（材料加工工程专业论文）微合金磁极磁轭钢板的研制.pdf

i 海大学碳0 学位论文 摘要 磁极磁轭是水轮发电机组转子体的关键帮件，也是水轮发电机缀用材较大的 部件。随着水电机组的大型纯发艘，为了获得庭好的强韧蛙配合，国内外都在积 极开发高强度级剐的微合龛化磁极撒轭钢板。 本研究在分析微台金系、化学成分与力学性能的关系的基础上，设计了n b t i 和n b v 两种磁极和磁轭铜扳的化学成分；采用控轭控冷方法进行磁极磁轭钢扳 曲实验室试制，从丽提出了建议的热乾工艺参数。研究中，酋先攫掘文献反映的 现有研究成果，比较了n b t i 和n b v 两种徽合金铜的性能特点和工艺特点。然 后采用线性回归分柝方法对现蠢数据进行回归，以考察化学成分和力学性能之间 的定量关系。从而研制了微合金钢化学成分估算系统软件，试算和设计了n b t i 和n b v 两种w d e r 5 5 0 热轧磁轭钢和d j i a 0 0 冷轧磁极钢的化学成分。并用囊空 感应炉分别炼制了两种不问成分的试验钢锭。为了考察# l 铷工艺对性能的影响关 系，采用不闻的加热温度、终轧温度和终冷温度以及正交试验方法进彳亍热轧试验。 将轧制出的钢板切割成拉伸标准试样，用拉 审试验枧进行力学性能试验。髑光学 显微镜观察磁极磁轭钢的金楣组织，醴分析工艺、缀织与性能之间的影响关系。 用不问的逗火时间考察了磁极钢在冷轧退火器的强度损失与成分之间的关系。 研究表明：通过线性回归分析所得到的铁索体- 璩光体微合金钢的力学性能预 报公式能够用米进行定强度级别的磁极磁辘钢的亿学成分设计。热轧试验表明： 对于n b t i 钢，影响其力学性能的主要因索是加热溢度，加热温度越高，剡o 。、 。越离，而6 。越低；对予n b v 钢，影响其力学性能的主要因素是终冷温度， 终冷溢度越低，则o ；、ob 越高，两8 。越低；对于n b - t i 和n b v 两种钢，过离 和过低的终轧滠度对嵩的。都不利；6 。与。以及属强比与o 。有显著的相关关 系。冷轧试验表明：磁极钢冷轧退火蘑的力学性能相对予热戴屠有明显的变化， 即o 。、。下降，6 。上升；n b v 钢豹钆的降低幅度比一t i 钢的要大，而且v 钢的。辫低值随退火时间延长蔼增大，而一t i 钢的o 。降低值不隧退火时间延 长丽变化。硪究结果表明：对于热轧w d e r 5 5 0 磁轭钢板，若考虑加热温度可稍低， 屈强比可髑赢，剐可选用n b v 系微合盒钢；对于冷轧d j l 4 0 0 磁搬钢板，若考虑 退火丽强度降低较小，目，o ，对遐火时间较i ；敏感，剐可选鞘系微台会钢； 实验室试制的d j i 4 0 0 磁极钢和w d e r 5 5 0 磁轭钢板的性能不仅符合技术要求，而且 与研究中提出的计算模型的预计结果摹本相符。 关键词：微合金钢磁极钢磁轭钢控制轧制控制冷却力学性能 挂， 上! ! 盔兰! 型：竺堡堡塞 a b s t r a c t m a g n e t i cp o l ea n dm a g n e t i cy o k ea r et h ek e yp a r t so ft h er o t o ro ft h el a r 2 e ”a t e r - t u r b i n eg e n e r a t o rs e t ，a n dt h e ya r ea l s ot h ep a r t sc o n s u m i n gm o s to fa l lt h e m a t e r i a l si nt h eg e n e r a t o r w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h el a r g ew a t e r - t u r b i n eg e n e r a t o r s e t ，h i g hs t r e n g t hm i c m a l l o y e dm a g n e t i cp o l ea n dm a g n e t i cy o k es t e e l sn e e dt ob e d e v e l o p e df u r t h e r i nt h et h e s i s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc h e m i c a l c o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fn b vs t e e la n d n b t is t e e la r ed e s i g n e df o rm a g n e t i cp o l es t e e la n d m a g n e t i cy o k es t e e lb a s e do nt h e e x i s t e dr e s u l t s ，t h ed i f f e r e n c e so f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d r o l l i