（材料学专业论文）转炉—csp工艺vn微合金钢的组织和性能研究.pdf

钢铁研究总院博士学位论文 摘要 自上世纪九十年代以来，电炉薄板坯连铸连轧工艺在世界各地得到快速发展，各 国学者在电炉薄板坯连铸连轧工艺及其对产品的组织、性能的影响方面开展了广泛而 深入的研究。本世纪初，随着转炉一薄板坯连铸连轧流程在中国的快速发展，尤其是 转炉一c s p 一冷轧新流程在中国的出现，转炉- - c s p 成分工艺特点及冷轧产品对热轧 卷性能要求等新问题需要研究。例如，转炉与电炉在残余元素、气体含量上的不同对 c s p 产品的组织性能产生了影响；冷轧基料希望c s p 热轧板强度低些，而c s p 热轧板 却存在细晶高强的特点。这些问题的研究对转炉- - c s p 流程的热轧和冷轧产品开发和 组织性能控制具有重要意义，而在这些方面目前国内外尚未开展系统研究。 本论文首先对转炉一c s p 工艺、电炉- - c s p i 艺、常规热轧工艺生产的普通低碳 钢s p h c ( 以下简称s p h c 钢) 的性能进行了对比，研究了转炉- - c s p t _ 艺s p h c 的强化机 理，并对s p h c 钢中的位错、第二相粒子的强化机理进行了分析；在此基础上对v - n 微合金化高强度钢q 3 4 5 d 的组织性能和强化机理进行了研究；最后利用轧卡试验和形 变再结晶的集成模型对低碳钢奥氏体细化、均匀化和组织演变规律进行了研究，并运 用热模拟实验( 应力松弛法) 研究t v - n 在低碳微合金钢奥氏体中的溶解析出行为。主 要研究结论如下： 转炉- - c s p 工艺s p h c 钢的强化机制主要是细晶强化，细晶强化量为1 5 2 4 m p a ， 占总强度的4 9 8 ；其次是位错强化与沉淀强化，两者之和为4 0 m p a ，占总强度的 1 3 1 。s p h c 钢中存在三种尺寸级别的第二相粒子，即纳米级、亚微米级和微米级 粒子，纳米级粒子的沉淀强化和位错强化是c s p 生产的s p h c 钢强度比常规流程生 产的s p h c 钢强度高的主要原因。 实验工厂试验的v - n 微合金钢的铁素体晶粒尺寸为4 4 9 肿，实现了晶粒细化； 马钢转炉- - c s p 生产线在试验钢成分基础上适当降低v 、n 含量，开发出了q 3 4 5 d 钢，其铁素体晶粒的平均尺寸为4 7 8 肛m ，实现了晶粒细化；q 3 4 5 d 钢的屈服强度为 4 2 0 4 8 0m p a ，抗拉强度为4 8 0 5 6 0m p a ，延伸率为2 5 3 1 。c s p 工艺q 3 4 5 d 钢 的强化机理主要是细晶强化和位错强化+ 沉淀强化，其中细晶强化达2 1 3 m p a ，位错 强化+ 沉淀强化达9 7m p a ，q 3 4 5 d 钢中v ( c ，n ) 的析出强化为5 7m p a 。 s p h c 钢轧卡试验和形变再结晶的集成模型研究表明：f 1 后铸态树枝晶组织特 钢铁研究总院博士学位论文 征消失，f 4 后组织基本均匀化，晶粒细化主要发生在f i f 4 。f 1 - f 4 发生部分动态 再结晶( 原始晶粒直径越小，动态再结晶分数越大) ；f 4 之前，道次间发生完全亚动 态再结晶；f 4 之后，道次问发生完全静态再结晶；c s p 轧制道次间无应变积累；f 1 f 4 轧制亚动态再结晶是组织细化和均匀化的主要机制。 低碳钒氮微合金钢中v ( c 舯在奥氏体中的析出等温p 1 广r 睦线是典型的“c ”形状， 鼻点温度约为8 7 0 。c ；随着氮含量的增加，v ( c j q 在奥氏体中的析出驱动力急剧增大， p t t 曲线向左移动；增加形变量，加速v ( c 舯在奥氏体中的析出，使动态p t t 曲线 向左移动；同氮含量相比，形变的影响较小，对于低碳v 、n 微合金钢，c s p 热轧过 程中轧制变形时间短，远小于v ( c ，n ) 析出的“鼻点孕育期”，v ( c 舯难以动态析出。 关键词c s p ，s p h c ，v - n 微合金钢，组织性能，v ( c 舯，强化机理 i i 钢铁研究总院博士学位论文 a b s t r ac t t h et e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a la r ef u r n a c et h i ns l a bc a s t i n ga n dr o l l i n g ( t s c r ) d e v e l o p e d f a s ti nt h ew o r l de s p e c i a l l yi nc h i n as i n c e1 9 9 0 s t h ee f f e c to ft s c rp r o c e s so nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a si n v e s t i g a t e db ym a n ys c h o l a r si nt h ew o r l d w i t ht h ep r o g r e s si nt h ec o n v e r t e r - - c s p - - c o l dr o