（材料加工工程专业论文）微合金化热轧带钢卷取温度凹型冷却控制研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 微合金化热轧带钢卷取温度凹型冷却控制研究 摘要 微合金化生产技术被很多热轧带钢厂采用。本文主要研究微合金化钢有管 线钢、i f 钢等。在热轧微合金化热轧带钢中，常出现钢卷首尾的组织性能与中 间部分存在差异，其中头尾强度较高，但塑性较低。产生这种结果的主要原因是， 卷取时钢卷首尾温降较快，而与中部的温差增大，不同的冷却速度影响其相变过 程，从而使钢卷首尾的组织性能与中间部分存在差异。针对这种情况，提出了凹 型冷却方案。即将钢卷的首尾卷取温度提高，使卷取温度分布呈凹型，以提高整 卷钢带性能的均匀性。本文的目标就是确定不同条件下最佳的凹型温降模型。 本文中的实验选用某热轧厂i f 钢及管线钢作为原料，为确定最佳的凹型温 降模型做了大量相关的实验。 在带钢相变实际终止温度以下，不同的冷却速度不会再影响其机械性能。 从实验中也可以看出，i f 钢对机械性能无影响的温度约为5 5 0 。c ，x 6 5 对机械性 能无影响的温度约为4 0 0 。 通过实验可以发现，热轧带钢组织性能的不均将会在冷轧产品上有所体现。 这说明要提高冷轧产品的性能，除了要制定合理的冷轧工艺流程外，很重要的一 点是要有性能均匀的热轧产品作为冷轧原料。 实验证明，凹型冷却确实有利于提高带钢首尾与中部的均匀性。凹型冷却 使带钢首尾的强度和硬度下降，塑性有所提高。通过金相相片的观察分析也可看 出，凹型冷却使带钢首尾碳化物的析出增多，晶粒尺寸比较均匀，从而使整条带 钢的组织性能都趋于均匀。 基于上述实验，通过对卷取温度场的分析，采用有限差分法建立了最佳的 凹型冷却卷取温度模型，并模拟计算出不同规格带钢首尾与中部的卷取温度差值 和首尾温差的带钢长度。 将实验数据分析和数值模拟计算结果应用于现场，经过生产实践表明，凹 型冷却的实施达到了本文预定的目标，它能改善整卷带钢的性能均匀性，使首尾 和中部的屈服强度差值控制在l o 以内，提高产品的质量和成材率，从而增加经 济效益。 关键词 凹型冷却微合金化塑性有限差分法卷取温度场 i i 东北大学硕士学位论文hbstract t h ec o n t r o lm e t h o do fh o tr o l l i n gs t r i pb ym i c r o a l l o y i n g c o n c a v i t yc o i l i n gt e m p e r a t u r e a b s t r a c t m a n yh o tr o l l i n gf a c t o r y sa d o p tm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eb ym i c r o a l l o y i n g t h e r ea r cs o m et y p i c a ls t e e lb ym i c r o a l l o y i n g ，s u c ha si fs t e e l ，p i p e l i n es t e e l ，e t c ，w h e n t h eh o ts t r i pb ym i c r o a l l o y i n gi sr o l l e d ，s t r u c t u r ep r o p e r t yo fs t r i pb e t w e e nh e a d t a i l a n dc e n t r ep o r t i o ni sa l w a y sd i f f e r e n t ，w h i c ht h eh a r d n e s so fh e a d - t a i li sh i g h e ra n d p l a s t i c i t yo fh e a d - t a i li s l o w e r i ti sb e c a u s et h et e m p e r a t u r eo ft h eh e a da n dt a i lo f s t e e lc o i li sa p tt ol o w e rf a s t e rt h a nt h em i d d l ep a r ti nt h ep r o c e s so fc o i l i n g d i f f e r e n t c o o l i n gs p e e d sh a v ea ne f f e c to np h a s et r a n s i t i o n ，w h i c hc a l ll e a dt od i f f e r e n ts t r u c t u r e p r o p e r t yi nd i f f e r e n tp a r t s t ot h es i t u a t i o n ，w ep r o p o s ec o n c a v i t yc o o l i n gs c h e m e s n a m e l y , r a i s i n gt