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1、东北大学硕士学位论文 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题的立题背景和意义 超低碳无间隙原子钢( I F 钢) 的特点是碳、氮含量很低，并在钢中加入T i 和N b ， 形成T i 和N b 的C 、N 化合物，使钢中的碳、氮间隙原子得以消除，从而具有优越的深 冲性能。这种观点自1 9 4 9 年由C o m s t o c k 等人提出来之后，由于受当时冶炼水平的限制， 钢中C 、N 含量难以降得很低，因此，C o m s t o c k 的观点被搁置。2 0 世纪6 0 年代，由于 真空脱气技术在冶金生产中的应用，钢中C 含量可以降低到O 0 1 以下，于是I F 钢的 研制重新受到人
2、们的重视，约在上世纪6 0 7 0 年代商用I F 钢面世，同时T i 和N b 在改 善深冲性能方面的作用也被发现和应用。目前I F 钢广泛应用于汽车制造业，尤其是汽 车外板、内板，因其需要很好的深冲成形性能。近年来对汽车用钢板强度的要求越来越 高，以降低汽车自重、降低材料消耗和节约燃油，因此对如何提高I F 钢的机械性能进 行了研究。研究发现，略微增加M n 、P 、S i 等元素的含量可以提高I F 钢的机械性能， 同时保持I F 钢良好的成型性能。T i 、N b 和B 也具有提高I F 钢强度的作用【2 。 因为I F 钢具有优秀的深冲性能、优异的塑性应变比、高的应变硬化指数、好的延
3、 伸率及非时效性能，因而成为可取代沸腾钢、铝镇静钢的第三代冲压用钢。以I F 钢为 基础发展起来的高强度I F 钢、热镀锌和电镀锌I F 钢、高强度烘烤硬化( F B ) 钢板等品种 系列，能满足汽车工业对材料的轻量、耐蚀、抗凹和成型等综合性能的需要，几乎可满 足各种形状复杂的冷冲压成型件的性能要求，因而受到了汽车设计人员和工艺人员的青 睐，得到了迅速发展1 3 J 。 目前，世界上以钢为代表的新一代汽车用薄板超低碳钢系列得到了迅猛发展， 其中包括以减重节能为目标的高强度钢板系列和以提高成型性能为目标的深冲钢板系 列。I F 钢的生产工艺流程一般为：铁水预处理一转炉冶炼一R H 真空脱气一连铸
4、_ 热轧 _ 冷轧_ 退火平整，每一步工序都影响I F 钢的最终性能。生产优质I F 钢必须进行铁 水脱硫预处理是因为它可以减少转炉炼钢的渣量，从而减少出钢时带渣量，并且具有降 低炼钢终点钢水和炉渣的氧化性、提高炼钢终点炉渣碱度和M g O 含量、减少出钢下渣 量的作用。I F 钢R H 精炼处理的措施主要是：严格控制前工序的碳、氧含量和温度，前 期吹氧强制脱碳，建立合理的工艺控制模型，进行炉气在线分析、动态控制，R F I 脱碳 结束后合理的氧含量可小于2 5 0 x 1 0 4 。目前，I F 钢已开发出新型冷轧超深冲I F 钢、深 冲热镀锌I F 钢、深冲高强I F 钢、高强热镀锌I F
5、 钢板、超低碳高强B H 钢板、超低碳热 轧汽车钢板、超低碳热轧结构钢板、超低碳电工钢板8 大系列产品【4 嘲。 1 东北大学硕士学位论文第1 章引言 在家电、汽车和通用机械等行业均大量使用冷轧钢板和钢带，在激烈的市场竞争中， 要求企业不断降低成本，生产出质量上乘、性能富余量大的产品。I F 钢钢质纯净，冲压 性能优异，具有广泛的应用，可以替代普通用、冲压用冷连轧低碳钢种和焊丝用钢【_ 7 1 。 宝钢股份不锈钢分公司于2 0 0 4 年2 月建成投产了新的炼钢产线，经过不懈努力和 改进，目前可以生产很多较高质量要求的钢种，包括高强度结构钢、集装箱板、管线钢 等，已经具备了较高的产品实物质量。
