D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.05.0M2 第25卷第5期 北京科技大学学报 Vol.25 No.5 2003年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2003 电炉CSP工艺生产HSLC钢的研究与开发 傅杰”王中丙)康永林”柳得橹》陈贵江)李烈军) 1)北京科技大学，北京1000832)广州珠江钢铁有限责任公司，广州510730 摘要介绍了HSLC钢的力学性能、成分和纯洁度控制，讨论了HSLC钢的强化机理.结果 表明，在G,≤450MPa条件下，珠钢电炉CSP工艺生产的HSLC钢的力学性能与国外同类钢相 当.提出了HSLC钢的成分控制要点，开发了电炉终点碳控制和低氧控制技术，发现了低碳钢 中存在纳米硫化物、氧化纳、氮化物和碳化物.与HSLA钢类似，HSLC钢亦具有沉淀强化机 制，纳米铁碳化物应是主要沉淀强化相. 关键词HSLC;HSLA;电炉；CSP 分类号TG142.1 用V,Nb,Ti微合金化的低合金高强度(HSLA) 力学性能与国外电炉CSP钢厂生产的屈服强度 钢在我国已广泛应用，该钢的一个重要发展方向 为345~450MPa的HSLA钢相当.用HSLC钢取代 是高性能低成本.广州珠江钢铁有限贵任公司 屈服强度为450MPa以下的HSLA钢、低合金钢 (以下简称珠钢)建立的电炉CSP生产线是我国 和普通碳素钢，具有重大的经济效益和社会 第一条薄板坯(50mm)连铸连轧生产线，与北京 效益. 科技大学合作，在普通碳素钢Q195(SS330)及 Q235(SS400)成分基础上，研究开发出低碳高强 1HSLC钢的力学性能 度(HSLC)钢热轧薄板.HSLC钢是一种低C-Mn 珠钢用电炉CSP工艺生产HSLC钢的力学 系钢，其特征是不添加微合金元素V,Nb,Ti,与普 性能如表1所示.表中由表1可以看出，珠钢生产 通低C钢或C-Mn低合金钢相较，其强度级别高， 的HSLC钢热轧板屈服强度a,可达到400MPa级 表1用EAF-CSP工艺制备的HSLC钢与HSLA钢的化学成分及力学性能对比 Table 1 Comparison of chemical and mechanical properties between HSLC steel and HSLA steel 厚度 w/% 序号钢种 mm C d/μn o/MPa oy/MPa6/% Mn Si Nb Al N 1 HSLA3.00.0500.74 一 0.00700.049 0.032 0.0091 一 378 46129.2 2 HSLA 6.3 0.0500.76 0.00700.052 0.032 0.0084 361 461 30.8 3HSLA4.70.0501.07 0.00700.060 0.032 0.0083 392 498 26.8 4HSLA2.10.0500.80 0.00700.052 0.032 0.0076 393 470 252 5” HSLA6.30.0551.10 0.045 0.0090 一 402 486 32.7 6 HSLA6.30.0551.10 0.045 0.0090 456 547 32.2 > HSLA7.00.0741.42 0.320.0010 0.038 0.037 0.01008.02398 498 34.0 8 HSLC2.06.00.0500.30 0.060.0049 0.02-0.04<0.00505-6 387 433 33.0 9 HSLC6.00.0600.610.170.0060 0.015<0.00508.22 439 494 31.5 10 HSLC6.00.1800.560.210.0030 0.028 <0.00506.86 437 543 29.4 11° HSLC6.00.1701.210.280.0040- 0.024 <0.00505.68 492 597 27.8 12'HSLC6.00.1601.220.300.0030 0.037<0.00507.8740856634.0 注：*不同的轧制与冷却工艺，*121炉，1.8万t钢的平均值：d一平均品粒尺寸 No.14数据来源文献[1小：No.5,6数据来源文献[3；No.7数据来源文献[4]热模拟；No.8-12数据来源文献[5] 收稿日期2003-02-17傅杰男，66岁，教授 *国家“973”“新一代钢铁材料的重大基础研究”项目(No.G1998061500)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 留 】 电炉一 工艺生产 钢 的研究与开发 傅 杰 ‘， 王 中丙 ” 康永林 ‘， 柳得槽 ” 陈贵江 ” 李烈 军 ” 北 京科技 大学 ， 北 京 广 州珠 江钢 铁 有 限 责任 公 司 ， 广 州 摘 要 介 绍 了 钢 的力 学 性能 、 成 分 和 纯 洁 度控 制 ， 讨 论 了 钢 的强 化机 理 结果 表 明 ， 在 ‘ 条件 下 ， 珠 钢 电炉 工 艺 生 产 的 钢 的 力学性 能 与 国外 同类钢 相 当 提 出 了 钢 的成 分 控制 要 点 ， 开 发 了 电炉 终 点碳 控 制 和 低 氧 控 制技术 ， 发现 了低碳钢 中存在 纳 米硫 化物 、 氧 化 纳 、 氮 化 物 和 碳化 物 与 钢 类 似 ， 钢 亦具 有 沉淀 强 化 机 制 ， 纳 米 铁碳 化 物 应 是 主 要 沉淀 强 化 相 关键词 电炉 分 类号 用 ， ， 微 合 金 化 的低 合 金 高强度 钢 在我 国 已 广 泛应 用 ， 该钢 的一 个 重 要 发展 方 向 是 高性 能低 