薄板坯连铸连轧技术与钢的组织性能控制

薄板坯连铸连轧技术与钢的组织性能控制。 康永林● (北京科技大学材料学院新金属材料国家重点实验室北京100083) ThinSlabCastingandRolfingTechnology andMicrostructurePropertyControlling KangYonglin (SchoolofMaterialsScienceandEngineering，StateKeyLaboratoryofAdvancedMetal Materials。UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing，100083) 摘要＼本文简要介绍了目前国内外薄板坯连铸连轧技术与产品开发的发展现 状，重点分析了薄板坯连铸连轧钢的组织性能控制研究进展，其中包括连铸坯凝固 过程、热连轧及层流冷却过程中的组织形成、转变、纳米尺寸析出物的形态、分布特 征，工艺控制及对组织性能的影响。最后，对薄板坯连铸连轧的发展趋势和今后的 主要研究课题进行了展望。j 关键词薄板坯连铸连轧组织性能控制凝固 析出 AbslraclThepresentstatusinthinslabcastingandrollingtechnologyandproductsdevelopmentis brieflyintroduced，advancesinmicrostruetureandpropertycontrolofsteelbythinslabcasting and rollingtechnology，includesolidificationduringcontinuouscasting，microstructureforming，phase transformation，shapeanddistributionofnanometersizeprecipitationduringhotroilingandcooling， processingcontrolanditseffects011microstructureandpropertynremainlyanalyzed．finallythedevel— opmenttrendsandresearchprobleminthinslabcastingandrollingaxefon自casted． Keywordsthinslabcastingandrolling，microstructure，property，control，solidification，precipita— tion ．II●-_●IlI 1引言 薄板坯连铸连轧工艺(csP)开发成功后发展非常迅速，目前全世界薄板坯连铸连轧生 产线已达40条，钢板总产量已超过6650万t／年。近年来，国内众多钢铁企业采用该项工艺 技术，从1998年到2004年，我国已有珠钢等八条薄板坯连铸连轧线相继建成投产，产能达 ●国家自然科学基金资助项目(No50334010)。 ●康永林：男，博士，教授；现从事连铸连轧工艺与组织性能控制，半固态加工，新型汽车板的研究开发与成形，材料 加工过程模拟等方面的研究；电话：010-62332983。 特邀报告 到1600万t／年，还有一些企业正在建设或计划建设。5年内，我国的薄板坯连铸连轧生产 线将在10条以上，产能将突破2500万∥年，预计将来可能超过3500万∥年，这在我国钢铁 生产，尤其是板材生产将占据重要地位”。。 薄板坯连铸连轧生产的热轧钢板在质量和性能方面与传统连铸．热轧工艺产品已基本 相当，甚至在超薄规格热带、热带精度和强度性能等某些方面超过传统流程的产品。由于其 在节约投资、降低成本、节能、保护环境以及热轧钢材产品质量方面具有的竞争优势，因此成 为冶金新流程成功发展的典范，大有可为”。o。 2薄板坯连铸连轧的产品开发 薄板坯连铸连轧产品绝大多数为热轧类钢板，钢种包括普碳钢、低合金高强度钢、微合 金化钢等。近几年，新一代薄板坯连铸连轧生产线的产品和质量都有了进一步的提高，生产 的钢种不断增加，其中包括不锈钢板、用于汽车的超深冲钢板、双相钢等。