控制轧制和控制冷却的理论及实践

所谓TMCP（Thermo-MechanicalControlProcess）,就是在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程中的温度制度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制，显著改善钢材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材料。第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞典等国钢铁厂所采用的“低温大压下”技术奠定了TMCP工艺的雏形。五十年代末，Nb、V、Ti等微合金化元素的应用推动了TMCP工艺技术的日趋成熟。TMCP工艺技术可以说是20世纪最伟大的科技进步成果之一，目前TMCP已成为国内外板带钢生产的主导工艺；随着超细晶粒钢的研究开发，新一代TMCP工艺技术已经出现。板带轧制过程中的组织性能控制

TMCP工艺简介钢的性能与冶金学因素、生产工艺之间的关系板带轧制过程中的质量性能控制1.板带产品的质量性能指标1.1板带产品的形状、尺寸

1.2板带产品的力学性能2.板带轧制过程中的质量性能控制2.1钢材热轧过程中的组织性能变化

2.2板带轧制过程中的组织性能控制

2.3板带钢生产工艺优化的典型示例分析3.板带轧制技术的新进展3.1高性能钢板的研究开发3.2超快速冷却技术的工业应用

1.板带产品的质量性能指标

板带轧制过程实质是钢材在外力的作用下产生塑性变形的过程，它不仅可使钢材获得所必需的尺寸和形状，而且也使之获得所必须的组织和性能。形状：泛指板面的平直度（板形），浪形、瓢曲、旁弯等缺陷的有无尺寸：泛指宽度、长度和厚度；横向厚度偏差和纵向同条差是控制的关键组织：铁素体晶粒度，珠光体百分含量，带状级别，魏氏组织，夹杂物数量、大小、形状及分布状态等性能：力学性能（屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等）；工艺性能（冷弯、冲压、焊接性能等）；理化性能（耐蚀、耐火、电磁性能等）1.1板带产品的形状、尺寸

图1用凸形辊轧制矩形件示意图

由于种种原因钢材在塑性变形过程中总是处于不均匀变形状态，其不同变形的各部分受整体性限制而产生相互平衡的附加应力，因附加应力的性质和数值不同而出现各种不同的板形缺陷，如：中浪、单边浪、双边浪、瓢曲和镰刀弯等。根据不同的设备特点，通过改变轧辊凸度、轧辊交叉、轧辊横移、轧辊弯曲和不均匀的轧辊冷却等措施，对板形施行有效的控制。板带钢断面形状的控制1.2板带产品的力学性能

板带产品的技术标准示例表1GB6653-1994焊接气瓶用钢的化学成份

表2GB6653-1994焊接气瓶用钢的力学性能表3日本JISG3116高压瓦斯容器用钢的力学性能1.2板带产品的力学性能图2低碳钢拉伸时的应力－应变曲线

强度指标比例极限σP－应力、应变能保持比例关系时的最大应力弹性极限σe－完全卸载后不出现任何明显残余应变的最大应力屈服强度σS－有明显上、下屈服点时，用下屈服点对应的应力表示，无明显屈服点时，以试样残余应变达到0.2％时的应力表示，标为σ0.2抗拉强度σb－试样在拉断前所承受的最大应力1.2板带产品的力学性能

塑性指标断面收缩率Ψ％－拉伸前后试样横截面的相对减缩量延伸率δ％－拉伸前后试样的相对伸长量。因集中变形受试样形状和尺寸的制约，国标规定拉伸试样的尺寸比例应为L0/D0=5或10，所以对应长短试样分别标为δ5或δ10此外，通过拉伸试验还可测定塑性应变比R、应变硬化指数n值和屈强比σs/σb值等用以评价板带产品的冷成型性能1.2板带产品的力学性能

冲击韧性图3冲击试验原理将规定形状和尺寸的试样置于固定支架上，然后释放具有一定位能的重锤，把一次冲断试样所作的功AKV或AKU除于试样的原始面积F0所得的值定义为冲击韧性，以aKV或aKU，表示，单位J。图4夏比V型缺口试样1.2板带产品的力学性能测定不同温度下的aK值，可得到温度与aK值的关系曲线，曲线上冲击值显著的温度称为韧－脆转变温度，也叫脆性转变温度

脆性转变温度的测定方法：（1）能量法：取曲线上韧－脆状态下冲击韧性平均值所对应的温度（2）取断口结晶区面积为总面积50％时所对应的温度，以50％FATT表示（3）塑变量法：取试样相对收缩变形为1％时所对应的温度

