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节约型钢铁材料及其减量化加工制造
发布日期:2013/3/13 11:41:26   编辑:中厚板www.zhonghouban.cn   浏览次数:8016
王国栋,刘相华,吴迪(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳1 10004)摘要:为开发新一代钢铁生产工艺流程,提
 
王国栋,刘相华,吴迪
(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳1 10004)
摘要:为开发新一代钢铁生产工艺流程,提出在其主要环节的材料加工过程中,应实现添加合金元素减量化、生产工序减量化、产品全生命周期减量化,以生产节约型钢材。同时介绍了东北大学等单位在开发减量化板材、棒材、线材及管线钢、双相钢、TRIP钢、硅钢、高强度汽车用钢、环保型钢材等过程中的新思路及采用的新工艺、新流程。
关键词:节约型钢材;减量化加工制造;新工艺
中图分类号:TG30 文献标识码:A 文章编号:1003—9996(2006)02—0001—05
Saving Type Steel Products and Its Reduced Steel Rolling Technology
WANG Guo-dong.LIU Xiang—hua,WU Di
(The State Key Lab.of Rolling and Automation,Northeastem University,Shenyang 110004,China)
Abstract:To develop a new age technology for iron and steel,reducing the alloy—elements,reducing processing and production period for saving type steel product were put forward in its main process of steel rolling.Meanwhile,the new ideas and technologies were introduced for reduced strip,plate,bar and wire and pipeline steal,dual phase steel,TRIP steel and environment protected products,et a1.,which were developed by the State Key Lab.Of Rolling and Automation of Northeastern University and other enterprises.
Key words:saving type steel product;reduced steel rolling technology;new technology
我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》明确提出,要开发新一代钢铁生产工艺流程,实现钢铁生产的3个主要功能,即提供钢铁产品、能源转换、废弃物处理。作为钢铁材料生产流程主要环节的材料加工过程,如何实现减量化,生产节约型钢铁产品,促进我国社会经济可持续发展,值得认真思考。
 
1 减量化钢材的设计和生产工艺
1.1 TMCP工艺
钢铁材料的广泛应用不仅因其价格便宜,可大批量生产,而且更重要的是,通过成分设计和热处理工艺可得到性能范围极宽的不同规格特性的产品。其中在对钢材的多种强化方式中,细晶强化可同时提高材料的强度和韧性。
20世纪70年代,将控制轧制和控制冷却方法结合,出现了TMCP工艺。该工艺充分利用钢铁材料的相变特点来改变材料的性能,对进一步挖掘钢铁材料的潜力,实现减量化制造具有重要意义。
 
1.2 400~500MPa级减量化板材的开发
新一代钢铁材料的开发,希望用尽量少的资源,在不添加或少添加合金元素的条件下,生产出高性能的钢材。例如,强度为200MPa级的普通低碳钢,通过工艺优化,强度、韧性明显提高,可达到400MPa级材料的综合性能,从而可节约大量钢材。对低碳钢静态再结晶的研究结果表明,变形温度为850~900℃、变形后保温时间在5s以内时,可保证形变奥氏体处于未再结晶的硬化状态。因此,利用好变形后几秒钟的未再结晶区,是碳锰钢和低碳钢晶粒细化的关键。可见,轧件变形后应在短时间保温后进入冷却区,实施快速/超快速冷却和冷却路径控制,通过控制冷却工艺对硬化奥氏体的相变过程进行控制,以实现细晶强化和相变强化。对于板带材热连轧和棒线材连轧,轧制阶段可改变的因素相对较少,所以把轧后控制冷却工艺作为研究的重点,采用高密度、大流量的冷却装置和低温卷取等控制措施,可实现减量化板带材和棒线材的开发。
目前,一些汽车用材料,要求其屈服强度大于355MPa,抗拉强度为510~610MPa,为此,东北大学与宝钢等单位合作,通过热模拟试验和轧制试验,得到了400MPa级超级钢的原型钢。基于实验结果,1999--2000年,在宝钢2050mm热带轧机上进行了大规模的SS400细晶钢的工业试验[1],将精轧温度降至800~770℃,采用大于30℃/s的冷却速度,可得到力学性能全面达标的Super—SS400钢:屈服强度大于400MPa,抗拉强度大于540MPa,伸长率大于27%,宽冷弯合格,其组织由铁素体+珠光体+贝氏体组成。试制结果发现,通过贝氏体的相变强化,可以提高材料的抗拉强度,降低屈强比,这对于Super—SS400钢的工业应用十分重要。
 