成 本 广 州 珠 江 钢 铁 有 限责 任 公 司 以下 简称 珠钢 建 立 的 电炉一 生产 线 是 我 国 第 一 条 薄 板 坯 连 铸 连 轧 生产 线 ， 与 北 京 科 技 大 学 合 作 ， 在普 通 碳 素 钢 及 成 分基 础 上 ， 研 究 开 发 出低 碳 高 强 度 钢 热 轧 薄板 钢 是 一 种低 一 系钢 ， 其特 征 是 不 添 加 微 合 金 元 素 ， ， ， 与 普 通 低 钢 或 低 合 金 钢 相 较 ， 其 强度 级 别 高 ， 力 学性 能 与 国外 电炉一 钢 厂 生 产 的屈 服 强 度 为 一 的 钢 相 当 用 钢 取 代 屈 服 强度 为 以下 的 钢 、 低 合 金 钢 和 普 通 碳 素 钢 ， 具 有 重 大 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 钢 的 力 学 性 能 珠 钢 用 电炉一 工 艺 生 产 性 能 如 表 所 示 表 中 由表 可 以看 出 的 钢 热 轧 板 屈 服 强 度 氏 可 达 到 二钢 的力 学 ， 珠钢 生产 级 表 用 一 工 艺 制备 的 钢 与 钢 的 化 学成 分 及 力 学性能对 比’冈 序 号 钢 种 厚度 。 川卜 刀涯 刃讨 占 ︸，、︶一︸了 ，乙月 气‘内门、 ︺只︻ … ︸ ︸ … 孟 ’’’夕 注 不 同 的轧制 与冷 却 工 艺 ， 炉 ， 万 钢 的平 均值 子一 平 均 晶粒 尺 寸 数据 来源文 献 ， 数 据 来 源 文献 』 数据 来源 文 献 热 模拟 一 数 据 来源 文献 收稿 日期 一 一 傅 杰 男 ， 岁 ， 教授 国家 ，’ ” “ 新 一 代钢 铁 材料 的重 大 基础研 究 ” 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．05．042
·450· 北京科技大学 学 报 2003年第5期 并有较高的延伸率.它们不含钒或铌，锰含量较 2.0 低，但在屈服强度要求不高于450MPa条件下，其 T/℃ 1.5 15101530 强度水平与国外生产的含钒或铌的HSLA钢相 当，其屈强比及塑性可通过成分、轧制及冷却工 1.0 250 艺来调整， 0.5 111001150 2HSLC钢的成分及纯洁度控制 900 0 0.0050.0100.0150.0200.0250.030 2.1碳的控制 0 [S]y% 采用CSP工艺难以生产成分落在包晶反应 图2钢中MnS的稳定性图 区，即碳含量在0.07%~0.16%范围的低碳钢.为 Fig.2 Stability diagram of MnS 此，将HSLC钢的碳含量控制在95%.文献[2]指出：在用150t偏心底出钢的超 如生产Mm]-0.6%的HSLC钢时，[S]应控制在 高功率交流电弧炉生产含碳量≤0.06%的HSLA ≤0.0030%. 钢时，出钢前将碳脱到0.03%或更低.这一操作 试验结果表明1：对于含Mn1.4%的低合金 可能会增加铁损及脱氧剂用量，从而提高成本， 钢，当疏含量从0.0040%降低到0.0009%，MnS开 始析出温度从1250℃降至1100℃，o,提高45MPa. [C]m-0.035%0.050% 2.3氮的控制 OI/o] 钢中自由氮高导致钢的时效性能、冷弯性 能、成形性能及焊接性能降低，美国电炉钢氮含 量在0.01%左右，为变害为利，成功地开发出了用 0.2 0.4 0.6 0.8 V,Nb,N微合金化，屈服强度为310450MPa的 [C]y% HSLA锅.珠钢为了降低成本，提高性能/成本比， 图1实测[C一O]关系 对钢液脱氮和吸氮动力学进行了深入系统研 Fig.1 Experimental of relationship of [C]-[O] 究，开发HSLC钢时选择了生产低氮电炉钢的 2.2锰和硫的控制 路线.HSLC钢中的氮含量<0.005%，自由氮 在普通低碳钢中，硫以MS夹杂物形式存 可<0.001%4.因此，从减少钢中自由氮角度考 在，为有害杂质元素.在HSLC钢中，控制锰、硫 虑，转炉CSP流程更适合生产HSLC钢.图3(a), 浓度积，使MnS热力学开始析出温度低于CSP均 b)分别为钢中AIN及TN的稳定性图 热温度，析出物尺寸<1m,有的为纳米级，疏成 由图可见：当N-0.004%-0.005%,[A]-0.02% 为有利元素.图2为钢中MnS的稳定性图.由图2 -0.03%,AN的开始析出温度在900-1000℃ 可见，HSLC钢ZJ330[Mn≤0.3%，[S]-0.005%时， 范围：[T]=0.001%,TN的开始析出温度约为 MnS开始析出温度约为1100℃，低于均热温度. 1200℃，从动力学考虑，实际析出温度应更低一 对ZJ330钢进行了扫描电镜、薄晶体和萃取 些.它们有可能在连轧过程中由形变诱导析出
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 并有较 高 的延 伸 率 它 们 不 含钒 或 妮 ， 锰 含 量 较 低 ， 但 在 屈 服 强度要求 不 高于 条件 下 ， 其 强度 水 平 与 国外 生 产 的含 钒 或 锯 的 钢 相 当 ， 其 屈 强 比 及 塑 性 可 通 过 成 分 、 轧制 及 冷 却 工 艺来 调 整 钢 的成分 及 纯 洁 度控 制 碳 的控 制 采用 工 艺难 以生 产 成 分 落 在 包 晶反 应 区 ， 即碳 含量 在 一 范 围的低 碳 钢 为 此 ， 将 钢 的碳含 量控制 在 或 质 量 分 数 ， 下 同 生 产 碳 含量 低 于 的钢 种 ， 要 解 决两 个 技术难题 一 是减 少 电炉 出钢 后 至 连铸 结束过程 中钢 液增碳量 ， 珠钢 可 使这一 增碳量低达 左 右 二 是 要 防止 钢 液 过 氧 化 热 力学研 究 结果 表 明 ， 在 珠 钢 生 产 条件 下 ， ℃ 时 和 口 选 择 氧 化 的 临界 点 为 也 就 是 说 ， 〔 低 于 时 ， 先氧 化 铁 后 氧 化碳 ， 实测 的 一 〔 关 系 曲线示 于 图 【 一 ， ， 珠 钢 根 据 这 一 原 理 开 发 了 电炉 终 点碳 控 制 技术 ， 使 电炉 终 点碳 一 的命 中率 文 献 指 出 在用 巧 偏心 底 出钢 的超 高 功 率交流 电弧 炉 生产 含 碳 量 蕊 的 钢 时 ， 出钢 前 将碳 脱 到 或 更低 这一 操 作 可 能会 增 加铁 损及 脱 氧 剂 用 量 ， 从 而 提 高成 本 聋 。 