n gc o n d i t i o n so f n b v a n dn b - t im i c r o a l l o y e ds t e e la r ec o m p a r e d t h em e t h o d so fc o n t r o l l e dr o l l i n ga n d c o n t r o l l e dc o o l i n ga r eu s e dt om a n u f a c t u r es t e e l p l a t ei nt h el a b o r a t o r y , a n dt h e r e a s o n a b l er o l l i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sf o rh o tr o i l i n ga r eg i v e n b a s e do nt h e e x i s t e dd a t a s ，t h er e g r e s s i o nm o d e l so f c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa r eo b t a i n e db yt h em e t h o do fl i n e a lr e g r e s s i o na n a l y s i s a na p p l i c a t i o n s o f t w a r ei sd e v e l o p e dt od e s i g nc h e m i c a lc o m p o s i t i o n sf o rw d e r 5 5 0a n dd j l 4 0 0 ， a n dt h en b va n dn b - - t is t e e l so fm a g n e t i cp o l ea n dm a g n e t i cy o k es t e e la r es m e l t w i t ht h ev a c u u mi n d u c t i o nf u r n a c et h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h er o l l i n gc o n d i t i o n s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn b va n dn b - t is t e e l sa r ei n v e s t i g a t e dw i t ht h eu s eo f o r t h o g o n a ld e s i g na n dd i f f e r e n th e a t i n gt e m p e r a t u r e ，f i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r ea n d f i n i s hc o o l i n gt e m p e r a t u r e s o m es t a n d a r ds p e c i m e n so fn b va n db i b t is t e e l sa r e m a d et od ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n r o l l i n gt e c h n o l o g y m i c r o s t r u c t t i r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e db y o p t i cm i c r o s c o p em e t h o d t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns t r e n g t hl o s sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fm a g n e t i cp o l e s t e e la f t e ra n n e a l i n ga r ei n v e s t i g a t e dw i t hd i f f e r e n ta n n e a l i n gt i m e t h er e s u l t so fs t u d ya r ea sf o l l o w e dt h er e g r e s s i o nm o d e l so fc h e m i c a l c o m p o s i t i o n sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf o rt h ef e r r i t e p e a r l i t em i c r o a l l o y e ds t e e lc a n j 扯 ! 