关于轧钢的新工艺技术分析

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关于轧钢的新工艺技术分析
作者：宋福明
来源：《中小企业管理与科技·学术版 》2008年第05期

作为钢铁材料生产流程主要环节的材料加工工序，如何在新一代钢铁工艺流程中实现减量
化，生产节约型钢铁材料，促进我国社会经济可持续发展。

一、减量化制工艺特点

钢铁材料能通过成分设计和热处理得到从低强度到高强度的极其宽广范围的性能，是其能
被广泛应用的一个极为重要的原因。尽管钢材有多种强化方式，但只有细晶强化可以同时提高
材料强度和韧性。

到上世纪70年代，将控制轧制和控制冷却方法结合起来，形成了所谓的控制轧制和控制
冷却技术，即TMCP。控制轧制的主要目的是控制奥氏体的状态，利用奥氏体高温阶段的晶粒
细化和低温阶段的变形累积，在奥氏体内积蓄能量，以便在随后的相变中造成奥氏体晶界和晶
内大量的铁素体形核核心，促进铁素体晶粒的细化。而控制冷却则是对硬化状态奥氏体的相变
进行控制，细化相变产物铁素体的晶粒，或控制生成按一定相比例组成的复相组织，提高材料
的性能。充分利用钢铁材料的相变特点，对进一步挖掘钢铁材料的潜力、实现减量化制造具有
重要意义。

二、减量化加工工艺的应用

减量化板材：新一代钢铁材料的开发，希望用尽量少的资源，即尽量不添加或少添加各类
合金元素和微合金元素，来生产高性能钢材。例如200MPa级普通低碳钢，通过工艺技术的改
进和优化，提高其强度和韧性，达到400MPa级材料的综合性能，将可以节约大量钢材，是节
约型的新一代钢铁材料。根据低碳钢静态再结晶的研究结果，变形温度在850℃~900℃时，变
形后保温时间在5秒以内，可以保证形变奥氏体处于未再结晶的硬化状态。因此，从时间轴考
虑，利用好变形后几秒钟内的未再结晶区，是细化碳锰钢和低碳钢晶粒的关键。在利用现代冷
却过程进行组织控制时，轧件变形后应当在短时间内立即进入冷却区，实施快速或超快速冷却
和冷却路径控制。通过冷却对硬化奥氏体的相变过程进行控制，实现细晶强化和相变强化的组
合，得到需要的晶粒尺寸和相组成。对于热连轧和棒线连轧，轧制阶段可以改变的因素相对较
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少，所以把轧后冷却的控制作为关注的重点，采用高密度、大流量的层流冷却装置和低温卷取
等控制策略，应用于减量化带材和棒线材的开发。

减量化线材：线材属于高速轧制，不能像板材那样实施低温终轧。线材轧制轧件总延伸
大，轧制速度高，压下方向不断变化，机架间间歇时间短，这种连续大变形易于实现应变积
累，造成轧件奥氏体的硬化。同时，线材轧机断面积小，容易实现由表及里的相对比较均匀的
高冷却速度，因而容易通过冷却获得断面上均匀细小的晶粒尺寸。针对以上特点，线材轧制的
技术要点是：利用线材轧制的大应变连续累积变形，实现材料的加工硬化；轧后立即穿水快速
冷却，吐丝后采用水雾冷却，以获得高冷却速度和必要的终冷温度；通过快速冷却抑制奥氏体
的再结晶，保持奥氏体的硬化状态，并在适当的温度下终止冷却，控制相变过程，防止发生淬
火组织。这种技术路线实现了400MPa级减量化线材稳定、大规模的工业生产。

超级钢棒材：螺纹钢筋是我国产量最大的钢材品种，市场竞争激烈。由于建设标准和规范
的限制，我国400MPa级热轧带肋钢筋棒材必须在20MnSi的基础上添加一定数量的微合金元
素，以确保钢筋的性能全面满足要求。这必然会增加HRB400的生产成本，消耗数量巨大的微
合金元素。以我国年产7000万吨螺纹钢筋计算，如果全部生产Ⅲ级钢筋，则需要钒3.5万
吨，这几乎占据世界钒年产量的一半，将造成微合金元素价格飞涨，超出生产厂可以承担的范
围。减量化制造可以在不添加微合金元素的基础上，通过生产工艺的控制，获得Ⅲ级钢筋。在
工艺操作上，采用常规高温连续热轧+轧后超快速冷却+适宜温度中止冷却的棒材超级钢生产新
技术，其核心是超快速冷却技术。棒材超快速冷却技术用于超级钢螺纹钢筋生产，是一套优化
的工艺制度。它充分利用高温高速、强烈变形的硬化、细晶的奥氏体冷却过程中的相变，控制
材料的性能，使其合理匹配，不仅力学性能全面达到国家标准，而且焊接性能、时效性等也均
满足使用要求。这项技术目前已经成功应用于江西萍钢、福建三钢、酒钢、山东济钢、石横特
钢等企业，正在进一步推广。