h ec o i l i n gt e m p e r a t u r eo ft h eh e a da n dt a i lo fs t e e lc o i li n t e n d st o i m p r o v et h ee v e nq u a l i t yw i t hp e r f o r m a n c eo fw h o l es t e e lc o i l ，t h eg o a lo ft h i s e x p e r i m e n t i st oc o n f i r mt h eb e s tc o n c a v i t yt e m p e r a t u r em o d e lu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s t h i se x p e r i m e n ts e l e c t si fs t e e la n dp i p e l i n es t e e la sr a wm a t e r i a l s f o r c o n f i r m i n gt h eb e s tc o n c a v i t yt e m p e r a t u r em o d e l ，w em a k eal a r g ea m o u n to fr e l e v a n t e x p e r i m e n t s b e l o wt h ea c t u a le n d i n gt e m p e r a t u r eo fp h a s et r a n s i t i o n ，d i f f e r e n tc o o l i n g s p e e d sc a n ti n f l u e n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h es t e e l i tc a nb ef o u n do u tf r o m t h ee x p e r i m e n tt h a tt h es t r u c t u r ep r o p e r t yb e t w e e nt h ea i r - c o o l i n gs a m p l e sa n dt h e w a t e r - c o o l i n gs a m p l e sa t6 0 0 a r ed i f f e r e n t b u t a t 5 5 0 ，5 0 0 ，4 5 0 ，t h e i r s t r u c t u r ep r o p e r t ya r es i m i l a ri ns p i t eo ft h ed i f f e r e n tc o o l i n gs p e e d s i tp r o v e st h a t t e m p e r a t u r ew h i c hh a sn oi n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yi sa b o u t5 5 0 。c t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tw ec a r lf i n dt h a tt h ei n e q u a l i t yo ft h es t r u c t u r ep r o p e r t y o fh o tr o l l i n gs t e e lc a nr e f l e c tt os o m ee x t e n to nt h ec o l dr o i l i n gp r o d u c t s i tp r o v e s t h a ti no r d e rt oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo fc o l dr o l l i n gp r o d u c t s ，b e s i d e st h er a t i o n a l t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fc o l dr o l l i n g ，t h ev e r yi m p o r t a n tp o i n ti st oo b t a i nh o tr o l l i n g p r o d u c t sw i t he v e np e r f o r m a n c ea sr a wm a t e r i a l so f c o l dr o l l i n g 一i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a tc o n c a v i t yc o o l i n gc a l li m p r o v ee v e nq u a l i t yo ft h e w h o l es t e e lc o i l c