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铌微合金化在CSP品种钢生产中的应用

铌微合金化在CSP品种钢生产中的应用 2011年12月04日 来源： 摘要：借鉴我国973新一代钢铁材料基础研究所取得的DIFT、RPC及DET等细晶化过程的创新成果，充分挖掘CSP流程工艺潜力，有希望构成生产高强度超级钢的主导技术。铌微合金化和微铌处理则是实现这项技术必不可少的条件，CSP流程开发含铌微合金化钢前景广阔。关键词：CSP、DIFT、RPC、DET、铌微合金化Application of Niobium Microalloying Technology on CSP ProductionDong Tao Fu Junyan(CITIC-CBMM Microalloying Technology Center)AbstractIt is possible to develop a new leading technology for the production of advanced steels if these innovative ultra-fined grain methods such as DIFT(Deformation Induced Ferrite Transformation), RPC(Relaxation Precipitation Controlling Transformation), and DET(Deformation Enhanced Transformation) resulting from ‘Fundamental Research on New Generation iron and Steel materials in China (973 plans)’ are well synthesized with potential processing benefits of CSP line. And niobium microalloying or micro-niobium treatment is absolutely necessary for successful development and application of this technology. The possibilities of production of niobium-bearing steel products in CSP line appear unlimited.Key Words: CSP, DIFT, RPC, DET, Niobium microalloying1、前言进入新世纪，我国钢铁业加快了技术改造和企业结构调整的步伐，2001年粗钢产量为15749万吨，按目前产能的增长势头预测2002年粗钢产量将突破18000万吨，在我国钢铁业诸多科技进步之中，引起业内人士广泛关注有两个方面：一 , 是我国的钢材生产和消费结构，正在逐步摆脱发展中国家以长材为主体的模式，板带材的产能增长将保持较强的趋势[1]。现有装备热轧板带材的生产能力为2755万吨，而在2005年将增长至5077万吨，从厚度规格上看，＜2mm板带将占65%以上，＜1.2mm薄带也将达40%。其中CSP生产线的建设是特别引人注目的风景线，现有已建成的珠钢、邯钢、包钢和即将建成的唐钢4套CSP机组，在建的有马钢和珠钢、邯钢二期，后续申请立项的有涟钢，济钢、沙钢、宝钢和首钢的新CSP生产线。CSP流程可以生产哪些钢材品种？