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钢铁/粉末冶金 |
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铌微合金化技术在薄板坯连铸连轧生产线上的应用 |
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作者：侯豁然 杨雄飞 付俊岩 |
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摘要：近年来，我国已投产在建的薄板坯连铸连轧生产线（简称CSP）达10条之多。如何在CSP上生产出高质量的钢板特别是HSLA钢板是人们普遍关心的问题。但由于生产工艺的差别，不能将传统的成分设计和热加工工艺简单地应用在CSP上。本文将从铌在传统工艺中的物理冶金基本原理和CSP工艺特点出发，找出适合CSP工艺的成分-轧制工艺-组织-性能之间的关系，在CSP上生产出高质量高性能的钢板。
1、前言
薄板坯连铸连轧技术是20世纪以来世界钢铁工业最新成就，是当代冶金领域前沿性、变革性技术，是继氧气转炉和连铸技术发明和应用之后钢铁生产的第三次技术革命，CSP已成为世界钢铁界的热点。从1987年美国Nucor公司CSP投产以来，至今全世界投产或正在建设的薄板坯连铸连轧生产线32条以上，形成年4630万吨能力。
目前，我国已投入生产、在建和续建的带钢轧机共24套，设计能力共4295万吨。其中，连轧及半连轧机及炉卷轧机14套；薄板坯连铸连轧机 10条CSP线，设计能力达到2920万吨，其中珠钢、鞍钢、邯钢、包钢、唐钢和马钢等已建成投产。
国内外经验已证明，微合金化技术能为CSP生产线用热机械轧制精确的设定所要求的显微组织提供必要的前提条件，可以稳定生产高质量的含铌微合金钢带材。今天CSP生产的带钢质量和传统热连轧机生产的带钢已不存在差异，除了不能生产表面质量要求极高的O5板和AA板，CSP工艺生产的钢材品种覆盖面已扩大并接近带材品种70%以上。第二代CSP工艺技术的发展，生产品种还将进一步扩大，如能生产汽车用双相钢、TRIP钢、微合金化细晶钢、管线钢等。
铌微合金化技术在传统热连轧厂的生产中被广泛应用；对于新型的CSP生产工艺，经过十几年的开发研究，也取得了一些经验。本文将从高强度低合金（HSLA）钢的物理冶金基础出发，阐述钢的微合金化和热机械处理的基本原理，并结合CSP工艺的特点，初步给出生产含铌钢适宜的化学成分设计和工艺条件。
2、钢的物理冶金基础
2．1 HSLA钢的强化机理
从Hall-Petch公式分析中可见有几种不同的提高强度的方法：
σ = σ0+σs+σt+σp+σd+Kyd1/2
式中
σ：屈服强度；
σ0：晶间摩擦力；
σs：固溶强化；
σt：织构强化；
σp：析出强化；
σd：位错强化；
Kyd1/2：细晶强化。
最近，已从几个方面对该公式的普遍实用性提出不同的诠释。不同的铁素体状态，强化机制不一样。当我们得到的组织为多边形铁素体时，强化作用主要为细晶强化、位错强化和析出强化。随着相变温度的降低，铁素体晶粒尺寸减小，类型和晶界也有细微变化，Ky变小，晶粒细化强化作用减小。当组织为非多边形铁素体，主要是位错强化和固溶强化对强度的贡献；而对针状铁素体，细晶强化作用非常小，主要为位错强化和固溶强化。
在这些对强度贡献的项中，其他几种强化机制会降低钢的韧性，只有晶粒细化既能提高强度又能改善韧性。而其中，铌是最有效的晶粒细化元素。
2．2 微合金元素的作用机理
Nb、V、Ti作为钢中的微合金元素通过其溶质拖曳作用和形成碳化物、氮化物而显著影响钢的显微组织结构，每种元素具有其各自的特点。
