HSLA 钢冶金工艺技术的进展.pdf

综述 HSLA 钢冶金工艺技术的进展 王祖滨1 付俊岩2 1 钢铁研究总院, 北京 100081; 2 中信金属公司, 北京 100004 摘 要 20 世纪 90 年代以来, 薄板坯连铸连轧技术及中厚板坯炉卷轧制工艺, 进入了低合金高强度钢 HSLA 的生产流程; 并在该流程中对 HSLA 钢热机械控制轧制工艺TMCP 取得了不少有益的经验。目前薄 板坯连铸连轧 CSP Compact Strip Production工艺所开发的钢种有 1 ECC、 UCC和 IF 软钢; 2 高强度多相DP 和TRIP 钢; 3 X80 级管线钢。介绍了薄板坯连铸连轧和中厚板坯炉卷轧制工艺开发的HSLA 钢品种的工艺 特点和工艺优化。 关键词 HSLA 钢 薄板坯连铸连轧 中厚板坯炉卷轧制 进展 Advance in Metallurgy Technology of HSLA Steel Wang Zubin1and Fu Junyan2 1 Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081; 2 CITICMetal Co, Beijing 100004 Abstract Since the nineties of 20 century the thin slab casting- direct rolling and the medium -heavy slab casting- Steckel Mill rolling technologies have been involved in production line of high strength low alloy HSLA steel, and inthese processes a lot of available operation experiences of therma- l mechanical control process TMCP for production of HSLA steel have been achieved. At present the steel grades being developed by CSP compact strip production process are 1 ECC, UCC andIF soft steel; 2 high strength mult- i phase DP andTRIP steel; and 3 X80 grade pipe steel. The charac - teristic and optimization of both processes for developing HSLA steel grade are presented. Material Index HSLA Steel, ThinSlab Casting- Direct Rolling, Medium -Heavy Slab Casting- SteckelMillRolling, Development 20 世纪 60 年代以来, 由于钢铁冶金生产工 艺变革的推动 表 1 ,HSLA 钢的制造技术有了长 足的发展。特别是TMCP 热机械控制轧制 工艺 及MA 微合金化 技术的开发和应用, 使得 HSLA 钢的面貌焕然一新[ 1]。在开发和应用上述工艺技 术过程中揭示的一些原理和规律, 如 CCR、 RCR、 ACC 或 IAC、 IGF 等已经在传统的中厚板轧机或半 连轧热轧带钢轧机上得到应用并取得成效。图 1 基本上覆盖了HSLA 钢的强韧性范围和 TMCP 工 艺及 MA 技术的关系[2]。需要指出, 这里的 DQ 直接淬火 已经不是传统热处理工艺中的所谓淬 火, 它实际上是TMCP工艺中加速冷却的极限运 表 1 钢铁冶金生产工艺的变革 Table 1 Evolution in iron and steel production process 生产流程1960年1990年1995 年特性 炼铁高炉高炉及铁水预处理高炉及铁水预处理去除P、 S Si 炼钢平炉、 电弧炉、 kaldo顶底复吹转炉顶底复吹转炉、 超高功率电弧炉降低C 钢包冶金无RHOB、 VAD、 VOD、 CAB 等RHOB、 LFV、 喷粉、 喂丝等去除S、 P、 O、 N、 C 浇注钢锭连铸连铸及薄板坯连铸控制偏析与显微组织, 弥散的TiN 质点 轧钢重新加热热装热送、 控轧热装热送、 控轧合金元素充分溶解 轧后处理空冷或热处理加速冷却或直接淬火加速冷却或直接淬火合金元素充分溶解 用。