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高性能鋼材組織性能控制與品種開發(fā)縱觀
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-03-04
通過加強對碳錳鋼、微合金鋼及合金鋼在軋制與冷卻過程中的晶粒細化、析出與相變等的組織性能控制的基礎與應用研究，在細晶高強鋼、高級管線鋼、高性能中厚板及特厚板、取向硅鋼及先進汽車板等高性能冷軋帶鋼、新型鐵素體不銹鋼及雙相不銹鋼、高性能長材及管材等的工藝控制技術與產(chǎn)品開發(fā)方面取得了一大批重要成果，為軋制鋼材的品質提升和國家經(jīng)濟建設作出了重大貢獻。
?????? 近年來，通過加強對碳錳鋼、微合金鋼及合金鋼在軋制與冷卻過程中的晶粒細化、析出與相變等的組織性能控制的基礎與應用研究，在細晶高強鋼、高級管線鋼、高性能中厚板及特厚板、取向硅鋼及先進汽車板等高性能冷軋帶鋼、新型鐵素體不銹鋼及雙相不銹鋼、高性能長材及管材等的工藝控制技術與產(chǎn)品開發(fā)方面取得了一大批重要成果，為軋制鋼材的品質提升和國家經(jīng)濟建設作出了重大貢獻。
1?軋制過程組織性能控制研究及應用?
1.1?細晶和超細晶鋼的研究開發(fā)及應用 近年的“新一代鋼鐵材料重大基礎研究”項目以細晶和超細晶鋼的研究開發(fā)為目標，該項目通過結合軋制生產(chǎn)線裝備和工藝實際，開展了大量的理論和試驗研究與探索，其中包括：①鐵素體+珠光體（F+P）碳素鋼或低合金鋼采用強力軋制、形變誘導鐵素體相變（DIFT）以及形變和相變耦合的組織超細化理論和技術；②結合奧氏體再結晶和未再結晶控制軋制和加速冷卻（RCR+ACC）控制的晶粒適度細化理論和技術；③基于過冷奧氏體熱變形的低碳鋼組織細化一形變強化相變（DEFT）理論和技術；④基于薄板坯連鑄連軋流程（TSCR）的奧氏體再結晶細化+冷卻路徑控制的低碳鋼組織細化與強化理論與技術；⑤針對低（超低）碳微合金貝氏體鋼的中溫轉變組織細化的TMCP+RPC理論與技術等。 這些理論與技術研究在長材、板帶材和中厚板的強度翻番或升級，以及新產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮重大的作用和顯著的效果，近年已大批量地生產(chǎn)出細晶和超細晶鋼。
?1.2?鋼在形變、相變中的析出行為研究與控制 鋼在形變、相變中的析出行為研究與控制是鋼的組織性能控制的一個重要方面。通過大量的試驗研究和生產(chǎn)實踐證明，采用合理的冶金成分設計和軋制、冷卻工藝控制，可以在鋼中使大量的納米尺寸粒子析出，使鋼的強韌性得到顯著提高。珠鋼及漣鋼等企業(yè)同高校合作，在TSCR線上通過實施高溫大變形再結晶細化+冷卻路徑控制，實現(xiàn)晶粒細化與納米粒子析出與分布控制，進而形成不同強韌化效果的組織性能柔性控制，開發(fā)生產(chǎn)出具有高成形性的低碳高強汽車大梁鋼510L、550L、屈服強度500MPa～700MPa級鈦微合金化高強耐候鋼、600MPa和700MPa級低碳貝氏體工程機械用鋼等系列高強韌鋼，并進行了大批量生產(chǎn)和應用。經(jīng)分析，微合金化高強鋼中納米粒子析出強化的貢獻可達到150MPa～300MPa。
