【中期进展】钢铁材料先进热轧

1、前言

        热轧-冷却-热处理一体化组织性能控制技术是通过对加热、轧制、冷却以及热处理工序中的关键工艺进行技术创新，充分发挥细晶、析出、相变的综合强化作用，在不添加或少添加合金元素的前提下，提升钢材综合力学性能，满足钢材不同使用性能的要求。自中心获批成立以来，先进热轧方向在此前工作基础上，不断升级和完善热轧板、带钢超快冷工艺及装备技术，实现了轧后超快速冷却系统新的推广应用，同时实现了基于超快冷技术的粗轧控温技术开发与应用。此外，在热轧无缝钢管领域，实现我国在热轧无缝钢管控制冷却技术领域的自主创新和工艺突破；在热轧型材领域，不断扩大热轧钢材门类及产线应用广度。钢铁材料先进热轧-冷却-热处理一体化组织性能控制技术取得了显著进展（图1）。

2、关键工艺技术研究进展

2.1新一代控制轧制技术

        轧制过程中压下和温度的协调控制是控制轧制的核心。新一代控制轧制技术是将轧机与冷却设备有机结合起来，实现了轧制过程和冷却过程的有效同步。利用依附在轧机机架上的强冷装置，在任何需要的轧制道次，进行钢材的强制水冷，即时调整轧件温度，实现轧制温度的高精度、高效率调整与控制，以实现对轧制过程奥氏体晶粒尺寸、形貌、微合金元素的固溶和析出的调控和变形行为的控制，为随后的冷却相变过程奠定基础，新一代控制轧制技术工艺原理如图2所示。

        实验研究和工业生产实践表明：新一代控制轧制技术在提高轧制渗透性、开发表面细晶钢、改善钢板温度均匀性等方面优势显著。1）轧制变形渗透性改善：轧制道次间的高强度冷却促使轧件厚向产生大温度梯度，由于钢板近表层温度低、变形抗力较大，在轧制负荷条件下轧件近表层的金属更难产生形变，促使变形向心部渗透。2）制备表面细晶产品：通过控制轧制道次间变形奥氏体回复、再结晶行为，相变、逆相变行为，可以大大细化钢板表层晶粒。表层组织细化促使钢板在受力时，延性破坏区（剪切唇）厚度扩大，裂纹形核功提高，从而提高钢板止裂性能，这为大型集装箱船用高强度止裂厚钢板的研发提供了有力支撑。轧制水冷条件下，采用低碳微合金成分体系，在奥氏体温变形-返温-奥氏体再结晶工艺中，经过2道次循环模拟，奥氏体再结晶率升至94.0%，奥氏体细化至3.3μm；在奥氏体相变-返温-逆相变模拟工艺中，获得韧脆转变温度低至-160℃的高韧性低温钢。3）温度均匀性控制：通过头尾快速遮蔽、横向水凸度、上下集管水量比等一系列冷却均匀化控制技术，将钢板轧制过程中全板温度波动控制在12℃以内，从而有效保障钢板温度和组织性能均匀性。实践表明，对厚规格产品进行高渗透性轧制，增加了钢板内部变形渗透性，细化了内部组织，改善了钢板内部质量，如图3-5所示。目前，新一代控制轧制技术已经应用于国内多条板带钢产线，并逐步向型钢产线推广，见表1。

2.2轧后超快冷技术

        依托于863计划项目、科技支撑计划项目和企业重大项目，东北大学与首钢、鞍钢、宝钢等数十家企业合作，开展了新一代TMCP工艺的核心技术——超快速冷却技术的研制和开发。目前，该技术已经成功应用于热轧带钢、中厚板、H型钢、棒线材、无缝钢管等生产领域，如图6所示。超快冷技术在近两年的推广应用情况见表2。

