低碳高強(qiáng)度HSLC熱軋薄板的生產(chǎn)與研究進(jìn)展

1、低碳高強(qiáng)度（HSLC）熱軋薄板的生產(chǎn)與研究進(jìn)展王中丙  柴毅忠  陳貴江           傅杰  康永林  周德光（廣州珠江鋼鐵有限責(zé)任公司）    （北京科技大學(xué)）摘要  介紹了國內(nèi)外高強(qiáng)度鋼/板的發(fā)展?fàn)顩r和珠鋼電爐薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)低碳高強(qiáng)度鋼板（HSLC）的主要進(jìn)展，初步分析了HSLC鋼高強(qiáng)度化的主要成因鋼水的潔凈化、薄板坯連鑄連軋的特殊工藝條件以及鋼水中殘余元素。與HSLA相比，HSLC具有塑性好、焊

2、接性能優(yōu)良、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是提高鋼鐵材料可競爭性及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的綠色材料。關(guān)鍵詞  CSP  低碳高強(qiáng)度鋼  低合金高強(qiáng)度鋼THE PROGRESS OF RESEARCH AND PRODUCTION ON HOT STRIPWITH HIGH STRENGTH LOW CARBON（HSLC）WANG Zhongbing   CHAI Yizhong   CHEN Guijiang(Guangzhou Zhujiang Iron and Steel Co., Ltd.)FU Jie   KANG

3、 Yonglin   ZHOU Deguang (University of Science and Technology Beijing)ABSTRACT The development on high strength steel/strip in the world is being introduced, the progress on hot strip with HSLC in EAF-CSP process in zhujing steel is characterized, some reasons, includes clean liquid steel

4、insurance, special process of mini mill CSP, and residential elements which increase the strength of HSLC are analyzed in this paper. Compared with HLSA, HSLC becomes one of new green material which promote the competitive of steel material, because of its high yield, good welding properth and low p

5、roduction cost.KEY WORDS  CSP, HSLC, HSLA1  熱軋高強(qiáng)度鋼（板）的用途隨著我國和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)鋼鐵工業(yè)提出了越來越多的要求，與此同時(shí)，鋼鐵替代品的不斷涌現(xiàn)也使得鋼鐵工業(yè)面臨前所未有的競爭壓力。鋼材的高強(qiáng)度化成為鋼鐵工業(yè)近20年最具活力和創(chuàng)造性進(jìn)展的領(lǐng)域，一系列熱軋高強(qiáng)度鋼（板）被越來越廣泛用于建筑業(yè)、制造業(yè)和加工業(yè)，特別是載重汽車、轎車、橋梁、起重機(jī)、艦船、鐵路、集裝箱、容器、工程機(jī)械、甚至航空航天等領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見，高強(qiáng)度鋼的用途將越來越廣泛，也越來越重要，如火車提速、汽車減重等。2  國內(nèi)外高強(qiáng)度鋼（板）的發(fā)展

6、提高鋼材強(qiáng)度的一般途徑有：高碳、合金化、熱處理等，但都各有利弊。自上世紀(jì)50年代以來，低合金高強(qiáng)度鋼（HSLA）作為成熟的鋼種，比較大量的生產(chǎn)和應(yīng)用，并形成一系列鋼號(hào)和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。近年來，高強(qiáng)度鋼的研發(fā)一直受到國內(nèi)外的高度重視，不少國家，如日本，甚至將其列為國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目，在歐洲最高級(jí)的研究項(xiàng)目- 尤里卡計(jì)劃的新材料研究項(xiàng)目資助下，奧迪汽車等聯(lián)合研制的輕型高強(qiáng)度薄板可以使汽車用鋼減少25%。1994年，世界18家汽車生產(chǎn)廠聯(lián)手成立了超輕汽車鋼（ULSAB）財(cái)團(tuán)，支持高強(qiáng)度汽車用鋼的研究。我國“973”計(jì)劃中更是把新一代高強(qiáng)度鋼鐵材料的研究作為重大課題。俄羅斯也在重點(diǎn)研究高強(qiáng)度鐵道用鋼，力圖在降

7、低車廂自重的條件下，車廂載重能力由60-70t提高到100-110t。隨著國內(nèi)外高強(qiáng)度鋼的不斷研發(fā)，雙相鋼（DP）、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP）、復(fù)相鋼（CP）、貝氏體鋼（B）、和馬氏體鋼（M）也相繼投入工業(yè)化生產(chǎn)。各種高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度和伸長率范圍如圖1所示。國際上也形成一些先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)廠，以瑞典，SSAB公司為例，該公司的TUNNPLAT廠2001年產(chǎn)鋼材250萬t，其中冷軋鋼55萬t，各種鍍層板35萬t，彩涂板20萬t，熱軋高強(qiáng)度板達(dá)到140萬t，占其總產(chǎn)量的56%.在SSAB生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼中，屈服強(qiáng)度范圍達(dá)到：315-700MPa，該公司正在開發(fā)750和800MPa級(jí)的極高強(qiáng)度板（UH