?2?2250熱連軋生產(chǎn)高級別管線鋼的技術開發(fā) 中國近年先后投產(chǎn)的11套2000mm?以上寬帶鋼熱連軋生產(chǎn)線為高級別管線鋼等高性能高強鋼產(chǎn)品開發(fā)提供了關鍵設備條件。2007年以來，首鋼、太鋼、馬鋼等鋼鐵企業(yè)利用2250熱連軋生產(chǎn)線成功開發(fā)并大批量生產(chǎn)出18.4mm厚X80高級別管線鋼。采用低C-高Mn-高Nb-少Mo-微V，或低C-高Mn-高Nb+適量Cr-Ni-Mo-Cu的成分體系設計，結合優(yōu)化的TMCP軋制工藝和低溫或超低溫卷取控制，獲得以針狀鐵素體為主的高級管線鋼復相組織，確保了厚規(guī)格產(chǎn)品的高強韌性和耐蝕性，保證了帶鋼全長組織性能的均勻性及良好的板形。2008年，首鋼、太鋼、馬鋼的2250熱連軋生產(chǎn)線共生產(chǎn)了73.5萬t?X80管線鋼，在中國的西氣東輸二線管線工程建設中發(fā)揮了關鍵作用。
?3?高性能高強度中厚板品種開發(fā)
?3.1?新型橋梁用鋼的開發(fā)及應用 近年，武鋼、鞍鋼等企業(yè)采用TMCP技術開發(fā)了滿足高強度、較低屈強比、焊接性、耐候性及低溫沖擊韌性要求的系列新型橋梁用鋼，并應用于南京大勝關長江大橋等幾十座跨江、跨海、鐵路和公路橋梁建設。 武鋼開發(fā)生產(chǎn)的WNQ570、WNQ690、14MnNbq橋梁鋼的特點是：高強度，屈服強度大于等于420MPa；高韌性，-40℃?Akv≥120J；良好焊接性，60mm以上厚鋼板埋弧焊不預熱；耐候性，WNQ570鋼與09CuPCrNi相當；最大板厚68mmWNQ570鋼12mm～68mm不區(qū)分板厚效應；屈強比小于等于0.88。 京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋建造采用了WNQ570鋼1.3萬t，應用于打撈“南海一號”的亞洲最大的起重工程船懸臂梁采用了WNQ690鋼制造。
鞍鋼將FH550級TMCP超高強船板制造技術成功用于80mm厚高強度橋梁鋼Q420qE、Q500qE制造，其主要特點是：①通過超低碳微合金化成分設計（0.045%C-Mn-Mo-Nb-0.75％Cu-Ni），實現(xiàn)特厚板連續(xù)冷卻組織均勻并提高耐大氣腐蝕性能，增加鋼板的低溫韌性；②全均質貝氏體鋼組織有利于提高耐大氣腐蝕性能；超高強度船板FH500、FH550的耐大氣腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)耐候鋼09CuPCrNi，應用于橋梁鋼，使厚規(guī)格橋梁鋼具有耐大氣腐蝕性能；③Cu在連續(xù)冷卻和等溫過程中納米析出的控制能夠強化特厚超高強橋梁板的芯部性能；80mm厚FH550鋼板近表面組織為細化的板條貝氏體、粒狀貝氏體和針狀鐵素體，1/4和1/2厚度處組織為準多邊形鐵素體和針狀鐵素體，強韌性滿足要求；④通過TMCP軋制工藝調(diào)控，使原奧氏體晶粒尺寸細化到20μm～50μm；通過3階段TMCP軋制工藝，實現(xiàn)了特厚橋梁板原奧氏體晶粒細化，進一步保證了1/2厚度處的強韌性要求。?