目前，国内外的一 些研究者正在致力于应用薄板坯连铸连轧线生产高附加值产品的冶金工艺技术研究与开 发，其中有无取向及取向硅钢、高品质汽车板、超细晶高强度钢板、高强度耐候钢以及X70 以上高性能管线钢等先进钢铁材料的生产技术。 薄板坯连铸连轧工艺起初生产的是普通中等强度的低碳热带钢，在过去的10年里，其 产品范围不断扩展，现在已经能够生产或在试生产的主要产品有：低碳钢，结构钢和HSLA 钢(改进成形性的HSLA，适用于焊接的细晶粒结构钢，耐候钢，特种含磷低合金钢)；管线 钢；可热处理钢；弹簧钢；工具钢；耐磨钢；电工钢(无取向硅钢、取向硅钢)；不锈钢(铁素体 类，奥氏体类)等m“。 经过改进的第二代CSP生产线的产品大纲和质量都有了进一步的提高，生产的钢种不 断增加，其中包括用于汽车的内板的超深冲钢板、双相钢板等。总之，新一代薄板坯连铸连 轧生产线的产品开发正在向着传统厚板坯连铸连轧的所有品种发展。 3薄板坯连铸连轧技术进展 在薄板坯连铸连轧工艺控制技术方面，进一步开发和完善薄板坯连铸结晶器钢水流动 控制技术、防止结晶器保护渣卷渣技术、薄板坯连铸结晶器高效电磁制动技术、超薄规格带 材轧制，铁索体区轧制，高精度板形和板厚控制，无缺陷连铸坯和板带高表面质量控制技术， 高精度控制轧制和层流冷却控制，高效率和高稳定性的半无头轧制等先进工艺控制技术。 第二代薄板坯连铸连轧技术有以下两种发展趋势： (1)进一步拓宽产品范围； (2)进一步提高产品产量和质量：1)提高铸速；2)半无头轧制；3)铁素体区轧制；4)基 于液芯压下LCR技术的可调节板坯厚度；5)紧凑式终轧机组。 4薄板坯连铸连轧钢的组织性能控制研究 近几年的生产实践及研究结果表明，由于薄板坯连铸连轧与传统工艺在钢铁冶金过程 薄板坯连铸连轧技术与钢的组织性能控制 29 中的热历史不同，薄板坯连铸工艺具有钢液的凝固速度比厚板坯的快数倍或一个数量级、薄 板坯在高温下经25～30rain的短时加热均热后直接进行热连轧及层流冷却等一系列新的 ]：艺过程特征，所以钢板成品的组织性能也表现出一系列与传统流程不同的新的现象和结 果，这引起了国内外许多冶金材料研究者的兴趣和薄板坯连铸连轧企业、设备和技术开发商 的高度重视。薄板坯连铸连轧的工艺及组织性能研究实践表明，热轧薄板最终产品的组织 性能不仅取决于冶金成分，而且与各工艺过程环节的控制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 及参数密切相关，需要在各工 艺过程中对其组织性能进行综合的优化控制才能达到最佳效果”o。同时，在冶金成分一定 的条件下，根据产品性能 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ，可以在一定范围内采取灵活的柔性工艺控制方法得到不同强 度性能级别的板带产品。近年来，人们在薄板坯连铸连轧钢的组织性能控制研究及应用方 面开展了大量的研究，主要涉及以下几方面： 首先，针对薄板坯连铸连轧铸坯冷速快、连续单向相变热历史以及连轧机刚度高的工艺 装备特点，对组织性能综合控制要根据产品的性能要求并结合薄板坯连铸连轧工艺的特点 进行钢的合理成分设计，在冶炼及精炼过程中进行严格的控制。其次，根据薄板坯连铸的冷 却速度比传统板坯连铸约快一个数量级的特点，对凝固组织、夹杂物形态与分布及氧化物、 硫化物和析出物的控制。第三，在热连轧过程中的工艺制度非常重要，其中涉及高温条件下 的动态再结晶以及其后的未再结晶区组织控制与细化，碳化物、氮化物析出物的形成与控 制。这与开轧、终轧温度，变形制度分配，连轧过程中的冷却、润滑及温度制度合理优化与控 制密切相关。第四，层流冷却及卷取也是组织性能控制的一个关键环节，在TSCR层流冷却 线上，不同的冷却制度对应各段不同的冷却速率折线，这正是轧后组织转变、铁素体晶粒尺 寸形状及碳化物析出分布控制的关键环节，根据钢的冶金成分和最终产品组织性能要求，层 流冷却制度及卷取温度必须与之合理匹配对应才能达到最佳性能效果。 4．1薄板坯凝固组织、夹杂物细化及纳米尺度硫化物、氧化物等析出物的尺寸及形态分 布 据实验测定，在较高的冷速条件下，低碳钢薄板坯铸坯凝固组织的二次枝晶臂长在125 —156Ixm之间，这比传统厚板坯铸坯凝固组织明显细化”。，而夹杂物CaO·A120。