8、S）。如圖2所示。但是，總的來說，在世界范圍內(nèi)的高強(qiáng)度鋼領(lǐng)域，HSLA鋼仍然是最主要的生產(chǎn)和應(yīng)用鋼種。根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，全世界HSLA鋼的產(chǎn)量大約在8000萬t左右，約占世界鋼產(chǎn)量的10%，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，占鋼產(chǎn)量的7%-15%1。1998年，我國HSLA鋼的產(chǎn)量約為630萬t2，約占鋼產(chǎn)量的5%左右。3  珠鋼低碳高強(qiáng)度鋼（HSLC）的研究和生產(chǎn)實(shí)踐珠鋼一期引進(jìn)德國FUCHS150t豎式交流電爐和SMS CSP 生產(chǎn)線，1999年8月全線投產(chǎn)，二期新增意大利DANIELI 150t 預(yù)熱式電爐、LF精煉爐、VOD真空處理爐、以及SMS薄板坯連鑄機(jī)各1座/臺(tái)。是國內(nèi)唯一1條短流程CSP生

9、產(chǎn)線，具有生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品精度控制和強(qiáng)度控制好等一系列優(yōu)點(diǎn)。自1999年8月一期工程投產(chǎn)以來，珠鋼一直注重于新產(chǎn)品開發(fā)，特別是市場歡迎的高強(qiáng)度熱軋板的開發(fā)，已開發(fā)出X52、SPA-H、ZJ510L、ZJ590L等一系列鋼種，在熱軋鋼板的傳統(tǒng)鋼種領(lǐng)域，珠鋼對(duì)應(yīng)生產(chǎn)的ZJ330、ZJ400、ZJ470等系列鋼種的普遍特點(diǎn)是在塑性不降低且更優(yōu)的情況下、強(qiáng)度均高于類似國標(biāo)鋼種，創(chuàng)造出一種低成本生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)工藝流程，低碳高強(qiáng)度鋼（High Strength Low Carbon）已成為珠鋼產(chǎn)品的一個(gè)鮮明特色。在珠鋼工藝條件下生產(chǎn)的熱軋高強(qiáng)度鋼板有別于HSLA鋼，最明顯的差別是低碳、合金含量低、成分

10、設(shè)計(jì)中沒有添加任何微合金元素等，目前，珠鋼開發(fā)的汽車用熱軋鋼板，最高強(qiáng)度等級(jí)已經(jīng)達(dá)到600MPa。將珠鋼生產(chǎn)的這類高強(qiáng)度鋼統(tǒng)一命名為低碳高強(qiáng)度鋼，簡稱HSLC鋼。3.1 珠鋼熱軋板的成分與性能特點(diǎn) 珠鋼HSLC板性能特點(diǎn)如下： （1）方向異性?。ㄈ鐖D3所示）； （2）伸長率高。珠鋼目前所有品種均達(dá)到國標(biāo)或JIS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)伸長率要求，大部分品種均有20%以上的富余量，圖4為珠鋼ZJ330伸長率生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果； （3）焊接性能好。在珠鋼投產(chǎn)以來，未發(fā)生因?yàn)楹附有阅懿缓蠈?dǎo)致的客戶投訴； （4）組織均勻，晶粒細(xì)?。ㄈ鐖D5、6所示，略）； （5）強(qiáng)度高。表1和表2例舉了C<0.08%和C<0.20

11、%兩組朱鋼生產(chǎn)的鋼種和類似國標(biāo)牌號(hào)在成分和抗拉強(qiáng)度方面的比較。 從表1和表2可知，珠鋼在低碳系列鋼種中，強(qiáng)度等級(jí)高于類似國標(biāo)牌號(hào)約10%以上。正因如此，加上珠鋼板材薄規(guī)格的優(yōu)勢(shì)，不少用戶用珠鋼低牌號(hào)的鋼種代替國標(biāo)高牌號(hào)的鋼種，客觀上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了開發(fā)高強(qiáng)度鋼的目標(biāo)。 表1 珠鋼C<0.08%典型鋼種與類似國標(biāo)鋼種在成分和抗拉強(qiáng)度方面的比較 鋼種平均b/MPaCSiMnPSCrNiRes330B4301)<0.08<0.10<0.35<0.25<0.010<0.10<0.1<0.3Q1953500.300.450.0500.300.30表2 珠鋼