塑查兰! ! ! 堂堡堡兰 b eu s e dt od e s i g nt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fm a g n e t i cp o l ea n dm a g n e t i cy o k e s t e e l st h eh o tr o l l i n ge x p e r i m e n t ss h o w ：f o rt h en b t is t e e l ，t h em a i n r o l l i n g t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ri sh e a t i n gt e m p e r a t u r e ；t h ey i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t h i n c r e a s ea l o n gw i t hh e a t i n gt e m p e r a t u r er i s i n g ，b u tt h ee l o n g a t i o ni sc o n v e r s e ；f o rt h e n b vs t e e l ，t h em a i nr o l l i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ri sf i n i s hc o o l i n gt e m p e r a t u r e ；t h e y i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s ea l o n gw i t hf i n i s hc o o l i n gt e m p e r a t u r e d e c r e a s i n g ，b u tt h ee l o g a t i o ni sc o n v e r s e ；t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p so f 6sa n d 。s ， os 0 ba n d o sa r ev e r yo b v i o u s t h ec o l dr o l l i n ge x p e r i m e n t ss h o w ：f o rb o t hn b t i s t e e la n dn b vs t e e l s ，t h ey i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hd e c r e a s ea f t e ra n n e a l i n g ， b u tt h ee l o n g a t i o ni sc o n v e r s e ；f u r t h e r m o r e ，t h ed e g r e eo fobr e d u c t i o no f n b vs t e e l i sm u c hm o r et h a nt h a to fn b - t is t e e l ；t h er e d u c t i o nd e g r e eo f 。so fn b - vs t e e l i n c r e a s e sw i t ht h ea n n e a l i n gt i m e ，b u tf o rn b t is t e e l ，t h er e d u c t i o nd e g r e eo f osd o e s n o tc h a n g ew i t ht h ea n n e a l i n gt i m e t h er e s u l t so fs t u d ys h o w ：f o rh o tr o l l i n gs t e e l w d e r 5 5 0 ，t h en b vs t e e li sp r e f e r r e d ；f o rc o l dr o l l i n gs t e e ld j i a - 0 0 ，t h en b - t is t e e l i sp r e f e r r e d ；t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f d j i a 0 0a n dw d e r 5 5 0m a n u f a c t u r e di nt h e l a b o r a t o r yn o to n l ym e e tw i t ht h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，b u ta l s oa t ei na c c o r d a n c e w i t ht h ep r e d i c t e dv a l u e sb yt h er e g r e s s i o nm o d e l s k e y w o r d s ：m i c r o a l l o y e ds t e e l ，m a g n e t i cp o l es t e e l ，m a g n e t i cy o k es t e e l ，c o n t r o l l e d r o i l i n g ，c o n t r o l l e dc o o l i n g ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 。