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1、微合金结构钢板轧制热处理及应用A.Streisselberger, V.Schwinn and R.HuboAG der Dillinger Huettenwerke, 66748 Dillingen, Germany摘要：兼具优良的机械性能与焊接性能的低碳当量微合金结构钢板是在轧钢厂中进行复杂的控制轧制及热处理制造出来的。本文根据不同的组织、性能类别，研究了这类钢板的生产过程及其用途。1 引言21 世纪初，一些高新材料开始应用于民用工程建筑方面的各种新兴领域。作为一种重要材料，现代中厚结构钢板的发展历史及其生产和应用是本文讲述的主要内容，本文还将揭示其显微结构特征与合金元素特别是微合金元素之
2、间的关系。此外本文还将介绍现代钢铁企业的生产设备及提高钢板性能的措施，并举出实例加以说明。2 结构钢板的生产制造2.1 对于钢板生产过程的要求以下是对中厚板性能的一般要求，通常包括：（1） 尺寸要求高，公差要小，表面要平整（厚度5500mm，宽度15m）（2） 屈服强度和抗拉强度要达到设计要求（屈服强度2351100MPa）（3） 韧性应达到设计要求（包括低温韧性）（4） 成形性和焊接性好，易于加工制造（5） 要有一定的抗腐蚀性，耐酸性气体腐蚀和耐大气腐蚀有时这些性能是相互矛盾的，但通过改进技术和设备投资，添加特殊的合金元素并采用特殊工艺进行处理，是可以达到上述要求的。以下将介绍当今中厚板生产
3、技术的发展状况。适当尺寸的钢坯或钢锭（连铸坯厚度最大400mm，铸锭厚度最大1000mm）用作原材料，按照特定循环方式进行工艺处理即可生产出成品钢板（如图1 所示）。具体工艺过程包括板坯加热、轧制、冷却、热处理、剪切以及在线检测等步骤。中厚板生产企业必须有高素质的员工、高性能的设备以及各生产环节的监控系统。整套系统以最先进的自动控制和高能量（高温气体、动力系统电能等）为基础，其流程包括输入和输出两端，输入端包括原材料和能源等，输出端除了产出钢板外还应包括用于钢板质量控制与评估的有关处理数据以及用于技术性能测试的试样等。据报道底利津钢铁厂每月用9000 块钢坯或钢锭生产出25000 块钢板，每块
4、钢板均按用户要求生产。以下将详细介绍为满足用户要求而采用的生产工艺。图1 中厚板轧机输入/产出流程图2.2 从冶金学角度分析轧钢工艺过程在不同加工工艺中，首先必须采用特定的化学成分，利用相应的冶金学原理获得所需的机械性能。用于钢板成形及获取目标力学性能的相关冶金工艺各阶段已用模块结构方式画入图2 中。图2 轧板厂工艺流程及相应冶金生产目标奥氏体化过程包括均匀化过程和微合金元素的固溶过程，是在板坯加热过程中完成的，加热温度可达10501200。通过轧制温度规范控制，在轧制中发生相转变和脱溶沉淀，利于在冷却过程中析出二次相，从而细化晶粒，提高强度，二次相粒子的大小和数量取决于冷却速率。钢板在略低一
5、些的温度下堆垛进行扩散去氢处理，经过不同热处理阶段就形成特定的钢板组织结构。在以下各节中将详细讨论有关的技术工艺。2.3 轧钢厂的热轧区成形轧制底利津钢铁厂热轧区平面图的典型装置详细示于图3 中。将炼钢厂送来的钢坯轧成各种形状成品钢材的过程为：在推进式或步进式加热炉中均热，然后在双机架四辊轧机上轧制，这些设备功率强大，属世界一流水平。图3 轧板厂热轧区平面图整个生产流程的起点是板坯贮存区，此区域直接与板坯生产的成品区相连，用于板坯均热的三座七道推进式加热炉及用于铸锭或特殊产品均热的三台步进式加热炉提供了足够的加热能力，轧前还要进行高压水除鳞。热轧区核心部分是两台四辊轧机，由过程计算机控制，进行
