減量化加工制造應成為軋鋼技術發展趨勢

     《鋼鐵產業發展政策》鼓勵研究、開發和使用高性能、低成本、低消耗的新型材料，降低鋼材消耗。《我國中長期科學和技術發展規劃綱要》明確提出，要開發新一代鋼鐵生產工藝流程，實現鋼鐵生產的三大主要功能，即提供鋼鐵產品、能源轉換、廢棄物處理。作為鋼鐵材料生產流程主要環節的材料加工工序，如何在新一代鋼鐵工藝流程中實現減量化，生產節約型鋼鐵材料，促進我國社會經濟可持續發展，是需要我們認真思考的問題。
    減量化制造工藝成為亮點
    鋼鐵材料能通過成分設計和熱處理得到從低強度到高強度的極其寬廣范圍的性能，是其能被廣泛應用的一個極為重要的原因。盡管鋼材有多種強化方式，但只有細晶強化可以同時提高材料強度和韌性。
    到上世紀70年代，將控制軋制和控制冷卻方法結合起來，形成了所謂的控制軋制和控制冷卻技術，即TMCP。控制軋制的主要目的是控制奧氏體的狀態，利用奧氏體高溫階段的晶粒細化和低溫階段的變形累積，在奧氏體內積蓄能量，以便在隨后的相變中造成奧氏體晶界和晶內大量的鐵素體形核核心，促進鐵素體晶粒的細化。而控制冷卻則是對硬化狀態奧氏體的相變進行控制，細化相變產物鐵素體的晶粒，或控制生成按一定相比例組成的復相組織，提高材料的性能。充分利用鋼鐵材料的相變特點，對進一步挖掘鋼鐵材料的潛力、實現減量化制造具有重要意義。
    減量化加工制造技術工藝的應用
    減量化板材：新一代鋼鐵材料的開發，希望用盡量少的資源，即盡量不添加或少添加各類合金元素和微合金元素，來生產高性能鋼材。例如200MPa級普通低碳鋼，通過工藝技術的改進和優化，提高其強度和韌性，達到400MPa級材料的綜合性能，將可以節約大量鋼材，是節約型的新一代鋼鐵材料。根據低碳鋼靜態再結晶的研究結果，變形溫度在850℃~900℃時，變形后保溫時間在5秒以內，可以保證形變奧氏體處于未再結晶的硬化狀態。因此，從時間軸考慮，利用好變形后幾秒鐘內的未再結晶區，是細化碳錳鋼和低碳鋼晶粒的關鍵。在利用現代冷卻過程進行組織控制時，軋件變形后應當在短時間內立即進入冷卻區，實施快速或超快速冷卻和冷卻路徑控制。通過冷卻對硬化奧氏體的相變過程進行控制，實現細晶強化和相變強化的組合，得到需要的晶粒尺寸和相組成。對于熱連軋和棒線連軋，軋制階段可以改變的因素相對較少，所以把軋后冷卻的控制作為關注的重點，采用高密度、大流量的層流冷卻裝置和低溫卷取等控制策略，應用于減量化帶材和棒線材的開發。
    東北大學與寶鋼等單位合作進行軋制實驗，在寶鋼2050熱帶軋機上進行大規模ss400鋼細化晶粒的現場軋制實驗，在目前的工業條件下，對現有的軋制規程進行優化，生產出super~ss400鋼，它和同性能的微合金鋼相比，可以省略微合金元素，是減量化生產的一個例子。
    減量化線材：線材屬于高速軋制，不能像板材那樣實施低溫終軋。線材軋制軋件總延伸大，軋制速度高，壓下方向不斷變化，機架間間歇時間短，這種連續大變形易于實現應變積累，造成軋件奧氏體的硬化。同時，線材軋機斷面積小，容易實現由表及里的相對比較均勻的高冷卻速度，因而容易通過冷卻獲得斷面上均勻細小的晶粒尺寸。針對以上特點，線材軋制的技術要點是：利用線材軋制的大應變連續累積變形，實現材料的加工硬化；軋后立即穿水快速冷卻，吐絲后采用水霧冷卻，以獲得高冷卻速度和必要的終冷溫度；通過快速冷卻抑制奧氏體的再結晶，保持奧氏體的硬化狀態，并在適當的溫度下終止冷卻，控制相變過程，防止發生淬火組織。這種技術路線實現了400MPa級減量化線材穩定、大規模的工業生產。