1.3 400~500MPa级减量化线材的开发
通常高速线材轧机的终轧速度大于lOOm/s,由于变形热使得线材终轧温度可达1000℃。所以线材不能象板材那样实施低温终轧。线材轧制总延伸大,轧制速度高,压下方向不断变化,机架问歇时间短,这种连续大变形易形成应变积累。但同时,线材断面小,通过控制冷却,易获得均匀细小的晶粒尺寸。
为开发减量化线材,东北大学进行了试验研究,试件成分为:0.22%~0.25%C、0.33%~0.42%Si、0.7%~0.8%Mn。试验得出线材轧制的技术要点:利用线材轧制的大应变连续累积变形,实现材料的加工硬化;轧后立即快速冷却,吐丝后采用水雾冷却,通过快速冷却抑制奥氏体再结晶,保持奥氏体硬化状态,并在适当的温度下终止冷却,以控制相变过程,避免产生淬火组织。通过采用这种工艺,实现了400MPa级减量化线材稳定、大规模的工业生产。
 
1.4 400~500MPa级超级钢棒材的开发
由于建设标准和规范的限制,我国400MPa级热轧带肋钢筋需在20MnSi的基础上添加Nb、V、Ti等微合金元素,才能确保钢筋的性能[2]。但我国年产7000万t带肋钢筋,如添加0.05%的V,则每年需钒3.5万t,几乎占世界年产钒量的一半。为此,考虑到棒材轧制的工艺和尺寸规格特点,在成分设计上以HI出335(20MnSiⅡ级钢筋)为基础材料,不添加钒,通过工艺优化,获得HRB400Ⅲ级钢筋。在工艺控制上,采用常规高温连续热轧+轧后超快速冷却+适宜温度终止冷却新技术,其核心是采取轧后超快速冷却,通过控制高温、高速、强烈变形后硬化、细晶的奥氏体在冷却过程中的相变,来控制材料的性能,结果不仅使其力学性能全面达到国家标准,而且其焊接性能、时效性等也均满足使用要求。目前这项技术已成功应用于江西萍乡、福建三明、甘肃酒钢宏阳、山东济南石横、辽宁北台等钢厂,并取得十分显著的效果。
 
1.5低成本管线钢的开发
20世纪末我国开始开发管线钢,目前可生产X80级管线钢。对于X70级以上的管线钢,依据其不同级别的性能要求,采用TMCP技术,使其形成针状铁素体、粒状贝氏体、下贝氏体等组织;在成分设计上,广泛采用Mo、Cu、Ni、Cr等合金元素13,4j,由于Mo价格昂贵,于是开始探求新的合金成分。
从1999年开始,由巴西铌公司主持、倡导,通过几个国家的合作,开发出以Nb代Mo高铌成分系列(含铌0。1%左右)的管线钢和相应的HTP(High Temperature Processing)生产技术,目前已应用到X80级管线钢。这项技术以低成本生产出高强度级别的减量化管线钢,大幅度降低了生产成本,目前国内已开始试制。
1.6利用相变强化和控制冷却路径开发汽车用高强钢板(AHHS)
细晶强化主要是通过细化铁素体基体晶粒来提高钢材的屈服强度;而相变强化是在铁素体的基体上分布马氏体和贝氏体硬相,主要用于提高钢材的抗拉度,从而降低材料的屈强比[5]。这对于减量化材料的工业应用十分重要。2004年底,东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(以下简称RAL),建立了一套包括超快速冷却(UFC)和加速冷却(ACC)装置在内的控制冷却实验装置,如图1所示,对厚4mm钢板冷却速度可超过400℃/s。RAL对含Nb微合金化钢(化学成分为0.14%C、1.47%Mn、0.26%Si、0.024%Nb、0.012%Als)进行了试验。通过调节UFC、ACC装置,各段可得到不同的冷却速度、ACC段不同的停留时间及不同的终冷速度,以得到不同的组织性能。图2示出在不同冷却工艺条件下得到的试验钢的力学性能及与其对应的相组成。从图2可见,对冷却过程的控制,为获得不同性能的材料提供了强有力的手段,可在实现钢材减量化方面发挥重要作用[6]
 
 
2 减量化生产新流程
2.1用薄板坯连铸连轧(TSCR)工艺生产双相钢和TRIP钢
TSCR工艺的一个重要特点是轧制和冷却过程的恒稳性,这与常规热带轧制中升速轧制会带来扰动有本质区别[7],因此对于冷却路径的控制十分重要。
包头钢铁(集团)公司与东北大学合作,在其CSP线上进行了开发C—Mn系双相钢的探索性试验,目的是开发新型减量化的热轧双相钢。
表1示出2005年6月首次工业试验的双相钢及相同成分的按常规工艺生产的铁素体+珠光体钢的力学性能。可以看出,双相钢与铁索体/珠光体钢相比,屈服强度基本相同,但抗拉强度明显提高,因而屈强比显著降低;伸长率虽从43%降至30%左右,但仍具有良好的延伸性能;且双相钢韧脆性转变温度低于一60℃,具有良好的冲击韧性,力学性能相当于DP540级热轧双相钢。
 