Nb是最有效的细化晶粒的微合金化元素。Nb在钢中细化晶粒的主要方式为：（1）固溶的Nb原子其拖曳作用能推迟再结晶和推迟γ→α的扩散相变，使相变温度降低，从而细化晶粒；（2）形成碳氮化物，起到阻止晶粒长大、阻止再结晶和析出强化等作用。均热态未溶的碳氮化物通过钉扎晶界明显阻止均热态奥氏体晶粒的粗化过程，在终轧道次乃至以后冷却过程中沉淀析出的质点能有效的阻止再结晶奥氏体长大；在轧制过程中应变诱导析出的碳氮化物通过钉扎晶界和亚晶界有效地阻止奥氏体的再结晶；弥散细小的碳氮化物起到析出强化作用。Ti形成高温下稳定的氮化物，消除了钢中的自由氮，对钢的韧性有益，也间接提高了Nb的作用。V几乎不形成奥氏体中析出物，在γ/α相变过程中或之后可大量析出产生析出强化。
因此，复合微合金化通常是生产HSLA钢的最佳的合金设计方法之一。
2．3 奥氏体调节
奥氏体调节，意味着热轧后的奥氏体具有合适的组织结构与成分，从而能在合适的冷却条件下得到期望的铁素体组织。奥氏体调节的一个主要目的就是获得最大的晶界有效面积（SV）。
热轧过程中奥氏体调节可采用两种不同的工艺，即传统控制轧制（CCR）和再结晶控制轧制（RCR）。
对于CCR工艺，变形在低于再结晶停止温度T5的区间进行。T5温度越高，可以安排更多的轧制道次，SV更大，工艺更有效。在Nb、V和Ti三种微合金化元素中，Nb的加入对提高T5的作用最大，Ti次之，V最小。随着Nb含量的增加，再结晶停止温度急剧升高，这是因为，在所有可能的析出系统中，只有NbC在大部分典型的热轧温度范围内有高的过饱和度。
对于RCR工艺，变形在高于T95温度区间进行。要求采用该工艺控轧的钢必须具有低的再结晶停止温度和合适的抑制细小晶粒在道次传搁时间内粗化的机理发挥作用，保持细小的晶粒尺寸。因此，抑制晶粒粗化力 必须大于晶粒粗化驱动力Fgc。
在合金设计方面，必须要考虑到固溶Nb和析出Nb对抑制再结晶的作用不同。固溶Nb能在短时间内抑制再结晶，而析出Nb能在长时间内发挥作用。
3、含Nb钢在CSP上的应用特点
3．1 传统流程与CSP工艺的比较
由于工艺的不同，CSP线与传统流程有明显区别：
（1）传统的轧制工艺是长流程，而CSP是短流程。传统的轧制其一般的流程为：
板坯厚250mm→剪断→堆垛→缓冷至室温→约2周后冷装→加热→保温→降温→粗轧→精轧→水冷→卷取。
而CSP一般流程为：
铸坯→剪断→缓冷（或快冷）→精轧→水冷→卷取。
（2）铸坯厚度不一样，因此总压缩比不同。对于传统流程，铸坯厚度一般在250mm左右，经过粗轧和精轧，得到最终产品，其总的压缩比大；对于CSP线，连铸坯一般在70mm，直接进精轧机组，总压缩比较小。
（3）微合金元素的固溶及析出状态不同。对于HSLA钢来说，微合金化元素一般都采用Nb、V和Ti。冶炼并浇铸后连铸坯在冷却过程中，冷到大约1080℃以下时，形成部分比较粗大的星形（Star-like）析出物，为微合金元素碳/氮化物或碳氮化物。这种星形析出物随着铸坯冷却将会一直保留在钢中，它们对抑制奥氏体晶粒长大不起作用，也不会产生沉淀强化效果。这种星形析出物不仅在Nb钢中存在，在V-N-Ti钢中也存在。对于传统热轧，板坯会重新送入加热炉中加热和保温，加热温度高达1200℃－1250℃，星形析出物会溶解到奥氏体中，在随后的轧制过程中沉淀析出，既可细化相变后的晶粒又可起到沉淀强化作用。而对于CSP线，考虑到连铸时漏钢的问题，钢水经过结晶器、二冷段和矫直段后温度下降到1080℃以下时，在连铸坯中产生星形析出物，随后进入加热炉，加热温度一般都在1150℃左右。所以在铸坯中形成的粗大的星状析出物，在随后的过程中将无法消除，它们将随着连铸坯进入精轧机组轧制和卷曲后一直保留到带钢中。在CSP线，由于产生星状析出物，造成微合金化元素的浪费，计算和试验表明，加入到钢中的Nb一般有0.02%保留在星状析出物中。因此，为使Nb能够充分发挥其有益作用，Nb的加入量要比常规成分高， 即Nb总量＝Nb有效+Nb星形，加入到钢中的Nb的总量为有效的Nb量与在星形析出物中的Nb量之和。所以在相同微合金元素含量条件下CSP线生产的带钢的强度比常规流程低一些。
