CSP线生产薄规格超高强带钢的轧制工艺与组织性能_陈良

钢铁

Vol．49，No．1January2014

2014年1月

IronandSteel

CSP线生产薄规格超高强带钢的轧制工艺与组织性能

陈

摘

1

良，张

1

超，朱

22帅，康永林

（1．武汉钢铁股份有限公司，湖北武汉430080；2．北京科技大学材料学院，北京100083）

要：介绍了CSP线的工艺设备特点，通过对CSP连铸过程的优化设计和铸坯质量控制，采用武钢自主开发的

850～920℃终轧温度，加热工艺（1180℃的出炉温度），通过对比分析不同的层流冷却方式和高温（600～630℃）、600～低温（570～600℃）卷取对钢种力学性能的影响，生产结果表明：头部连续冷却对于晶粒细化作用明显，630℃卷取有利于大量细小TiC粒子的充分析出，析出粒子尺寸低于20nm的占70%以上，析出强化作用明显。冷在优化冷却却速度和薄规格强化造成的细晶强化和卷曲温度引起的析出强化共同决定着薄规格产品的力学性能，

600和700MPa超高强度带钢。武钢CSP生产的薄和卷取制度的基础上开发了厚度1．2～6．0mm，屈服强度500，规格超高强带钢在集装箱、汽车结构钢等高端市场的成功应用表明，薄规格超高强带钢能够很好地满足市场对结构轻量化及节能减排的需求。

关键词：CSP；薄规格板带；超高强钢；层冷工艺；析出强化文献标志码：A

749X（2014）01-0057-05文章编号：0449-

ＲollingProcessandMicrostructureandPropertiesofThinGauge

Ultra-HighStrengthStripManufacturedbyCSPLine

CHENLiang1，ZHANGChao1，ZHUShuai2，KANGYong-lin2

（1．WuhanIronandSteelCompanyLimited，Wuhan430080，Hubei，China；

2．SchoolofMaterialsScienceandEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China）Abstract：TheprocessandtechnologycharacteristicsofCSPlinewereintroduced．Throughoptimizingcontinuouscastingandslabqualitycontrolling，using1180℃tappingtemperatureand850-920℃finishingrollingtemperature，themechani-calpropertiesofthingaugeultra-highstrengthstripwereanalyzedbasedondifferentcoolingmodesandcoilingtempera-tures．Theproductionresultsshowthattheheadcontinuouscoolingmodeishelpfultograinrefinement，highercoilingtem-peratureisbeneficialtothesufficientdispersedprecipitatefineTiCparticles，70%oftheTiCparticlesizeisbelow20nmcausingsignificantprecipitationstrengthening．Themachnanicalpropertiesofthingaugestrengthwereaffectedbothbyfinegrainstrengtheningcausedbyandcoolingrateandthinnergaugeandprecipitationstrengtheningcausedbycoilingtempera-6．0mmture．Byoptimizingcoolingmodeandcoilingtemperature，500，600and700MPastrengthgradestripswith1．2-thicknessweredevelopedsuccessfully．

Keywords：CSP；thingaugestrip；ultra-highstrengthsteel；laminarcooling；precipitationstrengthening

目前，薄规格高强钢因其能在满足安全和使用

降耗、减排的目的，成为新一要求的同时达到减重、

代环境友好型材料，市场应用前景广阔。常规热轧其带钢厚度在1．6mm以上；产品受铸坯厚度制约，

薄板坯连铸连轧生产线因铸坯厚度薄，已能批量生

但其屈服强产厚度在1．0～1．5mm的热轧薄带钢，

度级别主要为235或345MPa。屈服强度550MPa

以上，厚度2．0mm以下的薄规格高强钢目前主要还

［1-2］

。开展热轧高强薄材的开发，有利于是依靠冷轧

提高武钢CSP产线产品竞争力。

高、板形良好。整条生产线主要包括，常规的转炉炼

漏斗形结晶器的立弯式铸钢和精炼工艺及设备，

机，摆动剪，辊底式均热炉，高压水除鳞机，多机

架轧机，层流冷却与输出辊道，地下卷取机，以及钢卷输出装置。为适应高强薄材的生产，武钢CSP生产线进行了相关工艺技术开发，主要在降低变形抗力的同时保证铸坯表面质量的加热工艺，为保证薄材生产负荷的均衡分配，配置了高刚度7机架热连轧机；为高强度薄材控轧控冷工艺的需要，层流冷却为分段式冷却，具备5种冷保证卷形，配置却方式；为实现高强度钢的卷取，大功率的卷取机。

