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高性能钢材组织性能控制与品种开发纵观
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-03-04
通过加强对碳锰钢、微合金钢及合金钢在轧制与冷却过程中的晶粒细化、析出与相变等的组织性能控制的基础与应用研究，在细晶高强钢、高级管线钢、高性能中厚板及特厚板、取向硅钢及先进汽车板等高性能冷轧带钢、新型铁素体不锈钢及双相不锈钢、高性能长材及管材等的工艺控制技术与产品开发方面取得了一大批重要成果，为轧制钢材的品质提升和国家经济建设作出了重大贡献。
近年来，通过加强对碳锰钢、微合金钢及合金钢在轧制与冷却过程中的晶粒细化、析出与相变等的组织性能控制的基础与应用研究，在细晶高强钢、高级管线钢、高性能中厚板及特厚板、取向硅钢及先进汽车板等高性能冷轧带钢、新型铁素体不锈钢及双相不锈钢、高性能长材及管材等的工艺控制技术与产品开发方面取得了一大批重要成果，为轧制钢材的品质提升和国家经济建设作出了重大贡献。
1 轧制过程组织性能控制研究及应用
1.1 细晶和超细晶钢的研究开发及应用 近年的“新一代钢铁材料重大基础研究”项目以细晶和超细晶钢的研究开发为目标，该项目通过结合轧制生产线装备和工艺实际，开展了大量的理论和试验研究与探索，其中包括：①铁素体+珠光体（F+P）碳素钢或低合金钢采用强力轧制、形变诱导铁素体相变（DIFT）以及形变和相变耦合的组织超细化理论和技术；②结合奥氏体再结晶和未再结晶控制轧制和加速冷却（RCR+ACC）控制的晶粒适度细化理论和技术；③基于过冷奥氏体热变形的低碳钢组织细化一形变强化相变（DEFT）理论和技术；④基于薄板坯连铸连轧流程（TSCR）的奥氏体再结晶细化+冷却路径控制的低碳钢组织细化与强化理论与技术；⑤针对低（超低）碳微合金贝氏体钢的中温转变组织细化的TMCP+RPC理论与技术等。 这些理论与技术研究在长材、板带材和中厚板的强度翻番或升级，以及新产品开发中发挥重大的作用和显著的效果，近年已大批量地生产出细晶和超细晶钢。
1.2 钢在形变、相变中的析出行为研究与控制 钢在形变、相变中的析出行为研究与控制是钢的组织性能控制的一个重要方面。通过大量的试验研究和生产实践证明，采用合理的冶金成分设计和轧制、冷却工艺控制，可以在钢中使大量的纳米尺寸粒子析出，使钢的强韧性得到显著提高。珠钢及涟钢等企业同高校合作，在TSCR线上通过实施高温大变形再结晶细化+冷却路径控制，实现晶粒细化与纳米粒子析出与分布控制，进而形成不同强韧化效果的组织性能柔性控制，开发生产出具有高成形性的低碳高强汽车大梁钢510L、550L、屈服强度500MPa～700MPa级钛微合金化高强耐候钢、600MPa和700MPa级低碳贝氏体工程机械用钢等系列高强韧钢，并进行了大批量生产和应用。经分析，微合金化高强钢中纳米粒子析出强化的贡献可达到150MPa～300MPa。
2 2250热连轧生产高级别管线钢的技术开发 中国近年先后投产的11套2000mm 以上宽带钢热连轧生产线为高级别管线钢等高性能高强钢产品开发提供了关键设备条件。2007年以来，首钢、太钢、马钢等钢铁企业利用2250热连轧生产线成功开发并大批量生产出18.4mm厚X80高级别管线钢。采用低C-高Mn-高Nb-少Mo-微V，或低C-高Mn-高Nb+适量Cr-Ni-Mo-Cu的成分体系设计，结合优化的TMCP轧制工艺和低温或超低温卷取控制，获得以针状铁素体为主的高级管线钢复相组织，确保了厚规格产品的高强韧性和耐蚀性，保证了带钢全长组织性能的均匀性及良好的板形。2008年，首钢、太钢、马钢的2250热连轧生产线共生产了73.5万t X80管线钢，在中国的西气东输二线管线工程建设中发挥了关键作用。
