0 前言中国钢铁工业的战略目标中有两个尤为重要。第一 :保证充足的钢材供应以满足国民经济年增长7%的需要 ;第二 :将板管比提高到 6 0 %～ 70 % ,即发达工业国家的水平。要达到这两个目标 ,会大量的使用薄板坯连铸连轧工艺<1> 。1 薄板坯连铸连轧流程的成本及规格优势<2 >传统热轧带钢产品的厚度主要分布情况是 :2 .0 0～ 2 .99mm ,约占 4 7.5 % ;3.0 0～ 4 .99mm约占2 5 .7% ;1.5 0～ 1.99mm ,约占 14 .3% ;而小于 1.5 0mm仅占 0 .3%。二十世纪 90年代以来 ,由于薄板坯连铸连轧工艺的发展 ,使得热轧薄板的最小厚度已经有可能达到 1mm以下 ,而其产品主要厚度范围将主要分布在 1.0～ 3.0mm之间。对于传统冷轧带钢轧机的产品而言 ,其厚度分布情况是 :约有 6 0 %分布在 0 .6～ 1.2mm之间 ,约有 15 %分布在 1.2～ 1.6mm之间。因此 ,薄板坯连铸连轧工艺将对传统热轧带钢轧机的产品市场产生影响。看来 ,传统热轧带钢轧机的产品将分别被挤压到主要生产 3mm以上的厚规格带卷和为 1.0mm以下的冷轧带钢供料。由此引起了一系列的连锁反应 ,薄板坯连铸连轧作业线的热轧产品将部分挤占 1.0～ 2 .2mm之间冷轧产品的市场 ,小于 1.0mm厚度的冷轧产品的市场仍将由传统带钢轧机保持主导地位 ;而传统热带连轧机生产的 3mm以上的厚规格的产品将挤占原来2 30 0mm及其以下中板轧机的中板市场。这种现象在中国已经出现。例如 :1999年中国消费中厚板约1383万吨 ,其中约有 4 0 0万吨中板是热连轧带钢轧机生产的。而 2 0 0 3年中国消费的中厚板有 4 7%左右是由热宽带钢轧机生产的。2 薄板坯连铸连轧流程的投资与市场竞争力优势<3>由于薄板坯连铸连轧工艺技术装置的日趋完善 ,市场竞争力日趋明显。根据SMS公司的资料 ,薄板坯连铸连轧工艺的优势主要在于 :投资低 ,约为传统热连轧的 5 8% ,综观全球 ,1973年石油危机以来国际钢铁企业的投资经验表明 ,随着技术进步和钢厂结构调整 ,单位钢铁产品的投资额逐步降低。而且越是采用高技术 ,单位产品的投资额应该越低。具体而言 ,电炉 -薄板坯连铸 -连轧的热轧卷的吨材投资量将降至 30 0美元左右 ;而高炉 -转炉 -薄板坯连铸 -连轧的热轧卷的吨材投资量将降至 6 0 0～ 80 0美元 ,甚至更低些<4 > 。单位产品投资额过大将会削弱市场竞争力 ,在钢铁企业的发展过程中应引起高度警惕。薄板坯连铸 -连轧工艺能耗低 ,约低 5 0 % ;生产成本约为常规轧机的 78% ;成材率比常规轧机高 1.8%左右 ;而维修费用约为常规轧机的 39%。现在两流薄板坯连铸—一套相应的热连轧机年产量可达 16 0～ 2 5 0万吨 ,而且分别可以和电炉或高炉—转炉流程匹配。因此在不同市场需求条件下 ,扁平材 (特别是薄板 )可以选择适当的产品结构、合理的生产作业线和合理的经济规模。可以有不同的选择不同的组合等。