o n c a v i t yc o o l i n gl e a d st ot h ed e c r e a s eo ni n t e n s i t ya n dh a r d n e s so f t h eh e a da n dt h et a i lo ft h es t e e lc o i l ，b u tt h ei n c r e a s eo np l a s t i c i t y m e a n t i m e ， c o n c a v i t yc o o l i n gr a i s e st h eq u a n t i t yo fp r e c i p i t a t ea n d t h es i z eo fc r y s t a lg r a i no ft h e h e a da n dt h et a i lo fs t e e lc o i lt os o m ee x t e n t w h i c hc a u s e st h es t r u c t u r ep r o p e r t yw i t h w h o l es t e e lc o i lm o r ea n dm o r eu n i f 0 1 t i i b a s e do nt h ea b o v e m e n t i o n e de x p e r i m e n t ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fc o i l i n g t e m p e r a t u r ef i e l d ，w ea d o p tf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dt o s e tu pt h eb e s tc o n c a v i t y c o i l i n gt e m p e r a t u r em o d e l b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et e s td a t aa n dt h er e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t e dc a l c u l a t i o n ，w ep u tt h ec o n c a v i t yc o o l i n gm e t h o di n t op r a c t i c e ， a n da c h i e v et h ee x p e r i m e n tg o a l 1 1 1 ec o n c a v i t yc o o l i n gm e t h o di m p r o v e st h eu n i f o r m q u a l i t yo f t h ew h o l es t e e lc o i l a n di n c r e a s e st l l ee c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d sc o n c a v i t yc o o l i n g ，s t e e lb ym i c r o a l l o y i n g ，p l a s t i c i t y , f m i t e d i f f e r e n c e m e t h o d ，c o i l i n gt e m p e r a t u r ef i e l d i v ， 查! ! 叁茎堡圭兰竺耋圭 丝型兰耋塑 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：掰 日期：一多3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 1 文献综述 1 文献综述 1 1 微合金化生产技术和发展概况 微合金化技术是2 0 世纪7 0 年代在国际冶金界出现的新型冶金学科。微合金 化钢是采用现代冶金生产流程生产的高技术钢铁产品。它是在普通的低碳锰钢中 添加微量( 通常小于o 1 ) 的强碳氮化物形成元素( 如：n b 、v 、t i 等) 进行合 金化，通过高纯洁度的冶炼工艺( 脱气脱硫及夹杂物形态控制) 炼钢，在加工过 程中施以控制轧制和控制冷却等新工艺，通过控制细化钢的晶粒和碳氮化物沉淀 强化的物理冶金过程，在热轧状态下获得高强度、高韧性、高可焊接性、良好的 成型性能等最佳机械性能配合的工程结构材料一微合金化钢。 1 1 1 微合金化技术的原理 化学元素周期表中3 - 4 周期的i i i v 副族元素具有极强的化合能力，通常称 之为微合金化元素。常用的微合金化元素主要有n b 、v 、t i 、b ，它们在钢中的 加入量一般在0 1 左右( b 为0 0 0 1 左右) 。这些元素可以固溶于钢中，造成晶 格的点阵畸变，从而起到固溶强化作用。