6、各种模式轧制使轧件轧长轧宽。图4 列出了钢厂硬件设备的详细情况，特别是大型的5.5 米和4.8 米轧机可以轧制大规格轧件。配有三相同步电机的大功率驱动系统可使轧机道次压下量达50mm。在轧机上还有专门的板宽、板厚自动控制系统以确保严格的宽度、厚度精度。工作辊、支承辊弯曲装置用于控制钢板表面平整度及道次流变模型。两机架间105 米的空间距离提供了轧制工艺的灵活可变性。要想加快冷却速度，可以用多功能间歇式喷射装置（MULPIC）进行水冷以取代空冷。此装置长30 米，可作为重要的冶金工具使用，下节将详细介绍。在热轧区末端使用热矫直机以保证钢板平直度。在无需对温度进行特殊控制的常规轧制工艺下，轧制仅仅
7、是一个成形过程。钢坯加热至很高温度后轧制成所需钢板形状，然后在空气中冷却。轧机机架设计一号机架二号机架特性5.5m1985(MDS)最大108000kN最大24500kNmAC最大7m/s4.8m1971(SECIM)最大90000kN最大23200kNmDC最大6m/s厚度自动控制工作辊弯曲支承辊弯曲（二号机架）计算机过程控制图4 轧机机架设计图5 道次压下量对成形及性能的影响在特殊情况下，特别是对厚板而言，必须充分发挥大功率轧机的潜力。在大变形（HS）轧制过程中，大道次压下量有利于提高成品板中心组织的性能。用预先准备的钢坯进行相关试验的结果表明了大压下量的重要性，如图5 所示。经HS 轧制
8、的钢板中心部分变形完全，所以钢板韧性良好，而板厚方向变形也较为均匀。2.4 控制工艺以达到交货组织性能要求以上提到的轧钢厂设备和自动控制装置使我们可以根据钢板性能的特殊要求采用不同的成形工艺。我们将其中最重要的工艺变化进行对比，归纳于图6 的时间-温度曲线中。图6 各种轧制工艺方式下的时间-温度曲线2.5 经典轧制工艺：轧制及热处理第一组工艺方式（A C）是基于常规轧制工艺（即轧制过程中不控温）：方式A：钢板轧制后不进行改变钢板组织状态的热处理就交货（U 状态）通过对钢板进行热处理，即在特殊温度和冷却方式下进行处理，可以得到各种典型的优化性能（如方式B 和C）。方式B：常规轧制+ 热处理（奥氏
9、体化+空冷= 常化）热处理过程是在连续式或非连续式处理炉中进行的，退火组织为多边形铁素体+珠光体。交货状态的缩写是N。常化钢中必须加入较多合金元素才能提高屈服强度和抗拉强度，因此用这种方法提高钢板综合性能的效果是有限的。还有一种与上述方式等效的轧制方式即“常化轧制”，是将终轧温度控制在常化温度范围内，用这种方法生产的钢板交货状态也标明为N。常化钢板尤其适用于制造锅炉和压力容器。方式C：常规轧制+ 热处理（奥氏体化+水冷= 淬火）热处理过程是在箱式炉中进行的。由于冷却速度很快，结果得到的是硬质马氏体、贝氏体组织。淬火后进行回火（在炉中进行，温度约比Ac1 点低100，即大约在600左右）可以提高
10、韧性。经过上述处理的钢板在硬度和强度保持较高水平的同时其韧性也得到提高。经过淬火和回火的钢板可用于对强度和耐磨性要求很高的场合。2.6 热机械处理工艺为满足高强度且有良好的低温韧性和焊接性的大口径管线用钢的需求，出现了“热机械轧制工艺”，各种方式的热机械轧制统称为TM 或TMCP，这种新的轧制方式与传统轧制方式的实质区别在于这种轧制过程不仅仅是一个成形过程，而且还能同时实现钢板综合性能的优化。TM 轧制的目的是要形成细小的晶粒组织以提高钢板综合性能。从时间和温度因素考虑可将TM 轧制分解为如下步骤：(1) 钢坯加热：有特定的出炉温度(2) 轧制：经过特定连续道次轧制，终轧温度处在无再结晶区或两
11、相区(3) 冷却：空冷或堆垛冷却，或者在流水线上快速冷却至特定温度(4) 进一步的热处理：通常是回火TM 轧制对钢板性能的改善是以微合金化为先决条件的。其中关键的微合金元素是Nb，其作用如下所述：(1) 延迟或抑制奥氏体再结晶（两轧制道次之间形成新晶粒）；在850以下进行多道次轧制后，变形效应积累而形成非常细小的晶粒；(2) 形成碳化物析出，阻碍位错运动，从而提高屈服强度和抗拉强度；(3) 当Nb 处于固溶态时，可延迟 固态相变。利用Nb 元素的这些作用可以减少合金元素含量而仍保持较好的韧性和焊接性能，同时不会降低（甚至还可提高）屈服强度和抗拉强度。Nb 元素的含量是根据加工途径及所需性能而确