FeS‘ CaO·A1⋯0CaO·MgO·AI：O，尺寸通常可以控制在3—7／．t,m，并多呈球形”⋯。这对于板 材的力学性能是有利的。研究发现，低碳钢薄板坯铸坯中也大量存在弥散分布的尺寸小于 20nm的氧化物、20。100nm的MnS和Fes”“。这些纳米尺寸的氧化物、硫化物对后面的 热轧过程中的晶粒细化和组织强化起着重要的作用。根据合理的成分设计、成分控制以及 连铸过程冷却控制，可以对薄板坯凝固组织、夹杂物细化及纳米尺度硫化物、氧化物等析出 物的尺寸及形态分布在一定程度上进行控制。 4．2根据产品的性能要求并结合薄板坯连铸连轧冶金工艺特点的成分与材料设计 通常，在相同化学成分下，薄板坯连铸连轧钢板的强度要高一些，用于冷轧则出现困难， 因此TSCR热轧板用于冷轧原料时需要降低强度。在成分设计时，一方面，尽可能降低碳含 量(w。<0．05％)；另一方面，适量添加硼元素并提高终轧和卷曲温度，降低层流冷却速度。 最近在国内的几条TSCR线上，结合TSCR线的工艺特点进行成分设计和优化，先后开发出 成形性能良好的低碳高强钢(TSCR)、高强耐候钢及气瓶钢等热轧板材产品；在铁素体状态 30 特邀报告 下轧制的钢种比较有限，一般为超低碳钢(ULC)和微碳钢(ELC)。 4．3薄板坯连铸连轧高性能低碳高强钢(HSLC)系列的冶金工艺控制基础与方法 近年的大量研究结果表明，在TSCR工艺条件下，对于屈服强度小于450MPa的结构钢 枥材，可以不添加微合金元素而采用碳素钢成分生产低碳高强钢(HSLC)板，根据钢的细 晶强化及析出强化机理，通过合理设计和控制钢中C、Si、Mn、s、P、N的含量，并结合热连轧 及冷却工艺控制，可以在不添加微合金元素条件下，使C—Mn钢的屈服强度达到400～500 MPa，力学性能与同级别的微合金钢(HSLA)相当”“。这对于节省资源和能源以及降低成 本都具有重要的实际意义。 4．4薄板坯热连轧过程的再结晶以及耒再结晶区组织控制与细化 图l是针对低碳钢考虑动态再结晶、静态再结晶及未再结晶变形建立的模型在CSP热 连轧过程中奥氏体晶粒尺寸在各机架变化的模拟结果””。由图可见，在前三道次奥氏体晶 粒尺寸变化最为明显(即晶粒细化显著)。图2则为低碳钢在六机架连轧过程中轧卡件的 铁素体晶粒尺寸实测结果。由图可见，轧卡件中的铁索体晶粒尺寸在六机架中的变化趋势 与模拟的奥氏体晶粒尺寸变化趋势十分相似。 E } 蜘 堪 罐 蛙 茁 蛊C 机絮 图】 六道次模拟计算的奥氏俸晶粒尺寸 图2低碳钢六道次轧卡件晶粒直径变化 4．5钢在均热、热连轧过程中的纳米尺度碳化物、氮化物析出物的形成与控制 薄板坯的均热温度通常在1100～1150℃左右，开轧温度约在1050～1100气，若钢中添 加Nb、Ti、v等微合金元素，其碳化物、氮化物也在此温度前后析出。例如，根据溶度积计 算，对于C0．06％，Nb0．04％，NbC开始析出温度为1114。C；对C0．06％，Ti0．05％，TiC开 始析出温度为1054℃，对V0．08％，N0．01％，VN开始析出温度为997℃。如果考虑开轧后 第一、第二道次变形的作用，塑性变形能和大量位错产生诱导析出，将促进析出过程发生。 因此，均热温度、均热时间、开轧温度以及前段道次变形量分配和工艺控制制度对析出物的 形成和分布具有重要影响。 图3为在CSP工艺试制含钛高强耐候钢中的Ti；C：S：和TiC粒子，尺寸多数在50nm以 下。采用物理化学相分析结果表明，钢中的析出相类型为：M：C、Ti(C，N)、Ti：CS、TiN。在微 丽勰 鼍 j一 亭《 露 ：熏 薄板坯连铸连轧技术与钢的组织性能控制 31 钛处理情况下(用于普通集装箱板)，钢中的钛主要和氮结 合，此时，钢中的硫主要以MnS的形式存在。当钢中钛的 含量较多时(高强耐候钢含Ti0．05％)，钢中的钛除了与 氮结合外，还与S、Ti结合，生成Ti(CN)和Ti。C：S：。 在CSP生产低碳钢中，已发现存在(60—70)× 101％(60—70ppm)的尺寸小于20am的A1N。据计算分 析，AIN的大量析出温度是在终轧道次，温度在860～ 900't2左右㈨。 4．6层流冷却控制轧后组织转变、铁素体晶粒尺寸及碳 化物尺寸形态分布 许多研究结果表明，终轧温度及轧后冷却控制方式 对钢的组织转变、铁素体晶粒尺寸及碳化物形态分布具有 图3 CSP工艺生产高强耐候钢 重要影响。