 
2.2 TSCR短流程生产硅钢
传统的取向硅钢生产过程采用MnS或~AIN作为抑制剂,抑制不利取向再结晶晶粒长大,从而助长有利取向晶粒长大。为了形成需要的抑制剂,传统流程必须将材料加热至1350~1400℃,既耗费能源,增加c02的排放量,又增加工艺难度。近年,陆续开发出的硅钢生产新工艺有:
(1)低温加热新工艺,加热温度仅为1200℃,而在后续冷轧工序的常化退火过程中,采用NH3对材料渗氮,产生A1N的微细沉淀,作为抑制剂。
(2)采用TSCR工艺生产取向硅钢,为其低成本生产开辟了一条新途径。TSCR工艺是将高温熔融状态下的钢液(MnS和A1N自然完全溶解其中)浇注到连铸结晶器,连铸板坯直接装入通道式均热炉保温均热,然后送人轧机轧制。由于板坯不经铁素体相变过程,在轧制之前不进行变形,所以多数MnS和A1N仍保持溶解状态,
并在随后的精轧过程中微细析出,可作为一部分抑制剂。同时,在随后的PR和脱碳后在较低温度下(如90012)利用NH3进行渗氮,补充一部分抑制剂。表2为常规流程高温加热、低温加热和TSCR工艺生产取向硅钢的比较。由于用TSCR工艺生产取向硅钢的过程无需重新加热到高温,因而可大幅度降低能源消耗,降低生产和设备建制的难度,是有发展前景的生产取向硅钢的新工艺。
 
2.3柔性生产工艺
现代化的大生产应当是大规模定制方式,生产过程既要大规模进行,又要满足用户的个性化需求。因此,如何增加现有生产过程的柔性是非常重要的。开发所谓柔性轧制技术,就是利用同一种材料,通过对轧制、冷却过程的控制,生产出不同强度级别、不同组织和性能的产品。从而可大大简化炼钢、连铸过程的生产操作,有利于生产的组织和调度,为实现生产的大规模定制奠定基础[8]
 
2.4中厚板在线热处理工艺
通常,中厚板热处理是利用常化炉或调质炉离线进行,因此需重新进行加热。而JFE福山厚板厂在矫直机后安装了钢板在线热处理装置,与新型的强力冷却装置Super-OLAC配合使用,可控制钢材的相变组织,实现了减量化的优质钢板生产。该装置采用感应线圈加热,其加热能力相当于气体加热的100倍,可在线加热最大宽度达4.5m的厚板。
 
2.5高强汽车用钢的冲压新工艺
汽车用钢在不断向高强化方向发展引9。近年开发的所谓AHSS,包括DP、TRIP等钢种,强度已达到1200MPa级。但是,随着钢材强度的提高,其成型性能,尤其是形状冻结性恶化,大大增加了使用难度。因此,目前已开始探寻其他高强化途径。热处理强化工艺就是目前正迅速发展的一种新工艺。热处理强化工艺有:热冲、温冲、部分淬火。其实质是将成型问题在材料硬化之前解决,材料可加热到900℃或500℃,进行热冲或温冲,从而使加工成型难度大大降低。成型后,在模具或专用淬火装置中进行热处理,将材料的强度提高到所需水平。目前,欧洲和日本已利用热处理强化方法试制车顶加强件、中柱up hinge加强件、中柱加强件等零件。与此相适应,钢铁厂开发了适于热冲的高淬透性Mn—B钢等新钢种,制造厂研制了冷却速度可达500℃/s的淬火模具。目前抗拉强度达1500~200MPa的热冲零件已研制成功,并得到应用。
 
3 产品全生产周期减量化
3.1 TRIP型、DP型高强紧固件用钢
通常在高强紧固件的生产过程中,热轧线材经退火后先镦帽和加工螺纹,再进行调质处理。2次热处理,耗费大量人力、设备、能源,提高了生产成本。为此,开发了新型的DP或TRIP型的高强紧固件用钢,这种钢不需热处理,因而大幅度降低了成本,减轻了环境负荷。DP、TPIR型高强紧固件用线材终轧温度约为1000℃左右,轧后迅速冷却到铁素体相变温度,随后在Stelmor冷却线上缓冷,直至析出一定数量的铁素体。在铁素体析出过程中富集碳的剩余奥氏体在随后的快速冷却中转变为马氏体。
新型高强紧固件用钢的化学成分为0.08%C、1.0%Si、1.7%Mn、0.016%Cr,热轧后抗拉强度为600MPa级,在用户拉拔、镦帽和碾丝过程中,双相钢发生加工硬化,其抗拉强度达到800MPa级。所以,这种热轧材料在提交用户后不需进行球化退火和拉拔、镦头、碾丝之后的调质处理,实现了后续工序的减量化。
东北大学RAL在实验室试制出了TRIP型免热处理减量化高强紧固件用钢。
 