德国 Dillinger 厂已经成功地把厚板轧机后面 的加速冷却线改造成可以进行直接淬火。而上世 纪90 年代后期在开发超细晶粒钢过程中采用的 低温大变形工艺实质上也是TMCP 工艺中控制轧 制的极限运用, 只不过轧制温度已经到相变点。 80 年代末出现的薄板坯连铸连轧以及 90 年代开 始受到重视的中厚板坯连铸炉卷轧制给上述原理 及规律的运用带来了新的课题。本文将简要介绍 1 第 27卷第2 期 特殊钢Vol. 27. No. 2 2006年 3 月 SPECIAL STEELMarch 2006 图 1 HSLA 钢的强韧性与 TMCP 及 MA 工艺的关系 Fig. 1 Relation of strength -toughness of HSLA steel vs TM - CP andMA process 这方面研究开发工作的新进展。 1 薄板坯连铸连轧 薄板坯连铸连轧工艺是 20 世纪后期冶金工 艺的一项重大创新。SMS 公司的 CSP 是开发最 早、 普及最广的一种。自从 1989 年美国纽柯公司 在克劳福兹维尔建设第 1 条 CSP 生产线以来, 不 仅在产能方面, 而且在技术内涵方面都有了很大 的发展。图2 从产能和产品质量综合指数两个方 面将 CSP 与其他轧钢工艺作了比较[ 3]。图中横坐 标取一个无量纲的数来表征产品的厚度、 宽度、 钢 种、 轧制规程以及质量在内的综合情况。由图 2可 以看到, 第 1代和第 2代 CSP 的综合指数基本与高 效率的连轧机相当, 只是产能上还有一段差距。 除SMS 外, 还有 4 个公司相继开发了具有自 己特色的薄板坯连铸连轧生产线, 即原 DMH 公司 的 ISP、 Danieli 的 FTSC、 Sumitomo 的QSP 及VAI 的 图 2 CSP 与传统工艺的比较 Fig. 2 Comparison between CSP and conventional technolo - gies CONROLL, 对薄板坯连铸连轧技术的理论和实践 都做出了相应的贡献。据统计, 到 2004 年初, 全 球共有35 条薄板坯连铸连轧生产线, 年产能力近 5 800万 t。包括 CSP 21 条, ISP 5 条, FTSC 4 条, QSP 3条, CONROLL 2 条。其中美国 9 条, 年产能 力1420万 t, 包括 CSP 6 条, QSP 2 条, CONROLL 1 条。中国 7 条, 年产能力1 442万 t, 包括 CSP 5 条, FTSC 1 条及ASP CONROLL 1 条。目前中国还在 建5 条, 年产能力1075万 t, 包括 CSP 2 条, FTSC 2 条, ASP CONROLL 1 条。在未来 2 3 年内, 中国 将成为世界上拥有薄板坯连铸连轧薄板生产线最 多的国家。 1. 1 品种开发 对于 CSP 流程能够生产什么样的钢种, 从 SMS 公司在不同时期的介绍来看, 从低碳、 中碳到 高碳, 从结构、 弹簧、 工具、 电工到不锈钢均可生 产。但是如果进一步了解和分析 15 年来投产的 CSP 流程及其他类型连铸连轧流程生产线的品种 结构, 其生产的主要产品为低碳软钢和HSLA 钢, 包括焊接用细晶粒结构钢、 管线钢、 成形性好的 HSLA 钢及耐候钢。正在开发的品种有 1 ECC、 UCC 和 IF 软钢; 2 高强度多相钢 DP 和 TRIP 钢; 3 X80级管线钢。 表2 指出了这些品种的工艺特点和性能要 求。由于大多数薄板坯连铸连轧生产厂在建设之 初, 为减少投资没有考虑真空精炼, 因此必须增加 高效率的真空处理条件。对于第 1 类产品, 实现 铁素体轧制是一个方向, 对解决轧制较薄规格时 的温度控制、 改善产品表面质量、 减少工作辊的磨 损和节约输出辊道上冷却水的消耗都有很好效 果。对第 2、 3 类产品除了钢质纯净以外, 恰当地 设计热机械加工的参数对保证组织和性能有决定 意义。 与传统连轧机组相比, 薄板坯连铸连轧生产 表 2 CSP 流程正在开发品种的工艺特点和性能要求 Table 2 Technology features and property requirements of developing grades by CSP process 钢材工艺特点性能要求 ELC、 ULC、 IF 系列 的软钢 真空精炼、 铁素体 轧制 优良的成形性 高强度 多相钢 DP 与TRIP 钢 热机械加工 优良的成形性和高 强度 高强度管线钢 X80 真空精炼、 热机械 加工 高强度、 优良的塑 性、 好的抗裂纹扩 展性, 焊接性 2特殊钢第27 卷 线已经将可能轧制厚度的下限以及适宜轧制规格 范围显著下移, 开发薄规格品种以热代冷已成为 产品发展的一项重要趋势。 