超级钢,钢铁材料发展的理想方向

我国超级钢工业应用情况
超级钢在一汽的成功应用，对我国钢铁生产和用户都产生了巨大的鼓舞作用。促使超级钢的研究、开发、生产和应用在更大的范围内展开。2002年武钢、珠钢也开始进行超级钢的试制，并应用于二汽集团公司制作汽车部件。
国内钢铁企业对开发研制新一代钢铁材料表现出了浓厚的兴趣，宝钢、鞍钢、首钢、武钢、本钢、攀钢、珠钢、淮钢、唐钢等国内大中型钢铁企业都积极参与到超级钢的推广应用中。钢材用户对超级钢的进展也给予了充分的关注和支持，到2002年，宝钢、武钢、本钢、珠钢、首钢共生产了400MPa－500MPa超级钢5000多吨，用于一汽、二汽、吉林辉南车架厂、辽宁金州车架厂等单位。同时，用作汽车横梁、纵梁、辅助梁和建筑钢材的超级钢替代传给的低、微合金钢产品，节约了大量昂贵的合金元素，每吨可以降低成本200元－300元，取得了生产厂和用户双赢的效果。
超级钢研究现状
1997年日本首先提出了“超级钢”的概念，即在保持材料其性能及成本不变的前提下，把现有钢铁材料强度提高一倍，并启动“超级钢”在内的四大科研项目，预计10年完成研究工作希望2015年前后更换基础设施。2001年，欧盟启动“超细晶粒钢开发”计划，2002年，美国公布实施两个“超级钢开发项目”。我国1998年启动了国家重大基础研究计划项目（973项目），－“新一代钢铁材料的基础研究”课题。到2002年底，基础理论研究工作已基本完成，并成功开发200Mpa，400Mpa和800Mpa级超级细晶粒钢的生产工艺，现已在宝钢和本钢等厂家投入批量生产，该项目科研成果相继被列入国家高技术研究发展计划（863计划），正在全国各行业推广应用。
现在，由于超级钢扁平材和长、型材超级钢产品的成功开发，用普通碳素钢生产的３００兆帕～５００兆帕系列超级钢热轧板卷和中厚板，将逐步取代一部分这一级别的微合金钢和低合金高强度钢。长、型材领域在节省合金元素的前提下，可生产综合性能合格的３００兆帕～５００兆帕级带肋钢筋，同时具有优异的塑性、韧性、屈强比和良好的焊接性等，并大幅度降低成本。超级钢的开发成功与推广应用，可以不使用或较少使用昂贵的合金元素，有效地降低资源消耗，增加高附加值产品的生产能力，进而带动钢铁及相关领域的生产工艺、设备和产品的升级换代，全面提升钢铁基础材料产业的技术水平。另外，合金元素使用量的减少，还能够使废钢的回收利用变得容易，有利于环境保护。
同时，超级钢的开发应用可为钢铁企业带来可观的经济效益。推广应用３００兆帕～５００兆帕超级钢棒线材，平均可降低成本１００多元／吨，超级钢板带材可降低成本２００元／吨～３００元／吨，按推广应用超级钢４００万吨／年计，每年可产生经济效益５亿多元。以江西萍钢为例，２００５年，该厂生产超级钢螺纹钢增加经济效益１亿多元。
超级钢生产关键技术
金属的强化方式有固溶强化、析出强化、位错强化、热处理强化、沉淀强化和晶粒细化强化等。在这些强化方式中，晶粒细化是唯一能够同时提高强度和韧性的有效方法。其它方法都是在强度提高的同时，冲击韧性下降。，因此，获得超细晶粒金属材料的加工工艺是超级钢生产过程中的关键技术。而在实际生产中，根据材料成分和性能不同，获得超细晶粒组织的工艺有：（1）ECAP工艺[1] ；（2）ARB工艺[2,3] ；（3）CSP技术[4] ；（4）弛豫析出控制相关技术[5,6] 。目前，国内外超级钢生产中普遍采用的晶粒细化技术为：（4）弛豫析出控制相关技术。
在超级钢的开发中，把普碳钢的屈服强度由200MPa级提高到400MPa级，实现了利用相同的化学生产不同性能要求产品的想法。并在此基础上提出改变过去钢种开发和生产从炼钢开始的做法，实现一钢多级和一钢多能。这样可以大幅度降低炼钢和连铸的难度，使坯料管理和生产管理更加方便。
在建筑行业，国外钢筋强度400MPa级早已成为主导受力钢筋，500MPa级已经开始应用。为扭转我国混凝土用钢水平落后的局面，新修订的混凝土结构设计规范将屈服强度为400MPa的Ⅲ级钢筋作为主导受力钢筋，其设计强度为360MPa，强度价格比优于Ⅱ级钢筋15％以上。