04-08收稿日期：2013-

和其他薄板坯连铸连轧生产线一样，武钢CSP

生产线以铸坯薄、铸机拉速高为特征，带钢厚度精度

作者简介：陈

良（1971—），男，硕士，高级工程师；

E-mail：clcqqcs@126．com；

·58·

钢铁第49卷

近年采用CSP生产高强和超高强度钢板已有

［3］

了一定研究，涟钢CSP线生产低碳贝氏体钢时，Mo和Cr等合金元素，加入了Mn，降低了珠光体和

使先共析铁先共析铁素体新相的形核和长大速度，

素体区右移，保证了较宽冷速范围内得到均匀的贝

［4］

氏体组织。另外对采用CSP生产高强钢时热轧工艺的研究表明：低温卷取得到多边形铁素体和少量珠光体的组织，并且渗碳体破碎成细小的碳化物

［5］粒子分布于基体上，有利于强度的提高。

在珠钢CSP线，采用Ti微合金化在降低成本的

强钢的合金化成分控制技术、连轧及冷却过程控制

等实际生产中的问题，试验分析了钢的组织性能及钢中的纳米尺寸TiC析出粒子与轧制冷却工艺参数

实现了薄规格高强钢的批量稳定生的关系及规律，

产，产品质量满足了用户的需求。

1武钢高强钢的成分设计和冶炼控制

技术

在采用CSP生产高强钢的成分设计时，考虑带钢的焊接和成形性能，采用了低碳成分体系，同时为选了保证薄材在轧制过程中的稳定性和经济因素，

Nb，Mo等贵择高温控轧的合金元素Ti，不添加V，合金，具体的成分设计如表1所示。

同样可以得到力学性能优异的高强和超高强同时，

［6-7］

。在本文中，耐候钢产品主要介绍了武钢采用CSP生产的Ti微合金化的高强超高强带钢，通过高

表1Table1

C0．03～0．07

Si0．1～0．4

Mn1．3～1．9

高强钢的成分（质量分数）设计Compositionofhighstrengthstrip

Ti0．03～0．15

P≤0．025

S≤0．01

N≤0．008

%

冶炼时，考虑化学成分和现场生产的实际情况，

根据LF和ＲH工艺成分控制特点，将LF+ＲH双联并对脱氧合金化工艺作为初期批量生产的工艺路线，工艺进行适当的优化调整，以达到精准控制成分的目的。采用先加A1进行预脱氧，再加入Ti进行微合金

［8-9］

。钢水精炼结束后对钢水进行微钙化处化处理

理，达到对钢中A12O3夹杂进行变性的目的，以减少

钢中大颗粒夹杂，提高钢水质量，改善可浇性。

图1为热轧平整后不同厚度CSP产品力学性能与

4和厚度规格的关系。可以看出在厚度规格为3，6mm的带钢中，随厚度增加，抗拉强度从828MPa降

低到767MPa，屈服强度从776MPa降低到691MPa，伸长率保持在20%左右。

2CSP生产高强薄材的轧制工艺

CSP生产薄规格产品因轧制变形量大、轧机负荷

大、轧制速度快，导致轧制难度大。采用高于1180℃的

出炉温度，通过控轧控冷工艺进行细化晶粒和控制第二相质点的析出尺寸、数量及分布，改善组织和性能。在生产Ti微合金高强钢时，采用了高温控制工艺，终轧温度控制在850～920℃，同时为研究细晶强化和TiC粒子的析出强化作用，对不同厚度规格的产品选用了头部连续、头部间隔和尾部连续3种不同的冷却方式，以及600～630℃和570～600℃两种不同的卷取温度，以研究冷却工艺对钢的组织性能的影响规律。