3.2变断面钢材
在钢板轧制过程中,如果连续改变辊缝,则轧后钢板纵向厚度会连续变化,可得到LP(10ngitudinal profile)钢板,即纵向变断面钢板。由于采用LP钢板可根据梁承受载荷的情况改变梁的厚度,从而可优化桥梁、船体、建筑等结构断面的设计;此外,采用LP钢板,可优化焊接接头,简化连接构件的设计,承载合理,节省材料,提高材料的利用率。LP钢板是一种减量化的新产品。
 
3.3大入热量焊接材料
焊接问题是造船、桥梁、容器等钢板使用中的重要问题。实行大人热量焊接可大幅度提高生产效率。最初是利用TiN熔点高的特点,使TiN粒子钉扎高温奥氏体晶界。但在大入热量焊接过程中,工件温度通常可高达1400℃,这时,一部分TiN粒子溶解,一部分TiN粒子团聚,失去了钉扎晶界的作用。因此,近年国外在钢液中添加与氧和硫亲和力强的Mg和Ca,形成1400℃高温下既不固溶又不易于长大的热稳定性较好的氧化物和硫化物颗粒。这些颗粒细小(几十到几百纳米),均匀分布,凝固时成为形核的核心,细化了凝固组织;焊接时可钉扎热影响区(HAZ)晶界,细化HAZ晶粒,有效抑制了HAZ区奥氏体晶粒的长大。
 
4 生态化环境友好型产品
4.1不含六价铬的镀锌板和彩涂板
各种涂层钢板原采用含有六价铬的钝化液处理,以提高涂层板的抗白锈性能和涂装性能。但六价铬是有害物质,在产品使用中和使用后,对环境会产生有害影响。因此,欧洲议会早就规定车辆零部件、电子和家电用品中不准含有六价铬、汞、铅等。我国也已同步立法,提出了同样严格的要求。
钝化处理的主要作用,一是增强涂镀板的涂镀效果,在涂镀工序之前进行钝化;二是为增强家电板等在进一步加工中的润滑效果、提高涂镀层的耐腐蚀性能和钢板的美观性,在涂前对镀锌板进行钝化。为解决钝化处理时六价铬存在的问题,采取了相应对策:一是钢板镀锌时,在钢板基板涂镀前,采用无铬钝化液进行钝化,宝钢已进行了2种钝化液的切换;二是家电、汽车用EG、GA板,采用润滑性好、耐腐蚀性好、外表美观的无机涂层(Mn—P系,Zn—Ni系)直接涂镀,彻底消除了含有六价铬的钝化工序。日本川崎制铁公司开发了Zn—Ni合金无机涂层,涂层厚4um,并具有美观、成型性(自润滑性能)好、耐腐蚀等优点。
 
4.2燃料油箱用无铅钢板
Pb一8%Sn涂层钢板广泛用于汽车燃料油箱,其可在严重腐蚀条件下使用;但铅是有害物质。因此国外近年开发了几种新的绿色环保新产品,用于制造燃料油箱,如热浸镀Sn—Zn合金钢板、热浸镀~一Si合金钢板、GI一双层Ni钢板和有机涂层钢板,由于其具有良好的内、外抗腐蚀能力,良好的冲压成型性和焊接性,因而得到了广泛应用。
 
[参考文献]
[1]张海涛,王昭东,丁桦,等.Super.SS 400钢的工业轧制试验[J].轧钢,2002,19(6):8-11.
[2]徐寅.我国400MPa热轧带肋钢筋应用现状和发展建议[J].轧钢,2002,19(4):3-6.
[3]黄开文.X80和X100钢级管线钢的合金化原理和生产要点[J].轧钢,2004,21(6):55-58.
[4]梁正伟,康永林,江海涛.炉卷轧机生产X65管线钢TM-CP工艺的实验研究[J].轧钢,2005,22(6):14-16.
[5]胡恒法,裴新华,穆海珍,等.经济型低碳贝氏体复相钢的开发及应用[J].轧钢,2005,22(5):5-8.
[6]彭良贵,刘相华,王国栋.超快冷却技术的发展[J].轧钢,2004,21(1):1-2.
[7]高秋艳.薄板坯连铸连轧生产线的技术现状[J].轧钢,2003,20(6):30-33.
[8]殷瑞钰.关于钢铁制造流程优化与产品优化问题的讨论[J].轧钢,2004,21(4):1-6.
[9]张朝生.日本川崎制铁公司新型汽车用薄板的开发[J].轧钢,2003,20(5):26-28.
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