我国超级钢生产状况
２００５年我国生产超级钢热轧带钢、超级钢棒线材、超级钢中厚板等品种超级钢逾４００万吨。这表明，在国际钢铁新材料竞争中，我国超级钢开发和应用技术位居前列并率先实现了产业化。超级钢的大规模生产与应用将导致我国钢材品种的升级换代。
超级钢的重要特征是以普通碳素钢或碳锰钢为基本成分，在目前设备条件下，开发研制低成本高性能钢材品种，通过轧制与冷却工艺的改进细化晶粒，并配合相变强化等手段，使量大面广的普通结构钢在保证其他性能要求的前提下，大幅度提高强度，使屈服强度从２００兆帕级提高到３００兆帕～５００兆帕级。
400Mpa超级钢产品及其生产技术对于我国国民经济和社会发展具有重要意义，在国民经济的许多行业均具有广阔的推广应用前景。首先，在国内外汽车生产厂普遍追求降低成本、减轻自重、减少油耗的背景下，超级钢首先在汽车制造行业找到了市场并且前景良好。其次，400Mpa超级钢的生产技术可以推广应用到线材、中厚板等品种，这为超级钢在建筑业以及其它行业的应用开辟了途径。建筑业是普碳钢应用最为广泛的领域，应用超级钢来替代传统的II级钢筋具有良好的前景；在造船、桥梁以及压力容器等领域也可以应用超级钢的生产技术来实现减少合金元素用量、降低成本、改善性能的目的，因此在这些领域也具有广阔的应用前景。另外，400Mpa超级钢的生产技术可以应用于更高强度级别超级钢的开发，并由此带动普碳钢乃至结构钢的更新换代。
超级钢的开发应用已经成为国际上钢铁领域令人瞩目的研究热点。据悉，美国、日本、韩国、欧洲等外国的超级钢开发项目，目前处于以实验室研究为主的阶段，未见工业应用报道。我国在超级钢开发和应用这一轮国际竞争中，已经走到了前面。超级钢产品已应用于各个行业，初步实现了产业化目标。
随着建设部把Ⅲ级钢筋作为主力钢筋的产业政策出台，超级钢棒线材的产量将在今后几年内大幅度增长。普通的200MPa级钢筋将逐渐被400－500MPa的钢筋取代，在经济高速发展大背景下，建筑业的繁荣将为超级钢棒线材提供广阔的市场，低成本高强度的超级钢棒线材也将为建筑业提供有力的支撑。
超级钢，钢铁材料发展的理想方向
超级钢性能特点及关键技术
超级钢性能特点
超级钢是利用普通低碳钢，在基本不改变材料成分，不提高材料成本的前提下，通过控制轧制工艺和轧制温度，使材料强度提高一倍，而其他性能保持不变。因此，超级钢与传统材料相比具有以下特点：（1）比传统的钢铁材料有更高的性能价格比；（2）在强度上比传统钢铁材料高一倍以上；（3）在使用寿命上比传统材料高一倍；（4）基本消除宏观偏析。而在生产实际中，为了达到超级钢的性能指标，就必须严把生产关，使超级钢钢质达到以下三项技术要求：（1）超洁净化：一是最大限度的祛除钢中S、P、O、N、H（有时包括C）等杂质元素的含量（S+P+O+H+N ≤50PPM）；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。（2）高度均匀化：即指钢材成分、组织和性能的高度均匀，尽可能的减少钢在凝固过程中的偏析。（3）超细晶粒化：即要求钢的铸态组织充分细化，原始晶粒能被充分破碎，最终晶粒尺寸达到10mm以下。实践证明，在保证上述技术指标的条件下可使钢的强韧性获得大幅度提高。
在粗加工工序已开发成功“静水压高速锻造大变形加工技术”，即对加热后的钢坯通过水压锻造机施加大变形，接着再经速冷并加热后送热轧机高速轧制，由此可得到粒径为30μm以下的微细组织；其次在成品加工工序，采取高温多段轧制以施加超微细化所需的变形能量，据此采取了由3台轧制进行连轧，终于成功地轧成粒径1.2μm铁素体组织，厚度为1.2mm的薄板。作为以实用化为目标的设备，这在世界上尚属首例。