图1

不同厚度规格CSP产品的力学性能变化ＲelationshipbetweenCSPproducesmechanicalpropertiesandthicknessFig．1

图2为3种厚度规格产品厚度中部组织的SEM照片，可以看出，高强钢的组织主要是准多边形铁素体，随着产品厚度的减薄，组织细化。在3．0和4．0mm厚度的钢板中，小于3μm的晶粒占总数的比例较大。极少量的珠光体呈岛状分布于组织当中；6．0mm厚度的钢板晶粒尺寸明显高于薄规格产品的晶粒尺寸。

3

3．1

薄规格高强钢的组织与性能

板材厚度对组织的影响

在采用CSP生产薄规格高强超高强度带钢时，

采用高的压下率可以细化晶粒，提高强度和塑性。

第1期陈良等：CSP线生产薄规格超高强带钢的轧制工艺与组织性能

·59·

（a）3．0mm；（b）4．0mm；（c）6．0mm。

图2

Fig．2

热轧平整后不同厚度700MPa级CSP产品的显微组织

Microstructureofdifferentthickness700MPagradeultra-highstrengthstrip

3．2层冷制度的影响

另外在同样成分和热轧制度的条件下，采用了

头部间隔和尾部连续3种层流冷却方式头部连续、

和高温卷取（600～630℃）和低温卷取（570～600℃）

2种不同的卷取温度。对不同的冷却方式下的带钢相同位置（距头部5m）取样进行力学性能测试，层流冷却制度对带钢力学性能的影响如图3所示。从拉伸试验结果可以看出，抗拉强度和屈服强度的变化与带钢厚度差别不大。根据前面的试验结随着厚度规格减薄，钢的强度呈现上果和分析得到，

升的趋势。图3中钢的强度与厚度变化不大说明，

不同的冷却方式对强度也会产生影响。武钢CSP生产700MPa级超高强度带钢的终轧温度范围是850～920℃，进入层流冷却阶段后，不同冷却方式造成终轧到卷取之间的冷速不同。

因此可以判断出现这种现象的原因是由于在层流冷却过程中冷速不同造成的。热轧终轧时钢的组织为奥氏体，在层流冷却过程中出现铁素体的形核、长大过程，而形核速率和长大速率决定最终晶粒的尺寸。形核速率和长大速率均随着冷速的增加而增

其中形核速率增加幅度更大。因此冷速的增加加，

可以细化晶粒，提高强度。

（a）抗拉强度；（b）屈服强度。

图3

Fig．3

冷却制度对700MPa级超高强带钢力学性能的影响

Effectofcoolingmodeandcoilingtemperatureonmechanicalpropertiesof700MPagradestrip

在3种冷却方式下，头部连续冷却具有最高的

冷速，前段间隔冷却次之，尾部连续冷却的冷速最低，因此就冷却方式而言，头部连续冷却具有最高的强度，薄规格产品在轧制过程中具有高的变形量，热轧终了形成变形显著的奥氏体晶粒，如果采用相同

薄规格产品的晶粒尺寸最细小。的冷速和卷取温度，

在图3中表明，高温卷取的带钢强度明显高于低温

强度差异在50～100MPa。卷取的带钢强度，

图4为厚度1．5mm的屈服强度700MPa级高强钢在不同卷取温度的显微组织。从图4中可见，其组织主要是准多边形铁素体。在582℃卷取钢的组织中，晶粒边界和内部出现了大量白色颗粒，经过在1万倍条件下（图5）的能谱分析表明析出物为Fe3C，即在低温卷取时出现了渗碳体。

