低碳高强度热轧薄板生产技术研究

摘要 介绍了国内外高强度钢/板的发展状况和电炉薄板坯连铸连轧工艺生产低碳高强度钢板（HSLC）的主要进展，初步分析了HSLC钢高强度化的主要成因——钢水的洁净化、薄板坯连铸连轧的特殊工艺条件以及钢水中残余元素。与HSLA相比，HSLC具有塑性好、焊接性能优良、生产成本低等优点，是提高钢铁材料可竞争性及经济可持续发展的绿色材料。

关键词 CSP 低碳高强度钢 低合金高强度钢

1 热轧高强度钢（板）的用途

随着我国和世界经济的发展，消费者对钢铁工业提出了越来越多的要求，与此同时，钢铁替代品的不断涌现也使得钢铁工业面临前所未有的竞争压力。钢材的高强度化成为钢铁工业近20年最具活力和创造性进展的领域，一系列热轧高强度钢（板）被越来越广泛用于建筑业、制造业和加工业，特别是载重汽车、轿车、桥梁、起重机、舰船、铁路、集装箱、容器、工程机械、甚至航空航天等领域。可以预见，高强度钢的用途将越来越广泛，也越来越重要，如火车提速、汽车减重等。

2 国内外高强度钢（板）的发展

提高钢材强度的一般途径有：高碳、合金化、热处理等，但都各有利弊。自上世纪50年代以来，低合金高强度钢（HSLA）作为成熟的钢种，比较大量的生产和应用，并形成一系列钢号和生产标准。

近年来，高强度钢的研发一直受到国内外的高度重视，不少国家，如日本，甚至将其列为国家重点研究项目，在欧洲最高级的研究项目- 尤里卡计划的新材料研究项目资助下，奥迪汽车等联合研制的轻型高强度薄板可以使汽车用钢减少25%。1994年，世界18家汽车生产厂联手成立了超轻汽车钢（ULSAB）财团，支持高强度汽车用钢的研究。我国“973”计划中更是把新一代高强度钢铁材料的研究作为重大课题。俄罗斯也在重点研究高强度铁道用钢，力图在降低车厢自重的条件下，车厢载重能力由60-70t提高到100-110t。

随着国内外高强度钢的不断研发，双相钢（DP）、相变诱导塑性钢（TRIP）、复相钢（CP）、贝氏体钢（B）、和马氏体钢（M）也相继投入工业化生产。各种高强度钢的强度和伸长率范围如图1所示。

国际上也形成一些先进的高强度钢生产厂，以瑞典，SSAB公司为例，该公司的TUNNPLAT厂2001年产钢材250万t，其中冷轧钢55万t，各种镀层板35万t，彩涂板20万t，热轧高强度板达到140万t，占其总产量的56%.

在SSAB生产的高强度钢中，屈服强度范围达到：315-700MPa，该公司正在开发750和800MPa级的极高强度板（UHS）。如图2所示。

但是，总的来说，在世界范围内的高强度钢领域，HSLA钢仍然是最主要的生产和应用钢种。根据最新统计，全世界HSLA钢的产量大约在8000万t左右，约占世界钢产量的10%，在工业发达国家，占钢产量的7%-15%[1]。1998年，我国HSLA钢的产量约为630万t[2]，约占钢产量的5%左右。

3 低碳高强度钢（HSLC）的研究和生产实践

本文所研究的冶金企业引进德国FUCHS150t竖式交流电炉和SMS CSP 生产线，1999年8月全线投产，二期新增意大利DANIELI 150t 预热式电炉、LF精炼炉、VOD真空处理炉、以及SMS薄板坯连铸机各1座/台。是国内唯一1条短流程CSP生产线，具有生产周期短、产品精度控制和强度控制好等一系列优点。

自1999年8月一期工程投产以来，一直注重于新产品开发，特别是市场欢迎的高强度热轧板的开发，已开发出X52、SPA-H、ZJ510L、ZJ590L等一系列钢种，在热轧钢板的传统钢种领域，对应生产的ZJ330、ZJ400、ZJ470等系列钢种的普遍特点是在塑性不降低且更优的情况下、强度均高于类似国标钢种，创造出一种低成本生产高强度钢的生产工艺流程，低碳高强度钢（High Strength Low Carbon）已成为产品的一个鲜明特色。在现有工艺条件下生产的热轧高强度钢板有别于HSLA钢，最明显的差别是低碳、合金含量低、成分设计中没有添加任何微合金元素等，目前，开发的汽车用热轧钢板，最高强度等级已经达到600MPa。将生产的这类高强度钢统一命名为低碳高强度钢，简称HSLC钢。