或者说CSP流程可以开发哪些优势品种？正是广泛关注的议题。 二，是中国973新一代钢铁材料基础研究所取得的丰硕成果，开辟了一条生产高性能、长寿命、低成本超级钢的技术路线，同时满足当代社会发展对节能源、节资源和环保的要求。而在这些独创性的研究成果中，引起国内外重视的是钢研总院的“形变诱导铁素体相变”（DIFT）、北京科技大学的“弛豫析出控制相变”（RPC）和“形变强化相变”（DET）机制所构成的生产超细晶粒钢 （dα ~1μm）的主导技术。从许许多多研究论文和试制报告中，不难看出这些技术恰恰可以挖掘CSP流程的一些物理冶金特点，如铸坯的细晶结构、铸坯中处于溶解状态的微合金元素（Nb-,V, Nb-Ti），以及轧后加速冷却作用，足以使超低碳微合金化钢具有dα ~1μm的晶粒尺寸，达到800MPa级的强度水平。CSP流程生产超细晶粒钢实质上微合金化技术（Microalloying）和热机械处理技术（TMCP）的结合，其核心是γ晶粒度调节和临界温度形变的铁素体富化生核。铌微合金化是实现这个过程必不可少的前提。2、超细晶粒机制的分析20世纪50-90年代，世界钢材品种发展，显示了强度不断提高而碳含量不断下降的趋势，钢的洁净化、细晶化和均匀化的追求达到性能高级化的预期目标。2.1、DIFT机制[2]DIFT 机制主要是利用微合金元素铌对形变再结晶的抑制作用，实现利于得到细晶组织的相变热力学和动力学条件。在临界相变温度（~Ar3）轧制的细晶原理是通过在奥氏体非再结晶区形变，诱导铁素体相变及铁素体的动态再结晶。铌微合金化增大了铁素体相变的驱动力，促进铁素体生核，微合金化元素铌抑制位错运动，为诱导铁素体相变提供了非均匀形核的空间。Nb（CN）析出分布于铁素体晶界，阻止细晶铁素体的粗化。2.2、RPC机制[3]与DIFT机制的区别在于形变诱导的铌的碳氮化物析出在前，通过控制转变而达到超低碳贝氏体超细化。RPC过程中所形成的铌碳氮化物，是具有一定取向差的多边形胞状结构，位错相互缠结，形成网络的特性，从而在热卷取或回火处理时的性能稳定性。2.3、DET机制[4]热轧低碳钢在应变较小时，铁素体优先在原奥氏体晶界形核，但在较大的应变条件下，转向以相界的富碳前沿畸变区的反复形核为主。形核与动态再结晶（回复）过程同时进行，并交互作用，其表征为∥ND线织构形成。以上三种超细晶粒机制的共同之处有：①依赖于铌的微合金化；②固溶铌抑制奥氏体再结晶；③主张非再结晶区的大形变量轧制；④有诱导相变（铁素体或贝氏体）发生；⑤诱导相变的产物发生动态再结晶；⑥诱导碳氮化物析出对相变的影响（促进或强化），有助于拓宽CSP流程开发品种钢的范围和丰富物理冶金的内容。因此，作者认为上述超细晶粒机制，有望在CSP流程中构成生产高强度超级钢的主导技术，尤其是DIFT机制经过一些工艺适应性的试验将是可行的。3、挖掘CSP流程品种开发的潜力[5][6]国外CSP流程除Cr-Ni奥氏体不锈钢和高碳类型的板材外，几乎可以生产其余所有钢类，以非合金软钢为主，占76%以上。以包钢为例，原CSP设计所列的钢材品种则极为有限，面临根据市场需求开发新品种的问题。CSP流程有很大的工艺潜力，如果借鉴上述的超级钢细晶化的原理，我国的CSP将成为一支板带材生产的生力军，不枉几年的巨资建设。3.1、连铸坯的细晶结构薄规格板坯、液芯压下和二次冷却决定了CSP铸坯具有比传统热连轧用中厚板坯细、均匀得多的铸造组织，很大程度上弥补了板坯热送热装不存在γ→α→γ 重结晶细化过程的轧制原始奥氏体晶粒度的差异。如图1所见，原始奥氏体晶粒尺寸与板坯加热温度的关系。