3 薄板坯连铸连轧的冶金特点3.1 快速凝固<5>5 0mm厚的板坯在 1.5分钟内凝固完 ,而通常的2 0 0mm厚的板坯则需 15分钟 ,根据二次枝晶间距λ2与凝固时间tf 的关系式 (λ2 =A(Mtf) 1/3,式中M为常数 ,与合金成分有关 ;tf 为局部凝固时间 )可知 ,凝固速率的增加将导致细小的铸态组织。实验结果证明<6 > ,板坯厚度由 2 5 0mm减至 5 0mm ,二次枝晶臂间距由最大 2 5 0 μm降至最大 4 0 μm以下 (如图 1所示 )。(a) 2 5 0mm厚板坯(b) 5 0mm薄板坯图 1 薄板坯与厚板坯二次枝晶臂间距对比实验结果证明<6 > ,铸坯厚度由 2 5 0mm减至5 0mm ,铸坯的宏观中心偏析情况大为改善<6 > (如图 2所示 )。快速凝固有利于夹杂物的形成 ,使它们成为细小的球状。长条夹杂物的减少有利于获得各向同性的弯曲性能。根据曼内斯曼公司的研究 ,氮化铝的析出也会被快速冷却所抑制。这些结论已为目前工业生产的 5 0mm厚CSP所证实。薄板坯的快速凝固有利于TiN的析出 ,随着凝固冷却速率的增加 ,TiN的尺寸将变小。薄板坯浇注对析出细小弥散的TiN十分理想 ,其粒度可达到 10nm以下。这种颗粒在再结晶控轧 (RCR)时对奥氏体晶界的钉扎作用非常有效。(a) 5 0mm厚铸坯(b) 2 5 0mm厚铸坯图 2 薄板坯与厚板坯的的偏析对比3.2 连铸横裂纹厚板坯连铸的一个严重问题是热塑性降低所产生的横向裂纹。塑性降低是AlN在C -Mn钢晶界析出的结果 ,在高强度低合金钢中因微合金化合物的析出进一步降低热塑性。为解决此问题 ,板坯弯曲应在塑性低谷以上温度进行。因薄板坯在弯曲和矫直过程中铸坯有较高温度 ,且板坯弯曲时的表面应变是正比于板坯厚度的。所以 ,与普通厚板坯相比 ,薄板坯可以允许更多的塑性降低 ,同时降低了横裂发生的危险。3.3 隧道式加热炉在弯曲和矫直后 ,板坯的表面温度在 >95 0℃时进入隧道式加热炉。当钢中含氮量较高时 ,在板坯内可能会发生一些铌和钒的化合物析出。它们的存在会降低钢的析出强化效果 ,为了溶解变些化合物 ,要求炉温保持在 12 0 0℃。对工业生产的 5 0mmCSP板坯进行了类似的观察 ,析出物 (NbV) (CN)的平均尺寸为 10～ 15nm。通过隧道式加热炉后 ,析出物的形貌稍有改变 ,这可能是当温度升高到 110 0℃以上时 ,钒部分溶解所致。在隧道式加热炉内 ,短的加热时间可以限制氧化铁皮的生成 ,因而是有利的。CSP板坯的氧化铁皮计算厚度约为 0 .3mm ,而普通板坯上则约为 1mm。然而 ,薄的氧化铁皮不利于消除象振痕这样小的缺陷 ,薄的氧化铁皮有较好的粘附性 ,因此需要采用较高的高压水除鳞设备。3.4 直接装炉 (热装 )热装对节能是有利的。普通加热炉冷装 2 0 0mm厚板坯时的能耗约为 14 0 0MJ/t。而在CSP隧道式加热炉的进口温度为 10 80℃时 ,其能耗仅为 130MJ/t。能耗的最大差别反映在浇注和轧制时的成本上(对每吨带材 ) :CSP的带材成本为 39美元 /t ,普通法加工带材成本为 6 7美元 /t。直接装炉的缺点是没有象冷装时的晶粒细化转变。其结果是铸坯的铸态组织中奥氏体晶粒非常粗大 :6 0 0 μm～ 10 0 0 μm或更大。