喇 芝 卫 医 〔 ，犷 · · 刁爪 袄”叹一六卜一一一 舰 图 实测 【 一 】关系 【 一 锰 和 硫 的控 制 在 普 通 低碳 钢 中 ， 硫 以 夹 杂物 形 式存 在 ， 为有 害 杂 质 元 素 在 钢 中 ， 控 制 锰 、 硫 浓 度 积 ， 使 热 力 学 开 始 析 出温 度低 于 均 热 温 度 ， 析 出物 尺 寸 ， 有 的为 纳米 级 ， 硫 成 为有 利元 素 图 为钢 中 的稳定 性 图 由 图 可 见 ， 钢 【 」续 ， 时 ， 开始 析 出温度 约 为 ℃ ， 低 于均热温度，， 对 钢 进 行 了扫 描 电镜 、 薄 晶体 和 萃 取 图 钢 中 的稳 定 性 图 啥 · 复型试 样 透射 电镜 和 射 线 能谱 研 究 ， 并进 行 了化 学 相 分 析 文 献 【 一 研 究 结 果 表 明 试 样 中很难 观 察 到 尺 寸 大 于 脚 硫 化 物 ， 钢 中存 在 两 类硫 化 物 粒 子 一 类 的线度 为 一 ， 主 要 分 布 在 铁 素体 晶界 另 一类 尺 寸 为 一 ， 分 布 在 原 奥 氏体 晶界 它 们 可 能 由 于硫 在 晶界偏聚 或 形变 诱导析 出 化 学 相 分 析 结 果表 明 ， 电解 粉 末 中 以化 合物 形 式存在 的硫 含 量 为 ， 试 验钢 中硫 含量 为 ， 即钢 中 硫 主 要 以硫 化 物 形 式存在 ， 它 们 可 能 是 ， ， ， 的硫 化 物 或 氧 硫 化 物 ， 试 验 条件 下 主 要 是 几 动 由图 可 知 ， 当钢 中锰 含 量 高 时 ， 为保 证 析 出温 度 低 于 均 热温 度 ， 应 降低 ， 例 如 生产 【 的 钢 时 ， 【 应 控 制 在 簇 试 验 结 果表 明 ’ 对 于 含 的低 合 金 钢 ， 当硫 含 量 从 降低 到 ， 开 始析 出温度从 降至 ， 氏提 高 氮 的控 制 钢 中 自由氮 高 导 致 钢 的 时 效 性 能 、 冷 弯 性 能 、 成 形 性 能及 焊 接性 能 降低 美 国 电炉 钢 氮含 量在 左 右 ， 为变 害为利 ， 成 功地 开 发 出 了用 ， 七 ， 微 合 金 化 ， 屈 服 强 度 为 于 的 钢 珠钢 为 了降低 成 本 ， 提 高 性 能 成 本 比 ， 对 钢 液 脱 氮 和 吸 氮 动 力 学 进 行 了 深 入 系 统 研 究 ， 开 发 钢 时 选 择 了 生 产 低 氮 电炉 钢 的 路 线 钢 中 的 氮 含 量 ， 自 由 氮 可 ‘， ， 因此 ， 从减 少钢 中 自由氮 角度考 虑 ， 转 炉一 流 程 更 适 合 生产 钢 图 ， 分 别 为钢 中 及 的稳 定 性 图 由图可 见 当困 一 ， 一 ， 的 开 始 析 出 温 度 在 一 ℃ 范 围 〔 卜 ， 的 开 始析 出温 度 约 为 ℃ ， 从 动 力 学考 虑 ， 实 际析 出温 度 应 更 低 一 些 它们 有 可 能在 连 轧 过 程 中 由形 变 诱 导析 出 ， 。工
Vol.25 No.5 傅杰等：电炉CSP工艺生产HSLC钢的研制与开发 ·451 0.030 (a)AIN 0.025T (b)TiN 0.025 1250 1510 T/℃ 0.020 T℃ 0.020 1150 1100 0.015 0.015 1000 0.010 1300 0.010 900 0.005 0.005 1200 800 O 0/ 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0 0.002 0.0040.006 0.0080.010 IN/% Ti]/% 图3钢中AN和TN的稳定性图 Fig.3 Stability diagrams of AIN and TiN 表2SLC钢ZJ330热轧薄板中氮化物的化学相分析结果（质量分数） Table 2 Chemical phase analysis results of nitride precipitation in HSLC steel ZJ330 % 类型 Al Ti V Cr Mn Ni Mo Fe Nb C N AIN 0.0042 0.0022 (FMnoCroNioo)(CoNoo2) 0.020.0010.0005 -0.638 0.04500.0011 (Ti VoNbaoMao)(Co2oNe) -0.00140.0003— -0.0008-0.00020.00010.0005 Σ 0.00420.00140.00030.0020.0010.00050.00080.6380.00020.04510.0038 表2是H$LC钢ZJ330热轧薄板中氮化物的化学十纳米.它们主要是铁氧化物、氧硫化物，图5为 相分析结果，图4为氮化物的透射电镜照片6切. 复型试样观察到的氧化物的形貌像及其XEDS 由表2见：ZJ330热轧板材中氮主要以化合物 谱，也发现有纳米尺寸的AlO,析出物. 