12、C<0.20%典型鋼種與類似國標(biāo)鋼種在成分和抗拉強(qiáng)度方面的比較 鋼種平均b/MPaCSiMnPSCrNiResZJ590L5901)0.20<0.40<1.30<0.025<0.010<0.1<0.1<0.3Q3452）4900.200.550.0450.0450.300.30圖7顯示了珠鋼幾種典型鋼種強(qiáng)度趨勢(shì)，對(duì)比圖2可知，珠鋼鋼板強(qiáng)度已進(jìn)入超高強(qiáng)度范圍，預(yù)計(jì)在幾年內(nèi)，珠鋼可以用較低的成本開發(fā)出極高強(qiáng)度鋼（600-700MPa級(jí)）。 綜上述，珠鋼熱軋板在各向異性、伸長率、焊接性能等表現(xiàn)出優(yōu)良的特性，當(dāng)然，在某些性能指標(biāo)方面，如某些鋼種屈強(qiáng)比略高

13、、特殊條件下存在帶狀組織等，其原因還在分析中。 3.2  珠鋼生產(chǎn)工藝特點(diǎn) （1）珠鋼主要設(shè)備配置 煉鋼系統(tǒng)：電弧爐/t  150×2、精煉爐/t  150×2、真空爐/t  150×1、 冶煉周期/min  60 原料  ：廢鋼、海綿鐵、生鐵 CSP鑄機(jī)：類型  立彎式、流數(shù)1+1、坯厚度/mm  50、坯寬度/mm  1000-1350、中包容量/t  28、結(jié)晶器長度/mm  1100、拉坯速度/m·min-1  2.8-6、出坯

14、溫度/  1050 輥底爐：長度/m  192、加熱方式  燃油擺動(dòng)式輥底爐、緩沖時(shí)間/min  20 CSP  精軋機(jī)：事故剪  液壓定剪、除鱗  高壓除鱗、軋機(jī)  6機(jī)架、帶卷厚度/mm  1.2-12.7、帶卷寬度/mm  1000-1350、卷重/t   23(最大)、工作輥直徑/mm  720-800(F1-F3)540-600(F4-F6)、軋制力/t  3000、帶卷冷卻方式  層流冷卻、卷取機(jī)  1、卷取類型 

15、 地下，踏步控制 珠鋼在成分設(shè)計(jì)上不采取高合金化思路，仍能夠保證生產(chǎn)出高強(qiáng)度鋼的主要?dú)w因于珠鋼先進(jìn)的工藝控制手段，這包括潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)、CSP薄板坯連鑄高拉速控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)以及控軋控冷技術(shù)等。 （2）潔凈多生產(chǎn)技術(shù) 現(xiàn)代鋼質(zhì)量研究表明，提高鋼水純凈度對(duì)于改善鋼材綜合性能具有非常重要的意義，薄板坯連鑄機(jī)的生產(chǎn)實(shí)踐也對(duì)鋼水質(zhì)量（成分和溫度）提出嚴(yán)格的要求。 珠鋼在采用廢鋼為原料、短流程工藝、無真空處理手段等不利條件下，通過優(yōu)化配料、電爐全程泡沫渣控制、電爐終點(diǎn)控制技術(shù)、無渣出鋼、優(yōu)化的精煉造渣制度和吹氬控制技術(shù)以及鈣處理工藝等一系列手段使珠鋼精煉結(jié)束的鋼水純凈度達(dá)到一個(gè)較高的水平，其中：

16、ao<3×10-6；TO<25×10-6；N<60×10-6；S<50×10-6；P<150×10-6；Als<20×10-6；  （3）CSP薄板坯連鑄高拉速控制技術(shù) 珠鋼CSP薄板坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)拉速為：4-6m/min，拉速的控制受到鋼種、過熱度、鋼水溫度等因素的限制，拉速本身同時(shí)又對(duì)鑄坯組織性能及最終板卷性能產(chǎn)生影響，一般來說，拉速越高越有利于鑄坯晶粒細(xì)化，但同時(shí)也導(dǎo)致鑄坯表面質(zhì)量惡化，同時(shí)增加了連鑄漏鋼的幾率。因此，必須優(yōu)化連鑄配套的工藝條件，珠鋼在連鑄保護(hù)渣的研究、鋼水上臺(tái)溫度和成