1150℃下均热，铸坯奥氏体晶粒度在ASTM N0.4左右，就从这一角度看，已为DIFT、DET、RPC等机制实施做好了铺垫。3.2、碳氮化物溶解─析出行为正因为CSP铸坯的热循环特点，按铌、钒、钛等微合金化元素的碳氮化物溶度积计算公式：lg[%Nb][%N]=2.80–8500/Tlg[%Nb][%C]=3.42–7900/Tlg[%V][%N]=3.63–8700/Tlg[%V][%C]=6.72–9500/Tlg[%Ti][%N]=0.32–8000/Tlg[%Ti][%C]=2.75–7500/T在900℃和1000℃ 均热温度下，碳化物和氮化物的溶度积列于表1。

铸坯在不低于1000℃的条件下直接装入均热炉（或补偿感应加热）。若钢中氮含量40ppm，碳含量0.08%，则与上列碳氮化物相平衡的固溶态Nb、V、Ti量列于表2。

铸坯降温至1000℃时，唯有TiN析出存在，铌微合金化钢中的铌处于溶解状态。低于1000oC时有部分 NbN形成，析出物颗粒度<5nm，足以阻止形变再结晶奥氏体晶粒长大。钒的碳氮化物和钛的碳化物在850℃以上不能形成，指望不上在γ→α相变前发挥作用。连铸坯的温降一般情况下不应低于950℃，最坏的情况至少不低于Ar3，否则成品钢的混晶结构将难于避免。3.3、低温下轧制的可行性CSP流程适合在高温区开轧和终轧，以获得较好的板形和较高的生产率，因而一般均采用高温再结晶控轧工艺。而超细晶化的物理冶金过程都发生在非再结晶的低温奥氏体区，或在相变临界温度区（750~850℃），其必要条件：（1） 道次间（机架间）可实现强制冷却；（2） 铌微合金化是合金设计的最优选择。提供这个条件实施DIFT和DET机制，可以获得dα=1~3μm铁素体晶粒和颗粒尺寸为500~1000 Å的Nb(CN)析出物。3.4、终轧后的强制冷却CSP流程终轧后的层流冷却具有重要意义，是TMCP的组成部分，也是超细晶粒钢生产所必需的条件。其作用有：（1） 抑制再结晶铁素体长大；（2） 过饱和的铌在卷取温度下弥散析出Nb(CN) 的颗粒(≤200Å)；（3） 过冷到中温转变；（4） 组织和力学性能的控制。国内外经验表明：钒（V）微合金化钢只适合于高温再结晶控轧，也不可能采用上述的超细钢的细晶化机制。4、微铌处理在CSP品种钢开发中应用前景CSP流程目前比较成熟的生产品种有：（1） 冷加工热轧低碳钢；（2） 建筑用可焊接低碳结构钢；（3） 集装箱和车辆用耐侯钢；（4） 管线和船舶用微合金钢；（5） 汽车和家电用冷轧低碳钢和低合金钢。国内已建成的三套CSP机组, 目前仍停留在生产（1）（2）两类的品种档次上。作者在发表的一些论文中[8]， 已提出了微铌处理是符合我国国情的发展途径，适应现阶段钢铁业和制造业发展的技术层次和钢材需求。并总结国内外实践的经验，从一些方面阐述了微铌处理在钢中可发挥的物理冶金作用。同样，也适用于CSP流程的品种开发，<0.015%Nb在钢中可以起到细化晶粒和析出强化的效果，约可获得8~14MPa的强度增量，并使钢的韧-脆性转变温度下降8~10℃，对热变形抗力的增量是很有限的，仅为C-Mn低合金钢的1.02-1.05倍,微量Nb对于改善卷板性能均匀性也是十分有效的。每吨微铌处理钢仅增加15元左右的成本，而取得明显的经济效益。在以下两种情况下，钢的微铌处理更有意义：(1) 中、低碳高等级的冷冲压成型钢，要求钢材具有更好的延展性和较低的冲废率，微铌处理比常量的微合金化更合适。(2) 低碳和超低碳钢采用DIFT、DET及RPC机制，则可不需要加常规铌含量（0.03~0.05%），可采用微铌处理（<0.015%Nb）钢通过超细晶化工艺达到较高强度和较好的强韧性匹配。最近获得的一组实验室的数据列于表3和表4，可以作为这个观点的旁证。

5、小结5.1、国内已投产的CSP生产线面临开发市场需求钢材新品种的重大压力，又是中国钢铁工业实现钢铁强国梦想的一个难逢的历史机遇。5.2、CSP流程的工艺潜力适于采用超细晶化机制（DIFT等）生产Nb微合金化钢，但是需要进行一些工艺适应性的试验。5.3、 对于中、低强度等级的冷冲压钢和拟采用超细晶化机制生产的钢，微铌处理更为合适，可以作为钢的铌微合金化的重要补充。参考文献[1] 李世俊：面对WTO，中国钢铁工业的机遇，挑战与对策，中国钢铁工业协会，2002年3月19日。[2] 侯豁然等：铌对变形诱导铁素体相变的影响规律，中信-CBMM微合金化技术国际研讨会论文集，北京，2002. 4. 8-9，p.71-75。[3] 贺信莱等：微量铌在现代超低碳贝氏体钢中的应用，中信-CBMM微合金化技术国际研讨会论文集，北京，2002. 4. 8-9，p.11-22。[4] 齐俊杰等：形变条件对碳素钢形变强化相变铁素体晶粒取向的影响，新一代钢铁材料研讨会，中国金属学会，2001. 11. 13-16, p.263~266。[5] 东涛：薄板坯连铸连轧流程生产低合金钢的冶金学问题，1998年全国低合金钢学术年会论文集，武汉，1998.5.19-21，p.15-50。[6] 付俊岩等：我国CSP生产线的钢材品种开发，2000年全国低合金钢学术年会论文集，上海，2000.5.23-25，p.149-157。[7] 东涛：钢材品种结构调整—从微合金化起步，河南冶金，2002年8月号。[8] 东涛等：微铌处理钢的物理冶金，2002全国低合金非调质钢学术年会论文集，包头，2002.8.24-27，p.92-102。(end)

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