l l i n gt e c h n o l o g yi nc h i n at h e s ey e a r s ， n e wp r o b l e m ss u c ha s t h ec h a r a c t e ro fc s pp r o c e s sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o nf o r c o n v e r t e r s pf l o wh a v et ob es t u d i e d f o re x a m p l e ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n c eo fr e m n a n t e l e m e n ta n dg a sc o n t e n te x i s t e di ns t e e lb e t w e e nt h ec o n v e r t e ra n de l e c t r i c a lf l l r n a e eo n m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t o1 0 wm a t e r i a lf o rc o l dr o l l i n g , s o f ts t r e n g t hi s d e s i r a b l ea l t h o u g hh o ts t r i ph a st h ec h a r a c t e ro ff i n eg r a i na n dh i g h e rs t r e n g t h i ti s i m p o r t a n tt os t u d yt h e s ep r o b l e m sf o rh o tr o l l i n ga n dc o l dr o l l i n gp r o d u c t i o ni nc o n v e r t e r c s pl i n e b u ts t u d yo nt h e s ea s p e c t si sn o te n o u g ha r o u n dt h ew o r l dn o w f i r s t , t h ep r o p e r t i e so fs p h cp r o d u c e db yc s pw e r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lp r o c e s si nt h i sa r t i c l e ；t h es t r e n g t h e nm e c h a n i s mo fs p h c p r o d u c e db yc s p w a si n v e s t i g a t 札t h ed i s l o c a t i o ns t r e n g t h e na n dp r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e nw e r ei n v e s t i g a t e d a l s o s e c o n d ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r e n g t h e nm e c h a n i s mo fq 3 4 5 ds t e e lw i t h v na l l o y e dw e r ei n v e s t i g a t e d f i n a l l y , t h er u l ea n dm e c h a n i s mo fa u s t e n i t eg r a i n s r e f i n e m e n ta n du n i f o r mf o rs p h cs t e e l sw e r ei n v e s t i g a t e db yr o l l i n gw e d g et e s ta n d c a l c u l a t i o nw i mi n t e g r a t e dm o d e lo fd e f o r m a t i o nr e c r y s t a l l i z a t i o n ；b yt h et h e r m a l s i m u l a t i o nt e s t ( s t r e s sr e l a x a t i o nm e t h o d ) ，t h ep r e c i p i t a t i o nb e h a v i o ri na t t s t e n i t ef o rh s l a s t e e lw i t hv nm i c r o a l l o y e dw a si n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： t h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fs p h