的形式存在，含氮的化合物有三类，第二类实质 在氧的控制方面，应尽量降低夹杂物总量， 上是含氮的碳化物.根据对氨化物析出相的透射 特别是外来大型夹杂物.有关纳米级氧化物的析 电镜分析，其尺寸小于10nm(见图4). 出机制、其对钢力学性能的影响以及钢中溶解氧 的控制有待进一步研究. 2.5铝的作用与控制 表3示出了HSLC钢ZJ330中铝对钢组织性 图4氨化物的透射电镜照片 Fig.4 TEM micrograph of fine nitride precipitates obtain- 400nm ed by chemical phase analysis 100 2.4氧的控制 ZJ330钢中的氧主要以两种形式存在.一类 是氧化物夹杂，金相观察结果表明，氧化物夹杂 60 Fe 物尺寸主要为2~5m,其氧化物夹杂的成分与数 40 量：Al2030.00178%,Si020.00257%,Ca00.00096%, Fe00.00066%,Mg00.00030%,Ti020.00002%, Fe Mn0,0.00003%,Ni00.00001%,Cr0,0.00003%,∑ 3 0.00636%,钢中总氧含量为0.003%，钢中的氧主 45 能量keV 要是以夹杂物形式存在，另一类是氧化物析出 图5复型试样观察到的氧化物形貌及其XEDS谱 物，分布在原始奥氏体晶界的氧化物尺寸较大为 Fig.5 TEM micrograph and XEDS spectrum of oxide in 100-200nm,晶内的氧化物尺寸较小，一般为几 the replica specimen
从 傅杰等 电炉 工 艺 生 产 钢 的研制 与 开 发 刃℃ 伪 刃℃ 哭、 燮 馨 芝工 、 图 · 钢 中 】 】 和 洲 汹 的 已 稳 呀 定 性 图 讲 【 』 表 钢 热 轧薄板 中氮化物 的化 学相 分析 结果 质量 分数 类 型 一 一 一 一 一 一 一 一 一 伊 。 州 ‘ 。加， 。 ， 召 。 一 一 一 一 一 凡州 注 ， 州 。 力 。 汉面 一 一 一 一 一 表 是 钢 热 轧 薄 板 中氮 化 物 的化 学 相 分 析 结 果 ， 图 为氮 化 物 的透射 电镜 照 片 【 ’ ， 由表 见 热轧板 材 中氮 主 要 以化 合 物 的形 式 存 在 ， 含氮 的化 合 物 有 三 类 ， 第 二 类 实质 上 是 含 氮 的碳 化 物 根 据 对氮 化物 析 出相 的透射 电镜 分 析 ， 其 尺 寸 小 于 见 图 十 纳 米 它 们 主 要 是 铁 氧 化 物 、 氧硫 化 物 ， 图 为 复 型 试 样 观 察 到 的氧化 物 的形 貌 像 及 其 谱 ， 也 发 现 有 纳 米 尺 寸 的 析 出物 在 氧 的控 制 方 面 ， 应 尽 量 降低 夹 杂 物 总量 ， 特 别 是 外 来 大 型 夹 杂 物 有 关 纳 米 级 氧 化 物 的析 出机 制 、 其对 钢 力 学性 能 的影 响 以及 钢 中溶 解氧 的控 制 有 待 进 一 步研 究 铝 的作 用 与控 制 表 示 出 了 钢 中铝 对 钢 组 织 性 图 氮 化物 的透 射 电镜照 片 血 佃 ‘ ” 服 陌 阵 载卞 氧 的控 制‘，，，，，，‘ ， 钢 中 的氧 主 要 以两 种 形 式 存 在 一 类 是氧 化 物 夹 杂 ， 金 相 观 察 结 果 表 明 ， 氧 化 物 夹 杂 物 尺 寸 主 要 为 一 ， 其 氧 化 物 夹 杂 的成 分 与数 量 ， ， ， ， ， ， 仇 ， ， ， ，艺 ， 钢 中总氧 含 量 为 ， 钢 中的氧 主 要 是 以夹 杂 物 形 式 存 在 另 一 类 是 氧 化 物 析 出 物 ， 分 布 在 原始 奥 氏体 晶界 的氧 化物 尺 寸较 大 为 ， 晶 内 的氧 化 物 尺 寸 较 小 ， 一般 为几 一一曰冲旦竺厄醉卫叹碑扭口口钾 曰叫 曰 钾 』叫阵 能量瓜 图 复型 试样 观 察 到 的氧化 物 形 貌 及 其 谱
·452· 北京科技大学学报 2003年第5期 表3HSLC钢ZJ330中铝对钢组织性能的影响 Table 3 Effect of Al on structure and properties of HSLC steel ZJ330 炉号卷号[Al][AL][T][V]o,/MPa/MPa6/%a,/冷弯d1.5a,l80晶粒尺寸d/m 5366053890-10.04640.043000350.3 420.929.00.83 合格 10.86 53660 53890-20.04640.04300 0 349.8 418.031.7 0.83 合格 10.86 53680 53900-10.02300.01900 0 333.0 400.034.0 0.83 合格 9.84 53680 53900-20.02300.01900 0 344.0406.0 29.0 0.85 合格 9.84 53670 53911-10.01980.01600.001 0 348.5413.330.9 0.84 合格 11.92 5367053911-20.01980.01600.001 0 356.5 420.130.3 0.85 合格 11.92 5369053921-10.02000.016000.001 360.0404.428.6 0.89 合格 8.89 5369053921-20.02000.0160 00.001371.1 422.431.7 0.88 合格 8.89 53700 53931-10.01300.00800 0 362.8 423.7 28.8 0.86 合格 8.75 5370053931-20.01300.00800 0 364.9 424.4 29.8 0.86 合格 8.75 5371053941-10.00550.00470.001 0 342.0 4.3.0 26.0 0.85 合格 9.78 5371053941-20.00550.00470.0010 348.0 4.4.0 29.00.86 合格 9.78 注：1为纵向：2为横向 能的影响，由表可见，钢中酸溶铝在0.0430%一 由图6可见，ZJ330热轧板材的组织为等轴的 0.0047%范围内，热轧板材的晶粒度及力学性能 铁素体加少量的珠光体，晶粒细小，平均尺寸5 差别不大.