Castrip工艺生产钢种的研究近况

1、文档可能无法思考全面，请浏览后下载! Castrip工艺生产钢种的研究近况 位于美国纽柯钢公司克劳福兹维尔厂是世界首家通过双辊连铸工艺CASTRIP商业化生产超薄铸带（UCS，untra-thin cast strip）的厂家，目前已经生产了几种低碳结构钢，其屈服强度为275380MPa，钢带的厚度为0.91.5mm。近期正在着力开发屈服强度为550MPa的较高强度的结构钢，以扩大向市场投放的薄规格热轧产品的范围。通过少量冷轧结合回复退火，开发了用于冷成形的高强度、涂镀结构产品。使用了各种成分设计来提高钢的强度，如加入铌、钒；提高锰含量（最高达1.30%）；提高钢的碳含量（0.20.5%）；较

2、高的铜含量（0.20.4%）等。    1、用CASTRIP工艺生产超薄铸带    该厂拉速通常为60100m/min，铸带厚度通常为1.8mm或以下。现在生产的钢种为低碳（0.05%）锰硅镇静钢，所用的成分设计是为了在浇铸过程中生成液态的氧化锰和二氧化硅脱氧产物，以避免水口堵塞和提高浇铸辊的传热速度。由于薄带连铸过程中的凝固速度很快，在控制一些参数的情况下，能获得细小而均匀分布的球状夹杂物。    CASTRIP工艺的优点是它避免了II类MnS纵向夹杂物，这种夹杂物在传统板坯连铸生产的铝镇静钢中经常出现

3、。上面提到的球形夹杂物也不会在后面的在线热轧工序被明显拉长，因为薄带连铸工艺中热轧的压下量有限，所以提高了UCS产品在随后的成形、剪切或冲压过程中的性能。在CASTRIP过程中，对产生的夹杂物/颗粒群进行了控制，以利用这些颗粒来促进针状铁素体的晶粒内形核。UCS产品中球形夹杂物的尺寸范围通常为0.110m，大量的夹杂物在0.55m的尺寸范围。较大的0.510m的夹杂物对形成最终产品的显微结构起着重要作用，因为它们是对于针状铁素体形核过程起作用的颗粒。其中的一些夹杂物是复合相，包含有MnS、TiO和CuS。    CASTRIP工艺的另一个显微特征是形成的奥氏体晶粒

4、的尺寸较大，比传统热轧产品出精轧机时奥氏体晶粒的尺寸要大得多。这种粗大的奥氏体晶粒，结合大量经过控制的夹杂物颗粒，有助于以颗粒为基础形成针状铁素体。代表性的针状铁素体形成过程的示意图如图3。    在线热轧机的压下量通常为1050，其输出辊道（ROT）有一水冷段，使用空气雾化冷却。控制奥氏体形成过程的冷却速度有利于获得所需的显微结构和满意的产品性能。    普通低碳钢（即不加入铌）在热轧压下量达20以上时会使奥氏体再结晶，这会减小奥氏体晶粒的尺寸及其淬硬性能，从而减少了转换形成的针状铁素体的数量，降低产品的强度。应对的措施包括：钢中加

5、入能够提高淬硬性的合金元素、提高输出辊道喷雾冷却的速度、或6 / 11者加入铌来防止奥氏体再结晶，以生产薄规格、强度较高且具有所需显微结构和力学性能的产品。    2、高强度微合金钢    含铌的微合金UCS钢    目前生产的普碳结构钢产品的屈服强度为275380MPa。最近也使用加入微合金元素铌的方法开发了较高强度的产品，其屈服强度高达550MPa。如表1所示，普碳钢的成分范围可以用来生产屈服强度为380MPa的产品，然而这种方法生产的强度范围为340380MPa，产品的厚度范围有限，因为热轧过程中奥

6、氏体晶粒细化使其淬硬性降低。    铌微合金化UCS产品的强度和厚度范围很有潜力，因为其抑制了奥氏体再结晶、增强了淬硬性能。通过保留较大的奥氏体晶粒，结合控制夹杂物，针状铁素体内由微粒导致的晶内形核仍占显微结构的相当一部分。由于铌抑制了先共析铁素体的形成，增强了淬硬性，有利于贝氏体的形成。    使用薄带连铸工艺生产了一系列铌微合金化的钢种，铌的成分范围为0.0140.084%，钢种成分如表1所示。生产薄带成品的厚度范围为11.5mm，在线热轧机的压下率为1040。      

7、0;                  表1    UCS产品的微合金化、高锰、高碳试验        钢种             C       

8、     Mn           Si           Nb        V      N，ppm        基准成分    0.020.