cs t e e l sp r o d u c e db yc o n v c r t e r - c s pt e c h n i q u e s f i r s tw a sg r a i nr e f i n e m e n t ，t h es t r e n g t h e nw a s1 5 2 m p a i t sc o n t r i b u t i o nt ot h et o t a ls t r e n g t h w a s4 9 8 s e c o n dw a sp r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e na n dd i s l o c a t i o ns t r e n g t h e n t o t a lo f d i s l o c a t i o ns t r e n g t h e na n dp r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e nw a s4 0 m p a b o t l lo ft h e mc o n t r i b u t e d t ot o t a ls t r e n g t hw a s1 3 1 t h e r ew e r et h r e ek i n d so f n o n - m e t a l l i cp a r t i c l e sw h i c hs i z e s w e r en a n o - s c a l e , s u b m i c r o n - s e a l e ，a n dm i c r o n - s c a l ei nt h es p h cs t e e l sp r o d u c e db yc s e l 钢铁研究总院博士学位论文 n a n o - s c a l ep a r t i c l e sw e r em a i n l yd u et os t r e n g t h e n i tw a st h em a i n l yr e a s o nw h yt h ey i e l d s t r e n g t ho fs p h cs t e e l sp r o d u c e db yc s pw a sh i g h e rt h a nt h ey i e l ds t r e n g t ho fs p h c s t e e l sp r o d u c e db yc o n v e n t i o n a lp r o c e s s t h eg r a i ns i z eo ff e r r i t ei nv - nm i e m a u o y e ds t e e lp r o d u c e di nl a bw a s4 4 9 a n ；t h e g r a i nr e f i n e m e n th a db e e na c h i e v e d o nt h eb a s e do fc h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft e s ts t e e l ， q 3 4 5 ds t e e lw a sd e v e l o p e db yc s pw i t l ll e s sva n dnc o n t e n t f o rw h i c ht h ea v e r a g e f e r r i t e g r a i ns i z ew a s 4 4 9i n n i t s y i e l ds t r e n g t h ( y s ) ，t e n s i l es t r e n g t h ( t s ) ， e l o n g a t i o n ( e l ) w e r e4 2 0 4 8 0 m p a , 4 8 0 - - 5 6 0 m p a , 2 5 - 3 1 r e s p e c t i v e l y t h ed i s l o c a t i o n s t r e n g t h e na n dp r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e nw a s9 7 m p ai na l lf o rq 3 4 5 dp r o d u c e db yc s pa n d t h ep r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e nd u et ov ( c ，1 , 0p a r t i c l e sw a s5 7 m p a t h er e s u l to fr o l l i n gw e d g et e s ta n dc a l c u l a t i o nw i t hm o d e ls h o wt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c o fb r a n c hc r y s t a lm i c r o