        在热轧板带钢方面：开发了低残余应力管线钢生产技术，创新性地采用高温卷取工艺路线，利用细晶强化及析出强化的强化增量弥补卷取温度增加带来的位错强化的降低；利用超快冷较高的冷却速度，将带钢快速冷却至较低温度，保证材料细晶强化效果；利用厚规格管线钢带钢本身的“返红”特性，获得相对较高的卷取温度，促进纳米级尺寸的碳氮化物在卷取过程中析出，增加析出强化效果。据此，在首钢京唐公司2250mm热连轧生产线上生产了低残余应力型厚规格管线钢，其产品各项力学性能均满足API SPEC 5L标准，且性能稳定，实现了低残余应力型厚规格管线钢的批量稳定生产。

        在中厚板方面：使超快冷装置的功能多样化，采用该装备技术，可实现加速冷却ACC、先进超快速冷却UFC、中间冷却（IC）、分段冷却、间断淬火IDQ、直接淬火DQ、直接淬火碳分配（DQ·P）等多种功能，满足铁素体/珠光体、贝氏体、贝氏体/马氏体及马氏体等各类产品的相变过程控制需要。通过在线淬火工艺实现80mm以下规格各品种钢（Q690、Co-Mo钢、FH690等）的批量生产。南钢5000mm宽厚板产线借助其超快冷装置生产的管线钢厚度范围10.7-33mm（X65-X90），最大宽度达到4400mm，且完成了厚规格大口径X80管线钢的全球第一家认证。

        棒线材方面：新一代TMCP技术摒弃低温轧制、余热淬火、合金化等钢铁材料强化工艺，通过对钢铁材料及生产工艺的原料成份、轧制工艺及冷却制度的优化，使带肋钢筋强度提高、塑性改善、抗震和焊接性能优良，为全国总产量近1亿吨带肋钢筋实现资源节约起到了示范作用，为企业和社会创造巨大的经济效益。采用新一代TMCP工艺控制网状碳化物的组织特征、数量、形状、大小和分布的均匀程度，对改善轴承钢的性能有重要意义，在宝钢特钢、兴澄、石钢和河南济源钢铁公司得到应用。Φ40mm以下热轧轴承钢网状碳化物≤2.0级合格率达到100%，Φ40-Φ60mm的合格率达到96.7%，且经过快速冷却后的轴承钢疲劳寿命提高近10倍。

        热轧无缝钢管方面：针对热轧无缝钢管“成分高+无控轧”特点，开发出热轧无缝钢管TMCP-F/B/M工艺技术，通过快速冷却抑制奥氏体相变以及控制冷却路径，实现灵活的组织性能调控；同时针对热轧无缝钢管品种及规格多样开发出适于不同工艺的高强度均匀化控制冷却策略。以Q345B结构管为例，在保证延伸率基本一致的前提下，采用“适度提高强度”的理念，不同厚度规格管材YS提高约40-100MPa；TS提高约20-80MPa，基于新一代TMCP技术，结合工艺减量化生产，吨钢节约成本约120-150元。将贝氏体引入热轧无缝钢管组织调控中，充分发挥相变强化作用。通过TMCP-B工艺技术可实现产品的替代升级，以减量化成分生产高钢级产品，实现一钢多级，如减量化成分开发J55、N80-1等产品，经多轮次、多规格在线控冷调试后，钢管椭圆度和直度良好、力学性能优良。针对套管等高强钢管，通过TMCP-M工艺技术实现在线淬火，利用DQ-T代替离线RQ-T工艺，相同回火工艺条件下，通过DQ-T工艺后钢管性能提升50-80MPa，实现了工艺减量化，同时为更高强度级别热上接B04版轧无缝钢管的生产提供了工艺组织调控手段。