i v - l 海人学硕 学位论文 第一耄综述 微合金佬技术的开发葶鞋应磺跫上世鳃爱期物瑗稠力学冶金魄重大遴展之一一， 怒提高低碳结构阁钢综合性能的有效手段。刃：始采用微合金化的低碳结构用钢的 禽谈量一觳为0 。l 0 2 ，称为铁索藩，豫怒露镪旺睫着滚裁辜0 劐技术的发震及绒 晶强化作用的加强，使得碳含量进一步降低，以减小其对韧性及焊接性能的不利 影响，从而产生了食碳豢小于o 1 的少珠壳镩钢【2 l 。近年来，随着结鞠翊钢强液 要求的不断提高，对含碳爨为0 0 5 0 1 5 左右的微台金钢的研究闷趋活跃p j 。但是， 当采用舍盒化的方法来改善钢的菜一性能时，往往会引起箕谴往能的降低。例如， 透过增加碳含量来提高强度，戴会降低翅性和韧性，并损害焊接性能；通过降低 合金含量来降低碳当量，虽然可以改善焊接性能，但又降低强度i 4 j 。控制轧制是一 耱链够弱跨影e 彝钢的塑瞧、耘援秘强度麴掇工方法，慕翔这辩方法能够大大遗敬 簿低合金钢的焊接性能，并能僳持其高的强度和取消必骚的热处理。控制轧制和 控裁冷帮工艺稳结合能将熬筑诵楗靛嚣耱强纯效莱耪叠掬，遘一步提麓镊熬赣往 和获得良好的综合力学性能。 微合金诵就是将轧镪和热处理工艺相结合，在所谓控制轧髑条件下 莓发袋起 来的新激钢种引。微合金钢不同予传统的合金钢和低合焱钢，它是在铁索体一珠光 体钢的蘩础上加入微量的铌、钛、钒等强碳氮化物形成元素 “，通过微合金纯与控 剡车l 制、控制冷却相缝台，透道晶粒缎他和第二楣弥数板出的l 乍用，充分发挥这 蹙元素的强韧化作用，获得高的屈服强度、抗拉强度、很好的韧性、低的脆性转 变湿度、往越懿成型整麓秘较好懿海接瞧麓l 。 目前，微台金钢已广泛应用于社会的各个方面，如建筑、髓型工程结构( 超 u 蕈杭、虢重车辆等) 、离压输送管遂、耢粱、毫压容器、汽辜、蔟装辖、戆麓簿， 使用量已占社会钢材总需求量的6 0 左右，已缀成为现代钢铁工业中的主力产品。 1 1 微合金钢发展概况 控制轧制( c o n t r o l l e dr o l l i n g ) 是在热轧过程中通过对金属加热制度、变形制 度和温度制度羽合瑗羧稍，使热塑性变形与蠢寨鞠交结合，以获褥缡小鑫粒缀织， 幢钢材其有优异的练台力学性能的轧制新j ：艺。对低碳制、低合金铡束醴，采用 1 。l ：海大学颂k 学位论文 按制轧制j 艺主蒙是通过控制$ l 制工艺参数，细化变形奥氏体菇糠，经过奥氏体 向铁素体和珠光体的相变，形成细化的铁索体晶粒和较为细小的珠光体球团，从 恧达到掇裹钢鲍强度、翘性秘焊接 生熊夔曩的嘲。 控制冷却( c o n t r o l l e dc o o l i n g ) 是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织 鞠缝糍懿霾的。由于热轧交彭静作磊，馁接交澎囊氏俸淘铁素钵转交瀑菠( a t 3 ) 的 提高，相变后的铁素体品粒容易长大，造成力学性能降低。为了细化铁索体晶粒， 减小珠光体片层间距，黼止磺化物在高溢下析出，以摄高析出镪化效栗而采沼控 制冷却工艺【8 1 。 2 0 墩纪2 0 年代就开始研究钢在热加工时，温度和变形等条件对显微组织和力 学性能斡影响。1 9 2 5 年德国啥内曼( h 。h a n e m a n n ) 等人 乍了这方露的试验秘工厂 实践。第二次世界大战中，荷兰、比利时、瑞欺等国一然没有热处理设备的轧钢 厂，为了提裹锻的强疫秘钢蠖，祷终转瀑度控铡在9 0 0 4 c 羰下，并绘予2 0 3 0 的道次腮下率，生产出具有良好韧性的钢材。遮就形成了采用“低温大压下”细 纯抵碳诵的铁索镩晶粒，疆高强翻性的“控麓车铬旷静簸初橇念。 5 0 年代末和6 0 年代初期，荚国和原苏联等翻先后开展了铡的形变热处理工慧 舄钢材组织和憾能关系的理论研究工作，它为羧制轧甫和控制冷却的枫理研究和 工艺的实践奠定了基础。6 0 年代初，英国斯温顿研究所的科研人员提出铁素体一 珠光体钢中显微组织与性能之间的定徽关系，用表述备种强化机制 乍用的佩奇 f p e t c h ) 关系式明确表明了热轧聪暴粒细化弱重要牲。在低碳含量( 或低珠光馋数壁) 的钢中，细化的铁素体晶粒加上弥散沉淀析出的碳化物质点提离了铜的屈服强度， 弼时也改善了锱戆塑缝和锯缝。 6 0 年代中期，英国钢铁研究会进行了系列研究：降碳改善塑性和焊接性 能，嵇蠲n b 、v 获得高强度，n b 对奥氏体再结箍鹣季牵铡作角激及细纯獒氏谆鑫粒 的各种途径。6 0 年代后期，美国采用控制轧制工艺生产出6s 4 2 2 m p a 的含n b 铜板，闱来制造大口径输油钢管。