我国薄板坯连铸连轧技术三十年武钢

,我国薄板坯连铸连轧技术三十年,2014年7月28日,毛新平,武汉钢铁（集团）公司研究院,2002年3月由中国工程院产业科技委员会发起成立了“薄板坯连铸连轧技术交流与开发协会”，领导和推动了薄板坯连铸连轧技术在我国的发展。,1、概述,2、我国薄板坯连铸连轧技术的发展历程,3、我国在薄板坯连铸连轧技术领域的主要成就,3.1薄板坯连铸连轧物理冶金过程研究,3.2薄规格产品生产技术,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,3.4特殊钢生产技术,3.5硅钢生产技术,4、薄板坯连铸连轧技术未来发展展望,目录,目录,1、概述,2、我国薄板坯连铸连轧技术的发展历程,3、我国在薄板坯连铸连轧技术领域的主要成就,3.1薄板坯连铸连轧物理冶金过程研究,3.2薄规格产品生产技术,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,3.4特殊钢生产技术,3.5硅钢生产技术,4、薄板坯连铸连轧技术未来发展展望,1、概述,20世纪80年代，能源危机催生了薄板坯连铸连轧技术。,Source:“Stahlundeisen”129No.11(2009),p73-89.,（3）提高板坯的温度均匀性；,薄板坯连铸连轧技术提出的初衷,1、概述,（1）提高工序的连续性，把工艺步骤尽量减到最少，实现连铸坯完全直接轧制(HDR)；,（2）最大限度地降低能源消耗;,通过采用近终形连铸，降低轧制工序所消耗的能源;,通过提高工序的连续性，减少补充能源；,1、概述,里程碑：1989年世界第一条薄板坯连铸连轧线在美国NUCOR建成投产。,截止至2014年，全球已建成薄板坯连铸连轧生产线66条101流，年生产能力超过11000万吨；,世界各种薄板坯连铸连轧生产线统计(截止到2014年),1、概述,1、概述,中国薄板坯连铸连轧生产线统计(截止到2014年),第一阶段探索阶段，波动发展,第二阶段（年均6.6%）起步阶段，稳定发展,第三阶段（年均16.6%）加速阶段，跨越发展,第四阶段：转型阶段，创新发展(处于第三阶段向第四阶段的过渡进程中),1、概述,中国钢产量,目前，我国钢铁工业处于转型、调整阶段，或许是薄板坯连铸连轧技术发展的新机遇。,Source:李新创,关于中国钢铁工业以及武钢转型发展的几点探讨,2014.7,2、我国薄板坯连铸连轧技术的发展历程,探索引入期（1984-1999）,“七五”、“八五”期间，科技部将“薄板坯连铸”列为重点攻关课题，开展基础研究；,1990年10月，由钢铁研究总院牵头建成国内第一条薄板坯连铸试验机组。,1996年，原冶金工业部决策捆绑引进珠钢、邯钢、包钢三条CSP生产线，拉开了我国大规模建设薄板坯连铸连轧产线的序幕。,标志性的事件：1999年8月26日珠钢电炉-薄板坯连铸连轧产线建成投产。,消化吸收期（1999-2002）,珠钢、邯钢和包钢三条CSP产线相继建成投产；,薄板坯连铸连轧基础研究的开展：快速凝固特征、物理冶金规律、纳米级粒子析出、强化机理等；,关键设备和材料的国产化：薄板坯连铸结晶器、保护渣、扇形段等；,珠钢根据电炉薄板坯连铸连轧流程的特点开发集装箱板并大批量生产。,2、我国薄板坯连铸连轧技术的发展历程,2、我国薄板坯连铸连轧技术的发展历程,推广应用期（2002-2008）,在此期间，我国共建设了9条20流薄板坯连铸连轧特征的产线;,主要成就：,（4）马钢CSP实现冷轧基料的大批量生产；,（3）涟钢CSP实现半无头7切分生产0.78mm产品的历史突破；,（1）珠钢开发薄规格成套生产技术并批量生产，实现“以热代冷”；,（5）唐钢FTSCR世界上首家突破年产300万吨。,（2)珠钢首先采用单一Ti微合金化技术开发出700MPa级钢；,稳定发展期（2008年至今）,工艺技术、设备配置的基本框架已经形成；,珠钢、涟钢开发出高品质特殊钢生产技术并批量生产；,ESP产线的建设：日照计划于2014年和2015年投产2条ESP产线。