但由于这些元素的加入量极少，因而钢 材性能的提高主要不是依靠合金元素的固溶强化作用，而主要是由于n b 、v 、 n 可以和c 、n 形成碳化物和氮化物从而引起晶粒细化和析出强化，这是这些微 合金化元素强烈影响性能的原因所在。b 在钢中微量存在大大增加钢的淬透性。 n b 、v 、t i 都是强c 、n 化物形成元素，可以形成高熔点高硬度的碳化物和氮化 物，例如：n b c 的熔点是3 5 0 0 。c ，硬度是2 0 5 0 h v ，v c 的熔点是2 8 3 06 c ，硬度 是2 0 1 0 i - i v ，t i c 的熔点是3 1 5 06 c ，硬度是2 8 5 0 h v 。这些碳化物和氮化物在钢 中可以起两方面的作用。 一方面这些碳化物和氮化物的熔点很高，沉淀在奥氏体晶界上，加热时不易 溶入奥氏体，可阻止奥氏体晶粒的长大，从而大大细化晶粒。实践证明，钢材的 晶粒越细小，其强度也就越高，屈服强度与晶粒直径的关系式就著名的h a l l p e r c h 公式【1 】 a s = ( 1 i 十k d 。1 尼( 1 1 ) 式中，魂一屈服应力； d 一晶粒直径； o 和k 是与材料有关的两个常数。 细晶强化不同于其它强化方法。其它强化方法在提高材料强度的同时会造成 一】 东北大学硕士学位论文 l 文献综述 材料韧性的损失，而细晶强化不但可以提高强度，而且还可以同时提高塑性和韧 性，这是因为当晶粒细化时，材料的晶界总表面积增加，晶界上杂质元素偏析的 浓度将会降低，有害影响将会减少，韧脆转变温度就会降低，从而使材料塑性得 以提高。 另一方面，固溶于奥氏体中的n b 、v 、t i 的碳化物和氮化物也可以在奥氏 体转变成铁素体过程中或转变之后析出，在铁的晶格中会阻碍位错运动，使合金 的强度得到提高。强度的提高与析出质点的体积分数、分布方式及尺寸大小成比 例。在微合金化钢中，由沉淀粒子的析出所引起的强化会非常显著，这是由于析 出质点非常细，通常小于1 0 n m ，而且弥散分布。因此细晶强化和沉淀强化在微 合金化钢的强化机制中占主导地位。 1 ，1 2 我国微合金化技术的进步与差距 从1 9 7 5 年第1 届国际微合金化会议至1 9 9 5 年的第2 届会议，国际冶金界对 钢的微合金化的理论价值达成了共识，对在传统的低合金高强度钢基础上研发微 合金化钢有了广泛的兴趣。近1 4 世纪以来的冶金工艺技术有了突飞猛进的进展， 如高质量铁源、铁水预处理、转炉项底复吹强化冶炼、炉外二次冶金及真空处理、 高效连铸、薄板坯连铸连轧、热机械处理等一系列技术开发，使微合金化钢的发 展如虎添翼，尤其是钢的微合金化与控制轧制技术相结合，成为2 0 世纪钢铁业 的重大技术进展之一，对产业技术革命和社会发展产生了不可估量的推助作用。 我国自1 9 7 9 年引人钢的微合金化技术的2 0 余年来，经历了3 个不同的进展阶段： ( 1 ) 用微合金化技术改造我国原有的低合金高强度钢体系： ( 2 ) 微合金化技术与控轧控冷技术的结合，开发市场急需的微合金化钢新 品种； ( 3 ) 微合金化技术在新一代钢铁材料研发中的应用：我国微合金化技术的 综合应用，按国外“成熟度模型”衡量已脱离初始级，达到了可重复级和已定义 级水平的企业约占生产微合金化钢企业的4 8 ；钢铁企业的工艺和装置的改造已 基本上提升到国际2 0 世纪9 0 年代中、末期的发展水平：“九五”期间，具有自 主知识产权的微合金化钢材新品种达8 2 个；微合金化钢开发已广泛采用宏观合 金设计方法，介观和微观合金设计研究及成果已成功指导国内新一代钢铁材料的 研发；微合金化技术的基础研究已突破模仿而进入自主创新阶段，形变诱导析出、 形变诱导相变以及弛豫一析出一相变的工艺原理等属于学科前沿的课题，其理论 深度己超越日本、韩国、欧盟的研究范畴，2 0 0 2 年于日本举行的第1 届国际超 级结构钢会议( i c a s s2 0 0 2 ) 上我国专家发表了3 1 篇论文。 若与当前国际微合金化技术发展水平相对照，主要差距在如下5 个方面： 2 东北走学硕士学位论文 1 更献练进 材料韧性的损失，而细晶强化不但可以提高强度，而且还可以同时提高塑性和韧 性，这是因为当晶粒细化时，材料的晶界总表面积增加，晶界上杂质元素偏析的 浓度将会降低，有害影响将会减少，韧脆转变温度就会降低从而使材料塑性得 以提高。 另一方面，固溶于奥氏体中的n b 、v 、t i 的碳化物和氮化物也可以在舆氏 体转变成铁素体过程中或转变之后析出，在铁的晶格中会阻碍位错运动，使合金 的强度得到提高。强度的提高与析出质点的体积分数、分布方式及尺寸大小成比 例。在微合金化钢中，由沉淀粒子的析出所引起的强化会非常显著，这是由于析 出质点非常细，通常小于1 0 r i m ，而且弥散分布。因此细晶强化和沉淀强化在微 台金化钢的强化机制中占主导地位。 11 2 我国微合金化技术的进步与差距 从1 9 7 5 年第l 届国际微合金化会议至1 9 9 5 年的第2 届会议，国际冶金界对 钢的微合金化的理论价值达成了共识，对在传统的低合金高强度钢基础上研发微 合金化钢有了广泛的兴趣。近1 4 世纪以来的冶金工艺技术有了突飞猛进的进展， 如高质量铁源、铁水预处理、转炉顶底复吹强倔冶炼、炉外二次冶金及真空处理、 高效连铸、薄板坯连铸连轧、热机械处理等一系列技术开发，使微台金化钢的发 展如虎添翼，尤其是钢的微合金化与控制轧制技术相结合，成为2 0 世纪钢铁业 的重大技术进展之一，对产业技术革命和社会发展产生了不可估量的推助作用。 