超级钢开发成功，对我国钢材品种更新换代将产生重要影响，新一代钢种系列将随着超级钢的出现而逐渐取代陈旧的钢号标准，超级钢将作为里程碑式的标志载入钢铁产品开发的史册。据悉，美国、日本、韩国、欧洲等外国的超级钢开发项目，目前处于以实验室研究为主的阶段，未见工业应用报道。我国在超级钢开发和应用这一轮国际竞争中，已经走到了前面。
日本从上世纪90年代中开始研发通过钢材晶粒小于1μm以提高强度和使用寿命达2倍以上的超级钢铁成果已陆续延发出来，应用于汽车钢板、桥梁和大型建筑物金属构件时，有利轻型化和节约资源。
承担研发项目的是物质材料研发机构和金属系材料研究开发中心。物材研的“超级钢铁项目”研发的内容为高强度耐腐蚀钢和高效火电设备用耐热钢，主要供应城市基础设施建设用钢材。迄今研究成果为开发利用廉价且易循环利用的由铁、碳、锰、硅、铝等普通元素组成的高强度耐蚀钢，经淬火处理后轧制成功铁素体晶粒1μm以下的超微细组织，抗拉强度为过去的2倍以上，并具有和加入镍1%耐蚀钢同样的耐蚀性能。此外，用于火电设备的可耐650℃高温、且在10万小时内保持高强度的耐热钢也开发成功。尽管钢中无碳化物组织，取代是粒径为几μm，且均匀分布的超微细化钒氮化合物。
金属系材料研发中心承担的任务：环境和谐型超微细粒钢创新基础技术开发，项目由新能源产业技术综合开发机构委托，为了使1μm级超微细粒钢工业化，需通过热轧工艺施加重大变形的技术课题共4个。即为使钢材生成微细化晶粒，须在尽可能短时间内施加巨大变形，但一次实施有困难，因此在研究课题中采取了分3阶段工序使钢材晶粒实现超微细化。首先是通过粗加工使钢材形成晶粒为35μm的奥氏体组织；之后在成品加工中经3次轧制使形成粒径1μm级的结晶；最后再经弯曲变形，使结晶粒直径再减半。
日本的钢铁生产技术历来居世界先进水平，但近年来中、韩各国进步很快，为此更应利用上述成果加速前进。但钢铁新材料的实用化，一要低成本化、二要在质量上适应公共基础设施用材料的考验。
超级钢典型产品介绍
400Mpa级超细晶粒钢是国家重点基础研究计划项目（973项目），－“新一代钢铁材的基础研究”的研究内容之一，其目标是对现有Q235级别的碳素钢在基本不改变成分的情况下，通过特殊的加工工艺，在保证韧性和塑性的同时使钢材的屈服强度提高一倍，以代替同强度级别的低合金高强度钢。它也是目前我国已批量生产并应用于实际生产的一种超级钢。
2003年，超级钢解决了强屈比问题，棒线材生产和应用都取得了标志性成果，首钢生产的超级钢钢筋已达4000吨，其中1000吨用于国家大剧院建筑。
2005年，超级钢标志性成果是开始利用超级钢产品减重节材，宝钢梅山超级钢桥梁板、钢管研究开发成功，用6mm超级钢钢管替代8mm厚度低合金钢管，抗撞击性能大大优于普通的结构钢，并且直接应用于国家重点工程上海东海大桥，已经使用该产品4000余吨，经过计算节约钢材1000余吨，以每吨5000元计，直接经济效益500万元，钢板减薄后，降低了大桥整体自重，社会效益也相当可观。
超级钢的应用及市场前景
从研究发展来看，超级钢先解决了过去棒线材穿水冷却工艺导致出现淬火组织，引起晶粒尺寸不均匀、屈强比过高、存在压力时效和焊接性能不良等老大难问题。提出通过组织复相化来实现对钢材性能的有效控制的技术思路，利用细化的铁素体晶粒提高屈服强度，通过对软相和硬相比例的控制达到所需要的性能。
超级钢开发成功，对我国钢材品种更新换代将产生重要影响，新一代钢种系列将随着超级钢的出现而逐渐取代陈旧的钢号标准，超级钢将作为里程碑式的标志载入钢铁产品开发的史册。
关于超级钢焊接问题
由于超级钢是在不改变原材料成分及其他工艺性能的基础上，通过人为控制轧制工艺及温度，使材料组织细化（晶粒尺寸小于10um），从而使材料强度提高1倍以上。而在超级钢焊接过程中，由于受焊接热源的作用，焊缝及热影响区在焊接热循环的作用下，势必会造成晶粒长大现象，从而引起焊接接头组织和性能的恶化。由于超级钢晶粒极度细化，焊接时面临的主要问题一是焊缝金属的强韧化;二是热影响区晶粒长大的问题。在我国新一代钢铁材料项目中，主要针对400MPa级和800Mpa级超细晶粒钢铁解决上述焊接性问题。