s t r u c t u r ei nc a s t i n gs l a bf o rs p h cs t e e ld i s a p p e a r e da f t e rf 1 ，t h e m i c r o s t r u c t u r ew a sh o m o g e n e o u sb a s i c a l l ya f t e rf 4 t h e 舯i l lr e f i n e m e n tw a sm a i n l y t a k e np l a c ed u r i n gf i f 4r o l l i n g ；p a r t i a l l yd y n a m i cr e c r y s m l l i z a t i o nt o o kp l a c ed u r i n g f 1 - f 4r o l l i n gf o rc s pl o wc a r b o ns t e e l ；c o m p l e t e l ys u b d y n a m i cr e c r y s t a u i z a t i o nt o o k p l a c ea m o n gf i f 4r o l l i n gp a s s ；a f t e rf 4 ，c o m p l e t e l ys m i l er e c r y s t a l l i z a t i o nt o o kp l a c e d u r i n gr o l l i n gp a s s ；n os t r e s sp i l ed u r i n gc s pr o l l i n gp a s s ；s u b - d y n a m i cr e e r y s t a l l i z a t i o n t o o kp l a c ea m o n gf i f 4r o l l i n gp a s sw a st h em a i nm e c h a n i s mf o rg r a i nr e f i n e m e n ta n d h o m o g e n e o u s t h ep p tc u r v eo fv ( c 舯p r e c i p i t a t i o ni nv - nm i c r o a u o y e dl o wc a r b o ns t e e lw a s t y p i c a l ”s h a p e t h en o s et e m p e r a t u r ew a sa b o u t8 7 0 。c ，t h ed r i v ef o r c eo fv ( c 舯 p r e c i p i t a t i o ni na u s t e n i t ei n c r e a s e dr a p i d l yw h e nnc o n t e n ti n c r e a s e ，t h e nt h ep p tc u r v e m o v e dt ol e f t ；s t r a i ni n c r e a s i n ge n h a n c e dv ( c 问p r e c i p i t a t i n gi na u s t e n i t e , s oe f f e c to n t h ep p tc a l v et om o v et ol e f t ；c o m p a r e dw i t ht h ee f f e c to fnc o n t e n to np p tc u r v e t h e s t r a i ne f f e c tw a sl e s s t ov - nm i c r o a l l o y e dl o wc a r b o ns t e e l ，t h et i m eo fr o l l i n gi nc s p w a sm u c hs h o r t e rt h a nt h es t a r tt i m eo f p r e c i p i t a t i o ni np p t c u r v e ，a n dn os t r a i np i l ed u r i n g c s p r o l l i n g ，s oi tw a sv e r yd i f f i c u l tf o rd y n a m i cp r e c i p i t a t i o nt oo c c u rd u r i n gc s pr o l l i n g 钢铁研究总院博士学位论文 k e yw o r d s c s p s p h c ，v - nm i c r o a u o y e ds t e e l ，m i c r o s t r u c m r ea n dp r o p e r t y , v ( c ，n ) ， s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m v 钢铁研究总院博士学位论文 1 1 引言 薄板坯连铸连轧是2 0 世纪8 0 年代末开发成功的生产热轧板卷的一种全新的短流 程工艺，是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后钢铁工业最重要的革命性技术之一，对此 各国都给予了高度关注，先后投入了大量的人力物力进行研究、开发和推广。