韧－脆转变温度1.2板带产品的力学性能

冷弯性能将规定形状尺寸的试样，弯曲至规定程度，检验板材承受弯曲塑性变形的能力，并显示其缺陷，若试样弯曲外表面及侧面无裂纹、裂缝、裂断或起层即可判为合格。执行国家标准GB232－88按弯曲角度α和弯心直径d的具体要求分为：弯曲到某一规定角度α；弯曲到两臂平行；弯曲到两臂接触等三种类型。变形前奥氏体晶粒变形后晶粒被拉长铁素体形核相变完成冷却轧制2.1钢材热轧过程中的组织性能变化2.板带轧制过程中的组织性能控制2.1钢材热轧过程中的组织性能变化

（1）变形速率不变时，同一应变条件下，变形温度越高，所对应的真应力越低（2）变形温度不变时，同一应变条件下，变形速率越低，所对应的真应力也越低，且真应力的峰值向真应力变小的方向移动（3）相同变形温度、速度条件下，随应变的增加，曲线呈现由高变低并逐渐趋于稳定的形态

图5.0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb钢在0.6Tm以上温度变形时的应力－应变曲线

钢材热变形时的应力－应变曲线规律Ⅰ阶段：动态回复变形的开始阶段加工硬化速率较大，随应变继续增加，软化速率增大，部分位错消失、亚晶形成，曲线趋于平缓Ⅱ阶段：动态再结晶随变形量增加金属内部畸变能增加，达到一定程度时驱动形变奥氏体产生动态再结晶Ⅲ阶段：动态再结晶稳定阶段动态再结晶全部完成后，继续变形时，应力基本不变或呈规律的稳定状态ⅠⅡⅢ

图6典型应力－应变曲线的三个阶段2.1钢材热轧过程中的组织性能变化

钢材热变形时的应力－应变曲线规律

热加工过程中所形成的不稳定组织，在热加工的间隙时间里或加工后的缓冷过程中将继续发生静态软化。以右图所示0.68％C钢，780℃对应不同应变值变形后保温不同时间的软化规律如下：(a)当变形量远小于静态再结晶的临界变形量时，加工硬化组织不能完全消除软化过程为：静态回复(b)当变形量大于静态而小于动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复＋静态再结晶(c)当变形量刚超过动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复＋亚动态再结晶＋静态再结晶(d)当变形量达到动态再结晶稳定阶段的变形量时，软化过程为：静态回复＋亚动态再结晶2.1钢材热轧过程中的组织性能变化

热变形后的静态软化图7Q345钢不同温度不同变形量时的奥氏体组织

从图7可以看出，随着变形温度的降低，奥氏体发生再结晶的临界变形量增大：高温区轧制，10－20%的变形量足以使再结晶充分进行；部分再结晶区轧制时，临界变形量在30%以上，否则道次间隙时间内静态再结晶来不及发生1100℃1000℃950℃900℃10%20%30%40%热变形后的静态软化过程

再结晶奥氏体的长大过程图8Q345钢不同停隔时间的奥氏体组织图9奥氏体晶粒的长大过程2.1钢材热轧过程中的组织性能变化abcdef

再结晶行为对组织性能的影响图10变形量对强度的影响图11变形量对冲击功的影响

在1000℃以上的高温再结晶区轧制时，Q345钢的屈服强度和冲击功均比950℃以下的低温区轧制时低。以轧制温度同为1050℃而变形量不同的试样为例，当变形量由10%增加到40%时，屈服强度并没有上升，反而呈下降趋势，横向冲击值很低且随变形量的增加无明显变化；在950℃以下的低温区轧制时，不仅整体力学性能比高温区轧制时高，而且道次变形量对力学性能的影响比较显著，随变形量增加，屈服强度和冲击值都呈上升趋势，轧制温度越低，上升的趋势越显著。

（a）12.9%（b）

28.2%（c）39.57%

图12Q345钢1050℃不同变形量轧制试样的室温组织

再结晶行为对组织性能的影响

（a）10.8%（b）18.9%（c）41%

图13Q345钢900℃不同变形量轧制试样的室温组织返回图14变形温度和变形量对含铌钢再结晶行为和再结晶晶粒直径的影响热变形后的再结晶行为因变形量和轧制温度的变化可分为再结晶区、部分再结晶区和回复区等三个区域。采用再结晶区轧制时，整个体积发生再结晶，形成均匀的细晶粒组织在部分再结晶区轧制时，形成部分再结晶和未再结晶的混合组织在回复区域轧制时，多数晶粒产生回复，部分晶粒生成粗大晶粒