3.2?高強韌低碳貝氏體非調(diào)質鋼開發(fā) 結合鞍鋼2300中板機組和4300厚板機組的特點，采用超低碳貝氏體鋼成分設計（加入提高淬透性和析出強化元素Mn、Cu、Ni、Mo、Nb、B等）和中溫組織超細化技術（TMCP+RPC技術），獲得各種形態(tài)的超細貝氏體組織，生產(chǎn)出屈服強度500MPa、550MPa、620MPa、690MPa和800MPa?5個強度級別超低碳貝氏體鋼中厚板，板材厚度為16mm～60mm。主要應用于工程機械和煤機等領域，工藝路線為：超低碳-潔凈鋼質-微合金化-控制軋制-控制冷卻（中溫轉變組織超細化）-（厚板回火）。使高性能鋼由調(diào)質處理向不調(diào)質、不回火、降低貴重合金元素使用量方向發(fā)展。所開發(fā)的高強韌超細組織低碳貝氏體鋼的系列產(chǎn)品分別銷售到北京煤機廠和鄭州煤機廠、四川長江起重機公司等工程機械用戶。
?3.3?大厚度大單重優(yōu)質特厚鋼板技術開發(fā) 舞鋼開發(fā)的屈服強度390MPa～460MPa（Q390～Q460）級高層建筑結構鋼先后應用于國家游泳中心、國家體育場鳥巢等奧運工程以及中央電視臺新臺址、國家大劇院工程等大型建筑工程。①Q390～Q460厚板的主要技術指標特點：成品板最大厚度達到135mm，晶粒細化、組織均勻性高；-40℃低溫韌性遠高于標準值，最大厚度135mm時的沖擊值富裕量較大；Z35抗層狀撕裂性能均超過了35％，保證安全性能；低碳當量（Ceq=0.44%～0.48%）保證焊接性能；低屈強比（Rp0.2/Rm≤0.80）保證抗震性。②特厚板生產(chǎn)工藝技術的主要特點：獨特的微合金化成分設計及潔凈鋼冶煉保證了大厚度鋼板的內(nèi)部質量、各項力學性能及焊接性能；特有的大鋼錠無缺陷澆鑄工藝保證了110mm厚Q460E-Z35的成功開發(fā)；正火軋制和控制冷卻并用，保證了鋼板的抗震性能；獨特的熱處理設備（常化+控冷）突破了原有設備的厚度熱處理極限。③舞鋼生產(chǎn)特厚板的主要裝備及產(chǎn)品特點。 在國家體育場鳥巢和中央電視臺新臺址的結構建設中大量采用了舞鋼開發(fā)生產(chǎn)的Q390～Q460級特厚高強鋼板。
?3.4?高強、超高強船體及海洋工程結構用鋼系列產(chǎn)品開發(fā) 鞍鋼采用TMCP技術開發(fā)生產(chǎn)出具有Z15～Z35性能的高強度、超高強度系列船體及海洋工程結構用鋼，到2009年，鞍鋼已累計生產(chǎn)了各類船板1000多萬t。鞍鋼船板TMCP技術集成主要包括：成分設計，復合微合金化；冶煉，轉爐純凈鋼冶煉、爐外精煉、高精度目標成分控制、夾雜物形態(tài)控制；連鑄，板坯成分均勻化控制、降低板坯中心偏析、300mm厚無缺陷連鑄板坯控制技術等；軋制，板坯加熱溫度控制、TMCP軋制工藝（4300厚板生產(chǎn)線）、鋼板厚度及板形高精度控制、加速冷卻技術等。
?近年來，通過加強對碳錳鋼、微合金鋼及合金鋼在軋制與冷卻過程中的晶粒細化、析出與相變等的組織性能控制的基礎與應用研究，在細晶高強鋼、高級管線鋼、高性能中厚板及特厚板、取向硅鋼及先進汽車板等高性能冷軋帶鋼、新型鐵素體不銹鋼及雙相不銹鋼、高性能長材及管材等的工藝控制技術與產(chǎn)品開發(fā)方面取得了一大批重要成果，為軋制鋼材的品質提升和國家經(jīng)濟建設作出了重大貢獻。
4?高性能冷軋帶鋼技術與品種開發(fā)?