·60·

钢铁第49卷

（a）630℃；（b）582℃。

图4

Fig．4

不同卷取温度条件下的700MPa级超高强带钢的显微组织

Microstructureof700MPagradesteelswithdifferentcoilingtemperatures

强化。但在快速热轧和冷却过程中TiC缺乏充足的时间完成析出，卷取成为TiC析出的重要阶段

［10-11］

。

Ti的长程扩散是控制性在TiC的析出过程中，因素，卷取温度的降低减缓了Ti的扩散速度，抑制了TiC的析出，从而造成低温卷取钢中纳米尺寸粒子的数量大为减少。由于碳在铁素体中的固溶度很低，碳原子必然要以其他形式存在，所以在钢中形成

［12］

数百纳米的Fe3C粒子。

图5Fig．5

低温卷取Fe3C析出粒子观察MorphologyofFe3Cprecipitation

图6是不同卷取温度得到的析出粒子的TEM照片，可以看出在582℃的低温卷取时，得到的析出物数量较少，并且尺寸高于630℃卷取试样中的析

630℃卷取试样中的TiC析出粒子尺寸。经统计，

582℃低温出粒子尺寸低于20nm的占70%以上，

卷取试样中的析出物尺寸较为均匀，平均尺寸在35nm左右。这也进一步解释了卷取温度影响带钢强度的原因。

underlowercoilingtemperature

Ti质钢中C质量分数为0．03%～0．07%，

量分数最高达0．15%的成分体系，最主要的强化机制为依靠形成细小的纳米尺寸TiC粒子进行

（a）630℃；（b）582℃。

图6

Fig．6

不同卷取温度带钢中TiC析出物的形貌

MorphologyofTiCprecipitationsunderdifferentcoilingtemperatures

第1期陈良等：CSP线生产薄规格超高强带钢的轧制工艺与组织性能

·61·

3．3CSP薄规格高强钢产品的应用

在武钢CSP生产线通过技术攻关，生产的薄规格高强钢已经形成耐候和非耐候两大系列，厚度1．2～6．0mm，屈服强度500～700MPa。具有厚度精度高，性能均匀，成形性好，板形平直及表面质量优良等优点。批量生产的薄规格高强钢力学性能情况见表2。

表2

Table2

钢的强度级别/MPa

700600500

非耐候系列主要应用于汽车制造领域，其中厚度1．2mm、屈服强度700MPa的产品被应用于大型客车生产以替代同等强度级别冷轧板，主要用于制作安全

可大幅降低材料成本。其他规格和强度的结构部件，

板带产品被载重汽车生产企业用来替代过去的厚规

格、低强度热轧带钢原料，这对实现汽车轻量化及节能减排具有重要意义。

武钢CSP线生产高强钢的力学性能

MechanicalpropertiesofhighstrengthstripmanufacturedbyWiscoCSPline

屈服强度/MPa720～810575～650530～605

抗拉强度/MPa770～844620～720590～680

屈强比0．85～0．900．82～0．910．81～0．91

伸长率/%15～2322～2921～32

板带规格/mm1．2～4．01．2～4．01．2～6．0

耐候系列应用于集装箱制造行业，其中厚度

1．2mm、屈服强度700MPa的产品因其优良的力学已被世界最大集装箱制造性能及较低的材料成本，

企业用以替代同等强度级别冷轧板。

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4结论

1）考虑带钢的焊接和成形性能，采用了低碳成

分体系，同时为了保证薄材在轧制过程中的稳定性和经济因素，选择高温控轧的合金元素Ti，不添加V，Nb，Mo等贵合金，工业生产结果证明该成分体系可以达到薄规格高强钢的性能要求。

2）轧制时的高压下率可以细化晶粒，提高强度4增加到6mm，和塑性。厚度规格从3，平均晶粒尺寸明显增大，抗拉强度从828MPa降低到767MPa，屈服强度从776MPa降低到691MPa，伸长率保持在20%左右。

3）采用了头部连续、头部间隔和尾部连续3种层流冷却方式和高温卷取（600～630℃）和低温卷取（570～600℃）2种不同的卷取温度。头

600可以细化晶粒，部连续冷却具有最高的冷速，

～630℃较高温度卷取试样中的TiC析出粒子尺

寸低于20nm的占70%以上，析出强化起重要作用。