,2、我国薄板坯连铸连轧技术的发展历程,马钢、武钢开发出中低牌号无取向硅钢生产技术并批量生产；,第一代（单坯轧制）,第二代（半无头轧制）,第三代（无头轧制）,根据薄板坯连铸连轧产线的技术特征：,2、我国薄板坯连铸连轧技术的发展历程,2、我国薄板坯连铸连轧技术的发展历程,单坯轧制、精轧6个机架、恒速轧制、均热炉长度约200m、产品最小厚度1.2mm、最高轧制速度12.6m/s，电机容量4.0-5.5万kw。,半无头轧制、精轧7机架、升速轧制、均热炉长度约250-315m、产品最小厚度0.8mm、最大轧制速度22m/s，电机容量6.7-7.0万kw。,无头轧制、3+5机架、恒速轧制、在线感应加热、产品最小厚度0.8mm；,第一代（单坯轧制）,第二代（半无头轧制）,第三代（无头轧制）,主要技术特征：,1、概述,2、我国薄板坯连铸连轧技术的发展历程,3、我国在薄板坯连铸连轧技术领域的主要成就,3.1薄板坯连铸连轧物理冶金过程研究,3.2薄规格产品生产技术,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,3.4特殊钢生产技术,3.5硅钢生产技术,4、薄板坯连铸连轧技术未来发展展望,目录,具有不同于传统工艺的热历史，呈现出很多新的物理冶金现象。,3.1薄板坯连铸连轧物理冶金过程研究,不同流程的工艺热历史比较,3.1薄板坯连铸连轧物理冶金过程研究,凝固速度快，铸态组织均匀,不同流程二次枝晶间距的比较,薄板坯连铸铸态组织,资料来源：FTSC连铸薄板坯的质量.连铸，2006;5:1920,采用直接轧制工艺，精轧前原始奥氏体晶粒粗大,3.1薄板坯连铸连轧物理冶金过程研究,常规热轧工艺,薄板坯连铸连轧工艺,薄板坯轧前原始奥氏体晶粒尺寸约7001000um，而传统热轧工艺板坯轧前的奥氏体晶粒尺寸仅为150300um。,高速、大应变量轧制，最终产品本质细晶粒,3.1薄板坯连铸连轧物理冶金过程研究,传统热连轧工艺低碳钢显微组织及晶粒尺寸分布,薄板坯连铸连轧工艺低碳钢显微组织及晶粒尺寸分布,钢中纳米级第二相粒子析出,首次发现钢中存在大量纳米尺寸的氧化物和硫化物，其尺寸一般为几十纳米至几百纳米，并发现钢中存在大量尺寸20nm的沉淀粒子。,薄板坯连铸连轧C-Mn钢中纳米尺寸析出颗粒的TEM形貌像,（a）板材,（b）轧卡件,（c）铸坯,3.1薄板坯连铸连轧物理冶金过程研究,3.2薄规格产品生产技术,薄规格热轧板是资源节约、环境友好的新材料，是热轧钢板发展的重要方向。,传统热轧流程生产薄规格热轧板难度大，事故率高。,薄规格热轧钢板生产技术路线图,薄规格热轧钢板生产技术,板形控制技术,轧制工艺技术,轧制过程稳定控制技术,轧辊热凸度变化大,轧辊磨损加剧,轧辊剥落严重,提高产品板形质量,轧制负荷显著增加,轧机振动严重,轧辊磨损严重,轧制周期短,薄规格比例低,生产效率低,轧机振动严重,轧制过程不稳定,研制轧辊热凸度模型,研制轧辊磨损模型,开发新的轧辊辊形,开发新的平整技术和设备,研究新的轧制温度制度,研究新的轧制负荷分配制度,开发工艺润滑技术,研究工作辊辊径配置方案,研究新的轧辊材质配置方案,研究轧制节奏控制技术,开发轧机振动控制技术,开发张力控制技术,开发轧件稳定运行控制技术,（1）单坯轧制,3.2薄规格产品生产技术,技术成就：,（1）高比例薄规格产品生产，代表产线珠钢CSP：普通碳素钢2.0mm以下比例达85%，1.5mm以下比例达53%。,（2）高强钢、复杂成分钢的极限规格不断突破，代表产线武钢CSP：屈服强度700MPa级超高强钢的最小厚度达到1.2mm，碳含量0.3-1.0%的复杂成分钢，最小厚度达1.4mm。,3.2薄规格产品生产技术,（2）半无头轧制,3.2薄规格产品生产技术,超长铸坯的温度均匀性控制,半无头轧制与辊缝润滑的联合应用,飞剪及卷取的精确控制,飞剪剪刃的国产化,轧制过程中的动态变规格及张力恒定控制,关键技术及装备的开发：,涟钢应用半无头技术成功将长269m、厚70mm的超长连铸坯稳定地轧制成7个切分卷。