有关铝在HSLC钢中的作用及最佳含 m左右，分布均匀，没有带状组织. 量控制有待进一步研究.铝的作用可能与降低钢 中自由氮含量和起沉淀强化作用有关， 3HSLC钢强化机理 如前所述，HSLC钢的强度与HSLA钢的强度 水平相当，初步研究结果表明：其强化机制与 HSLA钢类似亦包括铁素体细晶强化、固溶强化、 沉淀强化、珠光体强化及位错亚结构强化；与 400nm HSLA钢的差别在于细化晶粒和起沉淀强化的弥 图6CSP工艺生产H$LC钢ZJ330热轧成品板的金相 散析出粒子种类和体积分数不同， 组织 (1)细晶强化.由于铸坯薄、拉速快、冷却速度 Fig.6 Optical micrograph of HSLC steel ZJ330 高、偏析小以及奥氏体再结晶，使Y一α相变前奥 氏体晶粒细小：层流冷却过程中，冷却速度快，过 (2)沉淀强化.图7示出了HSLC钢ZJ330成 品板、轧卡件及连铸坯中弥散析出的尺寸<20nm 冷度大，铁素体在奥氏体晶界和晶粒内部大量形 核，最终导致组织明显细化，第二相硫化物及氧 的第二相粒子，研究结果表明：这些纳米粒 子，主要是铁碳化物及AN.其质量分数为 化物粒子的析出也可能促进细晶强化.图6是 0.052%,比从文献[4]实验数据获得的含0.038% CSP工艺生产HSLC钢ZJ330热轧成品板的金相 Nb的HSLA钢中尺寸小于18m的M(C,N)质量 组织照片 (a b (c) 100nm 50nm 167nm 留7低碳钢中弥散析出的尺寸<20nm颗粒的透射电镜照片.(a)热轧板：(b)轧卡件：（©）连铸还 Fig.7 TEM micrographs of dispersive precipitates with particle size less than 20nm in low carbon steel
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 表 钢 中铝 对 钢 组织性 能 的影 响 介 月触 加 炉 号 卷 号 口 氏 氏 冷弯 ， “ 晶粒 尺 寸 脚 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 咨 氏 氏 合 格 合 格 合 格 合格 合格 合格 合格 合 格 合格 合格 合格 合格 注 为 纵 向 为横 向 能 的影 响 ， 由表 可 见 ， 钢 中酸 溶 铝 在 一 范 围 内 ， 热 轧 板 材 的 晶粒度 及 力 学性 能 差 别 不 大 有 关 铝 在 钢 中 的作用及 最 佳 含 量控 制 有待 进 一 步研究 铝 的作用 可 能与 降低钢 中 自由氮 含 量 和 起 沉 淀 强 化 作用 有 关 钢 强 化 机 理 ‘， ’时 ，， 由 图 可 见 ， 热 轧板 材 的组 织 为 等轴 的 铁 素 体 加 少量 的珠 光 体 ， 晶粒 细 小 ， 平 均 尺 寸 左 右 ， 分 布 均 匀 ， 没 有 带状 组 织 如前所 述 ， 钢 的强度 与 钢 的强度 水 平 相 当 初 步研 究 结 果 表 明 其 强 化 机 制 与 钢 类 似亦 包 括铁 素体 细 晶强化 、 固溶 强化 、 沉 淀 强 化 、 珠 光 体 强 化 及 位 错 亚 结 构 强 化 与 钢 的差 别在 于 细化 晶粒 和 起 沉 淀 强化 的弥 散 析 出粒 子 种 类 和 体积 分 数不 同 细 晶强化 由于铸 坯 薄 、 拉速快 、 冷 却速 度 高 、 偏 析 小 以及 奥 氏体 再 结 晶 ， 使丫一 相 变 前 奥 氏体 晶粒 细 小 层 流 冷 却 过程 中 ， 冷 却速度 快 ， 过 冷度 大 ， 铁 素体在 奥 氏 体 晶界 和 晶粒 内部 大量 形 核 ， 最 终 导 致 组 织 明显 细 化 第 二 相硫 化 物 及 氧 化 物 粒 子 的析 出也 可 能 促 进 细 晶 强 化 图 是 工 艺 生 产 钢 热 轧 成 品板 的金 相 组 织 照 片 图 组织 工 艺 生 产 钢 热 轧成 品 板 的金相 馆 · 沉 淀 强 化 图 示 出 了 钢 成 品板 、 轧卡件 及 连 铸 坯 中弥 散析 出 的尺 寸 的第 二 相 粒 子 研 究 结 果 表 明 ‘， 这 些 纳 米 粒 子 ， 主 要 是 铁 碳 化 物 及 其 质 量 分 数 为 ， 比 从 文 献 实验 数 据 获得 的含 的 钢 中尺 寸 小 于 的 二凡 质 量 图 低 碳钢 中弥 散析 出的尺 寸 颗粒 的透 射 电镜 照 片 热 轧 板 轧 卡件 连铸 坯 卜 初 柱 七