根据对珠钢CSP工艺层流冷却线的实际现场 中的Ti。C：S：和TiC粒子 测试结果分析，钢板在层流冷却线上的最大冷却速度可达 到100。C／s以上，并且根据产品组织控制需要，在终轧后到卷取之间可采取不同冷却控制方 式对轧后钢板的组织转变及性能进行控制。例如，对Q195成分的低碳钢，成品板厚均为 4．orllm，终轧温度及卷取温度同样分别为8800C和600℃，在分别采用前段间断冷却和后段 连续冷却时，成品板材的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为302MPa、384MPa、30％和 318MPa、401MPa、28％。 而对化学成分相同，但通过采用不同的轧制、冷却和卷取控制工艺获得的高强度热轧板 的力学性能变化显著(见表1)。从两种钢板的显微组织观察可见，二者差别较大，6．0mE 板材为典型的近等轴铁素体+珠光体组织；而6．5mm板材的组织要细得多，为尖角形铁索 体+珠光体组织，由此表现出二者在力学性能上的差异。 衰1试制钢板的力学性能 厚度／mm 屈服强度／MPa 抗拉强度／MPa 屈强比 伸长率／％ 冷弯(d；0．5口) 60 430．5 5848 0736 279 合格 65 5373 657．5 0817 23l 合格 表2列出了采用化学相分析和x射线小角散射法确定的CSP工艺生产HSLC钢中尺寸 小于18nm碳化物为主的颗粒的质量分数。经分析估算，沉淀强化对HSLC钢的强度也有 着相当大的贡献，约为100MPa。可以认为，HSLC钢亦存在细晶及弥散沉淀综合强化作用。 衰2 CSP工艺生产HsLc钢中尺寸小于柚珊颗粒的质量分数 电解粉末 试样中不同尺寸颗粒比例o／％ (18nra颗粒 试验材料 总量／％ 1—5nm 5一10nm 10～18mn <18rim 质量分数／％ z1330热轧板 0888 0．25／1．0 053／27 028／22 一巧9 0052 Z．1510热轧板 22783 02I／08 046／23 01I／09 _／40 0091 ①分子—f(D)，％／nm；分母一不同尺寸颗粒质量分数占整个颗粒质量分数的比例。 特邀报告 4．7薄板坯连铸连轧钢的强化机理研究 从原理上讲，薄板坯连铸连轧同传统连铸连轧钢的强化机理没有本质差别，但近年来大 量的研究分析结果和实际产品性能统计结果都表明，在相同冶金成分条件下，薄板坯连铸连 轧钢的强度明显高一些。其中除了钢的晶粒尺寸细小导致强度提高之外，与传统连铸连轧 比较，薄板坯连铸连轧还有如下～些不同点。 (1)凝固过程。薄板坯近终形浇铸和较快的凝固速度产生良好的细化铸造组织，显微 偏析小，组织细小且分布均匀，板坯厚度减小，提高冷却速率，可减小二次枝晶间距。并且在 低碳钢较快的凝固过程中产生一些纳米尺寸的硫化物和氧化物； (2)微合金元素和第二相粒子的析出行为。与传统工艺相比，薄板坯连铸连轧工艺具 有独特的微合金元素行为，这是由于铸坯凝固后较高的冷却速度以及直装铸坯温度，使合金 元素在溶解和析出过程中表现出来的行为与传统工艺不同，即可由碳、氮化合物溶解和沉淀 强化的不同作用来解释。微合金元素在CSP工艺热轧开始前，在奥氏体中几乎完全溶解， 不像传统生产工艺的板坯因冷却而析出，具有全部微合金优势，可用于奥氏体晶粒细化和最 终组织的析出强化，所以会对最终产品的性能产生重要的影响。在传统工艺再加热前的冷 却过程中，部分合金元素已经以碳化物和氮化物的形式析出，随后因有限的加热温度，仅有 少部分元素及化合物能够溶解，所以损失了一部分可细化奥氏体晶粒和最终沉淀强化的微 量元素及第二相粒子。 对于析出强化效果，取决于析出物的尺寸、分布状态(晶界或晶内)以及尺寸小于20nm 析出物的数量。一些研究分析结果表明，在薄板坯连铸连轧产品中存在大量的纳米尺寸的 碳、氮、硫、氧化物，其析出行为和对钢的强化贡献还有待于进一步研究。 (3)晶粒形状和位错密度。对同样化学成分低碳钢板组织的观察比较还发现，在传统 连铸连轧工艺生产的低碳钢板的铁素体晶粒形状多呈近于等轴晶，且晶界较圆滑(见图 46)，而薄板坯连铸连轧生产的低碳钢板铁素体晶粒也多呈不规则的爿0角形(见图4a)。