我国自1 9 7 9 年引人钢的微合金化技术的2 0 余年来，经历了3 个不同的进展阶段： ( 1 ) 用微合金化技术改造我国原有的低合金高强度钢体系； ( 2 ) 微台金化技术与控轧控冷技术的结合，开发巾场急需的微合金化钢新 品种： ( 3 ) 微合金化技术在新一代钢铁材料研发中的应用：我国微合金化技术的 综合应用，按国外“成熟度模型”衡量已脱离初始级，达到了可重复级和已定义 级水平的企业约占生产微合金化钢企业的4 8 ：钢铁企业的工艺和装置的改造已 基本上提升到国际2 0 世纪9 0 年代中、末期的发展水平；“九五”期间，具有自 主知识产权的微合金化钢材新品种达8 2 个；微合金化钢开发已r 泛采用宏观合 金设计方法，介观和微观合金设计研究及成果已成功指导国内新一代钢铁材料的 研发；微合金化技术的基础研究已突破模仿而进入自主创新阶段，形变诱导析出、 形变诱导相变以及弛豫一析出一相变的工艺原理等属于学科前沿的课题，其理论 深度已超越日本、韩国、欧盟的研究范畴，2 0 0 2 年于日本举行的第l 届国际超 级结构钢会议( i c a s s2 0 0 2 ) 上我国专家发表了3 1 篇论文。 若与当前倒际微台金化技术发展水平相对照，主要差距在如下5 个方面： 若与当前国际微台余化技术发展水平相对照，主要差距在如下5 个方面： 2 东北大学硕士学位论文 1 叉献综述 ( 1 ) 基础研究的领先层还局限于少数研究单位和高等学府。有效的钢材品 种开发局限于宝钢、武钢、鞍钢、攀钢、舞钢及本钢等少数大型钢铁企业： ( 2 ) 现行的生产工艺和装备不适应微合金化技术的应用和开拓，尤其在轧 制道次间和终轧后的加速控制冷却方面； ( 3 ) 物理冶金的研究主要在指导板带材生产方面取得了长足的进步，但在 微合金化钢的在线组织。性能控制方面还处于基础探讨阶段； ( 4 ) n b 在钢铁中应用刚刚由微合金化钢扩大到合金钢、工具钢和不锈钢等 其他钢类，n b 在冶金方面的应用中，有9 5 用在微合金化钢生产； ( 5 ) 通常以n b 为代表，其在钢铁业的消费强度表征微合金化技术的发展 水平，2 0 0 1 年我国板带材的铌铁消耗强度为2 1 7 8 趴粗钢，而长条材仅0 7 7 g t 粗钢。2 0 0 1 年钢铁总消费量为1 2 6 1 t ，平均消费强度为8 3 叭粗钢，为工业发达 国家的1 8 - 1 1 0 0 。 1 1 3 国外微合金化技术进展及其发展趋势大致可归纳如下 ( 1 ) 微合金化技术的应用，以晶粒细化强化最为重要。晶粒细化和碳氮化 物析出是微合金化钢强韧化的基础。钢的组织和性能的关系以及以晶粒尺寸为主 导的强度表达式，仅适于常规轧制的铁素体一珠光体类型组织。正试图探讨涵盖 微珠光体、针状铁素体、超低碳贝氏体等组织类型、以碳氮化物析出诸参数为主 导的强度表达式。 ( 2 ) 热机械处理( t m c p ) 的出发点在奥氏体调节，归宿于y n 的富化生 核。由此把控制轧制归纳为高温再结晶控轧和正常化控轧两类，由再结晶的延缓 力和再结晶的驱动力的影响因素的考察，指导第一类控轧钢的微合金化设计：主 要由形变诱导机制进行的第二类控轧钢的合金设计，构成t m c p 工艺物理冶金 的核心。 ( 3 ) 生产装备和生产工艺现代化对钢的性能的影响集中体现在钢的精炼、 连铸及轧后的控制冷却，亦即钢的洁净化、铸坯结构及精细组织、最终的相变动 力学三者建立起了微合金化钢强韧化新理论。 ( 4 ) 复合微合金化得到了广泛的应用，近1 0 年来开发了高温塑性连铸钢、 大线能量焊接无裂纹钢、深冲冷成型钢、烘烤硬化钢、抗硫化氢应力腐蚀钢、无 时效倾向桥梁钢、低屈强比抗震钢等一系列钢材新品种，在钢的性能高级 化方面跨出了一大步。 ( 5 ) 已成功开拓了铌在低碳建筑材中的应用、在中碳锻钢和高碳线材中的 应用、以及在合金钢和高合金钢中的应用。 3 东北大学硕士学位论文 1 文献综述 1 2 微合金化技术的应用 微合金化技术已经应用于非常广泛的钢材生产中。用其技术生产出的高强度 薄板，用于汽车制造，使车体重量减轻、可节省燃油，从而保护环境；用于造船， 船体减轻，可装载更多的货物：而对于管线用结构钢，如一个长1 8 m ，半径1 0 0 m m 的管道，用高强度钢x 7 0 代替低强度钢时，其重量可从1 4 t 降到6 t ；另一方面是 民用建筑用钢，用4 6 0 m p a 的高强度钢代替低强度钢( 2 3 5 m p a ) 可节省材料4 0 ， 重量降低超过5 0 ，焊接材可节约7 0 以上。众所周知，提高钢的强度既简单 又便宜的方法是增加碳含量。然而，这种方法会使钢的其他性能遭到削弱。如成 型性、焊接性、韧性和其他一些性能，都会随着碳含量的增加面降低。因此碳含 量必须保持在低水平。在低碳钢中为了获得高强度并同时保持高水平的综合性能 最经济的方法是应用微合金化技术。 1 2 1 我国微合金化的资源优势 铌是元素周期表第五周期v b 族元素，元素符号n b ，原子序数4 l ，原子量 9 2 9 0 6 3 8 ，为难熔稀有金属。