从1 9 8 9 年世界上第一条c s p 线在美国印第安纳州纽柯钢铁公司克劳福兹维尔厂投产至今十 多年来，由于该工艺具有节能、投资省、生产周期短、生产率高、成本低、适应性强 等优点，已引起国际冶金界的重视。根据统计，目前国内外已投产和在建的薄板坯连 铸连轧生产线已有4 9 条。最近的资料表明：薄板坯连铸连轧的生产厂家已达3 7 个， 连铸机5 8 流，年产能近6 0 0 0 万吨，其中c s p 占7 0 。1 9 9 9 年c s p 工艺生产的热 轧板带占世界钢产量的5 ，预计2 0 1 3 年上升到5 0 m 】。我国1 9 9 6 年4 月在北京 与德国西马克财团( s m s ，s i e m e n s ，l o i ) 签订了三家公司捆绑引进设备的合同。这 三家公司是：珠钢、邯郸和包钢。1 9 9 9 年8 月和1 1 月，珠钢和邯钢c s p 生产线相继 投产，包钢也于2 0 0 1 年8 月建成投产。在此期间，我国的唐钢、涟钢和马钢也分别 与意大利的d a n i e l i 、日本的m i t s b u s h i 及德国的s m s d e m a g 公司签订了薄板 坯连铸连轧技术设备引进合同，鞍钢在自我消化吸收的基础上于2 0 0 0 年底建成了一 条中厚板坯( 1 3 0m m ) 连铸连轧生产线( a s p 技术) 。至此我国薄板坯连铸连轧技术 装备的产能已达到年1 5 0 0 万吨。其它一些钢厂也在考虑新建薄板坯连铸连轧生产线， 我国成为继美国之后又一个薄板坯连铸连轧技术应用大国【4 】。 与此相对应，c s p 薄板坯连铸连轧生产中出现的各种质量控制问题、新品种开发 问题都已提到议事日程上。薄板坯连铸连轧工艺问世十余年来发展迅速，最初阶段只 在以废钢为原料的紧凑式电炉钢厂及一般板带产品方面得到应用。随着工艺及技术装 备的提高，在生产能力及品种质量方面都有了长足的进步。近年来已在以高炉铁水为 原料，以转炉冶炼为主的大型钢铁联合企业中得到应用。其产品除奥氏体不锈钢和汽 车外板等少数品种尚待进一步完善工艺外，几乎能覆盖其余所有的常规热轧板材，产 品性能及内部和表面质量也与传统工艺基本相当。由于薄板坯连铸连轧的工艺特点适 用于生产超薄规格的板带材，特别是采用无头轧制工艺后可生产厚度为o 7 o 8m l n 钢铁研究总院博士学位论文 的超薄产品，可直接或经酸洗，或经热镀锌后用于过去必须使用价格高得多的冷轧材 的地方，这在经济效益和市场占有方面更增添了新的活力。为了适应不同市场和用户 的要求，一些更适合于特殊钢或产品规格上更具灵活性的工艺技术的发展和应用也是 值得关注的。此项技术是目前钢铁界的技术重点之一，今后仍有广阔的市场前景。 目前，薄板坯连铸连轧技术已经步入第三代，其特征是：与传统流程嫁接，实现 长流程的连续生产，用高炉一转炉生产的更纯净的钢水作原料，以li e t n l 的薄规格 产品为目标，终轧产品越来越薄，将继续进一步替代冷轧产品。半无头轧制和铁素体 轧制两项新技术的成功开发和应用将大大的降低生产超薄带的成本，使得薄板坯连铸 连轧技术更加具有市场竞争力【卯。我国钢铁工业正在进行结构调整，在引进该技术时 应充分考虑未来的发展。马钢新建的c s p 线采用西马克公司的第二代c s p 技术。与 第一代相比，第二代c s p 线的控轧控冷能力得到了很大提高，并应用了新的控轧工 艺一铁素体轧制技术。如何在v - n 微合金化的条件下，利用转炉c s p 线新一代的工 艺技术，获得晶粒尺寸更细小并且屈服强度更高的产品是很有意义的研究领域f 6 】。 1 2c s p 概述 1 2 1 马钢c s p 线工艺简介 c s p 也即紧凑式热带工艺( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) ，是由施勒曼一西马克公司 开发的一种薄板坯连铸连轧工艺，具有流程短、生产简便灵活、成品质量好、成本低 等优点，因而在世界范围内具有很强的竞争力。 马钢新建的薄板坯连铸连轧生产线采用了德国s m s d e m a g 集团的c s p 薄板坯连 铸连轧技术，年设计生产热轧板卷2 0 0 万吨。生产线集合了当今c s p 最先进成熟的 技术，其中最主要的是半无头轧制技术和铁素体轧制技术，已于2 0 0 3 年1 0 月进行试 生产。 马钢c s p 生产线主要包括两台薄板坯连铸机、两座辊底隧道式均热炉、一架立辊 轧机、7 架四辊c v c 精轧机组、轧后冷却系统、卷取机及钢卷运输系统等，其中漏 斗型结晶器为c s p 技术的核心。为更好地装备c s p 生产线，马钢在一钢厂配备了两 座1 2 0 吨转炉，而且每座转炉还配备了相应的l f 精炼炉。整个c s p 线的工艺布置如 图1 1 所示。 