这 样，若晶粒尺寸相同，不规则的尖角形铁素体的晶界面积要大些，对强度也有贡献。进一步 分析还发现，两种工艺条件下的珠光体形状也不同。在40000一50000倍下的观察发现，采 用薄板坯连铸连轧低碳钢的珠光体由点状或棒状的渗碳体与铁素体间隔而成(见图5。)，传 统连铸连轧低碳钢板中的珠光体为典型的渗碳体与铁索体片构成的片状珠光体(见图56)。 从采用正电子湮没测定的两种工艺生产的低碳钢板中的位错密度来看，采用薄板坯连 铸连轧工艺的钢板位错密度要高约27％(见图6)。 以上这些不同的组织状态表明，薄板坯连铸连轧钢具有其特殊的强化 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 。 关于薄板坯连铸连轧钢的组织性能控制研究除以上这些结果之外，还有转炉薄板坯连 铸连轧微合金高性能钢的冶金工艺全程系统化研究以及薄板坯连铸连轧工艺过程模拟仿真 和钢的组织性能预报，等等。因篇幅所限，在此不一一赘述。 薄板坯连铸连轧技术与钢的组织性能控制 33 图4 csP工艺和传统工艺生产的低碳钢板铁索体晶粒形状比较 n—csP工艺；6一传统工艺 图5 CSP工艺和传统工艺生产的低碳钢板珠光体形状比较 n--csP工艺；b一传统工艺 图6 CSP工艺与传统工艺生产的4．0mmQl95 热轧成品板的位错密度比较 特邀报告 5结语 薄板坯连铸连轧作为崭新的钢铁生产短流程工艺，日益展现出其在节能、省资源、降低 投资、减少生产成本以及工艺技术和产品开发等方面的某些优势，受到国内外钢铁业界的高 度重视。近年来，此工艺在世界上尤其是在中国得到迅速发展，根据发展趋势估计，薄板坯 连铸连轧钢产量的比重三年内将占世界钢材总产量的10％以上，占热轧板材的三分之一以 上。 薄板坯连铸连轧的冶金工艺控制技术代表了热轧钢板生产的最新技术水平，其产品品 种正在向着传统连铸连轧的所有品种方向发展。与此同时，薄板坯连铸连轧产品在强度、各 向异性、板形和板厚精度以及超薄规格等方面具有超过传统连铸连轧板材的优势，需要合理 利用这些优势进行产品生产和品种开发。 另外，薄板坯连铸连轧在组织细化、第二相粒子析出等组织性能控制和强化机制方面具 有其自身的一系列冶金学特征，尽管近年国内外已进行了大量研究工作，但与对传统连铸连 轧的研究相比还远远不够，今后在对薄板坯连铸连轧的冶金学和材料学机理进行系统深入 研究的同时，需逐步建立薄板坯连铸连轧全流程的系统、精确的冶金材料模型，为新产品和 新工艺开发及工艺过程的高精度控制、智能化控制以及产品组织性能的高精度预报打下坚 实基础。 参考文献 I康永林，傅杰．关于薄板坯连铸连轧产品开发问题的探讨．中国冶金，2004，(6)：8～14 2张寿荣．薄板坯连铸连轧技术在我国大有可为，薄板坯连铸连轧技术交流与开发协会第二次技术交流 会论文集，包头：2004年5月，10～11(内部资料) 3施设，王泰昌．我国薄板坯涟铸连轧建设和生产情况．薄板坯连铸连轧技术交流与开发协会第二次技术 交流会论文集，包头：2004年5月，85～89(内部资料) 4 WilfriedB，GunterK，DieterR，eta1．革新的带钢生产技术MPT，冶金设备和技术，2000，(1)：28～40 5 GarsiaCI，TokarzC，GrahamC，etal含铌高强度低合金钢薄板坯连铸连轧工艺的生产：热轧产品的种 类，性能和应用．2002年薄板坯连铸连轧国际研讨会论文集，广州：2002年12月，153～168(内部资料) 6 CaesarC，MuellerJ，TemiG．意大利AST工厂——第一家生产不锈钢的CSP厂．2002年薄板坯连铸连 轧国际研讨会论文集，广州：2002年12月，37(内部资料) 7司永涛，李德刚，何建中，等包钢薄板坯连铸连轧生产与实践．薄板坯连铸连轧技术交流与开发协会第 二次技术交流会论文集，包头：2004年5月，38～46(内部资料) 8康永林，傅杰．薄板坯连铸连轧组织性能综合控制理论及应用．2004全国炼钢轧钢会议文集，无锡：2004 年5月，558—566(内部资料) 9 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