4.1?取向硅鋼制造技術與品種開發(fā) 1）武鋼取向硅鋼制造技術與品種開發(fā) 武鋼已形成了取向硅鋼的冶煉、連鑄、熱軋、冷軋及熱處理等工藝與質量控制技術，實現(xiàn)了取向硅鋼制造技術的工程化與產(chǎn)業(yè)化，主要技術進步包括：復吹工藝等技術，使取向硅鋼冶煉成分命中率達到98%以上；連鑄技術，建立一套完整的取向硅鋼連鑄工藝，提高了生產(chǎn)效率和鑄坯質量；熱軋技術，重點是加熱爐溫度制度和輥形制度，解決了爐內(nèi)斷坯、粗軋帶坯斷裂、精軋邊裂斷帶事故，使每邊熱軋板邊裂減少到5mm～20mm，成材率提高3.5%；硅鋼廠酸洗線HiB常化爐改造及工藝，有效控制了AlN等抑制劑的合適尺寸及分布，提高了HiB鋼的牌號合格率5%以上；森吉米爾軋機HGO鋼高溫軋制技術，研究出了HGO鋼高溫軋制的典型工藝，基本全部實現(xiàn)高溫軋制，提高了HGO鋼的牌號合格率5%以上；冷軋工藝，提出改進軋制規(guī)程和提高生產(chǎn)率的方法；串聯(lián)式退火脫碳工藝，發(fā)明了中間完全脫碳退火技術、成品厚度鋼板初次再結晶、脫碳退火技術及改善取向硅鋼涂層質量的工藝技術等。 2007年，武鋼取向硅鋼產(chǎn)量達27萬t，牌號幾乎覆蓋所有級別，產(chǎn)品性能與質量達到國際先進水平，產(chǎn)品用于三峽工程、青藏鐵路工程、神六載人飛船工程等國家重要工程項目。武鋼取向硅鋼在市場占有率由2003年的29.9%提高到2007年的52%，到2010年武鋼取向硅鋼的產(chǎn)量將達到50萬t。 2）寶鋼取向硅鋼制造技術與品種開發(fā)。 寶鋼歷時10年自主研發(fā)取向硅鋼技術，自主集成生產(chǎn)線，成功實現(xiàn)高品質取向硅鋼產(chǎn)品批量生產(chǎn)。2008年～2009年，寶鋼普通取向硅鋼（CGO）、高磁感取向硅鋼（NSGO）、薄規(guī)格（0.27mm以下）激光刻痕取向硅鋼等高等級取向硅鋼產(chǎn)品投產(chǎn)。 寶鋼取向硅鋼產(chǎn)品的主要關鍵技術如下： a）品種開發(fā)：開發(fā)出采用低溫板坯加熱技術的高磁感、低鐵損取向硅鋼。 b）煉鋼工序：成分高精度控制技術，關鍵元素含量按10?級控制。 c）熱軋工序：低溫板坯加熱技術；低溫降控制技術；帶鋼邊裂控制、高精度厚度及板形控制技術；采用適應硅鋼生產(chǎn)的板坯異步裝爐與交叉軋制技術，建立適應交叉軋制的高精度控制模型等。 d）冷軋工序：高精度板形控制技術；滲氮控制技術、高精度爐溫控制技術。 e）激光刻痕技術：在涂敷絕緣涂層的取向硅鋼板表面，采用激光器對硅鋼板進行刻蝕，細化磁疇，降低硅鋼片的鐵損。 寶鋼取向硅鋼產(chǎn)品已成功應用于500kV、48萬kVA及以上電壓等級大型交流變壓器和直流換流變壓器制造，高磁感產(chǎn)品已供應30家大中型變壓器廠。
?4.2?冷軋高品質汽車板技術進步 近年來，寶鋼、鞍鋼、武鋼等大型鋼鐵企業(yè)為滿足快速增長的汽車發(fā)展需求，開發(fā)生產(chǎn)出冷軋深沖及超深沖系列、鍍層系列、高強及超高強系列汽車板。通過解決超低碳、氮、氧冶煉技術和潔凈鋼生產(chǎn)技術、高質量板坯連鑄技術、熱軋、冷軋及退火技術、高強及超高強鋼的冶金工藝控制技術、表面質量及板形控制技術、鋼板質量性能穩(wěn)定化技術等，形成了高品質汽車板大批量穩(wěn)定化生產(chǎn)和冷軋先進高強鋼的高水平研發(fā)平臺。 