金属为钢灰色，体心立方结构，密度8 5 7 9 9 c m 3 ， 熔点2 4 6 8 7 2 ，沸点4 7 4 2 7 2 。在所有金属中铌具有最高的超导转变温度。 铌在地壳中的平均含量为o 0 0 2 4 ，海水中含铌l x l 0 。9 。铌的宇宙丰度为0 9 ， 已发现妮铌矿物约1 3 0 种，获工业应用的矿物7 种。世界铌探明储量以氧化铌计 约为3 8 0 0 万吨，巴西为世界最大铌资源，查明储量2 3 0 0 万吨。包头白云鄂博铁 稀土铌综合金属矿，是中国最大铌矿山。储量6 6 0 万吨。按目前消费水平计，上 述铌储量可供世界5 0 0 年甚至1 0 0 0 年使用。 我国的铌资源有两个不利特点：一是铌矿石品位偏低，二是共生矿物复杂。 我国n b f e 年生产能力仅4 0 6 0 t 。其他协制品合计也只在5 0 t 左右。因此，我国 铌微合金化钢的资源优势不在国内，而在国外。按目前低合金钢及微台金化钢发 展的趋势，到2 0 0 5 年和2 0 1 0 年我国n b f e 消费量分别约为2 8 5 0 t 和4 1 5 6 t ，消 费强度将分别增长到每吨粗钢用n b f e2 2 9 和3 0 9 。 钒是元素周期表第四周期v b 族元素，元素符号v ，原子序数2 3 ，原子量 5 0 9 4 1 5r 熔点1 8 8 7 7 2 ，沸点3 3 7 7 7 2 ，密度6 ，1 l g c m 3 ，致密钒为钢灰色。具有 良好的可塑性和可锻性。钒原子的外电子层构型为 a r 】3d 2 4 s 2 ，有3 、2 1 和+ l + 5 共8 种价态，其中+ 5 价的化合物最稳定。常见化合物有五氧化二钒、 卤化物、铰盐、钠盐、含氧酸盐等。钒和钒化合物具有一定毒性，其中尤以+ 5 价化合物毒性最大。 钒的地壳丰度为o 0 1 3 6 ，已发现钒矿物约7 0 种。世界钒储量4 3 6 3 万吨， 4 东北大学硕士学位论文 1 叉献综述 主要产地为南非、俄罗斯、芬兰、美国、中国。钒广泛存在于铁矿、石油、页岩 和铀、磷、铅矿物中。钒钛磁铁矿是生产钒的主要资源。我国是世界第三大产钒 国，攀枝花v - t i 铁磁矿中，己探明v t i 磁铁矿有近1 0 0 万吨，约占全国各类铁 矿总储量1 1 5 ，占世界v - t i 磁铁矿储1 4 。含v 2 0 5 2 0 0 0 万吨，占世界钒储量的 5 8 。 钛是元素周期表第四周期i v b 族元素，元素符号t i ，原子序数2 2 ，原子量 4 7 8 8 。钛熔点1 6 6 0 。c ，沸点3 2 8 7 ，密度4 5 4 9 c m 3 ，银白色金属，钛具有可 塑性，力学性质与纯度有关，高纯钛的延伸率可达5 0 6 0 ，但强度低。钛基 材料中加入适量杂质，可使其强度显著提高，其强度可与高强度钢相比拟。高温 下钛容易与氧、氮、氢、水汽、氨，c o ，c 0 2 等气体反应。钛是良好的吸气剂， 金属钛在空气中可生成致密氧化膜，甚至在5 0 0 时仍保持良好稳定性，因此钛 对海水、碱性溶液、硝酸、含水氯气等有很好的抗腐蚀能力。 钛的地壳丰度为0 6 2 3 ，海水含钛l 1 0 1 ，含量比常见的有色金属铜、镍、 锡、铅、锌等高。已知钛矿物约1 4 0 种，但工业应用的主要是钛铁矿( f et i0 3 ) 、 金红石( t i0 2 ) 、白钛矿( c a t i s i0 2 ) 、钛矿等少数几种矿。世界钛储量以t i0 2 计为4 1 亿吨，其中钛铁矿3 8 亿吨，占9 3 ；金红石o 2 8 亿吨，占7 。世界 钛铁矿集中在加拿大、挪威、南非和美国。我国的钛矿主要分布在四川攀枝花地 区，该地区的v t i 磁铁矿含t i 0 2 7 8 0 0 0 万吨，占全国储量9 0 5 3 ，占世界储量 的3 51 7 。 因此，我国微合金化钢的资源优势，主要有钒、钛，而进口铌铁的价格反而 比国产铌铁要低。所以，铌、钒、钛都是我国微合金化钢发展的资源优势。 1 2 2 本论文研究的典型微合金化钢 12 ，2 ，f 钢 i f 钢的关键所在，就是通过t i 、n b 处理最终清除固溶体中的间隙原子( c 、 n ) ，得到洁净的铁素体基体，从而消除了间隙原子的不良影响。值得注意的是， 工业生产的超低碳钢( c = 1 0 p p m 1 5 p p m ) ，若不经过t i 、n b 处理，其r 值并不 高( 见图l 一1 ) ，为了获得高；值，必须进行微合金化。 按微台金化元素的不同，目前工业生产的i f 钢可分为三类：t i i f 、n b i f 、 n b + t i - i f 。在t i i f 钢中，t i 在净化c 之前先与n 、s 结合，所以t i 的最少加入 量为： t i 三3 4 3 n + 1 5 s + 4 c( 1 2 ) 一5 圭! ! 垄兰罂圭兰竺竺耋 ! 塞整坌兰 为了区别总钛量( t i ) 、可与c 结合的有效钛量( t i 。圩) 及过剩钛量( t i ) ，定 义： ：2 2 1 1 c 音量( p p m ) 图1 1 低碳钢中c 含量与r 值的关系 f i 9 1 1 t h er e l a t i o no f c a r b o na n d ri nl o wc a r b o ns t e e l t i 哺= t i 一3 4 2 n 一1 5 s( 1 3 ) t i 。