3 高性能高强度中厚板品种开发
3.1 新型桥梁用钢的开发及应用 近年，武钢、鞍钢等企业采用TMCP技术开发了满足高强度、较低屈强比、焊接性、耐候性及低温冲击韧性要求的系列新型桥梁用钢，并应用于南京大胜关长江大桥等几十座跨江、跨海、铁路和公路桥梁建设。 武钢开发生产的WNQ570、WNQ690、14MnNbq桥梁钢的特点是：高强度，屈服强度大于等于420MPa；高韧性，-40℃ Akv≥120J；良好焊接性，60mm以上厚钢板埋弧焊不预热；耐候性，WNQ570钢与09CuPCrNi相当；最大板厚68mmWNQ570钢12mm～68mm不区分板厚效应；屈强比小于等于0.88。 京沪高速铁路南京大胜关长江大桥建造采用了WNQ570钢1.3万t，应用于打捞“南海一号”的亚洲最大的起重工程船悬臂梁采用了WNQ690钢制造。
鞍钢将FH550级TMCP超高强船板制造技术成功用于80mm厚高强度桥梁钢Q420qE、Q500qE制造，其主要特点是：①通过超低碳微合金化成分设计（0.045%C-Mn-Mo-Nb-0.75％Cu-Ni），实现特厚板连续冷却组织均匀并提高耐大气腐蚀性能，增加钢板的低温韧性；②全均质贝氏体钢组织有利于提高耐大气腐蚀性能；超高强度船板FH500、FH550的耐大气腐蚀性能优于传统耐候钢09CuPCrNi，应用于桥梁钢，使厚规格桥梁钢具有耐大气腐蚀性能；③Cu在连续冷却和等温过程中纳米析出的控制能够强化特厚超高强桥梁板的芯部性能；80mm厚FH550钢板近表面组织为细化的板条贝氏体、粒状贝氏体和针状铁素体，1/4和1/2厚度处组织为准多边形铁素体和针状铁素体，强韧性满足要求；④通过TMCP轧制工艺调控，使原奥氏体晶粒尺寸细化到20μm～50μm；通过3阶段TMCP轧制工艺，实现了特厚桥梁板原奥氏体晶粒细化，进一步保证了1/2厚度处的强韧性要求。
3.2 高强韧低碳贝氏体非调质钢开发 结合鞍钢2300中板机组和4300厚板机组的特点，采用超低碳贝氏体钢成分设计（加入提高淬透性和析出强化元素Mn、Cu、Ni、Mo、Nb、B等）和中温组织超细化技术（TMCP+RPC技术），获得各种形态的超细贝氏体组织，生产出屈服强度500MPa、550MPa、620MPa、690MPa和800MPa 5个强度级别超低碳贝氏体钢中厚板，板材厚度为16mm～60mm。主要应用于工程机械和煤机等领域，工艺路线为：超低碳-洁净钢质-微合金化-控制轧制-控制冷却（中温转变组织超细化）-（厚板回火）。使高性能钢由调质处理向不调质、不回火、降低贵重合金元素使用量方向发展。所开发的高强韧超细组织低碳贝氏体钢的系列产品分别销售到北京煤机厂和郑州煤机厂、四川长江起重机公司等工程机械用户。