6、 为了满足市场的需求，不锈钢分公司从2 0 0 6 年开始试制I F 钢，但是从实际生产情 况看，目前炼钢厂牛产时仍然存在一定的质量问题，主要表现是钢水纯净度不佳、超低 碳水平不稳定，微合金化工艺不成熟，造成I F 钢炼成率和板坯合格率很低。 为了进一步提高和稳定I F 钢的实物质量，必须对生产工艺进行分析研究和优化， 保证钢水和铸坯的质量。进一步分析和研究炼钢和连铸牛产存在的问题，采用小批量试 制、工艺跟踪、现场取样和数值分析等方法对成分的控制、钢水的纯净度、微合金化、 铸坯质量进行分析和研究，提高炼成率和板坯合格率，解决产品质量问题。 1 2 课题的主要研究内容及研究目标 为了进一步分析和
7、研究目前的I F 钢牛产存在的问题，采用工艺跟踪、现场系统取 样和数值模拟的方法对成分的控制、钢水的纯净度、微合金化、铸坯质量进行分析和研 究，从而提高产品质量，解决现场问题。 为进一步提高和稳定产品的实物质量，按炼钢牛产各工位的实际操作工艺，通过数 据分析和过程审核，改进现有工艺，形成稳定而有效的过程控制，从而确保最终产品质 量。 从I F 钢的用途和特性出发，设计该钢种合理的工艺路线，按预处理_ 转炉一I m 一 连铸路线考虑，以小批量试制结果为基础，结合热轧生产和用户使用情况，改进炼钢和 连铸工艺。 整个试制过程以宝钢股份宝钢分公司炼钢厂为实物对标目标，要求炼成率达到8 5 以上，碳含量
8、稳定控制在2 5 1 0 4 以下。同时参照日本钢管株式会社( N K K ) 质量管 理控制要求制定一系列关键控制点【s J ，提高产品质量控制精度。 2 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 2 1 I F 钢概述 第2 章文献综述 I F 是I n t e r s t i t i a lF r e e 的缩写，即无间隙原子钢，意味在这种钢中不存在固溶 的碳和氮原子，因此较为适宜用连续退火工艺进行成品制造。与低碳铝镇静钢相 比较，I F 钢的特点是具有良好的冲压成型性，不存在钢板的时效问题。通过在 超低碳钢中加入N b 和T i 微合金元素，形成碳、氮化物析出，达到I F 化。在制 造过
9、程中要求炼钢连铸工序做到钢水的超低碳处理，纯净化处理，提高N b 和T i 微合金元素的效率。由于碳、氮化物的析出主要在热轧阶段完成，这就要求热轧 工序必须具备与之相符的温度制度3 1 。 I F 钢的材质具有高的延伸性和高的r 值，要求热轧的工艺条件是低温加热和 高温卷取。 在热轧卷取与终轧的温度控制上，由于I F 钢的A r 3 温度( 8 9 0 9 3 0 ) 很高， 因此铁素体晶粒很容易长大，为了对热轧卷的铁素体晶粒控制在较细的水平，以 得到合适的成品晶粒度。必须对热轧终轧和卷取温度的控制精度提出较高的要 求，一般在士2 0 。C 。 I F 钢分为N b I F 、T i I F
10、、N b + T i I F ，但以T i I F 为丰。I F 钢的制造要点介绍 如下： 炼钢：超低碳、微合金化、钢质纯净： 热轧：均匀细小的铁素体晶粒、粗大稀疏的第二相粒子； 冷轧：尽可能大的冷轧压下率； 退火：再结晶晶粒均匀粗大、发展再结晶织构( 11 1 ) 。 2 2I F 钢的分类及用户需求 上世纪8 0 年代由于汽车燃料费用飞涨和汽车长寿化的需求，汽车用高强材 料和高防锈材料被陆续开发出来。同时为了确保材料的可加工性，各国加快了I F 钢的开发和研制【18 1 。 另一方面制造方一钢铁厂也需要将成本竞争力维持在高位。因此，需要依靠 工艺优化、提高成材率、节约能源，降低制造成本等各
11、种形式提高核心竞争力。 - 气- 东北大学硕士学位论文 笫2 章文献综述 从铸锭到连铸的工艺变更极大地提高了成材率和节能的效果，大部分钢种都从半 镇静钢转换成铝镇静钢生产【1 9 1 。另外，由于在同时期开发出的连续退火设备， 促进了冷轧工艺的优化和成材率的提高。利用R H 精炼工艺、高精度热轧和连续 退火工艺，使得制造深冲用钢板( 包括I F 钢) 成为可能。各种炼钢、轧制新工 艺、在线检测、热处理新技术等技术应用大大促进了I F 钢的内在质量、外观质 量和尺寸精度的提高，同时也提高了钢材的综合成材率，降低了能源消耗【2 0 1 。 2 2 1 I F 钢分类 I F 钢分为T i I F