低成本管线钢：管线钢是重要的能源用钢，自上世纪80年代末期，我国开始开发管线
钢，目前已经达到x80的强度级别，可以供应热带、中厚板等不同的规格、品种。为了保证需
要的力学性能，x70以上的管线钢依据不同级别的性能要求，采用TMcP技术，形成针状铁素
体组织、粒状贝氏体组织、下贝氏体组织等；在成分设计上，广泛采用Mo、cu、Ni、cr系合
金设计。由于Mo的价格十分昂贵，人们开始探求新的合金成分设计。从1999年开始，由巴
西铌公司牵头，几个不同国家工厂参与国际合作，以Nb代替昂贵的Mo，开发出高铌成分系
列(含铌0.1％左右)的管线钢成分设计和相应的HTP(High Temperature。Processing)生产技术，
目前已经可以应用到x80级管线钢的生产。这项技术以低成本生产出高强度级别的减量化管线
钢，大幅度地降低了生产成本，并已经开始在国内试制。

三、减量化加工工艺流程

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薄板坯连铸连轧(TsCR)短流程：TSCR过程的一个重要特点，是轧制线上各点的温度和断
面不随时间变化而变化，这与常规热带轧制中的升速轧制所带来的扰动有本质的区别。它通过
对冷却路径的有效控制，不需要添加昂贵的合金元素来扩大轧制和冷却的工艺窗口。

传统的取向硅钢生产过程采用MnS或AIN作为抑制剂。为了形成需要的抑制剂，传统流
程必须将材料加热到高温，这既消耗了能源，增加了二氧化碳的排放，又增加了工艺的难度。
近年来，新的硅钢生产工艺不断被开发出来，这种情况正在逐渐改变。

国外的一些工厂开发出薄板坯连铸连轧生产取向硅钢的新工艺，为取向硅钢的低成本生产
开辟了一条新的途径。TscR过程将高温熔融状态下的钢液浇注到连铸机结晶器，连铸板坯直
接装入通道式均热炉保温均热，然后送人轧机轧制。由于板坯不经过铁素体相变过程，在轧制
之前不进行变形，多数MnS和AIN仍然保持溶解状态，会在随后的精轧过程中微细析出，可
以作为一部分抑制剂而加以利用。TSCR轧制取向硅钢的过程不需要再加热到高温，可以大幅
度降低能源的消耗，降低生产和设备建制的难度，是一个有前景的取向硅钢生产工艺过程。

柔性生产工艺：现代化的大生产应当是大规模定制方式，生产过程既要大规模进行，又要
满足用户的个性化需求，如何增加现有生产过程的柔性是非常重要的。柔性轧制技术是利用同
一种材料，通过轧制、冷却过程的控制，生产不同强度级别、不同组织和性能的材料。这样可
以大大简化炼钢过程和连铸过程的生产操作，有利于生产的组织和调度，为实现轧制生产的大
规模定制奠定基础。

中厚板在线热处理工艺：中厚板的热处理通常是利用常化炉或调质炉离线进行的，因此需
要重新进行加热。与传统的离线热处理不同，JFE福山厚板厂在矫直机的后面安装了钢板在线
热处理装置，与新型的强力冷却装置super-oLAC配合使用，对钢板进行调质，实现减量化的
优质钢板生产。这种在线热处理装置采用新的在线热处理工艺，与传统的离线热处理工艺比
较，具有以下新的特点：一是与轧制、冷却过程同步完成，交货期短，产量高；二是通过与加
速冷却装置的配合，可以进行相变组织的控制和析出物的析出控制，获得新的组织，从而获得
新的性能，为钢材性能的提高提供了新的途径。