 153.694.521 385伸率 35.03817.045 0135.46917.639 3-0.431-0.634 42LogCrN=-6 552/T+2.74 （3）由公式（3）的计算结果表明，在此温度 CrN有析出的可能。根据前人的研究结果：ReL(MPa）=A+2 918（%Nf）+15.1d 1/2 （4）N 的固溶强化效果为 2 918，由此推测析出的 N含量约为 0.002 0%，在热轧阶段 N 基本以 CrN 的形式析出，故而在后续镀锌过程中对性能影响不大。3 结论统计结果表明，总体数据的均值变化之间的关系较为合理，故据此得出以下结论：1）在 当 前 的 铁 水 质 量 水 平 和 转 炉 冶 炼模 式 下，公 司 产 品 的 残 余 元 素 水 平 为 Cr 含 量在 0.04%0.08%之 间，均 值 0.059%；Cu 含量 0.01%0.02%，均值 0.017%；Ni 含量0.01%0.03%，均值 0.025%。2）在目前的杂质元素水平下，Cr、Ni、Cu 等元素的变化对中碳、低碳热轧产品的力学性能无明显的影响。3）在目前的杂质元素水平下，Cr、Ni、Cu 对冷轧低碳退火、镀锌产品的性能有影响。随着 Cr马春红，等:基于数据回归方法分析废钢中杂质元素对钢材性能的综合影响第 21 卷16工业技术与职业教育统计项0.02a0.02-0.04 a0.04-0.05 a0.05-0.06 a0.06-0.07 a均值均值差t值均值差t值均值差t值均值差t值元素C0.042-0.001 0-0.46-0.002 1-1.97-0.003 6-4.42-0.004 4-4.12Si0.0210.000 70.410.000 70.88-0.001 2-1.690.000 70.83Mn0.170-0.003 4-1.13-0.000 8-0.58-0.000 6-0.590.001 30.92P0.0150.000 20.190.000 61.09-0.000 5-1.18-0.000 7-1.19S0.0110.000 40.34-0.001 0-1.970.000 10.260.002 55.10Cr0.019-0.021 4-18.97-0.031 4-11.56-0.041 4-108.15-0.051 4-100.20Cu0.008-0.008 7-6.06-0.010 9-9.59-0.009 8-15.94-0.007 9-10.51Ni0.003-0.013 5-8.58-0.024 1-11.11-0.021 5-32.17-0.024 4-30.08Al0.038-0.000 9-1.03-0.000 6-1.54-0.000 1-0.370.000 51.12N0.002 2-0.000 036-0.17-0.000 041-0.42-0.000 12-1.55-0.000 042-0.45性能Rm331.7-2.46-0.73-7.44-4.35-7.16-5.49-10.08-6.22Rp0.2208.4-4.09-1.16-9.82-5.25-9.10-6.14-11.59-6.51A8038.7-0.27-0.48-0.31-1.140.763.520.572.11备注：a Cr 元素含量，单位为%；数值范围含大不含小。表 5 镀锌线生产线低碳产品根据 Cr 含量变化统计结果含量的提升，镀锌低碳产品的 Rm 未发生变化，Rp0.2略有降低、A80 略有提高，用户使用风险较低。随着 Cr 含量的提升，退火低碳产品 Rp0.2呈升高趋势。1 余宗森，袁泽喜，李士琦，等.钢的成分、残留元素及其 性能的定量关系 M.北京：冶金工业出版社,2001：159-173.2 田亚强，李然，田飞，等.微量残留元素铬、镍和铜对 SPHC 冷轧钢带组织和拉伸性能影响 J.机械工程材料,2016，40 (11)：49-53.3 蔡清秀，李超，崔福祥，等.SPHC 钢种屈服强度与残余元 素相关性分析 J.鞍钢技术,2022(3):19-22.4 裴斐，成小军，彭伟，等.残余元素在 CSP 热轧钢板中的 分布及其对力学性能的影响 J.矿冶工程,2010，30(8)：86-90.5 王绚，唐雪萍，杨接明，等.钢中主要杂质元素的特性及 影响 J.特钢技术,2011，17(1)：13-15.6 邓深.残余元素对钢的质量影响与控制 J.柳钢科技,2016 (2)：10-15.7 王翠娜，张大江，石成刚，等.基于逐步回归法研究 Q345B 成分及轧制规格与力学性能的关系 J.河南冶金,2015，23 (4)：14-16.表 4 连退线生产线低碳产品根据 Cr 含量变化统计结果统计项0.03 a0.03-0.04 a0.04-0.05 a0.05-0.06 a0.06-0.07 a均值均值差t值均值差t值均值差t值均值差t值元素C0.042 4 0.002 3 1.64-0.001 5-1.09 0.000 5 0.36 0.001 3 0.70 Si0.022 7 0.000 5 0.45-0.000 4-0.26-0.001 8-1.42-0.002 3-1.20 Mn0.173 3-0.003 9-1.78-0.001 1-0.53 0.002 2 1.14 0.004 3 1.32 P0.013 9-0.002 0-3.08-0.002 0-3.10-0.002 7-4.29-0.002 5-2.64 S0.009 7 0.000 2 0.41 0.000 5 0.82 0.000 4 0.70 0.001 7 1.95 Cr0.007 8-0.009 0-11.47-0.010 0-11.72-0.008 4-10.50-0.003 2-3.84 Cu0.005 0-0.014 7-13.08-0.019 4-20.37-0.022 6-30.31-0.024 0-27.75 Ni0.019 3-0.020 7-23.94-0.030 7-32.14-0.040 7-47.88-0.050 7-34.88 Al0.038 6 0.000 0 0.04 0.001 5 2.16 0.000 3 0.41 0.001 6 1.63 N0.002 3 0.000 12 1.09-0.000 37-3.30-0.000 15-1.44 0.000 26 1.76 性能Rm365.3-1.71-2.04 1.10 1.02-2.09-1.34 1.91 1.31 Rp0.2327.5 5.00 2.18 8.48 2.37 10.33 3.14 15.19 11.63 A8034.5-0.25-0.56-1.37-0.85-1.64-1.44-1.92-2.66 备注：a Cr 元素含量，单位为%，数值范围含大不含小。