钢铁研究总院博士学位论文 图1 1 马钢c s p 线工艺布置简图 f g 1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f m as t e e lc s p p r o c e s s 与国内薄板坯连铸连轧线相比，马钢c s p 线具有如下优势和特点： ( 1 ) 二冷系统：二冷采用全水冷却，配置有动态凝固计算软件，控制铸流在二 冷区内凝固和铸坯表面温度尽量接近目标温度，这对降低v - n 微合金钢铸坯表面裂 纹敏感性有利，同时可保证铸坯有较低的变形率和加热炉合适的入炉温度。 ( 2 ) 进一步改善了带钢除鳞质量：加大了除鳞机高压水的压力，并在后续机架 中增设二次除鳞设备，更好地保证钢卷的表面质量。 ( 3 ) 轧机布置采用紧凑式：可以减少轧线的长度，同时在生产时可减少轧制中 的热损失，提高钢卷质量。 ( 4 ) 轧后冷却采用水幕高速冷却( 粗调段) 加层流冷却( 精调段) 的布置方式， 加大了轧后冷却的调控能力，提高了钢卷特别是v - n 微合金钢的质量控制水平。 ( 5 ) 半无头轧制技术：半无头轧制技术与动态变更厚度控制技术、c v c 和 c v c 9 l u 8 技术等一系列新技术相结合，可更好地生产薄规格的钢卷，提高钢卷的精度， 并大大降低能耗和提高成材率。 ( 6 ) 铁素体轧制技术：铁素体轧制技术的应用可保证马钢生产“以热代冷”钢 卷和高质量钢卷，同时，由于铁素体轧制技术与现行的细晶粒钢工艺技术的相通性， 这为v - n 微合金细晶粒钢的开发提供了良好的平台。 除以上所列的与v - n 微合金化钢开发直接相关外，还包括诸如半无头轧制技术、 c v c 9 。u 8 技术、精轧机辊缝润滑技术和动态厚度变更技术等。 1 2 2c s p 的工艺特点 ( 1 ) 工艺流程简化，设备减少，生产线短。薄板坯厚度较薄，可以省去传统热 3 一 钢铁研究总院博士学位论文 轧带材粗轧，节省设备约3 0 ，从而降低了单位基建造价，吨钢投资下降1 9 3 4 。 ( 2 ) 生产周期短。连铸连轧省去了大量的中间倒运及停滞时间，从钢水冶炼至 热轧成品输出仅需要1 5h ，从而减少了流动资金的占用。 ( 3 ) 节约能源，提高成材率。薄板坯连铸连轧能耗降低约2 0 ，成材率提高约 2 3 ，降低了生产成本。 ( 4 ) 产品尺寸精度高，性能稳定、均匀。 ( 5 ) 适合生产薄板及超薄规格的热轧板卷，产品的附加值高，从而实现高的经 济效益m 。 1 2 3c s p 的关键技术 薄板坯连铸连轧工艺和传统工艺相比之所以优越，关键在于它突破了传统的工艺 概念，采用了许多新技术、新装备，下面就其关键核心技术概述一下。 1 2 3 1 结晶器技术 提高单流产量，提高铸坯质量，扩大品种，结晶器已由传统的平行板型演化成现 在的漏斗型乃至全鼓肚型，使上口的面积加大，以利于浸入式水口的插入及保护渣的 熔化。漏斗形结晶器是c s p 工艺的核心，它能给浸入式水口采用最佳尺寸创造条件， 同时还有利于坯壳和结晶器之间得到一层均匀的具有良好润滑性能和最佳均匀传热 性能的保护渣层，使湍流受到限制，有利于改善钢坯表面质量和减少钢中夹杂。 结晶器的形状不同，所采用的浸入式水口也不同。但随着技术的发展，各种类型 的浸入式水口也都在不断演变。如c s pq - 艺所采用的长水口，已由传统板坯连铸机 使用的第一代演变到现在的十字出口状的第四代，这种十字状出口可增加钢水流量， 稳定拉速，提高使用寿命。浸入式水口的工艺要求是钢流浇铸速度要满足生产能力的 要求，同时，在进入结晶器时减少湍流，而且寿命要长。 1 2 3 2 铸轧技术 扇形段系统，尤其是带液芯压下的扇形段系统是核心技术，是实现连铸与连轧生 产工艺匹配的主要技术。为实现铸坯的直接轧制，达到大量节能的目的，须将铸坯的 厚度限制在连轧所能接受的范围内，这样才能充分发挥连铸连轧在技术经济上的优 势。 从连铸角度考虑，生产薄板坯会给结晶器和浸入式水口带来负担。若结晶器内腔 钢铁研究总院博士学位论文 厚度太小，则不利于浸入式水口的插入，且结晶器内溶池也太小，增加了钢水注流对 凝壳的冲刷和钢液面的波动，不利于保护渣液渣层的形成和稳定，增加了烧注难度， 故结晶器内腔的厚度不易太小，这样在连铸和连轧之间存在着对铸坯厚度有不同要求 的矛盾，为解决这一矛盾，薄板坯连铸连轧在二冷区( 扇形段系统) 采用了液芯压下 技术射。 1 2 3 3 加热炉技术 薄板坯连铸连轧工艺中大都采用均热炉的加热方式，炉内布置内芯冷却的耐热辊 道，保温效果好，视薄板坯入炉温度的高低而进行保温或加热，大大降低了能耗，对 于2 流薄板坯连铸机及1 套连轧机的流程，均热炉为平移式或摆动式，极大地方便了 铸坯的加热和传输。在某些薄板坯连铸连轧工艺中，均热炉还承担了一定的连铸和连 轧之间的衔接匹配缓冲作用。 1 2 3 4 相关技术 相关技术包括：结晶器材质、浸入式水口、结晶器震动装置、连铸保护渣、高压 水除磷和轧辊在线磨削等技术，这些技术的应用，有力支持了薄板坯连铸连轧工艺的 发展。 1 2 4c s p 与传统轧制工艺的区别 ( 1 ) 热历史不同：薄板坯连铸连轧工艺与传统连铸连轧工艺的最大不同在于热 历史的不同，图1 2 为二者之间热历史的比较。图1 2 清楚的表明，在薄板坯连铸连 轧工艺中，从钢水浇铸到板卷成品，板坯经历了由高温到低温、由r a 转变的单向 变化过程，而传统连铸连轧工艺中板坯的热历史为t ( 1 ) 一a 、口一tc 2 ，、t c 2 ) 一c t 过程。 