钢材性能柔性化与柔性轧制技术

第41卷 第11期 2006年11月

钢铁

Iron and Steel

V ol.41,No.11N ovember 2006

钢材性能柔性化与柔性轧制技术

刘相华, 王国栋, 杜林秀, 刘振宇

(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004)

摘 要:为解决用户个性化需求与企业规模化生产之间的矛盾,提出将组织性能在线优化控制技术应用于柔性轧制,用同一种成分的坯料来生产不同性能的产品,简化炼钢和连铸的操作和管理,利用对钢材性能柔性的控制实现轧制生产的大规模定制。指出当前2种可行的柔性轧制实例:用普碳钢生产屈服强度为200~400M Pa 的产品,用碳锰钢生产屈服强度为350~600M Pa 的产品。

关键词:柔性轧制;组织性能;在线优化控制;大规模定制

中图分类号:T G 30 文献标识码:A 文章编号:0449-749X(2006)11-0032-05

Flexible Steels and Flexible Rolling Technology

LIU Xiang -hua, WANG Guo -dong , DU Lin -xiu, LIU Zhen -y u

(T he State Key Labor atory of Ro lling and A utomation,No rtheaster n U niversity,Shenyang 110004,L iaoning,China)Abstract:T he Flexible Rolling T echno lo gy (FR T )fo r o nline optimizing contro l o f micr ostructure and pr operties o f steels is pr oposed to meet the individualized demands.T he key points of such F RT are to produce products w ith dif -fer ent pro per ties fro m the same steel g rade to r ealize mass customizatio n,and simplify operation and manag ement o f steel making and slab casting.T wo examples of the FRT ar e g iv en,including t he steel product s w ith yield str eng th from 200to 400M Pa pro duced fr om plain carbon steel,and y ield strength fr om 350to 600M P a produced fro m C -M n steel.

Key words:f lex ible ro lling;micro structur e and pro per ty;online optim izing contro l;mass cust omizatio n

基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2003AA33G010),国家自然科学基金重点项目(50634030)作者简介:刘相华(1953-),男,博士,教授; E -mail :liux h@; 修订日期:2006-02-22

随着现代科学技术和经济的发展,用户对钢铁产品需求越来越趋于多样化、个性化和优质化。而钢铁生产发展的特点是大型化、连续化、集约化。用户需求与生产技术和组织管理之间产生了矛盾。这个矛盾由于供需关系由卖方市场转变为买方市场而变得更加突出,且越来越把解决这个矛盾的责任转移到产品生产者一方来。

在研制细晶粒普碳钢时,利用成分与Q195~Q235相同的普碳钢,已成功地生产出屈服强度为400M Pa 的产品[1]

。因此,可以用同一种化学成分的坯料,生产出不同强度级别的产品[2]。这样可以简化冶炼、连铸的操作和管理,有利于冶炼和连铸工艺的持续稳定,使冶炼、连铸、板坯库、加热炉之间的衔接便捷、管理简化、难度减低

[2]

。

这种思想的优点是显而易见的,但是必须要有准确的产品组织性能在线预报和控制技术作支撑,才能付诸实施。需要在坯料化学成分确定的条件

下,深入研究并掌握轧制与冷却工艺参数对产品组织和性能影响的定量关系,并能够通过在线控制和调整工艺参数来克服性能指标的偏差,以保证产品

的质量要求。另一方面,柔性轧制的实现为金属产品的大规模定制提供了一条新的途径。利用钢材性能柔性,可以用一个批号的坯料甚至一炉钢生产不同性能的产品来满足不同的用户需求,以生产技术的柔性化来应对用户需求的多样化,使金属产品的大规模定制得以实现[3,4]。

1 柔性轧制技术

柔性轧制技术(FRT ,flexible rolling technolo -gy )是指能够导致轧制过程具有较大灵活性和适应性的轧制技术,一般可分为2种类型:外形尺寸方面的柔性轧制技术和组织性能方面的柔性轧制技术,本文主要涉及后者。

过去为了满足用户对不同强度产品的需求,往往是采用调整化学成分的方法,这样会带来增加生

产成本,加快稀缺资源消耗等问题,同时也增加了冶炼工序成分控制难度,使冶炼、连铸、轧制面临频繁更换钢种带来的衔接技术复杂化与管理复杂化。

如果能够通过改变轧制工艺,使用同一种化学成分的原料轧制出不同性能级别的产品,上述问题

第11期刘相华等:钢材性能柔性化与柔性轧制技术

将迎刃而解。这种想法是有理论根据的,也已经为新一代钢铁材料开发的实践所证实。1.1 细晶强化与适度细化

H al-l Petch 公式给出了屈服强度与晶粒尺寸间

的定量关系:

s = 0+k d

1/2

(1)

式中,d 为晶粒的平均直径; 0为其它强化方式作用项;k 为钢种常数。

由式(1)可知,当把晶粒尺寸由15~20 m 控制到3~5 m,材料的屈服强度就能增加1倍左右。200M Pa 级普碳钢的屈服强度就可能达到400M Pa 级。如果能在上述范围内控制所希望的晶粒尺寸,就可能在200~400MPa 间控制钢材的性能。轧制线材时通过对轧制及冷却工艺参数的控制,得到的微观组织实验结果如图1所示,从中可见,屈服强度随着晶粒的细化而逐渐提高,与H al-l Petch 公式基本相符。

既然不改变化学成分也能够在很大范围内改变钢材的性能,图2所示的柔性轧制技术的出现是不难理解的。这里有以下4点值得注意。

(1)图1(b)中工艺A,B, ,N 之间的差别,既

有轧制工艺的差别,也有冷却工艺的差别,且温度制度往往比变形制度更为重要。

(2)晶粒细化是提高屈服强度的有效手段,但是晶粒细化对提高抗拉强度的作用不明显,晶粒过于细化会导致材料的屈强比不合格。

(3)前阶段开发超级钢的经验表明,在当前的钢铁生产条件下,采用适度细化的思路[3]

可以得到好的效果,对板带钢平均晶粒为3~5 m,棒线材为5~8 m 。

(4)柔性轧制并不追求晶粒超细化,而是参照H al-l Petch 公式把对晶粒尺寸的控制作为对屈服强度控制的一个手段。1.2 组织复相化与复合强化

双相钢的出现给出了新的启示,如果能够有效地控制钢中硬相(马氏体、贝氏体)与软相(铁素体)的比例,就有可能获得强度与塑性最佳匹配的钢材。在细晶强化的基础上,利用相变强化和复相组织的强韧化,就有可能避免前面所说的屈强比问题,获得

综合性能优良的钢材。

(a)11 m,310M Pa; (b)9.2 m ,370M Pa; (c) 6.8 m,450M Pa; (d)5.6 m,460M Pa

图1 轧制线材实验得到的平均晶粒尺寸与屈服强度的关系

Fig.1 Relationship between average grain size and yield strength obtained from the test of wire

rolling

(a)传统生产方式; (b)柔性轧制技术

图2 柔性轧制技术生产与传统生产方式比较示意图Fig.2 C omparison between FRT production and traditional one

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