两本一些钢铁公司用控制轧制工艺生产出强度 赢，低潺韧性好的钢板，劳开发出一系列新的拄制轧制工艺，提出了棚应的控制 轧制理论。 在开发控裁轧裁工艺时，人们致力予降低终# l 瀑壤。在热l 繁镪霪雩，热轧二 艺保持不变，仅采用较低的卷取温度。可消除或减小掇卷头部、中部和尾部的强 i i 海大学顺l 学位沱文 度羞。钢的连续冷却转变( c c t ) 曲线为选择合适的冷却速度和带钢卷取温度提供了 第手参考数据，晚明轧后冷却速度和卷取温度对带钢组织和性能有直接影响， 因而引起人们对控制冷却的重视。 以前人们采用普通喷嘴对钢材进行喷水冷却，但冷却不均匀，冷却效果不理 想。1 9 5 7 年“层流”冷却系统首先被英国钢铁研究协会开发，并且应用在布林斯 沃思市的4 3 2 毫米热轧窄带钢车间。1 9 6 4 年1 2 月在美国克利夫兰市琼斯劳林钢 铁公司2 0 3 0 毫米热轧宽带钢轧机上，采用层流冷却系统进行轧后控制冷却，将实 验室试验结果应用到宽带生产，使之成为工艺的现实。 对厚度达到2 5 4 毫米的中板实行控制冷却是在美国匹兹堡市一座2 2 8 6 毫米带 钢轧机上试验的。1 5 年后，中板控制冷却的概念才首先被日本钢管公司实现，即 1 9 8 0 年在福山工厂建成在线钢板加速冷却设备( o l a c ) 。1 9 8 3 年新日铁，住友金属， 神户制钢和川崎制铁分别在有关钢板厂建立控制冷却装鬣。同时，在欧洲和美国 等轧钢厂也相继采用。 中厚钢板轧后快速冷却首先是在低温控制轧制( 未再结晶型控制轧制) 后进行。 随着人们对再结晶型控制轧制工艺发展的重视，轧后采用快速冷却工艺就更加意 义重大了。 随着控制冷却机理研究的不断深化及其实践，除了在中厚钢板、热轧带钢生 产中采用控制冷却工艺之外，在线材生产中也取得了比较成熟定型的控制冷却工 艺。斯太尔摩冷却法正式发表于1 9 6 4 年。它的问世基本解决了线材的拉拔性能。 后来又发展了各种类型的控制冷却方法，例如拖劳曼法，迪马克一八幡法，热水浴 法等。这些方法在世界各国得到广泛的应用，并且在不断改进和提出新的控制冷 却方法。 近些年来，控制冷却工艺已经成功地运用到棒材、螺纹钢筋、钢管以及型钢 生产和合金钢生产中，并取得了明显的经济效益和社会效益悼j 。 1 2 我国微合金钢发展现状 6 0 年代初，我国在控制轧制、轧后冷却控制和钢材形变热处理工艺研究方面 已经起步，并取得初步成果。例如，对含有c r 、n i 、v 的超高强度钢的形变热处 3 l 二海大学硕i ：学位论义 理工艺研究，轴承钢轧后快冷工艺研究，钢板组织性能与轧制工艺参数关系研究 等。特别是在国家第六个和第七个五年计划期间，国家科委和冶会部将控制轧制 和控制冷却课题作为重点科技攻关项目，组织高等院校、工厂和科研院所的大批 科研技术人员对控制轧制、控制冷却工艺，设备及有关基本理论进行系统地研究。 在变形奥氏体再结晶规律、变形奥氏体相变机制、碳化物析出沉淀规律及其定量 分析、强韧化机制、微量元素的作用，控制轧制和控制冷却工艺的开发，以及新 品种的研制等方面都取得了巨大成果，在某些方面已经接近或达到国际水平。在 这一期间，建立了控制轧制模拟试验室、棒材和板材控制冷却试验室、计算机控 制工艺参数模拟试验室等，为开展控制轧制和控制冷却基本理论研究和开发新工 艺打下了稳固基础，为研制新品种创造了有利条件。同时为有关轧钢厂提供了大 量控制轧制和控制冷却的试验数据，推动了控制轧制和控制冷却工艺的应用。在 武汉钢铁公司、鞍山钢铁公司、重庆钢铁公司、太原钢铁公司、上钢三厂、上钢 一厂、大冶钢厂、大连钢厂和齐齐哈尔钢厂等一些钢铁企业，采用控制轧制和控 制冷却工艺生产出高强度、高韧性的造船、石油、天然气输送管道、锅炉及高压 容器、火车车辆和机械、桥梁和矿山用的各种钢材，开发了新钢种、填补了国内 钢材的部分空白峭j 。 我国已经成为世界最大的钢铁生产国和钢铁消费国，但从钢材的品种结构来 看，我国还不是一个钢铁工业强国。低合金高强度钢，特别是其中的微合金钢已 成为近3 0 年来发展最迅速、最富有活力的钢材品种之一，已被广泛应用于各个工 业部门。从某种角度来说，微合金钢的品种、规格、数量和质量已经成为反映一 个冶金企业综合技术实力的衡量标准。尽管我国在微合金钢控制轧制和控制冷却 工艺开发、新品种研制等方面已取得了很大的成果，但还存在着3 个明显的不足： 1 处于模仿开发阶段，自主创新少； 2 控轧控冷技术受制于现有的装备： 3 台金设计理论指导与生产水平的脱节，宏观的合金设计尚处于基础研究阶 段，而微观层次上的合金设计过于超前。 4 h 海火举顺l ：学位论义 1 3 微合金钢的发展趋势 控制轧制技术最初是应船用厚板的需求而发展起来的，随着工业的不断进步， 对材睾淳的强度、低澄耘往、爆接往( 篱言之低碳讫) 都提出了藿高翁黉求，仗饺 再依靠传统的控制轧制使相交组织微细化已远远不能满足要求，需要在奥氏体控 制轧制的基础上通过冷却来控制襁交本身，从而产生了控制冷却技术。随着物理 冶金知识的不断充实，也为控制轧制、控制冷却技术的研究提供了充分的理论指 导。