半无头轧制最薄成品厚度为0.77mm。,薄规格（h2.0mm）占半无头轧制总产量比例达96%以上，超薄规格（h1.5mm）占40%以上；,3.2薄规格产品生产技术,单坯轧制同半无头（4切分轧制）带钢的比较,3.2薄规格产品生产技术,3.2薄规格产品生产技术,应用实例一：用于福特汽车，以1.52.0mm的热轧钢板替代同等厚度的冷轧钢板，实现“以热代冷”。,汽车中“以热代冷”构件,中集专用车中“以热代冷”构件,应用实例二：在中集专用车和集装箱上，实现“以薄代厚”,采用屈服强度550MPa级高强钢替代345MPa级结构钢,自重减轻12%以上。,3.2薄规格产品生产技术,薄板坯连铸连轧流程存在不同于传统流程的特点，微合金元素的行为反映出不同于传统流程的规律，是一全新课题。,不同流程的合金元素行为比较,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,微合金化技术是实现钢铁材料低成本高性能化的有效途径,（1）薄板坯连铸连轧Ti微合金化技术,传统Ti微合金化技术存在的问题,洁净钢冶炼技术的进步以及薄板坯连铸连轧流程良好的温度均匀性为Ti微合金化技术的应用创造了良好条件。,Ti价格低廉，我国储量丰富，占世界总储量的45%,O、N、S成分波动大,热轧过程温度波动大,低成本高性能钢首选微合金元素,产品性能波动大,未能广泛应用,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,温度,1524,400,连铸,均热,热轧,层流冷却,卷取,TiN和Ti4C2S2析出,TiC相间析出,TiC在相中析出,TiC形变诱导析出,液析的TiN粒子（m级）,Ti4C2S2（50nm）与TiC粒子（20nm）,TiC析出物（10nm）,相间析出TiC（约10nm）,TiN和Ti4C2S2粗化,系统阐明了薄板坯连铸连轧Ti微合金钢的析出规律,Ti在薄板坯连铸连轧流程各个阶段的析出规律,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,阐明了不同Ti含量钢的强化机理,随Ti含量的增加，细晶强化增量先是增加，当Ti含量高于0.045%后逐渐达到一稳定值(约225MPa)。而沉淀强化增量先是缓慢增加，然后较快增加；当Ti含量超过0.095%，强度增加又趋缓。,各种强化增量与含Ti量的关系,带钢屈服强度与Ti含量的关系,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,提出了“Mn-Ti协同TiC粒子细化控制技术”，沉淀强化效果提高50%。,不同Mn含量的PTT曲线,（Mn抑制TiC在奥氏体中的析出）,Mn含量为0.5%时的TiC粒子,Mn含量为1.5%时的TiC粒子,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,提出了“Mn-Ti协同针状铁素体组织调控技术”，晶粒尺寸细化至2.9-3.8m,利用TiC的析出对再结晶的抑制作用，实现了奥氏体再结晶区轧制+未再结晶区轧制的联合控轧模式。,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,利用Mn对高温相变的抑制作用，实现了针状铁素体相变控制。,Ti微合金化钢的微观组织,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,形成了基于薄板坯连铸连轧的成套Ti微合金化技术，并开发450700MPa级高强及超高强耐候钢，并且超高强钢的合金化成本降低5580%。,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,0.83%Mn-0.02%Ti-0.054%Nb-0.19%Mo-0.014%V,1.5%Mn-0.12%Ti,58%!,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,（2）薄板坯连铸连轧V微合金化技术,系统研究了薄板坯连铸连轧流程V的析出规律，发现铸坯上存在大量纳米级V(C,N)粒子，与传统流程的规律不同。