（4）坯料进精轧前奥氏体状态不同，因为不同工艺铸坯经历的热历史不同。对于HSLA钢，在传统流程生产中，板坯在连铸后首先要冷却到室温，在这个过程中发生γ→α相变，经历一次相变使晶粒细化，而且微合金碳/氮化物析出；一段时间后冷坯送入加热炉中再加热，经历α→γ相变，在加热时会发生晶粒粗化，但由于微合金元素析出物对奥氏体晶界的钉扎作用，奥氏体晶粒粗化不甚明显，晶粒尺寸一般为300μm；然后粗轧过程中奥氏体发生反复再结晶，使晶粒尺寸细化到40-50μm再进入精轧。而CSP工艺中，少了一个热循环，即板坯在连铸后冷却到约950℃以上然后进加热炉，在这个过程中不发生γ→α相变，铸态奥氏体晶粒尺寸一般为700μm甚至更大，比传统流程中奥氏体晶粒大20倍；然后直接进入精轧F1，在F1入口处温度也很高。
3．2 CSP生产含Nb的HSLA钢的工艺要点
随着国内投产的CSP生产线逐渐增加，生产经验也在逐步积累丰富，对CSP生产工艺和性能的思考和认识也逐渐深入。按照设备制造商提供的标准工艺，生产普碳钢和厚度较小的C-Mn钢时反映出的问题不多，生产很顺；但当生产高强度的HSLA钢时，当钢中加入微合金元素Nb时组织不均匀，产生一定的混晶和带状组织，对性能也有较大影响。目前国内在CSP线上利用V来生产HSLA带钢报道不多。
按照常规热连轧工艺，板坯先经过粗轧，使奥氏体成分再结晶，从而细化奥氏体晶粒；然后精轧阶段在奥氏体未再结晶温度区间进行，使奥氏体晶粒拉长扁平化，在随后的冷却过程中通过相变细化最终组织。在CSP工艺中，按照设备制造商提供的标准工艺，一般进精轧的温度为1130℃上下，经过6机架轧制，在F3和F4势必要经过奥氏体的部分再结晶区，而且F3和F4的压下量也较大，奥氏体发生部分再结晶，既有再结晶后细的奥氏体，又有拉长的未再结晶的奥氏体，所以造成Nb微合金化钢的混晶和带状。
美国匹兹堡大学最近的研究结果表明，采用一种新工艺，把含Nb微合金化钢的混晶和带状问题得到很好地解决。其核心是让奥氏体在高温完全再结晶，同时加大在后续机架F5和F6的压下量。具体说即为，为避免产生部分再结晶，把F3和F4的压下量尽量减小，分配给F1 、F2和F5、F6，使F1和F2的压下量很大，把连铸坯中的树枝晶破碎，同时使粗大的奥氏体完全再结晶；使F5和F6的压下量增大，让再结晶后的奥氏体拉长，增加有效晶界面积，不仅解决了混晶问题，而且充分发挥含Nb钢的晶粒细化作用，提高钢的强度。
经过十几年的经验积累，此项新工艺在美国的Nucor得到了普遍应用。美国的Nucor和墨西哥的HYLSA已生产了大量的不同类型HSLA钢，产量占25%左右， 达68万吨以上，其中67%为含铌钢。微合金化的HSLA钢主要用于管线、汽车及建筑行业，管线钢可从X45-X70。其中X70级别12.7mm厚的管线钢的综合性能已成功地通过了一家主要制管厂的评定：拉伸强度，韧性（夏比冲击和DWTT）和超声探伤（NDT）。表1所列为不同级别管线钢的化学成分。表2是 Nucor公司Berkeley厂采用新工艺生产的部分HSLA钢的性能。表1 管线钢的化学成分 （wt%）
 表2 Nucor公司Berkeley厂采用新工艺生产的部分HSLA钢的性能
 (end)
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(6/21/2005) |
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