轧制前铸坯中奥氏体晶粒尺寸可以用ISP法可CPR法进行细化。凝固后可以粗轧 ,这种变形 (随后便是再结晶 )几乎可以完全消除铸态组织 ,并促进奥氏体晶粒显著细化。3.5 热轧板坯直接送入 5～ 7座机架的带材热轧机。由于典型的CSP工艺中奥氏体晶粒特别粗大 ,因此 ,必须采用大压下量以期在道次间有限时间间隔内达到完全再结晶。从热轧中奥氏体组织演变模型中可知 ,要使粗大奥氏体 (10 0 0 )在 1～ 2秒内完全再结晶 ,变形量必须在 5 0 %以上。每机架 5 0 %以上的变形量 ,相当于普通带材热轧机压缩比的两倍。厚度为 1.5mm～ 12mm的板材最终奥氏体晶粒尺寸可达10 μm～ 2 5 μm。这与正常生产的带材中所观察到的铁素体尺寸相一致。平均铁素体晶粒尺寸为 4 .8μm～ 11.9μm ,表明奥氏体到铁素体的转变比约为 2 ,与加速冷却钢材的数据相一致。如上所述 ,轧制前奥氏体内会发生一些析出 ,尤其是含有少量铌 (0 .0 2 % )和较高氮钢中。这些析出物进一步促使晶粒细化。但在轧制过程中 ,过量的析出会减少铁素体中的析出 ,降低屈服强度。因此 ,CSP工艺的终轧温度应该较高 ,约为 870℃～ 90 0℃ ,接近于典型的RCR工艺。4 薄板坯连铸连轧生产双相钢和TRIP钢<7>复相钢和TRIP钢对于汽车结构中的高承载部件显得越来越重要 ,由于所使用的钢需满足复杂的要求 ,包括成形性和使用性能。对于轿车车身的独立部件 ,抗弹性翘曲能力、抗塑性翘曲能力和能量吸收能力被作为部件的设计准则。传统碳钢若有高的强度。则塑性较低 ,或者相反。复相钢和TRIP钢强度和韧性配合好。当其用于制造汽车部件时就能减轻质量 ,降低油耗。不仅如此 ,采用复相钢和TRIP钢能使汽车车身在碰撞时具有更好的能量吸收性 ,其汽车安全性比传统碳钢高 5 0 %。一辆现代轿车中双相钢和TRIP钢其质量占整部汽车车重的 2 5 %～ 30 % ,数量占 5 0 %以上。通常轿车部件大致分为覆盖件、内部件 ,以及梁和加强件。除车壳外 ,双相钢和TRIP钢已用于制作很多其它部件。双相钢和TRIP钢进一步应用的领域是汽车构件中的冷成形件 ,例如轮辋。与一般的微合金化钢相比 ,在相同抗拉强度级别前提下 ,双相钢具有更高的延伸率。不仅如此 ,双相钢良好特性还包括高加工硬化率以及无屈服强度延伸。4 .1 薄板坯连铸连轧生产双相钢双相钢由两种相组成 :70 %～ 95 %铁素体和30 %～ 5 %的马氏体。铁素体基体提供了好的延性 ,马氏体提供高的强度。下屈服点由软的铁素体流变起始点所确定。此时 ,硬的马氏体相仍处于弹性范围。随着载荷的增加 ,加工硬化效应相应增加 ,最后的抗拉强度取决于高硬度马氏体相。由此也不难理解双相钢屈强比非常低的原因。带钢双相结构的获得是通过轧后分段冷却来实现的 (如图 3所示 )。所需的铁素体相的比例形成于第一冷却阶段 ,即在6 5 0℃的铁素体区保持足够的时间。在此阶段 ,残留的过冷奥氏体被碳所富集。残留奥氏体在第二阶段转变为马氏体 ,即卷
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