,薄板坯流程V-N钢均热后铸坯析出物观察及尺寸分布,传统流程加热后析出物观察,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,提出薄板坯连铸连轧流程VN微合金钢凝固过程中的纳米级析出是VN微合金钢组织细化、强度提高的主要原因。,V-N微合金钢和C-Mn钢再结晶奥氏体晶粒长大过程比较,铸坯沉淀析出物对奥氏体晶粒尺寸的影响,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,阐明了薄板坯连铸连轧流程V-N微合金钢的强化机理，认为晶粒细化是强度提高的主要原因，沉淀强化的作用为辅,与传统流程上得到的规律不同。,以屈服强度为600MPa的试验钢为例，基体及固溶强化为200MPa，细晶强化为320MPa，沉淀强化为80MPa。细晶强化占53，沉淀强化占13。,各种强化机制贡献比例,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,带钢厚度1.8mm,带钢厚度3.2mm,（晶粒尺寸3.0m）,（晶粒尺寸4.0m）,形成了薄板坯连铸连轧流程V-N微合金钢化生产技术，实现了晶粒细化控制，解决了V-N微合金钢通过沉淀强化提高强度的同时韧性大幅降低的关键技术难题。,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,（3）薄板坯连铸连轧Nb微合金化技术,电炉N含量高，大颗粒的“星状”析出物导致的0.020.03%Nb无效。,混晶问题,大颗粒的“星状”析出物,关键技术难题：,铸造组织以及Nb对再结晶的强烈抑制作用，导致混晶问题。,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,开发了抑制粗大Nb(C,N)在铸坯上析出导致“无效Nb”的关键技术,低过热度浇铸控制技术，降低铸坯中合金元素的偏析高拉速连铸技术，抑制或细化析出物的粒度均热技术，调整均热工艺，促进Nb(C,N)的溶解,采用本技术与美国某同流程钢厂铸坯中析出物粒度分布比较,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,解决了EAF-CSP流程Nb微合金钢的混晶问题,合理分配道次变形量优化高压水控制工艺，调整开轧温度调整保温时间适度控制Nb的加入量优化铸坯厚度,轧机负荷分配调整示意图,再结晶状态图,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,开发出成套的Nb微合金化工艺技术，研制出X52X65管线钢、J55石油套管用钢、冷成形性高强汽车用钢QStE等系列产品。,X60，板厚11.0mm晶粒度11.7级,X56、板厚8.8mm晶粒度11.7级,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,（4）薄板坯连铸连轧硼微合金化技术,薄板坯连铸连轧低碳铝镇静钢强度偏高，影响后续冷轧；,AlN、BN的析出热力学曲线,大颗粒BN析出粒子,粗化的BN粒子可抑制细小AlN粒子的析出，粗化铁素体晶粒。,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,无B钢,含B钢,平均晶粒尺寸13m,平均晶粒尺寸25m,珠钢、唐钢、马钢采用B微合金化技术，开发冷轧原料用钢。,加B后的冷轧原料冷轧退火后的冲压性能比不加B的下降。,3.4特殊钢生产技术,热轧宽带特殊钢是先进钢铁材料研究的重要领域之一，是航天航空、交通运输和机械制造等国民经济骨干产业发展急需的重要基础材料。,目前，我国热轧特殊钢主要是热轧窄带，产品质量不高、品种不全，无法满足相关行业发展的需求,高品质热轧特殊钢，特别是高品质热轧特殊钢主要依靠进口。