1. 2 工艺优化 尽管各种类型的生产线在板坯的厚度、 均温 及保温方式、 粗轧、 精轧及冷却的配置等方面有所 不同, 但都具有以下的冶金特点 1 薄板坯较高的凝固速率改进了铸造组 织, 宏观偏析较少, 二次枝晶间距较小。热轧带钢 具有较好的组织均匀性。 2 薄板坯总是以直接热装的方式进行轧 制, 因此进连轧机时的奥氏体晶粒比较粗大。粗 的奥氏体晶粒具有阻碍再结晶的作用。但是微合 金元素的固溶比较充分, 析出强化的效果较好。 此外还应注意到, 由于结晶器的厚宽比较小, 常规板坯铸造过程中易产生的缺陷, 在薄板坯连 铸时更容易产生而且程度更为严重, 因此对钢水 纯净度的要求更高。 对于 HSLA 钢生产, 合理地选择轧机的道次 规程, 每一道次的变形量尽可能进行有效的分配, 对控制材料的组织和性能有重要的意义。 一般来说, 轧机需完成 2 项任务 首先, 树枝 状的铸态组织必须压实, 而且转变成均匀的、 再结 晶组织。为完成这项任务, 部分形变 R需在 T Tnr 温度时进行。其次, 奥氏体被加工以获得 TM - CP 效应。为此目的, 部分形变 C必须在 T 7 mm 规程 炉卷轧机中的控制时间/ s150 400 出炉卷轧机的控制温度/ 730 加速冷却速率/ s- 1随厚度不同可到 20 卷取温度/ 540 620 790 730 。由Hulka 等开发的管线钢的高温加 工HTP 工艺, 提高了热加工温度区间, 给不能在 进行强的热机械轧制的炉卷轧机上生产高强度韧 性管线钢创造了有利条件[8]。 该工艺的合金设计的基本思路是当奥氏体中 固溶铌量增加时, 可以观察到延迟奥氏体再结晶 温度显著提高, 所以在较高的温度就可以获得热 机械控制轧制的效果。钛比铌与氮有更高的亲和 力, 当氮被钛固定以后, 降低碳含量, 可防止碳氮 化铌的生成, 板坯加热时更多的铌量就容易溶解 到奥氏体中。 根据上述思路设计了一种 003 010 Nb -175 Mn 经过Ti/ N处理的 HTP 钢。粗轧之 后, 待温度降低到 900 左右进行非再结晶区精 轧, 终轧温度为 820 , 比常规热机械处理管线钢 厚板的终轧温度约高 100 。显著减轻了轧机的 负荷, 并且使钢板获得极好的韧性和可焊性。 3 结语 用薄板坯连铸连轧及中厚板坯炉卷轧制工 艺, 可以生产包括高强度管线钢在内的所有低合 金高强度钢品种。根据工艺特点提出的成分设计 和工艺优化方面的思路和对策, 有助于获得更好 的综合性能。 参考文献 1 王祖滨. 低合金钢和微合金钢的发展. 中国冶金, 19993 4 2 Msshenborn W, Imlau K P,Meyer L, et al. Recent Developments in Physical Metallurgy and Processing Technology of Microalloyed Flat Rolled Steels,Microalloying 95,Pittsburgh, 1995. 3 Kneppe G.Four Major Technology Developments, Representing our In - novations forHot Rolling Mills,SMS Demag Forum in Dsserdorf, 2001 4 Henser K. 扩大 CSP 产品应用领域, 挑战 CSP 材料性能, SMS Demag 2000 CSP 研讨会论文集, 2000 5 DeArdo A J, Garcia C I, Tokarz C, et al. CSP An Example of New Steel Processing Rotues. 马钢CSP 研讨会论文, 2003 6 王祖滨, 侯豁然. 炉卷轧机生产高强度微合金钢. 中国冶金, 2004 3 7 Collins L E, Baragar D L, Kostic M M, et al. X70 和 X80 输气管线 钢炉卷轧机生产工艺优化.微合金化技术, 20022 8 Hulka K,Gray J M. 管线钢的高温加工, 铌. 科学与技术. 北京 冶金工业出版社, 2003 王祖滨1935 -, 男, 教授, 高级工程师, 1958 年莫斯科钢 铁学院毕业。从事低合金高强度钢研究和开发。 收稿日期 2005 -08 -01 5第 2期王祖滨等 HSLA 钢冶金工艺技术的进展