高度的控制轧制，或组合了控制轧制和控维0 冷却的轧制方法被称为t m c p ( 热 飒城按割工艺) ，它是在“控剃奥氏钵状态”她基础土，再对被控每4 的奥氏体进行 相变的控制。目前，同时运用控制轧制和控制冷却的情况比较多，该方法已成为 生产麓性能鸯强钢繇不爵缺少瓣技术。t m c p 技本在簿叛班终瓣产鑫镶蠛豹运鸡 虽然还存在有很大的可能性，但必须研究如何考虑该领域材质特性的奥氏体组织 控制鞠稻交控稍l ”。授术发震的最蘸沿应与时代霞步转囱莺舔纯，控髑牟t 隶霸控锈 冷却披术未来的发展趋势主袋有以下几个方面： ( 1 1 热机械处理方法有了穰大的发展，轧篇加速冷却，甚楚在离漱奥氏体箧的 直接淬火已披广泛地应用。邋鬻快冷都是在轧后进行，最近又开发了在轧制过程 中进行快冷的新工艺。冷却聪的回火对于获褥钢的高性能具肖重要的意义。 f 2 ) 氮搀为一穆“含金元豢”豹皮髑。这秘技术殴被人们掰接受，出此开发了 许多含氮钢，不仅对于生产钒氮合金化的钢趄一种节省钒铁的途径，也是对于不 宣控氧控冷豹低碳长祭耪，发挥键静强纯作掰爨方法。 f 3 1 从微钛处理到t i o 细晶化和t i c 析出强化有了新的发展，钛微合金化不仅 用予防止时效脆仡和敬善热影响区韧毪，最遗又应瘸予双鞫铡甄提蕊铁素传疆废 和疲劳性能。 ( 4 1 高层建筑用钢的发展趋势是除了要求z 向往能筛，防火和抗震性能也箍到 f 疆，为薅火要求提高钢豹麓滠屡暇强度，抗震则要求钢蹙有较低妁厦强比。 ( 5 1 探讨高强高韧超级钢的工艺新途径，使5 u m 晶粒度的钢达到lu m 晶粒度， 强度拥倍，塑耱淫不簿氮。 f 6 1 为降低微合金钢的生产成本，探索复合合金化和钒、钛、铌的最佳配比。 ( 7 钢中有害元豢的剩瘸，壹l 蘸、磷、锈等，臻缝锶谈生产纳入绿色王鼗莲鬻， 海大学礤l ：学位论文 纛助予钢铁材糕的可持续发展。 1 4 大瞧枫用磁极磁轭钢研究现状 磁极磁轭是水轮发电觇转子体的关键部件。磁辘是由2 4 爨米厚热孝l 钢板藏 合成的商度为2 0 0 0 4 0 0 0 毫米的大环件，装配精度要求在千分之五以下，是水轮 发电毒足缀蠲楗最大弱部俘；磁极楚由2 3 万张l 。5 毫岽浮冷毒t 镪援叠合成戆裹发 为2 0 0 0 , 一4 0 0 0 毫米、直径为十几米的大环件，通过磁轭连接在水轮发电机转子体 籀土。磁稷磁辘均壹接在5 0 1 0 0 毫絮豹磁场下工终，鞫霹还承受着基大豹转貔 惯量【1 。因此，为了提高水轮发电机的发电效率，必须臻求磁极磁轭其有高的尺 寸精度和足够静强度，以保证槐组高速运行的平衡和稳定；同时又必须基有忧懿 的磁通量，以保证机组减少涡流损失 。丽旦，对于磁极板来说，还必须具有比 磁轭板熨好的电磁性能和更高的尺寸精度，因此，磁极板必须选用冷轧钢板。目 翦，世舞一毫只有少数发达国家，如基本、德国、美国等g 够生产优质的磁极板”。 “八五”之前，我国大型水电机组用磁极钢板1 0 0 依赖进口，圜家为此每年都需 凌耗费大量熬乡 汇。 大电机用磁极磁轭钢是在低碳锰钢的基础上加入微量的铌、钛、钒等强碳氮 纯耪形畿元素，零j 焉锈、镰、钒等台金元素熬溶解聿嚣窦特往，采蠲控翻轧裁帮控 制冷却披术进行细晶强化和析出强化，从而得至0 较高的强度性能，同时又具有瞧 好的磁性能，圜此在承轮发电税上得到了广泛的应用 l j 。莓前，宝铜蘸成功开发 出了d j i 。2 4 5 和d j l 3 5 0 冷轧磁极钢板【1 2 】，但对予屈服强度大于3 5 0 m p a 的磁极板以 及屈服强度达到5 5 0 m p a 的磁轭板的开发仍需做大量的研究工作，以便尽快开发出 燹裹强凄缀别蛉磁极磁辘叛来满足社会添求。 对于磁极磁轭钢板磁性能的研究，本课题组已经取得了阶段性成果，得到了 皂学裁分与途帮磁感应强度b 5 。、b 鼢敬定量关系式【1 3 】，粕一f 蓦孽示， b 旷1 8 2 5 5 一o 2 4 1 1 c 一o 0 3 7 0 m n 一0 0 7 0 6 s i 纷一0 0 8 7 i a l ( 1 1 ) b ，n o = 1 9 3 2 7 一o ， 1 6 2 c - - 0 。0 1 7 8 m n - - 0 ，0 3 4 0 s i - - 0 。0 4 2 0 a i ( 1 2 ) 上丽式可为磁檄磁轭钢的成分设计提供磁性能方面的参考依据。 6 母太学虬l 学位论立 1 5 本课题研究的内容及意义 随着水电机组逐步向大型化发展，为了确保机组高效、安全、长周期运行， 对磁极磁轭钢板的强度、塑性、精度、抗磨蚀性虬及工艺性能等方面又提出了更 高的技术要求，尤其是要提高其力学性能和磁性能。研究一个钢种，主要是对其 成分、组织、生产工艺与性能之间的关系进行研究。尽管对于微合金钢前人已做 了大量的研究工作，但对于磁极磁轭钢板的研究，这方面的文献资料还比较少， 尤其是对磁极磁轭钢的性能与成分、生产工艺之问的定量关系研究就更少。 本研究为该项目的一个方面，本研究的目的是想通过对强度级别为4 0 0 m p a 的磁极钢和5 5 0 m p a 的磁轭钢的力学性能与其化学成分、轧制工艺等影响因素之间 的关系研究，合理确定其化学成分和轧制工艺参数，从而得到性能优良、满足要 求的磁极磁轭钢板。