Vol.25 No.5 傅杰等：电炉CSP工艺生产HSLC钢的研制与开发 ·453 分数(0.015%)大2倍多，应能起沉淀强化作 的σ，及其影响因素，由表可见：细晶强化起主要 用.有关这些纳米铁碳化物的结构及析出条件有 作用，对o.的贡献为150-200MPa:沉淀强化等对 待进一步研究. HSLC钢的强度也有着相当大的贡献为100~150 (3)固溶强化.HSLC钢中[Mn],[Si],自由氮 MPa,其中以o.为主.根据文献[21]，Ashby-Orowan N:起固溶强化作用.屈服强度随Mn,[Si]及N 修正模型可以表示为： 的增加而增加， 2 (3) (4)不同强化机制对HSLC钢屈服强度的贡 其中，r为平均粒子半径，m;4为剪切系数，对于 献.借用HSLA的经验公式，HSLC钢的屈服强度 钢材（铁素体）其值为80.26GPa:b为柏氏矢量， 为： 0.248μm:f为第二相粒子的体积分数. a.=88+37[Mn]+83[Si]+2900N]+ 对于铁一铁的碳化物系统： 15.1d,3+opt0+oo (2) f=100ycartide (4) 式中，d为晶粒尺寸；为珠光体对强度的贡献， 0,为第二相粒子的沉淀强化项，为位错亚结构 其中，y为密度，/yw=1/0.94,对表4中的[C]≤ 0.06%,Mn]=0.3%的HSLC钢，=5nm,f=0.055% 对强度的贡献. 表4中列出了珠钢用CSP工艺生产HSLC钢 m=88.1MPa. 表4珠钢CSP工艺生产HSLC钢的强度 Table 4 Strength of HSLC steel produced by EAF-CSP technology in Zhujiang Iron and Steel Co,Lid 序号 [C]% [Si]% [Mn1/% o,/MPa d,/um 1.51d.05 Op+oa+Oa 1° ≤0.06 ≤0.1 0.3 350 -10 -150 -100 2 ≤0.06 ≤0.1 -0.3 390-400 56 -200 -100 3 0.06 0.17 0.61 439 8.22 166 152 4" 0.18 0.21 0.56 437 6.86 182 128 5 0.17 0.28 121 492 5.68 200 140 4结论 (5)HSLC钢的力学性能可以通过在EAF-CSP 生产条件下控制成分、轧制及冷却工艺进行 (1)在o,≤450MPa的条件下珠钢用电炉CSP工 调整. 艺生产HSLC钢的力学性能与国外CSP钢厂生产 用V,Nb,N微合金化HSLA钢处于同一水平，HSLC 参考文献 钢不含V,Nb且Mn含量较低，用HSLC钢代替屈 1 Glodowski R J.Vanadium-nitrogen microalloyed HSLA 服强度为450MPa级以下的HSLA钢，特别是低 strip steels produced by thin slab casting[A].HSLA Steel's 合金钢和普通碳素钢具有重大的经济效益和社 2000 [M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2000 2 Lubensky P J,Wigman S L,Johnson DJ.采用薄板坯直 会效益， 接热送技术生产高强度钢[A],扬才福，张永权.钒氮 (2)HSLC钢中存在纳米级的硫化物、氧化物、 徽合金钢文集M).北京：钢铁研究总院，1998.95 氮化物和碳化物.纳米级铁碳化物AN可能起沉 3 Garcia CI,Tokary C,Graham C,Vayquey M,et al.Niob- 淀强化作用 ium HSLA steels produced using the thin slab casting pro- (3)细晶强化、固溶强化、沉淀强化、珠光体强 cess:hot strip mill products,properties and applications 化及位错亚结构强化对屈服强度具有不同程度 [A].Proc of TSCR'2002 [C].Guangzhou,2002.194 的影响，细晶强化对屈服强度的贡献为150~200 4 Zhang H T,Liu S,Wang R Z,et al.Laboratory study of MPa;沉淀强化、珠光体强化及位错亚结构强化 the influence of thin slab casting and direct rolling process on the microstructure and mechanical properties of niob- 的贡献为100~150MPa,其中以沉淀强化为主. ium microsteel [A].Proc of TSCR'2002 [C].Guangzhou, (4)HSLC钢的成分控制要点为：低氮和低自 2002.282 由氮控制，转炉CSP流程更适合生产HSLC钢： 5 Fu J,Wang Z B,Kang Y L,et al.Research and develop- MnS浓度积控制：电炉终点碳控制：最佳Al及溶 ment of HSLC steels produced by EAF-CSP technology 解氧含量控制. [A].Proc of TSCR'2002 [C].Guangzhou,2002.301