3.3 大厚度大单重优质特厚钢板技术开发 舞钢开发的屈服强度390MPa～460MPa（Q390～Q460）级高层建筑结构钢先后应用于国家游泳中心、国家体育场鸟巢等奥运工程以及中央电视台新台址、国家大剧院工程等大型建筑工程。①Q390～Q460厚板的主要技术指标特点：成品板最大厚度达到135mm，晶粒细化、组织均匀性高；-40℃低温韧性远高于标准值，最大厚度135mm时的冲击值富裕量较大；Z35抗层状撕裂性能均超过了35％，保证安全性能；低碳当量（Ceq=0.44%～0.48%）保证焊接性能；低屈强比（Rp0.2/Rm≤0.80）保证抗震性。②特厚板生产工艺技术的主要特点：独特的微合金化成分设计及洁净钢冶炼保证了大厚度钢板的内部质量、各项力学性能及焊接性能；特有的大钢锭无缺陷浇铸工艺保证了110mm厚Q460E-Z35的成功开发；正火轧制和控制冷却并用，保证了钢板的抗震性能；独特的热处理设备（常化+控冷）突破了原有设备的厚度热处理极限。③舞钢生产特厚板的主要装备及产品特点。 在国家体育场鸟巢和中央电视台新台址的结构建设中大量采用了舞钢开发生产的Q390～Q460级特厚高强钢板。
3.4 高强、超高强船体及海洋工程结构用钢系列产品开发 鞍钢采用TMCP技术开发生产出具有Z15～Z35性能的高强度、超高强度系列船体及海洋工程结构用钢，到2009年，鞍钢已累计生产了各类船板1000多万t。鞍钢船板TMCP技术集成主要包括：成分设计，复合微合金化；冶炼，转炉纯净钢冶炼、炉外精炼、高精度目标成分控制、夹杂物形态控制；连铸，板坯成分均匀化控制、降低板坯中心偏析、300mm厚无缺陷连铸板坯控制技术等；轧制，板坯加热温度控制、TMCP轧制工艺（4300厚板生产线）、钢板厚度及板形高精度控制、加速冷却技术等。
近年来，通过加强对碳锰钢、微合金钢及合金钢在轧制与冷却过程中的晶粒细化、析出与相变等的组织性能控制的基础与应用研究，在细晶高强钢、高级管线钢、高性能中厚板及特厚板、取向硅钢及先进汽车板等高性能冷轧带钢、新型铁素体不锈钢及双相不锈钢、高性能长材及管材等的工艺控制技术与产品开发方面取得了一大批重要成果，为轧制钢材的品质提升和国家经济建设作出了重大贡献。
4 高性能冷轧带钢技术与品种开发
4.1 取向硅钢制造技术与品种开发 1）武钢取向硅钢制造技术与品种开发 武钢已形成了取向硅钢的冶炼、连铸、热轧、冷轧及热处理等工艺与质量控制技术，实现了取向硅钢制造技术的工程化与产业化，主要技术进步包括：复吹工艺等技术，使取向硅钢冶炼成分命中率达到98%以上；连铸技术，建立一套完整的取向硅钢连铸工艺，提高了生产效率和铸坯质量；热轧技术，重点是加热炉温度制度和辊形制度，解决了炉内断坯、粗轧带坯断裂、精轧边裂断带事故，使每边热轧板边裂减少到5mm～20mm，成材率提高3.5%；硅钢厂酸洗线HiB常化炉改造及工艺，有效控制了AlN等抑制剂的合适尺寸及分布，提高了HiB钢的牌号合格率5%以上；森吉米尔轧机HGO钢高温轧制技术，研究出了HGO钢高温轧制的典型工艺，基本全部实现高温轧制，提高了HGO钢的牌号合格率5%以上；冷轧工艺，提出改进轧制规程和提高生产率的方法；串联式退火脱碳工艺，发明了中间完全脱碳退火技术、成品厚度钢板初次再结晶、脱碳退火技术及改善取向硅钢涂层质量的工艺技术等。 2007年，武钢取向硅钢产量达27万t，牌号几乎覆盖所有级别，产品性能与质量达到国际先进水平，产品用于三峡工程、青藏铁路工程、神六载人飞船工程等国家重要工程项目。武钢取向硅钢在市场占有率由2003年的29.9%提高到2007年的52%，到2010年武钢取向硅钢的产量将达到50万t。 2）宝钢取向硅钢制造技术与品种开发。 宝钢历时10年自主研发取向硅钢技术，自主集成生产线，成功实现高品质取向硅钢产品批量生产。2008年～2009年，宝钢普通取向硅钢（CGO）、高磁感取向硅钢（NSGO）、薄规格（0.27mm以下）激光刻痕取向硅钢等高等级取向硅钢产品投产。 