    超級鋼棒材：螺紋鋼筋是我國產量最大的鋼材品種，市場競爭激烈。由于建設標準和規范的限制，我國400MPa級熱軋帶肋鋼筋棒材必須在20MnSi的基礎上添加一定數量的微合金元素，以確保鋼筋的性能全面滿足要求。這必然會增加HRB400的生產成本，消耗數量巨大的微合金元素。以我國年產7000萬噸螺紋鋼筋計算，如果全部生產Ⅲ級鋼筋，則需要釩3.5萬噸，這幾乎占據世界釩年產量的一半，將造成微合金元素價格飛漲，超出生產廠可以承擔的范圍。減量化制造可以在不添加微合金元素的基礎上，通過生產工藝的控制，獲得Ⅲ級鋼筋。在工藝操作上，采用常規高溫連續熱軋+軋后超快速冷卻+適宜溫度中止冷卻的棒材超級鋼生產新技術，其核心是超快速冷卻技術。棒材超快速冷卻技術用于超級鋼螺紋鋼筋生產，是一套優化的工藝制度。它充分利用高溫高速、強烈變形的硬化、細晶的奧氏體冷卻過程中的相變，控制材料的性能，使其合理匹配，不僅力學性能全面達到國家標準，而且焊接性能、時效性等也均滿足使用要求。這項技術目前已經成功應用于江西萍鋼、福建三鋼、酒鋼、山東濟鋼、石橫特鋼等企業，正在進一步推廣。
    低成本管線鋼：管線鋼是重要的能源用鋼，自上世紀80年代末期，我國開始開發管線鋼，目前已經達到x80的強度級別，可以供應熱帶、中厚板等不同的規格、品種。為了保證需要的力學性能，x70以上的管線鋼依據不同級別的性能要求，采用TMcP技術，形成針狀鐵素體組織、粒狀貝氏體組織、下貝氏體組織等；在成分設計上，廣泛采用Mo、cu、Ni、cr系合金設計。由于Mo的價格十分昂貴，人們開始探求新的合金成分設計。從1999年開始，由巴西鈮公司牽頭，幾個不同國家工廠參與國際合作，以Nb代替昂貴的Mo，開發出高鈮成分系列(含鈮0.1％左右)的管線鋼成分設計和相應的HTP(High Temperature。Processing)生產技術，目前已經可以應用到x80級管線鋼的生產。這項技術以低成本生產出高強度級別的減量化管線鋼，大幅度地降低了生產成本，并已經開始在國內試制。
     減量化生產的新流程
    薄板坯連鑄連軋(TsCR)短流程：TSCR過程的一個重要特點，是軋制線上各點的溫度和斷面不隨時間變化而變化，這與常規熱帶軋制中的升速軋制所帶來的擾動有本質的區別。它通過對冷卻路徑的有效控制，不需要添加昂貴的合金元素來擴大軋制和冷卻的工藝窗口。同時，由于TscR過程產量因素不是主要決定因素，軋制速度可以降低，有足夠的時間用于鐵素體的析出，從而彌補了輸出輥道較短帶來的不足。包頭鋼鐵集團公司與東北大學合作，在包鋼的生產線上進行了C-Mn系雙相鋼開發的探索性試驗，目的是開發新型減量化的熱軋雙相鋼。
    傳統的取向硅鋼生產過程采用MnS或AIN作為抑制劑。為了形成需要的抑制劑，傳統流程必須將材料加熱到高溫，這既消耗了能源，增加了二氧化碳的排放，又增加了工藝的難度。近年來，新的硅鋼生產工藝不斷被開發出來，這種情況正在逐漸改變。
    國外的一些工廠開發出薄板坯連鑄連軋生產取向硅鋼的新工藝，為取向硅鋼的低成本生產開辟了一條新的途徑。TscR過程將高溫熔融狀態下的鋼液澆注到連鑄機結晶器，連鑄板坯直接裝入通道式均熱爐保溫均熱，然后送人軋機軋制。由于板坯不經過鐵素體相變過程，在軋制之前不進行變形，多數MnS和AIN仍然保持溶解狀態，會在隨后的精軋過程中微細析出，可以作為一部分抑制劑而加以利用。TSCR軋制取向硅鋼的過程不需要再加熱到高溫，可以大幅度降低能源的消耗，降低生產和設備建制的難度，是一個有前景的取向硅鋼生產工藝過程。
    柔性生產工藝：現代化的大生產應當是大規模定制方式，生產過程既要大規模進行，又要滿足用戶的個性化需求，如何增加現有生產過程的柔性是非常重要的。柔性軋制技術是利用同一種材料，通過軋制、冷卻過程的控制，生產不同強度級別、不同組織和性能的材料。這樣可以大大簡化煉鋼過程和連鑄過程的生產操作，有利于生產的組織和調度，為實現軋制生產的大規模定制奠定基礎。
    中厚板在線熱處理工藝：中厚板的熱處理通常是利用常化爐或調質爐離線進行的，因此需要重新進行加熱。與傳統的離線熱處理不同，JFE福山厚板廠在矯直機的后面安裝了鋼板在線熱處理裝置，與新型的強力冷卻裝置super-oLAC配合使用，對鋼板進行調質，實現減量化的優質鋼板生產。這種在線熱處理裝置采用新的在線熱處理工藝，與傳統的離線熱處理工藝比較，具有以下新的特點：一是與軋制、冷卻過程同步完成，交貨期短，產量高；二是通過與加速冷卻裝置的配合，可以進行相變組織的控制和析出物的析出控制，獲得新的組織，從而獲得新的性能，為鋼材性能的提高提供了新的途徑。（中國冶金報）