并为进一步开发更高强度级别的磁极磁轭钢板提供参考依据， 以满足我国水电发展对磁极磁轭铜板的大量需求，推动我国磁极磁轭板生产技术 水平的提高。本课题的研究内容有： ( l ) 磁极磁轭钢板微合金系的选择； ( 2 ) 磁极磁轭钢板化学成分与力学性能之间的关系： ( 3 ) 典型的d j l 4 0 0 冷轧磁极板和w d e r 5 5 0 热轧磁轭板的化学成分的设计； ( 4 ) d y l 4 0 0 磁极板和w d e r 5 5 0 磁轭板的实验室试制研究； ( 5 ) d j i a 0 0 磁极板和w d e r 5 5 0 磁轭板磁| 生能和力学性能与轧制工艺参数的关 系。 为此，我们首先对低碳结构用n b v 和n b 。t i 复合微合金钢的性能和轧制工艺 特点进行了比较，然后在现有文献的基础上使用线性回归分析方法对数据进行 线性回归，从而得到化学成分与力学性能之间的定量关系式，利用此关系式进行 磁极磁轭钢性能的预报，确定其化学成分。根据已确定的化学成分，使用真空感 应炉炼制了四种不同成分的n b v 系和n b t i 系试验钢锭，然后对其分别采用不同 的轧制工艺，撮终获得具有不同性能的磁极磁轭板。最后对试验结果进行数据分 析，从而确定出合理的轧制工艺参数，为实际生产提供参考依据。 析，从而确定出合理的轧制工艺参数，为实际生产提供参考依据。 。海人学硕，l 学位论文 第二章 低碳结构用n b - v 和n b - t i 复合微合金钢性能的比较 钢铁生产中的微合金化技术的开发和应用是上世纪后期物理和力学冶金的重 大进展之一”j 。开始采用微合金化的低碳结构用钢的含碳量一般为0 1 0 2 ，称为 铁素体一珠光体钢【2 1 。随着控n s l n 技术的发展及细晶强化作用的加强，使得碳含 量进一步降低，以减小其对韧性及焊接性能的不利影响，从而产生了含碳( o 1 的少珠光体钢【2 】。但近年来，随着结构用钢强度要求的提高，对含碳量为o 0 5 0 1 5 左右的微合会钢的研发日趋活跃。微合金钢中常用的添加元素为t i 、n b 、v ，而 其中的n b 由于其溶解和析出特性在钢的热加工温度范围最具活力【3 l ，在钢的热形 变和相变过程中，能够有效调整各种物理冶金因素，其细化晶粒和析出强化作用 最为突出。因此，为充分获得细晶强化的作用，在设计低碳微合金结构用钢时， n b 往往是首选的微合金元素。但研究和生产实践显示，单纯的n b 钢应用有所局 限。如n b 在奥氏体中溶解量有限，低温奥氏体区轧制时轧制压力较大等 4 】。另外， n b 钢在连铸过程中往往易于产生一种横向裂纹，若同时加入一定的v ，横裂现象 就明显改善【1 。因此为了克服n b 钢的局限和不利特性，在开发较高强度级别的微 合金结构用钢时，往往复合地加入n b v 或n b t i 。尽管也有同时添加t i 、n b 、v 的情况f 1 5 】，但由于其最终性能对更多的生产工艺因素较为敏感，因此对生产工艺 的控制要求也较高”。一般情况下，仅同时加t i 或加v 的复合微合金钢还是较为 多见，目前对这两类复合微合金钢的研发都很活跃4 1 1 6 1 ”。因此在本研究中，我 们将主要考虑同时加入t i 或v 的复合微合金钢。有文献曾指出，在钢板冷轧后的 退火过程中，含钛钢与含钒钢相比，含t i 钢的强度损失要小。因此要获得屈服强 度大于3 5 0 m p a 的高强度冷轧薄板带，往往采用n b t i 复合的微合金钢。 综合以上的考虑，磁极、磁轭钢微合金系的选择原则如下：对于热轧磁轭钢 。区选用n b v 系微合金钢；对于冷轧磁极钢则宜选用n b t i 系微合金钢。本实验中， 为了更全面地研究微合金元素铌、钛和钒对最终性能的影响关系，对磁极磁轭板 均将采用n b t i 系和n b v 系来进行研究。 2 1 强度方面的比较 力学性能中的强度指标往往是结构用钢的首要技术要求。从呵能达到的屈服 8 强度方面比较，无论是n b v 还是n b t i 钢都可达到高于3 5 0 m p a ，直至7 0 0m p a 的各种强度级别( 见图2 - 1 ) 2 0 o 但图2 - 1 中也显示，在相同的微合金元素总量的 条件下，n b t i 钢达到的屈服强度比n b v 钢要高。这是因为n b t i 钢的沉淀强化 对屈服强度的贡献比n b v 钢要的大 2 1 1 。而微合金元素的析出强化效果与其晶格常 数大小有关，碳氮化物的晶格常数与铁的晶格常数差别越大( 即错配度越大) ，在 析出物质点周围产生的应力场也越大，则析出强化的效果也越大p 。按文献【1 ， n b c 、n b n 、t i c 、t i n 、v c 、v n 的错配度分别为1 8 6 4 、1 7 4 6 、1 6 0 3 、1 4 1 0 、 1 3 2 2 、1 2 0 3 ，因此，同样的微合金元素含量下，n b 引起的析出强化效果最大， t i 次之，而v 最小。 8 0 0 * 瑚6 0 0 嚣 廿 世 疆4 0 0 罄 唾 2 0 0 ，。