由于薄板坯和板坯连铸连轧的热历史及变形条件与过程的不同，决定了其再结晶、相 交以及第二相粒子析出的过程、状态和条件不同。从而对成品板材的组织性能具有不 同的影响。 目前，在c s p 技术中，均热采用直通式辊底隧道炉，冷却采用层流快速冷却， 而且c s p 线轧机的布置与传统生产线不同，精轧机组与均热炉紧密衔接，大压下和 高强度轧制等等，是现代薄板坯连铸连轧的工艺特点之一。直通式辊底炉可以保证坯 料头尾无温降差，因而不需要采用类似于带钢边部加热、提速或中间机座冷却的的修 正措施来均匀板坯温度，层流快速冷却可以保证薄板在长度及宽度方向上温度均匀， 钢铁研究总院博士学位论文 抑制微合金元素的沉淀析出，实现薄板中这些元素化合物的微细弥散析出，有利于组 织细化和材料的强化1 9 】。 量 度 图1 2 薄板坯连铸连轧工艺与常规热轧工艺热历史的比较h f i g 1 2t h e r m a lh i s t o r yc o m p a r i s i o nb e t w e e nt h i ns l a bc a s t i n ga n dr o l l i n gp r o c e s sa n dt r a d i t i o n a l s l a bc a s t i n ga n dr o l l i n gp r o c e s s ( 2 ) 第二相粒子的析出行为不同：在连铸连轧生产时，为了细化粗大的奥氏体 晶粒，不得不进行多次晶粒细化过程，为了细化晶粒，必须发生完全再结晶，奥氏体 再结晶行为可以通过加入微合金元素得以改善【1 0 j 。 与传统工艺相比，薄板坯连铸连轧工艺具有独特的微合金化行为，这是由于铸坯 凝固后较高的冷却速度及较高的铸坯直装温度，使合金元素在溶解和析出过程中表现 出来的行为与传统工艺不同。微合金元素在c s pm 艺热轧开始前在奥氏体中几乎完 全溶解，不像传统生产工艺的板坯因冷却而析出，因而具有全部微合金优势，可用于 奥氏体晶粒细化和最终组织的析出强化，所以会对最终产品的性能产生重要的影响。 在传统工艺再加热前的冷却过程中，部分合金元素已经以碳化物和氮化物的形式析 出，仅有部分合金元素及第二相能够溶解，所以损失了一部分可细化奥氏体晶粒和最 终沉淀强化的微合金元素和第二相粒子【1 1 l 。 ( 3 ) 板坯在辊道上的传输速度不同：c s p 线与传统热轧工艺的板带在传输辊道 上的传输速度有较大差异。例如在轧制1 0m m 带材时，带材在输出辊道上的极限运 钢铁研究总院博士学位论文 行速度约为1 2 5m s ( 传统工艺的速度为2 0m s 左右) ，因为传输速度的差异，随后 的冷却形式和卷取温度也因之而发生变化，从而进一步影响着板带组织的结构、状态 和最终性能。 ( 4 ) 高效除鳞技术：在整个轧制过程中板坯始终处于很高的温度下，没有传统 板坯温度下降到室温的过程，并且加热时间和板坯出加热炉道进入除鳞机时间很短， 薄板坯温降很小，氧化铁皮在板坯表面薄且粘，很难除去，因此用薄板坯生产的热带， 表面质量一直是一个较难解决的问题。西马克公司开发的与薄板坯连铸连轧设备配套 的高压水流高效除鳞设备，压力达3 5 4 5m e a t l 2 】。 1 3 c s p 低碳钢生产技术一组织性能变化与强化机理 1 3 。1c s p 低碳钢成分、组织、性能 低碳钢一般指碳含量小于0 2 5 的普通碳素钢，只含有c 、s i 、m n 、a 1 、s 、p 等元素，但由于c s p 结晶器及铸坯凝固的特性，c s p 低碳钢在成分控制上和传统厚 板坯也不同，主要在c 、a l s 的控制上。 碳的控制 在铁一碳二元相图中，当c 含量为o 0 9 , - - 0 1 6 时，钢液凝固过程中会发生6f 。+ i 产 yf e 的包晶反应，对于低碳钢，钢中碳含量小于o 0 9 ，可能避开包晶反应。但是， 当碳含量小于o 0 9 ，例如0 0 7 或o 0 8 时，由于随着凝固过程枝晶的生产，钢中 碳不断排至凝固前沿的剩余液相中，在枝晶间形成富碳区，且其他溶质元素的富集会 增加碳的偏析，从而使局部碳可能高于o 0 9 ，进入包晶区。c s p 工艺对包晶钢成分 敏感，一般将c 控制在o 0 7 以下，主要原因是： 1 ) 6f e 的密度比yf e 小o 5 l ，相同条件下8f e 的体积比yf e 大，凝固时由6f c 转 变为yf e 时有0 3 8 的线收缩。 2 ) c s p 技术采用漏斗形结晶器，上部为漏斗形，下部为矩形，铸坯出结晶器前要经 历变形，加上高温时薄的坯壳强度低，容易破损。 3 ) c s p 拉速高，结晶器及二冷段的冷却强度大，热流密度大。 所以在c s p 生产低碳钢时，避免铸坯裂纹产生的最主要措施是将c 含量控制在 0 0 7 以下或在o 1 7 以上。 钢铁研究总院博士学位论文 铝的控制 薄板坯连铸连轧钢中一般要求a l 含量在o 0 2 o 0 6 ，关于加铝的原因，有些报 道认为铝与氮形成a l n ，阻碍奥氏体晶粒长大和细化铁素体晶粒，提高钢的强度和焊 接性能。但近年来学者1 1 3 1 对珠钢c s p 研究认为钢中酸溶铝在o 0 0 4 7 , - , 0 0 4 3 范围内， 热轧板的晶粒度及强度差别不大，没有发现随酸溶铝含量提高晶粒细化的规律。