傅杰等 电炉毛 工 艺 生产 钢 的研 制与 开 发 分 数 巧 大 倍 多 ，，盯 ， 应 能起 沉 淀 强 化 作 用 有 关这 些 纳 米铁碳 化 物 的结 构及 析 出条件 有 待 进 一 步研 究 固溶 强 化 钢 中 」 ， ， 自由氮 ，起 固溶 强 化 作用 屈 服 强 度 随【 」 ， 』及 丘 的增 加 而 增 加 不 同强 化 机 制 对 钢 屈 服 强度 的贡 献 借用 的经 验 公 式 ， 钢 的 屈 服 强 度 为 氏 」 〕 〔 ，〕 ， 外 丙 嘛 式 中 ， 为 晶粒 尺 寸 丙 为珠 光 体对 强度 的贡 献 ， 氏 为第 二 相 粒 子 的沉 淀 强化 项 ， 为位 错 亚 结构 对 强度 的贡 献 表 中列 出 了珠 钢 用 工 艺 生 产 钢 的氏 及 其 影 响 因素 由表 可 见 细 晶强 化 起 主 要 作 用 ， 对 氏 的贡 献 为 巧 沉 淀 强 化 等对 钢 的强度 也 有着 相 当大 的贡 献 为 一 ， 其 中 以丙 为主 根据 文 献 ， 斤 修 正模 型 可 以表 示 为 彻 ， 二， 、 外 瓦于雳 厄副 “ 叹下 又， 其 中 ， 为平 均 粒 子 半 径 小 户为剪 切 系数 ， 对 于 钢 材 铁 素 体 其值 为 为柏 氏矢 量 ， 卿 氛厂为第 二 相 粒 子 的体积 分 数 对 于 铁一 铁 的碳 化 物 系统 厂二 凡 毗 其 中 ， 为密 度 刁 夕咖护 ， 对 表 中 的 簇 ， 【 功 的 钢 ， 二 气广三 ， 外 ， ’ 序 号 表 珠 钢 工 艺 生 产 钢 的 强 度 ， 俩 ，月 了 凡内八，︸ 机 三 二 肌 兰 三 【 氏 八刃 林功 一 饰十民 氏七 一 护夕厂 结 论 在氏 ‘ 的条 件 下 珠钢 用 电炉 工 艺 生 产 钢 的力 学 性 能与 国外 钢 厂 生 产 用 ， ， 微 合 金 化 钢 处 于 同一 水 平 ， 钢 不 含 ， 且 含量 较 低 ， 用 钢 代 替 屈 服 强度 为 级 以下 的 钢 ， 特 别 是低 合 金 钢 和 普 通 碳 素 钢 具 有 重 大 的经 济 效 益 和 社 会 效 益 钢 中存 在 纳 米 级 的硫 化 物 、 氧 化 物 、 氮化 物 和 碳 化 物 纳 米 级 铁 碳 化 物 可 能起沉 淀 强 化 作 用 细 晶强 化 、 固溶 强化 、 沉 淀 强化 、 珠 光 体强 化 及 位 错 亚 结 构 强 化 对 屈 服 强 度 具 有 不 同程 度 的影 响 ， 细 晶强 化 对 屈 服 强度 的贡 献 为 一 沉 淀 强化 、 珠 光 体 强 化 及 位 错 亚 结 构 强 化 的贡 献 为 一 ， 其 中 以沉 淀 强 化 为主 钢 的成 分控 制 要 点 为 低 氮 和 低 自 由氮 控 制 ， 转 炉一 流 程 更 适 合 生产 钢 浓 度积 控制 电炉 终 点碳 控 制 最 佳 及 溶 解 氧 含 量 控 制 钢 的力 学 性 能 可 以通 过 在 一 生 产 条 件 下 控 制 成 分 、 轧 制 及 冷 却 工 艺 进 行 调 整 参 考 文 献 、 恤 一 ， 电 ， 汕 ， 脚 ， 采用 薄板 坯 直 接热 送技 术 生 产 高强度钢 扬 才福 ， 张永权 钒氮 微合 金钢 文集「 北京 钢 铁研究总 院 ， ， 介 ， ， 物 ， ， ’ ， ， ， 如 ， 阵 又 ， ， 研厄 ， ， 邯 一 又
·454 北京科技大学学报 2003年第5期 6傅杰，王中丙，柳得橹，等.电炉CSP工艺基础研究 社，2001 与技术创新[A].薄板坯连铸连轧技术交流与开发协 15 Fu J,Zhou S X,DiL,et al.Effects of temperature and [S] 会第一次会议[C],广州，2002.13 on the kinetics of nitrogen removal from liquid steel [J].J 7王中丙，李烈军，康水林，等.薄板坯连铸连轧CSP Mater Sci Technol,2001,17(2):233 线生产低碳钢板的力学性能特征钢铁).钢铁， 16 Kang Y L,Wang K L,Yu H,et al.Research on micro- 2001,36(10):33 structures evolution and precipitation behavior of hot strip 8周德光，傅杰，柳得橹，等.CSP薄板表面裂纹的形成 of low carbon steel produced by CSP [A].Proceedings of 机理与预防措施[).北京科技大学学报，2002,24(4)： First International Conference on Advanced Structural 403 Steels[C].Tsukuba,2002.27 9傅杰，李晶，徐晓达，等.电弧炉冶炼终点碳的控制 17 Kang YL,Yu H,Fu J,et al.Morphology and precipitation [.钢铁，2001,36(6：18 kinetics of AlN in hot strip of low carbon steel produced 10 Liu DL,Huo X D,Wang YL,et al.Oxide and sulfide dis- by compact strip production[J].Mater Sci and Eng,2003 persive precipitation in ultra-low carbon steels[].J Univ A351:265 SciTechnol Beijing,2001,8(4):314 18傅杰，康永林，柳得橹，等.CSP工艺生产低碳钢中 11 Liu DL,Fu J,Kang YL,et al.Oxide and sulfide disper- 的纳米碳化物及其对钢的强化作用)北京科技大 sive precipitation and effects on microstructure and pro- 学学报，2003,25(4)：328 perties of low carbon steels [J].J Mater Sci Technol,2002. 19柳得橹，王元立，霍向东，等，CSP低碳钢的晶粒细 18(1):7 化与强韧化.