12、、N b I F 和N b + T i I F ，但以T i I F 为主。作为影响I F 钢性能 最关键的环节在炼钢，因为成分是牛产超深冲I F 钢的基础，工艺是保证，假如 成分失控，后续工艺即使控制再好，I F 钢的性能也难以保证【2 1 1 。 I F 钢中T i 可形成碳、氮、硫、氧化物，N b 形成碳氮化物。过多的钛不仅增 加成本而且使固溶钛量增多，再结晶温度升高，对产品的性能和表面质量都不利。 对于加钛I F 钢，过剩钛以0 0 2 0 0 4 为宜。 加N b + T i 复合处理I F 钢也有类似现象。因此，冶炼时应注意适当控制合金 元素的添加量。N b + T i 复合处理I
13、 F 钢过剩铌( 固定碳、氮以后的量) 宜 0 。 ( 3 ) M n 的设计：为了减少小翘皮需要，添加一定量M n 。 ( 4 ) P 的设计：为了提高塑性和二次加工性，尽量减少P 的含量。 ( 5 ) 成品钢中杂质元素 P 】、 S 】、 O 】、【H 】、【N 】、【C 】含量很低。非金属夹杂物 数量极少，尺寸小。在杂质元素含量低的前提下，精炼和浇注中形成的非金属夹 杂物能够上浮排除。纯净度指标：钢中夹杂物指数 3 5 m g 1 0 k g ，夹杂物的尺寸 1 0 。3 0 t a m ，T O 9 0 ) ， 而且稳定，脱硫剂能得到充分的利用，而其弱点是设备较庞大且复杂，投资费较 高
14、。在开发初期其搅拌浆寿命较短( 约8 0 次左右) ，维修费用较大，成本偏高。 但经过近2 0 年的使用和不断改进，为强化搅拌浆的脱硫能力，近年来，搅拌转 速不断提高，从原来8 0 r m i n 提高到1 5 0 r m i n ，搅拌浆的结构和耐材也得以改良， 1 0 东北大学硕士学位论文第3 章I F 钢冶炼工艺设计 搅拌浆寿命已从1 9 7 9 年的8 0 11 0 次提高到了5 0 0 次以上。维修费用和成本均较 原先降低。目前在日本的各大钢铁公司中又逐渐在发展和采用这种改进型的K R 法。 3 2 3 冶金机理 硫作为有害元素必须在精炼过程中加以去除，在炼铁过程中去除硫要比在炼 钢
15、过程中容易得多。因此，较为一致的看法是把去硫的任务尽量交给炼铁。但在 高炉中去硫也是要花出一定代价的，它意味着必须提高渣碱度增加渣量，从而引 起焦耗的增多。因此，在高炉铁水中一般均含有炼钢过程所能接受的硫含量，约 O 0 5 左右。 炼钢过程是个氧化过程。即便是脱除并不算多的硫，也要花费很大气力，使 各项技术经济指标受到影响。现在，对于硫含量约O 0 5 左右的高炉铁水，炼钢 过程已不能保证获得高质量、低成木的钢水以满足市场竞争的需要。 铁水预脱硫是降低炼铁和转炉脱硫负担、简化操作和提高炼铁炼钢技术经济 指标的有效途径。对高炉来讲，可以使炉渣碱度和焦比下降，有利于高炉顺行和 提高牛产率：对转炉
16、来讲，可减少渣量和提高金属收得率，并为转炉冶炼品种钢 创造条件。铁水炉外脱硫与炼铁炼钢炉脱硫相结合，可以对铁水实施深度脱硫， 从而为转炉冶炼超低硫钢创造条件。 3 2 4 主要指标 K R 法的丰要指标如表3 2 所示，包括粉体主要配比。 3 2 5 入炉铁水要求 ( 1 ) 入炉铁水f S 】按9 0 5 0 1 0 4 ； ( 2 ) 铁水要进行扒渣处理，要求扒净； ( 3 ) 铁水比8 5 ，废钢采用厂内返回废钢。 3 2 6 钢包要求 ( 1 ) 严格控制包1 2 1 、包底的残钢和残渣。防止处理过程和在浇铸过程中增碳。 东北大学硕士学位论文 第3 章I F 钢冶炼工艺设计 ( 2 ) 钢包热状况良好。要求热周转钢包，周转时间在2 小时以内，以防止钢包 温降过大，导致后期O B 升温。 ( 3 ) 浇注I F 钢钢包在浇铸本钢种前l 2 炉浇铸的是低碳铝镇静钢。以便充分 清洗钢包，防止钢水污染。