3.1 热轧板的成分与性能特点

HSLC板性能特点如下：

（1）方向异性小（如图3所示）；

（2）伸长率高。目前所有品种均达到国标或JIS标准对伸长率要求，大部分品种均有20%以上的富余量，图4为ZJ330伸长率生产统计结果；

（3）焊接性能好。投产以来，未发生因为焊接性能不合导致的客户投诉；

（4）组织均匀，晶粒细小（如图5、6所示，略）；

（5）强度高。表1和表2例举了C

从表1和表2可知，在低碳系列钢种中，强度等级高于类似国标牌号约10%以上。正因如此，加上板材薄规格的优势，不少用户用低牌号的钢种代替国标高牌号的钢种，客观上已经实现了开发高强度钢的目标。

图7显示了几种典型钢种强度趋势，对比图2可知，钢板强度已进入超高强度范围，预计在几年内，可以用较低的成本开发出极高强度钢（600-700MPa级）。

综上述，热轧板在各向异性、伸长率、焊接性能等表现出优良的特性，当然，在某些性能指标方面，如某些钢种屈强比略高、特殊条件下存在带状组织等，其原因还在分析中。

3.2 生产工艺特点

（1）主要设备配置

炼钢系统：电弧炉/t 150×2、精炼炉/t 150×2、真空炉/t 150×1、 冶炼周期/min 60

原料 ：废钢、海绵铁、生铁

CSP铸机：类型 立弯式、流数1+1、坯厚度/mm 50、坯宽度/mm 1000-1350、中包容量/t 28、结晶器长度/mm 1100、拉坯速度/m·min-1 2.8-6、出坯温度/℃ 1050

辊底炉：长度/m 192、加热方式 燃油摆动式辊底炉、缓冲时间/min 20

CSP 精轧机：事故剪 液压定剪、除鳞 高压除鳞、轧机 6机架、带卷厚度/mm 1.2-12.7、带卷宽度/mm 1000-1350、卷重/t 23（最大）、工作辊直径/mm 720-800（F1-F3）540-600（F4-F6）、轧制力/t 3000、带卷冷却方式 层流冷却、卷取机 1、卷取类型 地下，踏步控制

在成分设计上不采取高合金化思路，仍能够保证生产出高强度钢的主要归因于先进的工艺控制手段，这包括洁净钢生产技术、CSP薄板坯连铸高拉速控制技术、温度控制技术以及控轧控冷技术等。

（2）洁净多生产技术

现代钢质量研究表明，提高钢水纯净度对于改善钢材综合性能具有非常重要的意义，薄板坯连铸机的生产实践也对钢水质量（成分和温度）提出严格的要求。

在采用废钢为原料、短流程工艺、无真空处理手段等不利条件下，通过优化配料、电炉全程泡沫渣控制、电炉终点控制技术、无渣出钢、优化的精炼造渣制度和吹氩控制技术以及钙处理工艺等一系列手段使精炼结束的钢水纯净度达到一个较高的水平，其中：

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（3）CSP薄板坯连铸高拉速控制技术

CSP薄板坯连铸机设计拉速为：4-6m/min，拉速的控制受到钢种、过热度、钢水温度等因素的限制，拉速本身同时又对铸坯组织性能及最终板卷性能产生影响，一般来说，拉速越高越有利于铸坯晶粒细化，但同时也导致铸坯表面质量恶化，同时增加了连铸漏钢的几率。因此，必须优化连铸配套的工艺条件，在连铸保护渣的研究、钢水上台温度和成分控制范围、SEN的使用等方面做了大量工作，针对不同的钢种和规格，摸索出最佳的拉速控制范围，目前，低碳钢平均的拉速水平达到5.3m/min，最高达到6m/min。

（4）温度控制技术

提高连铸连浇率是所有钢厂共的目标，对于薄板坯连铸来说，虽然拉速较宽的可调范围有利于连铸对钢水的适应性，但是，由于SEN寿命的限制，特别是由于性能稳定性的要求，多炉连浇是以稳定性为前提条件，主要是拉速的稳定，只有这样，才能保证稳定的铸坯组织和入炉温度，而拉速的稳定是以炉次见的成分和温度稳定为前提。目前已能够实现10炉（浇注时间 10 h）以上的稳定连浇。