金属学报，2002,38(6)：647 12 Huo X D,Liu DL,Chen N J,et al.Microstructure evol- 20 Rune Lagnegorg.The significance of precipitation reac- ution of low carbon steel produced by compact strip pro- tions in microalloyed steels [A].Proceeding of HSLA duction [A].Proceedings of First Intemational Confer- Steel 2000 [C].Beijing:Metallurgical Industry Press, ence on Advanced Structural Steels [C].Tsukuba,2002. 2000 217 21 Kneissl AC,Garcia CI,de Ardo A J.Characterization of 13赵增武，常国威，王新华.氧、疏对高纯净低合金钢 pricipitates in HSLA steel [A].Geoffrey T,Zhang S H. 强韧性的影响研究[A】.新一代钢铁材料研讨会论文 HSLA Steels:Processing,Proerties and Applications [M]. 集M.北京，2001.431 The Minerals,Metals and Materials Society,1992.99 14傅杰.钢冶金过程动力学M.北京：冶金工业出版 Research and Development of HSLC steel Produced by EAF-CSP Technology FU Jie",WANG Zhongbing",KANG Yonglin",LIU Delu,CHEN Guijiang,LI Liejun 1)University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Guangzhou Zhujiang Iron and Steel Co,Ltd,Guangzhou 510730,China ABSTRACT The mechanical properties,chemical composition control and cleanness control of HSLC steel were introducted and the strengthening mechanism was discussed.It is pointed out that the mechanical properties level of HSLC steel produced by EAF-CSP technology in Zhujiang Iron Steel Co,Ltd is located at the same position with that of microalloyed HSLA steel produced in foreign CSP plants.The main points of chemical composition and cle- anness control were listed and the terminal point control as well as low nitrogen control technology of EAF was developed.It was found that there existed nano-scale sulfides,oxides,nitrides and carbides in HSLC steel.Similar to HSLA steel,the precipation strengthening mechanism is available to HSLC steel.The nano-scale iron carbide would be the main strengthening phase. KEY WORDS HSLC:EAF:CSP
· 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 傅杰 ， 王 中丙 ， 柳得槽 ， 等 电炉 工 艺基础研 究 与技术创新 薄板坯连铸连轧技术交流与开 发协 会第 一 次会 议 ， 广 州 ， 王 中丙 ， 李烈 军 ， 康永林 ， 等 薄板坯 连铸连 轧 线 生 产低碳钢 板 的 力学 性 能特 征 钢 铁 钢 铁 ， ， 周 德 光 ，傅杰 ，柳得槽 ，等 薄板表面裂纹 的形 成 机理 与 预 防措施 北 京科技大 学学报 ， ， 傅杰 ， 李 晶 ， 徐晓达 ， 等 电弧炉冶炼终点碳 的控制 钢 铁 ， ， ， 周八 ， 】 ， ， ， ， ， 石 叮 ， ， ， ， ， 杠” 奴 】 ， 赵 增 武 ， 常 国威 ， 王 新华 氧 、 硫对 高纯 净低合 金钢 强韧性 的影响研 究 新一代钢 铁材料研讨 会论文 集 北 京 ， 傅 杰 钢 冶 金 过程 动 力 学脚 北 京 冶金 工 业 出版 社 ， ， ， ， 』 ， ， ， 认知 ， ， 加 礼 ， ， ， ， ， 傅杰 ， 康永林 ， 柳得槽 ， 等 ， 工 艺 生 产 低 碳 钢 中 的纳米碳化物及其对钢 的强化作用 北 京科技 大 学 学报 ， ， 柳得槽 ， 王 元 立 ， 霍 向东 ， 等 低 碳 钢 的晶粒 细 化与强 韧化 金 属 学报 ， ， 贬尹 ’ ， ， ， 价 ， ， ， ， 一 ，恻刃 洲沙才心愁犬月刃 构岁力 ， 毛 犷气 】 留 ， ， 乡山 姗 ， 氏 乡山 ， ， 吐 勿 一 加 ， 印吐 五 一 ， ， ， 理油 一 卫