宝钢取向硅钢产品的主要关键技术如下： a）品种开发：开发出采用低温板坯加热技术的高磁感、低铁损取向硅钢。 b）炼钢工序：成分高精度控制技术，关键元素含量按10 级控制。 c）热轧工序：低温板坯加热技术；低温降控制技术；带钢边裂控制、高精度厚度及板形控制技术；采用适应硅钢生产的板坯异步装炉与交叉轧制技术，建立适应交叉轧制的高精度控制模型等。 d）冷轧工序：高精度板形控制技术；渗氮控制技术、高精度炉温控制技术。 e）激光刻痕技术：在涂敷绝缘涂层的取向硅钢板表面，采用激光器对硅钢板进行刻蚀，细化磁畴，降低硅钢片的铁损。 宝钢取向硅钢产品已成功应用于500kV、48万kVA及以上电压等级大型交流变压器和直流换流变压器制造，高磁感产品已供应30家大中型变压器厂。
4.2 冷轧高品质汽车板技术进步 近年来，宝钢、鞍钢、武钢等大型钢铁企业为满足快速增长的汽车发展需求，开发生产出冷轧深冲及超深冲系列、镀层系列、高强及超高强系列汽车板。通过解决超低碳、氮、氧冶炼技术和洁净钢生产技术、高质量板坯连铸技术、热轧、冷轧及退火技术、高强及超高强钢的冶金工艺控制技术、表面质量及板形控制技术、钢板质量性能稳定化技术等，形成了高品质汽车板大批量稳定化生产和冷轧先进高强钢的高水平研发平台。 宝钢于2008年开发建成了中国第一条，世界第四条高水平的冷轧超高强钢板生产研发专用线 ，其主要特点是：强度级别为CR1500，GI980；国内第一条超高强度钢板专用生产线；多功能性，连续退火和热镀锌共线；核心冷却技术，高浓度氢气冷速140℃/s，水淬冷速超过500℃/s；UHSS的碳当量低，可焊性良好。 鞍钢近年先进汽车板的研究开发进展很快，已成为中国汽车制造的主要汽车板供应企业之一。鞍钢ASP线能够稳定批量生产出系列高品质汽车板，特别是高级轿车外板，实现重大突破。并在以下方面具有突出的特色。 ① 持续开发满足用户个性化需求的冷轧软钢系列产品 a）高屈服强度、高伸长率IF钢产品：ReL≥160MPa；Rm≥270MPa；A80≥42%。 b）采用铁素体区轧制生产高r值深冲汽车板：r值最高达到3.23。 c）冷轧高伸长率深冲钢板：A80≥45%。 ② 使用性能不断丰富的高强钢研发：超细晶冷轧高强度钢板、超细晶热镀锌高强度钢板、具有多相组织的高强烘烤硬化钢等。 ③ 低碳低硅无铝（低铝）TRIP钢：以P或P+V代Si、A1的成分设计，同时成功解决铸坯裂纹、高硅TRIP钢表面氧化难以涂镀、高铝TRIP钢连铸生产时容易堵水口等关键技术难题，产品成功应用于多款汽车结构件，为汽车轻量化提供了技术支撑。
5 铁路货车用T4003不锈钢及双相不锈钢产品开发 太钢自主开发出了铁路货车车体用不锈钢T4003，该材料铬的质量分数约12%，碳含量低，添加有少量Ni、Mn，及微量的Nb、Ti，焊接接头热影响区具有M+F两相组织结构，不仅具有足够的强度、良好的耐湿磨性和滑动性，而且在耐蚀性和周期寿命成本方面优于高强度耐候钢。T4003不锈钢主要技术如下： 1）材料设计开发：针对各项性能及化学成分进行优化设计，保证不锈钢作为结构用钢的可靠性。 2）高质量高效化生产技术开发：AOD超低碳，氮的冶炼控制技术，Nb、Ti双稳定控制技术，铸态组织结构控制技术，板形控制技术等关键生产技术的开发保证了材料质量的稳定性和生产高效化。 3）应用技术研究与开发：配套焊接技术、接头疲劳性能、耐腐蚀性能、成形性能研究，应用技术研究突出了材料实用性。 2006年～2008年太钢累计生产新型铁路货车用不锈钢15万t，用于大秦铁路2.3万辆C80B不锈钢运煤车的制造，出口1万余吨。