CSP设备轧制高强度低合金钢

LIU1018

CSP设备轧制高强度低合金钢

王付勇;路素娟   

    近10年来，CSP技术得到显著发展，产品不断增加，现已覆盖传统钢厂轧制的所有材料。下面介绍用CSP设备热机轧制高强度低合金热轧带钢的试验结果和应用。
    轧制材料的化学成分
    选择小于0.065%的低碳钢。碳含量降低，则韧性提高，特别是转变温度降低，对表面质量和焊接有利。提高锰含量使固溶体硬化，可提高热轧带钢硬度，实现晶粒细化。
    微合金化保证了热机轧制需要的化学成分，并在显微组织形成方面有重要贡献：
    1）抑制热加工中的奥氏体在CSP轧机最后机架内再结晶，建立细晶相变显微组织。
    2）沉淀硬化。合金化技术常常通过增加铌含量提高钢的强度。要求最小屈服强度500MPa，铌含量0.06%，再结晶终止温度必须能保证奥氏体在多晶转变前完成足够的硬化。
    为使最小屈服强度达到500MPa以上，用铌和钒进行微合金化。钒对奥氏体再结晶没有很大影响，但对γ→α转变过程中和转变之后的沉淀硬化有较大影响。
    用CSP设备轧制高强度低合金钢
       钢水通过钢包和中间包注入漏斗形CSP结晶器。薄板坯穿过二次冷却区，用摆式剪切机剪切，然后进入均热炉。除鳞后在CSP-HSM中轧制；热带钢穿过层流冷却系统，最后卷取。
    1)    钢水精炼和薄板坯连铸
    所用钢水为转炉钢。连铸前钢水在钢包炉内精炼，调整钢水化学成分，确保钢水化学和物理性质均匀。锰铁增加钢水的含碳量，等于或小于0.065%的目标有时候达不到。为防止凝固坯壳损坏，S550MC和S600MC钢使用碱性保护渣替代酸性保护渣，确保所有情况下工艺的可靠性，也避免了表面缺陷。  
    铌合金薄板坯最重要的是在二次冷却区保证适当高的铸流温度。只有在铸机区保持固溶态，微合金元素才能在轧机内和层流冷却线上发挥作用。进入保温炉前，用可调宽配水控制冷却和气雾冷却使板坯温度保持在1000～1050℃以上。
    2）在辊底加热炉内均热，直接装料进行热机轧制
    离开铸机后，板坯进入辊底加热炉均热，温度设为1100～1150℃。热机轧制的中心问题就是利用塑性变形实现成形加工。控制固态反应，用给定材料特性设定显微组织。因与铌的微合金化，轧机内加工硬化和软化工艺有很大变化。所有显微组织成形过程，铌微合金钢都能在CSP轧机上实现。
    成功的CSP热机轧制工艺有如下特点：
    a.    薄板坯轧制直接加料。在凝固铸流冷却过程中通过δ→γ-转变实现奥氏体化。奥氏体化温度很高，奥氏体颗粒很粗。
    b.    进入CSP轧机的板坯为铸态显微组织。
    在轧机内，首先压实树枝状铸态显微组织，使其变为均匀的再结晶显微组织。其次根据热机轧制工艺要求调整奥氏体。
    3）层流冷却和卷取
    奥氏体多晶转变在层流冷却中进行，在卷取机上完成最终显微组织。铁素体颗粒尺寸与奥氏体颗粒尺寸和辊道冷却速率紧密相关。如果剩余变形为0.8，奥氏体颗粒尺寸20μm，平均冷却速率25℃/s，可算出铁素体颗粒尺寸大约是5μm，与实验结果非常吻合。
    从精轧温度降到卷取温度速度快、强度大，充分利用热变形产生的晶格缺陷影响多晶转变，强化晶粒细化效果。从S550MC 6mm CSP热带钢冷却曲线看，降温速度非常快。奥氏体近等温转变比率提高，促进显微组织均匀化。
    高强度CSP热带钢的显微组织和特性
    1） 显微组织和亚结构特性
    对8mm厚CSP热带钢显微组织图的研究显示，随着强度等级的提高，颗粒细化作用也随之增强。S315MC的CSP热带钢平均铁素体颗粒尺寸大约是6μm（颗粒尺寸号12-11） ，S550MC大约是4～5μm（颗粒尺寸号13）。
    S315MC和S420MC具有铁素体-珠光体显微组织。暗淡的珠光体位于铁素体颗粒边界。因锰含量较高，S420MC珠光体比S315MC的珠光体细。
    由于化学成分不同、卷取温度较低，S550MC的CSP热带钢则是贝氏体显微组织。随奥氏体热加工硬化的不断加强，贝氏体形态由针状逐渐变为准球形。铁素体颗粒只在轧制方向上轻微拉伸。不同位置颗粒大小分布曲线几乎相同，证明热带钢内的显微组织变化非常均匀。
    透射式电子显微镜研究对S550MC的CSP热带钢显微组织铁素体粒度进行分级：1级约2～4μm，近球状，位错密度低；2级约0.5μm，位错密度较高，有形成晶胞趋向；3级为高位错密度晶体包，含5个板条，每条长1～4μm, 宽0.1～0.5μm， 在板条形晶体方向上轻微拉伸 。晶包内，结晶取向相同，晶体之间的边界是亚晶界。不同晶包之间结晶取向不同，晶包的边界为大角度晶界。
    不同粒级共生是连续冷却的结果。渗碳体或珠光体既没发现横向结晶也没发现内结晶，也未发现粗大的碳化物。沉淀颗粒非常小（几个nm），很细地分散在铁素体基体内，验定为Nb(CN)。
    对显微组织的深入研究说明，在热机轧制过程中，固溶体硬化、晶粒细化、沉淀硬化和提高位错密度等方法都充分发挥了作用。
    2）材料性能
    S550MC的CSP热带钢屈服强度随入口温度的上升而增大，从 1050℃上升到1100℃可使屈服强度增加50MPa。入口温度高，可确保薄板坯进入轧机时固溶体中的铌含量。但仅有高的起始温度也不能保证所需的最小屈服强度。终轧温度和卷取温度对屈服强度也有影响。屈服强度随终轧温度和卷取温度的下降而增大。
    试验证明，最小屈服强度的可调技术范围比较宽，能保证工艺控制的有效性和可靠性。所有试验钢种全部达到或超过了最小断裂延伸率要求，S315MC是24%，S600MC是13%。除抗拉强度外，弯曲试验结果也满足要求。
    夏氏冲击试验取5×10mm2纵向和横向S550 M C的CSP热带钢样品。温度与缺口冲击能的关系显示，韧度值很稳定，符合DIN EN 10149标准要求。从韧性到脆性断裂的转变温度是-50℃。CSP热带钢同时具有极好的强度和韧性。  
    3）应用
    试验证明 CSP热带钢具有很好的材料特性。其加工性能和实用可靠性在成功应用中得到了全面确认。用户来自机械、设备、厂房以及汽车工业等领域。CSP热带钢可谓传统高强度热带钢最好的替代品。
    结论
   
    有控制地采用冶金反应原理，综合考虑CSP工艺特点，用CSP设备生产Nb微合金热带钢，工艺非常可靠。产品满足欧洲和美国对高强度热带钢的冷成型标准要求。
    除高强度外，热机轧制还可在低温设定很高的延展性。CSP热机轧制工艺参数和显微组织及材料特性之间的相互关系，与传统轧机中获得的结果非常一致。
    CSP热带钢的质量与传统方法生产的热带钢完全相同，广泛应用于机械、设备、厂房以及汽车工业等领域。