卜五： 一 一口 ， ，9 ， 1 z ：p 1 r 1 1 0 n 9 0 罴 京 7 0 芝 趟 鼎 5 0 藿 3 0 帆 妮 钒+ oo “铌 钒+ o0 7 0 1 傩铌 键+ 镀 u n0 5 u 】u n 1 5q2 002 5 微台金化元素 图2 - 1微合金元素含量与屈服强度的关系【2 0 】 从抗拉强度方面比较，据文献【2 1 】，n b v 钢的抗拉强度比屈服强度高约7 3 2 5m p a ，而n b t i 钢的这个差值为1 1 5 + 4 2m p a ( 见图2 2 ) 。从图2 2 也可知，在 屈服强度低于6 0 0 m p a 时，n b v 钢的屈强比比n b - t i 钢的要高。 * 讲 警 斗 、 趟 剐 盛 唾 图2 2n b v 和n b 一豇钢屈服强度和抗拉强度的关系 1 一低铌+ 钒钢；2 一高铌+ 钒钢；3 一低钛+ 铌钢；4 一高钛+ 铌钢 9 l 海火学硕l 学位诧文 2 2 韧塑性方面的比较 文献 2 2 提供了两个不同微合金系的钢的性能比较，其主雾化学成分和强韧性 指标冤裳2 - 1 。 表2 - 1n b - v 和n b t i 钢的力学性能的比较【2 2 1 l 钢号化学成分w t 力学性能 cm n v n b髓 6s m p a6b m p a6 a k j n b 1 1 o 0 6 1 4 0 0 80 0 76 0 76 7 32 01 5 n b v0 。0 6l 。|0 ，1 00 0 7 5 9 96 7 02 05 裘2 1 显示，该蘧耪钢主要化学成分一致，达到的强度指糠也是基本一致豹， 只是n b v 钢的微合金元素总照比n b t i 钢略商，这怒与文献【2 0 的估计相符的。 表2 一l 逐显示，在瑶黢强度秘撬拉强痰基本耀当嚣，嚣摹孛钢数延 孛事怒撵弱，嚣 低温冲击韧性值呈明强的差别，n b t i 钢要优子n b v 钢。据文献 5 】的研究表明， 含v 铺的冲击蠲往与箕含氮爨有关。警v 与n 含量懿吾分数黎积越大，烫| l 鞫羧越 差，即冲击转折温度上升，冲击韧性功下降( 见图2 3 ) 。与含t i 钢相比，当v 、 n 含鬣乘积太于o 0 0 2 时，n b t i 钢优于n b v 锅，遮可能正如表2 一l 的情况“僵 当v 、n 含量乘积小于o 0 0 1 融，情况则相反。 p 上 世 鹾 蠡 糟 蹙 f 蝌】【* 糖 图2 - 3v 、n 含量对韧性的影响 2 3 织构方面的比较 对二j 结构用徽合余钢的绥梅研究，由于缓构壤懑性能( 冲艇性能和电磁性能 1o 等) 不是其主要性能指标，长期以来，不如对低碳及超低碳的深冲用钢和电工用 钢那样活跃和深入。但早期的研究也发现，尽管在奥氏体区终轧，微合会钢的织 构是很微弱的【2 ，但当终轧温度在9 0 0 。c 或更低，尤其是进入两相区轧制时，会产 生一定的热轧织构2 卜2 ”。这将会影响钢的冲击性能并引起冲击韧性和屈服强度的 各向异性【”。”，可能也是导致分层的原因之一【2 3 】。在评价微合金元素对织构的影 响方面，文献 2 5 】曾指出，在铁素体织构的形成过程，钒的作用是较微弱的。文献 2 2 则仔细考察了化学成分如表1 所列的两种钢的从表面至中心的不同板厚位置的 织构分布。其主要差别可用如图2 - 4 所示的o d f 的q 取向线显示。 3 i o 2 5 2 o 1 5 1 d o 5 o o 。 5 4 嚣。 匿 蹲2 1 o b i 2 o ( a ) 哆7) ， f 、， n b _ t 弋心 r - r 一 咚_ - 牛、-多 要 o 1 0 2 旷。柏s 0 o 。7 0 a o 9 0 i b 9p 肾 ， 气 v - n g、 、 弋 暑 8 舌过 己 = t 、- t - 。口1 = 量 o 1 r2 0 。3 矿柚5 0 t 矿舯 2 士戡 。 。飞 支 u 、 吣一 ，。d - 1 - o 1 d 如。3 0 。蚰5 0 舯7 0 i o 9 0 血 图2 4n b v 和n b t i 钢的o d f 的a 取向线1 2 2 图2 4 表明，这两种钢在：热轧织构方面的差别有两点：n b t j 钢的最强织构 组分是 1 1 3 ( 1 1o ) ，丽n b v 钢的则为 1 l5 ( 1 1 0 ；n b v 钢中的f l o o ( 0 1 l 1 1 i 二海人学项 = 学位论文 织构组分比n b t i 钢的要强。而0 0 0 ) ( 0 1 1 ) 组分无论对冲压性能还是对磁性能的 影响都很大，因此对于需考虑冲压性能或磁性能的结构用微合金钢，织构的状态 及其影响因素，正成为日益关注的热点。 2 4 焊接性能方面的比较 焊接性能一般包括焊接工艺性能和焊缝使用性能。为综合考虑化学成分对焊 裂趋势的影响，往往采用碳当量指标。碳当量越高，则焊接工艺性能也越差。碳 当量公式较多，但长期以来国际焊接协会采用如下碳当量公式 1 ： c e ：c + m n + 6 c r + m o + vn i + c m 文献 2 6 1 认为，( 1 ) 式是根据较高碳含量得出的，适用于碳含量为o 0 7 0 2 2 的碳当量公式最好采用下式： c e = c + 丽m n + 要+ 等+ 嚣+ 旦2 0 + 丝1 5 + 旦1 0 + 镏 协：、 2 03 06 02 0 f 2 2 、 无论按( 1 ) 式或( 2 ) 式