x 。= t i - - 3 4 2 n 一1 5 s - - 4 c( 1 4 ) t i i f 钢的特点是：a 力学性能优异、对成分和生产工艺参数的变化不敏感， 即性能稳定；b 力学性能的平面各向异性( a r 、a e l ) 大；c 镀层抗粉化能力较差。 在n b i f 钢中，c 与n b 结合成n b c ，n 与a l 结合成a i n ，s 与m n 结合成m n s 。 n b i f 钢的特点是：a 力学性能的平面各向异性较小：镀层抗粉化能力较差：b 镀层抗粉化能力好：c ，及e 1 值不及t i ，i f 钢好，且其力学性能对工艺变化比较 敏感，采取高温卷取带来板卷头尾性能较差。 近年来，n b 、t i 复合添加的i f 钢引起了人们的重视。在n b + t i i f 钢中， n 与t i 结合成t i n ，c 与n b 形成n b c 。n b + t i i f 钢兼有t i i f 钢和n b i f 钢的 优点。其特点是：a 其力学性能比n b i f 钢要好；b 其力学性能对工艺变化不敏 感、整卷性能均匀；c 般层具有良好的抗粉化能力：d 适合于作超深冲钢、高强 钢、b h 钢及热镀锌钢。 n b 、t i 对i f 钢性能的影响见图1 2 。尽管关于最佳的n b 、t i 含量观点不尽 一致，然而公认的事实是：超低碳钢经过适当地n b 、t i 处理后，r 大大提高。 1 2 2 2 管线钢 管线钢指用于制造石油、天然气输送管道及容器的热轧板、带钢。管线钢可 分高寒地区、高硫地区和海底铺设用三类，工作环境比较恶劣。寒冷地区用管线 6 。 耋：垄茎堡圭兰竺竺圭 ：圭竺耋兰 钢仅要具有高强度和极好的韧性，以防止基体金属和焊接部分的脆性断裂，而且 还必须具有高压煤气管所特有的抗失稳延性断裂性。此外，从环缝焊接的可焊性 来看要求将碳当量减少到最小值：由整管撕裂试验来看，为防止延性断裂，管子 要求较高的冲击吸收功。 叠囊元素翥麓奢囊x t _ t ，) 图1 2t i 、n b 有效含量对商用超低碳钢板力学性能影响( 0 0 2 2 c ) f i g 1 2t h ee f f e c to f r i 、n be f f e c t i v ec o n t e n tt om e c h a n i c a lp r o p e r t yi n c o m m e r c i a lu t r a l - l o w - c a r b o ns t e e l 在4 0 年代以前，管线钢只是普通碳钢。进入9 0 年代以后，开发出c m n 钢 和c mn - s i 钢而在5 0 年代，则通过热轧淬火的方法提高钢材综合性能。5 0 年 代末期，欧美发现，在钢中加入微量元素铌，在8 3 0 以下和总压下率为2 0 以 上轧制时，钢的强度明显提高，生产出x 6 0 级( o s 4 2 0 m p a ) 输油管用铌系钢板 管线钢的开发和研究得到突破性发展还是在1 9 6 5 年以后在这一时期，通过 对微合金钢进行控轧控冷工艺处理，使钢板的综合机械性能得到大幅度提高6 0 年代中期，西欧特别是英国钢铁协会，对在钢中加入铌、钒等元素以提高钢的强 度，改善其韧性和可焊性能，以及对奥氏体再结晶状态的影响，开展了一系列的 研究工作。前苏联、美国先后开展了钢的形变热处理工艺和理论的研究工作，生 产出超高强度钢这些工作都为控制轧制理论提供了新的内容，推动了新工艺的开 7 东北大学硕士学位论文 1 叉献综述 发。6 0 年代后期，日本大力开展了控制轧制理论和实践的研究工作，对中厚钢板、 带钢热变形过程中组织状态、力学性能、工艺性能和焊接性能进行了系统研究。 新日铁等采用控制轧制技术生产出具有良好韧性的“x 级钢板”。 1 9 7 0 年以来，日本、美国、德国和加拿大等国家的冶金厂采用控制轧青4 技 术，先后生产出x 7 0 ( o s 5 0 0 m p a ) 天然气和石油输送管用钢板，并且开发了 x 7 5 ( o s 5 0 0 m p a ) 和x 8 0 ( o s 5 7 0 m p a ) 的低碳铌系的低合金高强度高韧性钢 板。近些年来，又开发出了超低c 高m n - n b 系控轧钢板。这种钢板具有极细铁 素体、贝氏体和岛状马氏体混合组织，具有高的抗拉强度g b 和韧性，而屈服强度 g 。较低，但制成管之后，屈服强度a 。值又有所提高。 管线钢高性能的发展趋势导致人们在不断地从管线钢的化学成分及相对应 的组织变化入手开展大量的研究工作。高性能管线钢的发展来源于微合金技术和 控制轧制及控制冷却技术。控制轧制是显著细化晶粒的有效方法，而微合金化技 术是通过控轧、控冷达到提高强度、韧性和可焊性的前提条件。早期管线钢是以 抗拉强度为依据设计，而强度通常用含碳量来获得。由于焊接作为一种主要生产 工艺，焊接性成为管线钢设计的一个基本要求。同时，由于极地管线和海洋管线 的发展，要求不断改善钢的低温韧性、断裂抗力以及延性和成型性，从而导致钥 的碳含量逐渐降低。