另一方面，通过控制拉速和二冷水，保证出矫直机进均热炉的铸坯温度达到1000℃以上，并且铸坯表面和内部温度偏差较小，没有发生αγ的相转变。

（5）控轧控冷技术

控轧控冷技术是在消化吸收SMS的轧制技术基础上进行优化板材性能控制的又一手段，通过对6机架间轧材中间品的解剖分析，了解到机架间轧材的组织变化，如图8和图9[3]（略）所示，为控轧控冷工艺的实现创造了条件。

在控制控冷工艺方面，主要比较了不同机架不同压下力对板材性能的影响，研究了不同终轧温度、卷取温度、冷却方式、成品规格等诸冷却条件下的冷却度及对成品板材力学性能的影响规律。

如图10可知，随着终轧温度的降低，可以看到厚度为2.0 mm的成品板的屈服强度有了明显的提高 ，由344MPa提高到 367 MPa，而其抗拉强度变化不大，均在400 MPa左右。不同终轧温度下成品板的伸长率变化也较为明显，终轧温度为840℃时，成品板的伸长率较低，仅为25%，另外两种终轧温度下成品板的伸长率相对较高，分别达到了29%和30%。

如图11所示，当卷取温度为640℃时，成品板的屈服强度和抗拉强度都相对较低，屈服强度为320MPa，抗拉强度仅为381 MPa。当卷取温度设定为550℃时，成品板的屈服强度和抗拉强度比卷取温度为640℃时都有了显著的提高，分别提高了24MPa和31MPa。在不同的卷取温度下成品板的延伸率相差不大，均在28%至30%之间。

3.3 低碳热轧板高强度化的成因初析

短流程CSP生产线生产的低碳钢板与普通厚板坯连铸轧制线生产的热轧板在组织形态和力学性能特征等方面表现出明显的差异性，特别是较高的强度方面，值得注意的是，在以前，对于这方面的研究工作国内外均很少有报道，投产以来陆续开展一些相关研究，初步取得一些进展。

3.3.1 晶粒细化

研究表明：晶粒细化是热轧板高强度化最主要的因素。

尽管由于铸坯薄、拉速快、冷却速度高，铸坯组织表现为：表面为细晶区、内部为柱状晶、基本看不到等轴晶的存在，但是，因为铸坯在连铸后的工始终保持在1000℃以上，F1～F2轧制中产生高温大变形率，导致奥氏体发生再结晶，F3～F6虽然轧制温度下降，奥氏体再结晶困难，但是由于变形量较小、道次间隔短，回复和再结晶进行不充分，造成应变不断积累，晶界上成核速度和形核点大大增加，终轧后，经过层流冷却，由于轧材较薄，因此冷却既较快，很快形成相变，铁素体在奥氏体晶界和晶粒内部大量形核，最终导致冷态组织明显细化。

3.3.2 纳米级粒子的析出

进一步的研究表明，在冷态组织中发现大量细小、弥散的A2lO3、MnS二相粒子析出物，约30mm左右，以及 Al2O3/MnS复合析出物，约 100～200mm左右，如图12（略）所示[4]。

初步分析表明：这些细小、弥散的析出物也是导致低碳热轧板强度提高的一个重要原因。

3.3.3 残余元素的作用

由于短流程的炼钢特性，以废钢为主要原料生产的钢水中不可避免的存在较高的[Cr]、[Ni]、[Cu]等合金元素，这些非刻意添加的合金元素特别是[Cr]、[Ni]等也客观上造成板材强度提高，关于这一点，在传统理论上已有解释。但其对强度的贡献有多大，对塑性的弱化有多大？目前仍在进一步研究中。

4 结论

（1）在短流程CSP生产线一定的工艺条件下，普通低碳热轧钢板的强度可以提高2倍，达到400-600 MPa，并且，其他力学特性仍保持优良水平。

（2）低碳热轧板高强度化的主要原因是：晶粒细化、纳米级粒子的析出以及残余元素的作用综合结果。

（3）低碳高强度钢（HSLC）由于不以合金化或微合金化为主要强化手段，因此，与HSLA钢相比，在成本上具有明显优势。

参考文献

1 王祖滨，沈 荣.建筑钢结构用低合金高强度钢 .钢结构，2002，3，47.

2 东 涛，付俊岩.我国微合金化技术应用和微合金化钢发展的调查.2001中国钢铁年会论文集，北京：2001.719.

3 霍向东.CSP连轧过程中低碳钢的组织变化规律.钢铁，37（7）.

4 于 浩.CSP热轧超薄规格钢板的组织细化及强化机理的研究.第7届轧钢年会.本溪：2002.