9、05    0.70.9    0.150.30     <0.003    <0.003    3590    A             0.032         0.72 

10、0;       0.18         0.014    <0.003      78    B             0.029       &#

11、160; 0.73         0.18         0.024    <0.003      63    C             0.038    &

12、#160;    0.87         0.24         0.026    <0.003      76    D             0.032 

13、        0.85         0.21         0.041    <0.003      65    E           

14、;  0.031         0.74         0.16         0.059    <0.003      85    F       

15、0;     0.030         0.86         0.26         0.065    <0.003      72    G    

16、60;        0.028         0.82         0.19          0.84    <0.003      85    H

17、60;            0.025         0.92         0.22        <0.003     0.043      75

18、0;   I             0.032         0.92         0.22         0.038     0.042  

19、0;   60    J              0.19         0.94         0.21        <0.003    <

20、;0.003      85    K              0.46         0.89         0.20        <0.003

21、    <0.003      95    L             0.033         1.28         0.21      

22、;  <0.003    <0.003    <100        抗拉性能    微合金化UCS产品的平均屈服强度和抗拉强度与钢中铌含量的关系是：随着铌含量的增加，强度提高得比较快。总的结果表明，加入少量铌，UCS产品的屈服强度可达到415MPa；加入较多的铌，屈服强度可达到450MPa。所以，与成分类似的碳钢相比，钢中加入铌后，明显提高了钢的力学性能。以前的研究工作表明，含铌的UCS产品的强化主要是由于显微结构的

23、强化：观察到许多贝氏体和针状铁素体。而且，透射电镜的检查结果没有发现任何铌的沉淀析出。随着钢的屈服强度的增加，总延伸率减小，即使屈服强度超过了500MPa，总延伸率仍然大于10，这是如ASTM A1003 ST340H的钢板用于住宅和商用建筑中冷成形框架件的前提要求。    时效硬化热处理    如前所述，热轧条件下透射电镜检查并没有发现任何Nb(C,N)的析出物，这表明UCS钢中的铌处于固溶状态，是潜在的时效硬化对象。在实验室中进行了时效硬化热处理，表明含铌钢具有快速时效硬化效应。对过时效试样进行了透射电镜检查，发现了均匀分布的很细

24、的沉淀物，其大小为415nm，其中富含铌。    经过短时间试验室热处理（在最高温度保持020s），观察了含铌UCS钢的时效硬化效应，表明这些钢可以用连续退火线或连续镀锌线（CGL）的退火段进行时效退火。有足够的处理加工温度范围，强度的增加可以通过铌含量来进行控制。在纽柯公司克劳福兹维尔厂的CGL进行了含铌钢的工厂规模试验。在连续热镀锌生产线上使用短的热处理周期，也观察到了一致的强化效应。最终达到的强度级别与实验室热处理试验的结果相近。时效硬化后进行镀锌的含铌钢的总延伸率相近或者好于热轧的UCS产品。导致这一结果的显微结构的变化仍在研究中。  

25、  钒微合金化的UCS钢    表1列出了用钒和钒铌进行微合金化试验时钢的成分。钢种D加入的铌和钢种H加入钒的水平接近，钢种I中铌和钒的加入量均为0.04，目的是为了评估单独加入一种合金和同时加入两种合金时每种微合金化元素的效果。生产钢板时，钒通常和氮一起使用，以形成VN来控制性能。最近的研究表明，单独使用钒和氮也能够有效实现强化。因此，即使没有沉淀，预计还是能有强化作用。    钒在热轧UCS钢中的作用    含钒钢的屈服强度仍处于普碳钢的范围，表明在热轧条件下，钒对钢的强化作用没有铌那么明显

26、。但是抗拉性能也表明，和基准的普碳钢相比，热轧压下率对用钒进行微合金化钢强度的影响减轻了。应该注意，应用在钒微合金化钢的热轧压下率范围是有限的。    含钒0.043%（钢H）试验钢最终的显微结构主要由晶界铁素体和针状铁素体组成，和类似卷取温度的普碳基准钢的显微结构类似。相反，在含铌的微合金化钢中，加入0.043%的钒对钢的硬化性能似乎没有明显影响。    图7比较了几种钢的屈服强度，分别是含0.043%V的试验钢H、含0.041%Nb的钢D、含0.038%Nb+0.042%V的钢I，从图2中可以清楚地看到：  &

