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<0.06%或0.17% 复型试样透射电镜(TEM)和X射线能谱(XEDS) 0.18%(质量分数，下同) 研究，并进行了化学相分析.文献[10~12]研究结 生产碳含量低于0.06%的钢种，要解决两个 果表明：试样中很难观察到尺寸大于1μm硫化 技术难题：一是减少电炉出钢后至连铸结束过程 物，钢中存在两类硫化物粒子.一类的线度为 中钢液增碳量，珠钢可使这一增碳量低达0.010% 20-200nm,主要分布在铁素体晶界：另一类尺寸 左右：二是要防止钢液过氧化.热力学研究结果 为20-60m,分布在原奥氏体晶界.它们可能由 表明，在珠钢生产条件下，1600℃时[C]和Fe]选 于硫在晶界偏聚或形变诱导析出.化学相分析结 择氧化的临界点为[C]=0.035%.也就是说，[C]低 果表明，电解粉末中以化合物形式存在的硫含量 于0.035%时，先氧化铁后氧化碳，实测的[C]一 为0.0047%，试验钢中硫含量为0.0050%，即钢中 [O]关系曲线示于图1 硫主要以硫化物形式存在，它们可能是Mn,Ca, [O]=0.0032[C]-o4 (1) Fe,Cu的硫化物或氧硫化物，试验条件下主要是 珠钢根据这一原理开发了电炉终点碳控制 MnFe)S.由图2可知，当钢中锰含量高时，为保 技术，使电炉终点碳(0.035%0.05%)的命中率 证MnS析出温度低于均热温度，[S]应降低，例 >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