寶鋼于2008年開發(fā)建成了中國第一條，世界第四條高水平的冷軋超高強鋼板生產(chǎn)研發(fā)專用線?，其主要特點是：強度級別為CR1500，GI980；國內(nèi)第一條超高強度鋼板專用生產(chǎn)線；多功能性，連續(xù)退火和熱鍍鋅共線；核心冷卻技術，高濃度氫氣冷速140℃/s，水淬冷速超過500℃/s；UHSS的碳當量低，可焊性良好。 鞍鋼近年先進汽車板的研究開發(fā)進展很快，已成為中國汽車制造的主要汽車板供應企業(yè)之一。鞍鋼ASP線能夠穩(wěn)定批量生產(chǎn)出系列高品質汽車板，特別是高級轎車外板，實現(xiàn)重大突破。并在以下方面具有突出的特色。 ①?持續(xù)開發(fā)滿足用戶個性化需求的冷軋軟鋼系列產(chǎn)品 a）高屈服強度、高伸長率IF鋼產(chǎn)品：ReL≥160MPa；Rm≥270MPa；A80≥42%。 b）采用鐵素體區(qū)軋制生產(chǎn)高r值深沖汽車板：r值最高達到3.23。 c）冷軋高伸長率深沖鋼板：A80≥45%。 ②?使用性能不斷豐富的高強鋼研發(fā)：超細晶冷軋高強度鋼板、超細晶熱鍍鋅高強度鋼板、具有多相組織的高強烘烤硬化鋼等。 ③?低碳低硅無鋁（低鋁）TRIP鋼：以P或P+V代Si、A1的成分設計，同時成功解決鑄坯裂紋、高硅TRIP鋼表面氧化難以涂鍍、高鋁TRIP鋼連鑄生產(chǎn)時容易堵水口等關鍵技術難題，產(chǎn)品成功應用于多款汽車結構件，為汽車輕量化提供了技術支撐。
?5?鐵路貨車用T4003不銹鋼及雙相不銹鋼產(chǎn)品開發(fā) 太鋼自主開發(fā)出了鐵路貨車車體用不銹鋼T4003，該材料鉻的質量分數(shù)約12%，碳含量低，添加有少量Ni、Mn，及微量的Nb、Ti，焊接接頭熱影響區(qū)具有M+F兩相組織結構，不僅具有足夠的強度、良好的耐濕磨性和滑動性，而且在耐蝕性和周期壽命成本方面優(yōu)于高強度耐候鋼。T4003不銹鋼主要技術如下： 1）材料設計開發(fā)：針對各項性能及化學成分進行優(yōu)化設計，保證不銹鋼作為結構用鋼的可靠性。 2）高質量高效化生產(chǎn)技術開發(fā)：AOD超低碳，氮的冶煉控制技術，Nb、Ti雙穩(wěn)定控制技術，鑄態(tài)組織結構控制技術，板形控制技術等關鍵生產(chǎn)技術的開發(fā)保證了材料質量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)高效化。 3）應用技術研究與開發(fā)：配套焊接技術、接頭疲勞性能、耐腐蝕性能、成形性能研究，應用技術研究突出了材料實用性。 2006年～2008年太鋼累計生產(chǎn)新型鐵路貨車用不銹鋼15萬t，用于大秦鐵路2.3萬輛C80B不銹鋼運煤車的制造，出口1萬余噸。目前太鋼鐵路貨車用不銹鋼材料在國內(nèi)市場占有率達95％以上。通過采用不銹鋼材料增加車體耐蝕性能，車輛設計壽命由25年提高到35年，檢修周期由8年提高到12年。 此外，太鋼還通過系統(tǒng)研究開發(fā)雙相不銹鋼板材的制造工藝，突破冶煉、熱加工、熱處理、酸洗、焊接等多項關鍵難題，實現(xiàn)包括低合金的S32304、S32101，中合金的S31803（S32205）以及高合金的超級雙相不銹鋼S32750等不同性能級別雙相不銹鋼板材的產(chǎn)業(yè)化，滿足石化、造船、核電、海水淡化、真空制鹽、水利工程等領域的需求。?