而碳含量的降低所引起强度的降低可以很容易地通过微合金 化及控制轧制和控制冷却技术来调整。目前高强度管线钢的合金体系和组织状态 有：( 1 ) n b ( v ) 系铁素体一珠光体钢或少珠光体钢：( 2 ) n b m o 系针状铁素 体钢和n b b 系低碳贝氏体钢；( 3 ) m o c r - n i 舶系复相钢。 1 。3 控制冷却 在现代钢铁工业中，控制轧制和控制冷却工艺是被广泛应用的技术之一。 a s t m 和j i s 已经把这一工艺收入标准之中，命名为t m c p 。控制冷却是利用钢 板热轧后的余热，进行在线控制冷却，在保证板材要求的板形尺寸规格的同时可 控制和提高板材的综合力学性能。控制冷却主要是通过相变来提高钢材性能的一 种工艺，根据控制冷却后钢材的组织转变产物的不同，可分为加速冷却和直接淬 火两种工艺。当控制冷却后钢的组织为铁素体加珠光体，或以铁素体为基并含有 贝氏体和少量的马氏体时，这种控制冷却称为加速冷却，简称为a c c 。加速冷 却工艺用于处理抗拉强度6 0 0 m p a 以下的钢材，它可以取代离线的正火工序。当 控制冷却后钢的组织为马氏体或贝氏体时，这种控制冷却称为直接淬火，简称为 d q 。直接淬火工艺用于处理抗拉强度在7 0 0 m p a 以上的钢材吼 一8 。 东北大学硕士学位论文 1 文献综述 1 3 1 控制冷却的机理和作用 钢从奥氏体转变为铁素体或珠光体型组织时，是以扩散方式进行的，钢从奥 氏体转变为马氏体或贝氏体组织时，则是以切变方式进行的。因此，就相变机理 而言，加速冷却工艺主要是利用扩散相变机理和细化晶粒来改善钢材的性能，而 直接淬火工艺则主要是利用切变机理和提高淬透性来改善钢材的性能。 控制冷却的作用可概括如下。c a ) 提高产品质量1 ) 机械性能：提高强度、改 善韧性。2 ) 工艺性能：改善可焊性、提高氢致裂纹抗力、提高成形性。3 ) 组织 与结构：增加组织的分散度、获得复相组织、细化晶粒。4 ) 表面质量：减少表面划 伤和裂纹、氧化铁皮、无表面脱碳。( b ) 降低生产成本1 ) 节省合金成分。2 ) 减轻构件或设备重量。3 ) 节约能源。4 ) 简化工艺流程。5 ) 提高成材率。6 ) 减 少环境污染、节省自然资源。 1 3 2 控制冷却技术的发展 1 3 21 国外控冷技术的发展 国外控冷技术发展很早，2 0 世纪6 0 年代以前一直使用由喷嘴喷射的高压水 冷却，后来逐渐发展为现在常用的水，气喷雾冷却、层流冷却系统、水幕冷却系 统和超快速冷却系统。 2 0 世纪6 0 年代第l 套层流冷却系统应用于英国布林斯奥思4 3 2 m m 窄带钢 热轧机1 3 j ，后来几乎每套热带钢轧机输出辊道上都装有冷却系统。 在线加速冷却系统( a c c ) 于1 9 7 9 年在日本首次投入使用，并在2 0 世纪 8 0 年代广泛应用在日本和欧洲的中厚板轧机上。采用加速冷却的热轧机最初主 要用于船板和管线钢板的生产。日本在1 9 8 3 年至1 9 9 1 年期间应用热机轧制技术 生产了4 0 4 1 万吨船板和1 7 4 1 万吨管线钢板，分别占同期船板和管线钢产量的 8 5 1 4 1 。 目前，世界上许多国家，如日本、意大利、美国、法国、英国、德国、加拿 大和前苏联等都利用控轧控冷工艺生产高寒地区输油、输气管道用钢板、低碳铌 合金的低合金、高强度、高韧性钢板以及造船板、桥梁板和压力容器板等。 13 2 2 国内控冷技术的发展 1 9 8 5 年，我国在鞍山钢铁公司半连轧厂建成国内第1 套水幕冷却装置。但 由于此套装置的冷却区长度不够，冷却能力有限，冷却不均匀，达不到产品的质 ，9 东北大学硕士学位论文 1 文献练述 量要求，因此，该厂在1 9 9 5 年的改造中将水幕冷却装置改成柱状层流结构。 2 0 世纪9 0 年代，重庆钢铁公司五厂的中厚板生产线采用了控制轧制+ 可控 的水幕冷却装置。邯郸钢铁( 集团) 有限公司、柳州钢铁厂、新余钢铁有限责任 公司等也装备了水幕冷却装置。但都未能正常使用。近几年来，酒泉钢铁集团有 限公司的气雾冷却、济南钢铁集团有限公司的水幕冷却以及鞍山钢铁公司的高密 度集管层流冷却等都应用成功，首都钢铁集团有限公司、南京钢铁股份有限公司 进行的改造项目中，都引进了控轧控冷技术。 控轧控冷技术已在我国的带钢生产线上得到了成功应用。上海宝钢有限公司 2 0 5 0 m m ( 德国引进) 和1 5 8 0 m m ( 日本引进) 轧制生产线上采用u 型管层流冷 却方式后，设备运行稳定，卷取温度控制精度提高；武汉钢铁集团公司1 7 0 0m m 轧机的层流冷却装置是2 0 世纪8 0 年代从日本引进的，武钢将控冷模型改进移植 到新一代计算机中，不仅得到了本厂的实践验证，而且在太原钢铁( 集团) 有限 公司和梅山钢铁公司得到推广。 1 3 3 控制冷却的特点 冷却方式概括起来主要有压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、雾化冷却、 喷淋冷却、板湍流冷却、水气喷雾加速冷却以及直接淬火等几种。各种冷却方 式有其各自的优点和缺点( 详见表1 ) 【3 1 。采用哪种冷却方式应根据具体工艺环 境和限定条件来确定。 1 4 本课题的研究意义