马钢 c s p 生产实践中保证钢中的铝含量在o 0 2 5 , - , 0 0 5 5 的水平，主要是通过铝把钢中的 氧控制在很低的水平，避免连铸水口结瘤，使连铸过程顺利。 氮的控制 氮的控制对低碳钢和微合金化钢是不同的，对于低碳钢，氮含量一定程度上反映 了钢水的清洁度，一般转炉钢水的n 含量较低，但冶炼工艺或操作不合适或连铸过 程的保护浇注不够，吸入空气中的氮导致钢中的氮含量增加，一般增氮带来钢中氧含 量增加，夹杂物含量上升，从而使钢水的清洁度降低。 对于低合金高强度钢由于钢中v 、n b 、t i 的加入，特别是对于v 钢，n 的增加 将促进m ( c ，的析出，从而对晶粒细化和强度的提高有积极的影响。 c s p 技术生产的薄板坯在结晶器内的冷却速度远远大于传统的板坯的冷却速度， 在1 5 6 0 1 4 0 0 c 温度范围内，对于厚度为2 5 0 m m 的传统板坯，平均冷却速度为 9 k r a i n ，而对于厚度为5 0 m m 的薄板坯冷却速度为1 2 0 k m i n 。c s p 铸坯冷却速度快 特点决定了c s p 铸坯组织基本为柱状晶，枝晶间距小。 c s p 低碳钢( c 含量小于0 0 7 ) 板卷的组织主要为铁素体+ 少量珠光体，对低 碳钢一般认为c s p 组织晶粒细小。在力学性能方面，c s p 薄板坯连铸连轧线生产的 热轧板和传统连铸连轧线生产的热轧板也存在较明显的差异，表l l 为q 1 9 5 ( 厚度1 6 m m ) 和z j 3 3 0 钢的力学性能。c s p 线生产的z j 3 3 0 成品薄板的屈服强度值多在3 3 0 3 9 0m p a 之间，抗拉强度4 3 0 4 7 0m p a ，比通常q 1 9 5 钢约高一倍，然而，其屈强比 也较高，多在o 7 5 o 9 0 之间；另外，伸长率也较高，多数伸长率值在3 3 4 0 之 间，并表现出较高的屈服延伸，屈服伸长值在3 2 7 o ；板材纵横向力学性能十分 均匀，基本上不存在各向异性。 8 钢铁研究总院博士学位论文 表1 1 q 1 9 5 和z j 3 3 0 钢的力学性能”i t a b 1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f q l 9 5a n dz j 3 3 0s t e e l s 1 3 2c s p 低碳钢的强化机理 在常规热轧工艺的钢中，由于没有加入碳氮化物形成元素，认为它没有沉淀强化 作用，但在c s pt 艺中，由于其轧制工艺的特殊性，比常规热轧工艺的钢种晶粒更 加细小，且有纳米级的氮化物、氧化物和硫化物析出，起到了沉淀强化作用，因此它 比常规热轧工艺的钢种强度要高得多，有的甚至达到一倍左右。在这方面，北京科技 大学的学者们针对珠钢z j 3 3 0 钢做了大量的工作，下面针对晶粒细化和沉淀强化两个 方面对他们的工作做一些总结。 1 3 _ 2 - 1 细晶强化 表1 2 为c s p 线生产的z j 3 3 0 钢和q 1 9 5 钢的化学成分范围比较，可见，两者的 成分相差不大，与通常国标q 1 9 5 钢的化学成分范围比较，c s p 线生产z j 3 3 0 钢的s i 、 p 、s 、c u 均较低，实际控制过程中，碳也较低，硫一般在o 0 0 5 0 0 0 6 。 表1 2q 1 9 5 和珠钢c s p - z j 3 3 0 的化学成分( 质量分数，) i t 4 1 t a b 1 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f q l 9 5s t e e la n dz h u s t e e lz j 3 3 0 ( w t - ) c s p 生产的z j 3 3 0 钢铸坯的低倍组织中薄板坯激冷层的厚度约为几毫米，铸坯的 整个中心区域为发达的树枝晶，中心线部位存在着一定程度的疏松。和普通连铸板坯 的3 层结构不同，薄板坯没有明显的中心等轴晶区。统计表明柱状晶区的一次枝晶间 距为0 2 5 1 8 3m i l l ，二次枝晶平均间距在9 0 1 2 5 脚。而普通连铸板坯的二次枝晶 钢铁研究总院博士学位论文 间距在2 0 0 5 0 0 肿之间，因此薄板坯的凝固组织与普通连铸板坯相比细得多。除了 连铸坯原始组织的差别以外，薄板坯中夹杂物的尺寸、分布及形态和传统板坯也存在 很大的不同。 与常规热轧工艺相比，薄板坯连铸连轧工艺钢组织的晶粒更加细小【嘲。图1 3 为 7 _ j 3 3 0 钢连轧过程中同一轧件在不同道次轧制后中心区域的显微组织，可见，随着轧 制道次的增加，晶粒尺寸逐渐减小，最终的组织由多边形铁素体和晶界上的珠光体组 成，经过六道轧制后的奥氏体组织由再结晶奥氏体和变形奥氏体组成，且再结晶奥氏 体占大部分体积i 垌。c s p 线生产的z j 3 3 0 成品薄板的晶粒组织很细，大多为等轴晶， 晶粒尺寸一般在5p a n 左右。 图1 37 _ 3 3 3 0 钢不同道次轧制后的显徽组织埘 f i g 1 3o p t i c a lm i c r o s t r u c t u r e sa f t e r e a c hr o l l i n gp a s so f z j 3 3 0s t e e l 组织细化的原因为： ( 1