17、分控制范圍、SEN的使用等方面做了大量工作，針對(duì)不同的鋼種和規(guī)格，摸索出最佳的拉速控制范圍，目前，低碳鋼平均的拉速水平達(dá)到5.3m/min，最高達(dá)到6m/min。 （4）溫度控制技術(shù) 提高連鑄連澆率是所有鋼廠共的目標(biāo)，對(duì)于薄板坯連鑄來說，雖然拉速較寬的可調(diào)范圍有利于連鑄對(duì)鋼水的適應(yīng)性，但是，由于SEN壽命的限制，特別是由于性能穩(wěn)定性的要求，多爐連澆是以穩(wěn)定性為前提條件，主要是拉速的穩(wěn)定，只有這樣，才能保證穩(wěn)定的鑄坯組織和入爐溫度，而拉速的穩(wěn)定是以爐次見的成分和溫度穩(wěn)定為前提。珠鋼目前已能夠?qū)崿F(xiàn)10爐（澆注時(shí)間 10 h）以上的穩(wěn)定連澆。 另一方面，通過控制拉速和二冷水，保證出矯直機(jī)進(jìn)均熱爐的鑄

18、坯溫度達(dá)到1000以上，并且鑄坯表面和內(nèi)部溫度偏差較小，沒有發(fā)生的相轉(zhuǎn)變。 （5）控軋控冷技術(shù) 控軋控冷技術(shù)是珠鋼在消化吸收SMS的軋制技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化板材性能控制的又一手段，通過對(duì)6機(jī)架間軋材中間品的解剖分析，了解到機(jī)架間軋材的組織變化，如圖8和圖93（略）所示，為控軋控冷工藝的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。 在控制控冷工藝方面，主要比較了不同機(jī)架不同壓下力對(duì)板材性能的影響，研究了不同終軋溫度、卷取溫度、冷卻方式、成品規(guī)格等諸冷卻條件下的冷卻度及對(duì)成品板材力學(xué)性能的影響規(guī)律。 如圖10可知，隨著終軋溫度的降低，可以看到厚度為20 mm的成品板的屈服強(qiáng)度有了明顯的提高 ，由344MPa提高到 367 MP

19、a，而其抗拉強(qiáng)度變化不大，均在400 MPa左右。不同終軋溫度下成品板的伸長率變化也較為明顯，終軋溫度為840時(shí)，成品板的伸長率較低，僅為25，另外兩種終軋溫度下成品板的伸長率相對(duì)較高，分別達(dá)到了29和30%。 如圖11所示，當(dāng)卷取溫度為640時(shí)，成品板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都相對(duì)較低，屈服強(qiáng)度為320MPa，抗拉強(qiáng)度僅為381 MPa。當(dāng)卷取溫度設(shè)定為550時(shí)，成品板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比卷取溫度為640時(shí)都有了顯著的提高，分別提高了24MPa和31MPa。在不同的卷取溫度下成品板的延伸率相差不大，均在28%至30%之間。 3.3 珠鋼低碳熱軋板高強(qiáng)度化的成因初析 珠鋼短流程CSP生產(chǎn)線生產(chǎn)的

20、低碳鋼板與普通厚板坯連鑄軋制線生產(chǎn)的熱軋板在組織形態(tài)和力學(xué)性能特征等方面表現(xiàn)出明顯的差異性，特別是較高的強(qiáng)度方面，值得注意的是，在珠鋼以前，對(duì)于這方面的研究工作國內(nèi)外均很少有報(bào)道，珠鋼投產(chǎn)以來陸續(xù)開展一些相關(guān)研究，初步取得一些進(jìn)展。 3.3.1 晶粒細(xì)化 研究表明：晶粒細(xì)化是珠鋼熱軋板高強(qiáng)度化最主要的因素。 盡管由于鑄坯薄、拉速快、冷卻速度高，鑄坯組織表現(xiàn)為：表面為細(xì)晶區(qū)、內(nèi)部為柱狀晶、基本看不到等軸晶的存在，但是，因?yàn)殍T坯在連鑄后的工始終保持在1000以上，F(xiàn)1F2軋制中產(chǎn)生高溫大變形率，導(dǎo)致奧氏體發(fā)生再結(jié)晶，F(xiàn)3F6雖然軋制溫度下降，奧氏體再結(jié)晶困難，但是由于變形量較小、道次間隔短，回復(fù)和再結(jié)晶進(jìn)行不充分，造成應(yīng)變不斷積累，晶界上成核速度和形核點(diǎn)大大增加，終軋后，經(jīng)過層流冷卻，由于軋材較薄，因此冷卻既較快，很快形成相變，鐵素體在奧氏體晶界和晶粒內(nèi)部大量形核，最終導(dǎo)致冷態(tài)組織明顯細(xì)化。 3.3.2 納米級(jí)粒子