,质量的提高、稳定和产品范围拓展是目前热轧特殊钢带亟待解决的问题。,偏析,脱碳,珠光体片层间距宽,3.4特殊钢生产技术,目前，国内只有个别企业能生产75Cr1、8CrV2，高品质的75Cr1、8CrV2需要从德国、日本、韩国进口，而SKS51国内尚不能生产，全部依靠进口。,主要产品质量问题包括：成分偏析、表面脱碳严重、产品性能波动大等。,快速凝固条件下低偏析控制技术开发,3.4特殊钢生产技术,传统流程,短流程,短流程SKS51的C偏析指数,短流程SKS51的C偏析度控制在1.10以下，传统流程约为2.0。,3.4特殊钢生产技术,直接轧制条件下浅脱碳层控制技术开发,短流程产品脱碳层浅，单侧脱碳层深度约为1.0%D，仅为传统流程产品深度的30-60%。,3.4特殊钢生产技术,短流程SKS51组织形貌,传统流程SKS51钢组织形貌,短流程产品珠光体片层间距为0.3m，传统流程产品珠光体片层间距为0.52m。,珠光体组织微细化控制技术开发,3.4特殊钢生产技术,专用保护渣开发,针对薄板坯连铸铸坯薄、拉速高、凝固速度快的工艺特点和特殊钢成分的特点，研制出低碱度、低熔点、低粘度的专用保护渣。,薄板坯连铸特殊钢专用保护渣理化指标,应用效果：结晶器宽边热流平稳，没有出现粘结漏钢及纵裂质量问题。,3.4特殊钢生产技术,开发了6大系列35个牌号特殊钢，最高碳含量达1.0%，拓宽了短流程的产品范围。,珠钢、涟钢、唐钢、武钢先后进行了基于薄板坯连铸连轧的特殊钢产品开发。,3.4特殊钢生产技术,产品应用,汽车离合器,减震器膜片,圆锯片,大理石切割排锯,圆锯片,3.5硅钢生产技术,薄板坯连铸无取向硅钢柱状晶组织,薄板坯凝固组织中柱状晶细小均匀，热轧板卷头、中、尾温度差小于传统工艺，适合于生产无取向电工钢。,3.5硅钢生产技术,热轧总压下率比传统工艺小，柱状晶残存率高，经冷轧和退火后的成品磁性能高。,两种流程电工钢铁损、磁性能比较,Source:Proceedingsofthe2009InternationalSymposiumonThinSlabCastingandRolling,Nanjing,China,2009,300305.,3.5硅钢生产技术,马钢、武钢已批量生产50W1300-50W470；涟钢生产半工艺无取向硅钢为主；唐钢生产无取向硅钢TCW800。,目录,1、概述,2、我国薄板坯连铸连轧技术的发展历程,3、我国在薄板坯连铸连轧技术领域的主要成就,3.1薄板坯连铸连轧物理冶金过程研究,3.2薄规格产品生产技术,3.3薄板坯连铸连轧微合金化技术,3.4中高碳钢生产技术,3.5硅钢生产技术,4、薄板坯连铸连轧技术未来发展展望,4、薄板坯连铸连轧技术未来发展展望,在工艺流程方面，未来将向连续化轧制方向发展，无头轧制技术将得到进一步的推广应用。,单坯轧制工艺存在的问题：,(1)带钢头、尾在无张力情况下轧制，几何精度难以保证，降低了成材率;,(2)穿带和甩尾过程中，易产生折迭等缺陷，损伤轧辊，降低生产能力，增加生产成本;,(3)难以经济生产小于1.2mm的产品。,单坯轧制,4、薄板坯连铸连轧技术未来发展展望,无头轧制的工艺技术优势：,不同工艺流程产品的规格范围,不同工艺流程的成材率及控制精度,4、薄板坯连铸连轧技术未来发展展望,传统热连轧产线无头轧制技术开发,川崎3号热轧产线无头轧制技术,4、薄板坯连铸连轧技术未来发展展望,浦项2号热轧产线无头轧制技术,传统热连轧产线无头轧制技术开发,Source:“Proceedingsofthe10thInternationalConferenceonSteelRolling”,P69.,4、薄板坯连铸连轧技术未来发展展望,薄板坯连铸连轧无头轧制技术,薄板坯连铸连轧产线在无头轧制技术开发上具有先天优势,4、薄板坯连铸连轧技术未来发展展望,薄板坯连铸连轧无头轧制关键技术,高速连铸用保护渣技术,大通量浸入式水口及液面波动的控制技术,高冷却强度漏斗形结晶器技术,高强度的二次冷却技术,