6?高性能長材及管材生產(chǎn)技術與產(chǎn)品開發(fā)
?6.1?中低速磁懸浮列車軌道用F型鋼生產(chǎn)技術及產(chǎn)品開發(fā) 萊鋼根據(jù)用戶使用要求，設計并軋制出了符合要求的F型鋼和H軌枕鋼產(chǎn)品，使F型鋼及軌排成功應用于中低速磁懸浮試驗線。主要技術包括： ①?根據(jù)中低速磁懸浮列車線運行的需要，設計了中低速磁懸浮列車軌道專用F型鋼； ②?通過計算機數(shù)值模擬、中試模擬軋制等研究工作，解決了F型鋼不對稱軋制、冷卻變形等難題，自主開發(fā)出世界上首套代替焊接-退火-機械加工成形的軋制F型鋼成套熱軋工藝； ③?完成了F型鋼50m半徑和100m半徑正反向側彎軌設備研究開發(fā)； ④?發(fā)明了熱軋F型鋼的定半徑和3次緩和曲線彎曲設備和工藝，實現(xiàn)了中低速磁懸浮列車軌排的高精度批量化加工； ⑤?采用了低成本的耐候鋼設計，并在軋制工藝中采用了細晶鋼軋制，使鋼材屈服強度達到400MPa以上，抗拉強度達550MPa，沖擊功100J。 萊鋼生產(chǎn)的F型鋼、H型鋼軌枕及軌排已成功配套使用在唐山1.5km試驗線上，經(jīng)過近1年2萬多千米的運行證明，批量化生產(chǎn)的熱軋F型鋼及軌排能完全滿足中低速磁懸浮列車的運行要求。
?6.2?大型熱軋H型鋼生產(chǎn)技術及產(chǎn)品開發(fā) 萊鋼和馬鋼通過“微合金化+控制軋制技術”開發(fā)出的異形坯孔型共用技術、萬能軋機小張力連軋控制技術、腹板偏心控制技術等已經(jīng)成功生產(chǎn)出海洋石油平臺用熱軋H?型鋼、汽車大梁用熱軋H型鋼、鐵路機車大梁用熱軋H型鋼、Q345E級熱軋H型鋼以及英標高強度55C級熱軋H型鋼等多種高強度高韌性高性能大型H型鋼，系統(tǒng)集成了擁有自主知識產(chǎn)權的熱軋H型鋼生產(chǎn)應用技術。
?6.3?系列油井管生產(chǎn)技術及產(chǎn)品開發(fā) 通過不懈的努力，天津鋼管公司（TPCO）不僅能夠為用戶提供全部API?SPEC?5CT?標準鋼級的油套管，而且能夠提供滿足特殊使用條件的非API標準鋼級系列油套管（TP系列油套管），以及非API標準規(guī)格的油套管和特殊扣油套管。攀鋼成都鋼管公司開發(fā)出CS-95S抗H2S腐蝕石油套管、L80-1大口徑高品質石油套管和大口徑非調(diào)質N80-1石油套管生產(chǎn)技術并進行了批量生產(chǎn)和應用。 TP系列油套管的主要技術包括： ①?設計開發(fā)出了超高強度高韌性油井管用鋼新品種系列。用于以V150為主，及140KSI、160KSI、170KSI等4個不同強度級別的材料； ②?充分發(fā)揮了C、Mo、V等元素在鋼中的細化晶粒、強化晶界、抑制回火脆性等作用，使材料獲得了優(yōu)異的強韌性能匹配和良好的抗氫致斷裂能力； ③?運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡建模優(yōu)化技術建立了新鋼種合金元素對套管力學性能影響模型，提出了關鍵工藝控制和鋼種的改進措施； ④?通過優(yōu)化鋼管軋制比來減輕材料的各向異性，超高強度V150套管材料整體性能優(yōu)良，橫向沖擊功大于等于80J，平均高達110J，橫縱沖擊比大于等于0.8。
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