27、#160; i.与含0.043%V的钢相比，含0.041%Nb的钢强度更高；    ii.与含0.041%Nb的钢相比，含0.038%Nb+0.042%V的强度级别非常接近。    这些结果表明，与加入铌相比，钒的加入量为0.04%时，未能提高UCS产品的强度。条件是用CASTRIP工艺生产的热轧产品。    3、提高钢中碳含量的试验    超包晶碳含量的钢也位于薄带连铸的产品开发计划中。0.2%的碳含量可用于制作结构件，不使用合金元素。更高碳含量（0.30.5%）、厚度为1

28、1.5mm的材料也有许多用途，包括紧固件、结构件、工具（刮刀、铁锹等）。传统工艺生产这些产品时需要许多退火、冷轧工序才能得到这样厚度的产品。    和碳含量0.05%的低碳钢相比，超包晶钢的固液两相区的温度范围要宽得多。所以，必须调整浇铸工艺来解决凝固行为的差异。所试生产的钢的成分如表1中的J和K。    C含量0.2%的UCS钢    该钢种的力学性能与热轧压下率的关系体现在：达到的强度级别比现在的低碳钢要高。在各种热轧压下率的条件下，都达到了380MPa的屈服强度，卷取温度和常规相同。这和低碳钢的情况

29、不同，低碳钢必须用低的卷取温度才能获得380MPa以上的屈服强度，而且只限于部分热轧压下率。这反映了0.2%碳含量的钢硬化性能更好。但在这个试验使用了传统的冷却条件，得到的强度和延伸率仍然受热轧压下率的影响。    0.2%C含量钢的显微结构主要为针状铁素体的复合结构，带有很细的珠光体和晶界铁素体片。高比例的针状铁素体解释了获得高强度的原因。随着热轧压下率的提高，针状铁素体的比例减少，珠光体的比例增加，强度级别降低。    C含量0.5%的UCS钢    0.5%C含量的UCS钢的抗拉性能超过800MPa

30、，热轧压下率分别为26（1.33mm厚）和34（1.20mm厚）。生产碳含量为0.5%的钢在输出辊道的加速冷却段都不用水冷，而只是用空气冷却。显微结构中几乎没有多边形铁素体，存在薄且不连续的晶界铁素体网，这与魏氏体相关。由于这样高的碳含量带来的硬化性能和A3与A1的温度差很小，使初始铁素体很少长大。大部分显微结构为非常细小的层状珠光体。    碳含量为0.5%、厚度为11.5mm的钢通常为球化退火材料，薄带产品获得的力学性能与典型的球化1050钢的力学性能并不相同。这并非没有预料到，因为在热轧态的带钢中存在着非常细小的碳化物，但并不是球状的Fe3C。 &

31、#160;  4、提高钢中的锰含量    目前生产的UCS钢的锰含量大部分为0.60.9% ，试生产了一批锰含量为1.28%的钢（表1中的钢种L）。提高锰含量的主要贡献在于提高钢的淬硬性，这带来了两个优势：1）由于显微结构的硬化，提高了钢的强度级别；2）在大压下率的情况下保持显微强化。这能生产性能合格的薄规格（0.9mm）产品。    5、高铜含量钢的生产    在其他生产钢板的方法中，为了避免热脆性问题，通常不生产铜含量大于0.2%的钢种。在生产铜含量较高的耐大气腐蚀钢时，通常要加入昂贵的合金

32、如Ni来防止发生热脆的风险。    但CASTRIP工艺具有几个特性，能减少热脆的发生。这些特性包括：在浇铸和轧制之间的热箱内的气氛可以控制；快速凝固，这能使铜保持固溶状态。这些特点能防止铜在钢板的表面氧化层聚集。由于这些优点，铜含量较高的废钢可以用于UCS产品，不会有发生热脆的危险。    生产了20多炉残余铜含量为0.20.4%的带钢用于商用，这些炉次没有任何关于热脆性的报道，同时没有加入镍作为对冲。以前还成功浇铸过一炉铜含量为0.6%的钢，没有发现热脆现象。这证实了薄带连铸可以生产高铜含量的钢种，不会产生热脆现象，同时不需采用特

33、殊工艺或加入特殊合金。这样就可以利用低成本的含铜废钢，降低薄带连铸的生产成本。    在力学性能方面，由于铜能提高钢的淬硬性，而且利用了高的冷却速度和低的卷取温度，所以钢带的强度提高了（屈服强度380MPa）。涵盖了各种锰含量和卷取温度的结构钢的抗拉性能如表2所示：                    表2    铜含量为0.20.4%的UCS钢种的典型性能         锰含量，   卷取，