12、定的，如图7 所示。图7 Nb 含量及轧制工艺对0.08%C-1.5%Mn 钢板机械性能的影响在轧钢厂中使用合适的设备，并运用微合金元素的强化机制控制组织，可使钢板达到理想的性能。如图6 所示，几种基本的TM 轧制方式之间是有区别的，TM 轧制的微合金化钢板的交货状态标明为M。方式D 和E：采取多段轧制方式，各段在温度和变形程度上都有区别。终轧温度仍处在无再结晶区（D）或+ 两相区（E），这样可通过低温变形提高强度。钢板轧制后均进行空冷。方式F 和G：与方式D 和E 有些相似，只是加快了冷却速度，因此提高强度、韧性和耐蚀性，并且在钢板厚度增加的情况下仍能达到所需性能水平。轧制后的钢板在多功能间
13、歇式喷射装置中按预定速率快速水冷。这些过程可按冷却方式分类，如图8 所示。在快速冷却方式下，最理想的冷却速率如图8a 所示。在G 模式下，钢板表面冷却速率最大值接近于传统淬火（C 模式）。在DQ(直接淬火)模式下，通过连续冷却，钢板芯部也冷却至马氏体形成温度以下，如图8b 所示。在QST（淬火+自回火）模式下，钢板芯部余热可产生自回火效果，如图8c 所示。图8 冷却工艺设计图图9 示出了在给定成分下TM 轧制并快速冷却（包括直接淬火）同常化轧制之间在强化效果上的差异，图中对低碳微合金钢经TM+ACC 和DQ 轧制与N 状态下的屈服强度和抗拉强度进行了比较。图10 中给出了TMCP 轧制工艺总的
14、所有重要参数及过程控制技术要点。在底利津钢铁厂热轧区平面图（见图3）中显示了TM 轧制的主要工艺阶段如下：钢坯在推进式或步进式加热炉中均热；在四辊可逆式轧机上轧制；在MULPIC 冷却线上进行冷却。图9 不同工艺方式下强度性能比较图10 TMCP 轧制工艺参数经过数学模型计算后，钢坯按预定方案在加热炉中加热。在轧制成形过程中，四辊轧机的技术参数控制是一个重要环节。轧制压力必须很大，尤其是在TM 系列轧制工艺终轧温度低的情况下更是如此。工艺周期应精确设定，须尽可能准确测量温度、厚度及轧制力并及时调整。可以采用串联式轧制方式以降低成本。经过终轧的钢板在辊道式冷床上或堆垛进行空冷，如有必要也可在冷却
15、线上进行快速冷却。在底利津钢铁厂，各种厚度（12120mm）的钢板是在一条单独的冷却生产线上进行快速冷却和直接淬火的。选用冷却系统时重点是选择冷却强度。现在正式使用的MULPIC冷却系统具有如下特点：在辊道上游很多喷嘴上下协调分布，形成水幕来冷却钢板，水流密度变化很大，每分钟702500l/,这样冷却强度可调范围很大。这种装置的控制曲线示于图11，此外还采用双套系统进行计算机辅助控制，一方面通过输送系统控制钢板在辊道上的运行速度，调控钢板前进或后退，另一方面通过水控系统控制水流均匀性。图11 MULPIC 冷却装置示意图以上提到的TM 系统已经使用了15 年，用于生产大型厚板，制造大口径石油或
16、天然气管道，目前在造船和桥梁、海洋钻井平台等工程结构方面的应用也有很多年了。对上述各工艺流程，特别是最新流程，普遍需要控制工艺过程及生产质量以满足用户的各种需求。在实践中，产品性能允许有一定波动，但必须控制在一定范围，为此在钢铁生产过程中必须深入了解有关冶金学原理，在标准偏差范围内调整冶金参数，包括炼钢目标成分、TM 轧制控制、冷却控制及在线调控系统。在钢板交货前的加工阶段，采用控温轧制和热处理使钢板性能达到要求。在成品板交货前还必须经过多道工序加工，如图12 所示。A)轧制B)热处理C)后续加工步骤热轧平整、冷轧平整扩散处理剪切（纵剪、横剪）钢板测试：拉力、强度检测表面检测尺寸精度检测破坏试验喷丸（+涂层）试验公路、铁路或水路运输图12 轧板厂生产工艺步骤在轧钢厂中有大型输送系统如吊车、辊道和其他专用机械等，用来搬运原板或单板。有时还需要对钢板按平直度要求进行矫直。钢板堆垛有两个作用，一是去氢，二是作为成品区的缓冲。在各原板及成品板上都必须单独打上标记，以区分其来源、规格。原板经过剪边后进行横向或纵向剪切