目前太钢铁路货车用不锈钢材料在国内市场占有率达95％以上。通过采用不锈钢材料增加车体耐蚀性能，车辆设计寿命由25年提高到35年，检修周期由8年提高到12年。 此外，太钢还通过系统研究开发双相不锈钢板材的制造工艺，突破冶炼、热加工、热处理、酸洗、焊接等多项关键难题，实现包括低合金的S32304、S32101，中合金的S31803（S32205）以及高合金的超级双相不锈钢S32750等不同性能级别双相不锈钢板材的产业化，满足石化、造船、核电、海水淡化、真空制盐、水利工程等领域的需求。
6 高性能长材及管材生产技术与产品开发
6.1 中低速磁悬浮列车轨道用F型钢生产技术及产品开发 莱钢根据用户使用要求，设计并轧制出了符合要求的F型钢和H轨枕钢产品，使F型钢及轨排成功应用于中低速磁悬浮试验线。主要技术包括： ① 根据中低速磁悬浮列车线运行的需要，设计了中低速磁悬浮列车轨道专用F型钢； ② 通过计算机数值模拟、中试模拟轧制等研究工作，解决了F型钢不对称轧制、冷却变形等难题，自主开发出世界上首套代替焊接-退火-机械加工成形的轧制F型钢成套热轧工艺； ③ 完成了F型钢50m半径和100m半径正反向侧弯轨设备研究开发； ④ 发明了热轧F型钢的定半径和3次缓和曲线弯曲设备和工艺，实现了中低速磁悬浮列车轨排的高精度批量化加工； ⑤ 采用了低成本的耐候钢设计，并在轧制工艺中采用了细晶钢轧制，使钢材屈服强度达到400MPa以上，抗拉强度达550MPa，冲击功100J。 莱钢生产的F型钢、H型钢轨枕及轨排已成功配套使用在唐山1.5km试验线上，经过近1年2万多千米的运行证明，批量化生产的热轧F型钢及轨排能完全满足中低速磁悬浮列车的运行要求。
6.2 大型热轧H型钢生产技术及产品开发 莱钢和马钢通过“微合金化+控制轧制技术”开发出的异形坯孔型共用技术、万能轧机小张力连轧控制技术、腹板偏心控制技术等已经成功生产出海洋石油平台用热轧H 型钢、汽车大梁用热轧H型钢、铁路机车大梁用热轧H型钢、Q345E级热轧H型钢以及英标高强度55C级热轧H型钢等多种高强度高韧性高性能大型H型钢，系统集成了拥有自主知识产权的热轧H型钢生产应用技术。
6.3 系列油井管生产技术及产品开发 通过不懈的努力，天津钢管公司（TPCO）不仅能够为用户提供全部API SPEC 5CT 标准钢级的油套管，而且能够提供满足特殊使用条件的非API标准钢级系列油套管（TP系列油套管），以及非API标准规格的油套管和特殊扣油套管。攀钢成都钢管公司开发出CS-95S抗H2S腐蚀石油套管、L80-1大口径高品质石油套管和大口径非调质N80-1石油套管生产技术并进行了批量生产和应用。 TP系列油套管的主要技术包括： ① 设计开发出了超高强度高韧性油井管用钢新品种系列。用于以V150为主，及140KSI、160KSI、170KSI等4个不同强度级别的材料； ② 充分发挥了C、Mo、V等元素在钢中的细化晶粒、强化晶界、抑制回火脆性等作用，使材料获得了优异的强韧性能匹配和良好的抗氢致断裂能力； ③ 运用人工神经网络建模优化技术建立了新钢种合金元素对套管力学性能影响模型，提出了关键工艺控制和钢种的改进措施； ④ 通过优化钢管轧制比来减轻材料的各向异性，超高强度V150套管材料整体性能优良，横向冲击功大于等于80J，平均高达110J，横纵冲击比大于等于0.8。
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