        热轧H型钢及角钢方面：开发出具有较高冷却速率而又不淬火、并具有较强温度均匀性控制能力的热轧H型钢超快速冷却技术，显著提高了钢材综合力学性能、使用性能和生产效率。其中，低合金高强H型钢的屈服强度提高140MPa以上，抗拉强度提高80MPa以上；腹板与翼缘温度差在±25℃以内。在不同H型钢轧机布置生产线上实现节约型的钢材成分设计和减量化的钢材生产，取得了显著的经济效益，推动了H型钢企业的可持续发展。，，在高强度角钢超快速冷却中研究了开冷温度、终冷温度和冷却速度等因素对角钢变形的影响规律，解决了角钢轧制弯头对冷却过程的影响为高强角钢超快速冷却的应用奠定了基础。

        以超快冷为核心的新一代TMCP技术作为产业转型升级和结构调整的关键共性技术已被列入科技部、工信部、发改委、国资委、财政部16项产业政策文件，入选工信部“十二五”钢铁工业重要发展成就。该技术获省及行业科学技术一等奖4项，中国专利优秀奖1项。

2.3组织调控机理研究

        针对碳氮化物的析出行为控制，建立了热力学和动力学模型，在析出形核机制、晶体学表征等方面开展了卓有成效的基础研究工作，并逐步实现了纳米Fe3C、TiC、VN等第二相粒子析出的工业化应用。阐明了大过冷度条件下纳米渗碳体的形成机制，建立了珠光体形貌控制模型。研究表明，超快冷条件下珠光体相变时相界面处自由能差增加而造成相界面的加速运动，碳在奥氏体中的扩散系数随着温度的降低而明显下降，碳的扩散行为在超快速冷却条件下受到限制，以纳米颗粒的形式沉淀析出。基于热力学计算与实验研究，验证了在超快速冷却条件下C-Mn钢中纳米渗碳体的低温过饱和析出机制，与TiC高温析出协同，显著改善了韶钢节约型Q345中厚板厚度方向的强度均匀性（图7）。研究了纳米尺度VN析出物对晶内针状铁素体的形核作用。在550-600℃相变温度区域等温或连续冷却过程中，纳米VN析出物显著促进晶内针状铁素体的形核。在唐钢完成了V-N微合金化中厚板Q550D的工业化试制，获得了屈服强度625MPa，-60℃冲击功150J。纳米VN析出物促进晶内铁素体形核，改善V-N微合金化钢焊接热影响区强韧性能。

        在新一代先进高强度汽车结构用钢的研发方面，基于淬火-碳配分（Q·P）工艺，将以超快冷（UFC）为核心的TMCP技术与Q·P工艺相结合，即在热连轧生产线上，通过超快速冷却工艺对控轧后的奥氏体进行相变控制，随后利用卷取余热实现碳分配行为。该工艺控制路径通过“以热代冷”方式简化了传统Q·P工艺流程，同时可实现一钢多级工艺生产。通过M+RA、F+M+RA和F+B+RA等多种复相组织调控，满足了产品不同力学性能的需求。特别是，针对将铁素体相变引入热轧Q·P工艺的“双相处理+淬火·配分”组织调控研究，揭示了热轧工艺下高强塑积复相组织调控及力学性能稳定控制机制（图8（a））；明确了先共析铁素体在相变过程中的“一次碳配分”行为及其在复相组织协调变形机制中的增塑作用。在适当铁素体相变控制条件下，低碳Si-Mn实验钢强塑积可达25GPa·%以上，同时将可获得强塑积大于22GPa·%（抗拉强度在980MPa以上）的卷取温度工艺窗口扩大至90℃左右，为热轧Q·P工艺的工业化生产应用提供了一定可行性（图8（b））。

3 结语

        钢铁材料先进热轧-冷却-热处理一体化组织性能控制技术是围绕钢铁材料热轧工序中轧制、冷却以及热处理工艺进行的一系列原始技术创新。通过热轧工艺一体化组织性能控制工艺、装备创新，实现了热轧钢铁材料性能的全面提升，减少合金元素的用量、降低钢材的生产成本，在节省资源和能源、减少排放方面发挥着重要作用，协同创新取得了显著成效。

【内容来源】世界金属导报