再结晶行为对组织性能的影响2.1钢材热轧过程中的组织性能变化2.1钢材热轧过程中的组织性能变化

静态再结晶的临界变形量为了使再结晶能够充分进行，则所给予的压下率必须大于对应条件下静态再结晶的临界变形量。该值随钢种和变形条件的不同彼此相差很大。普碳钢的临界变形量很小，且与温度的关系很弱，即普碳钢在较小的变形量、较宽的温度范围内均容易产生再结晶。而含铌钢的临界变形量却较大，在950℃以下的温度区域内要使含铌钢完成再结晶是很困难的。

对于多道次的热轧过程，轧制道次间往往不能发生完全软化，前一道次的变形会对下一道次的变形产生累积作用。这种道次间的软化程度常用软化率FS表示。式中：

σm—

第1道次变形的最高应力

σy0—第1道次加载时的屈服应力

σy—

第2道次加载时的屈服应力显然，道次间隔时间内完全软化时，FS=1；完全不出现静态回复时FS=0；通常情况下0<FS<1

图15热轧道次间软化率测定示意图返回2.1钢材热轧过程中的组织性能变化再结晶软化曲线的测定

再结晶软化曲线示例图16Q235钢静态再结晶软化率与道次间隔时间的关系图17含铌Q345钢静态再结晶软化率与道次间隔时间的关系轧制后奥氏体晶粒铁素体形核相变后控冷后形变硬化的铁素体变形区晶粒边界位错亚晶边界长大水淬2.1钢材热轧过程中的组织性能变化

奥氏体/铁素体相变行为

奥氏体/铁素体相变形态热加工钢材的奥氏体/铁素体相变形态示意图

形变诱导奥氏体/铁素体相变的特征

Ⅰ型相变是一种不局限于轧材，即便由单纯的加热和冷却也能引起的普通相变形态，而Ⅱ型相变（形变诱导相变）是在无应变热平衡温度以上就生成了铁素体，因而相对地增加了铁素体的形核数和生成量，还能使珠光体的体积百分数降低。由于铁素体的强制相变，将使钢中的碳只能在残余的微小区域内极度浓缩，在铁素体晶粒细化的同时，珠光体也得到细化，浓缩区的淬透性提高，从而增加了生成类珠光体、贝氏体、马氏体等低温相变产物的可能性。所谓TMCP（Thermo-MechanicalControlProcess）,就是在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程中的温度制度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制，显著改善钢材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材料。第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞典等国钢铁厂所采用的“低温大压下”技术奠定了TMCP工艺的雏形。五十年代末，Nb、V、Ti等微合金化元素的应用推动了TMCP工艺技术的日趋成熟。TMCP工艺技术可以说是20世纪最伟大的科技进步成果之一，目前TMCP已成为国内外板带钢生产的主导工艺；随着超细晶粒钢的研究开发，新一代TMCP工艺技术已经出现。2.2板带轧制过程中的组织性能控制

TMCP工艺简介

传统TMCP工艺的三个阶段（1）奥氏体再结晶区变形阶段t≥950℃

对加热时粗化的奥氏体晶粒反复进行轧制并反复再结晶后使之得到细化（2）奥氏体未再结晶区变形阶段t＝950℃-Ar3

奥氏体晶粒沿轧制方向伸长、压扁，晶内产生形变带，这种加工硬化状态的奥氏体具有促进铁素体相变形核作用（3）奥氏体＋铁素体两相区变形阶段t<Ar3

相变后为大角度晶粒和亚晶粒的混合组织传统TMCP工艺的三阶段及其组织变化

2.2板带轧制过程中的组织性能控制

TMCP工艺参数的控制原则（1）加热温度的控制：当钢材加热温度温度超过1000℃以后，随加热温度的升高奥氏体晶粒呈显著的增大趋势。因此，对普碳钢加热温度宜控制在1050℃或更低些；对含铌或含钛的微合金化钢，考虑到合金元素的充分固溶，可将加热温度控制在1150℃左右。2.2板带轧制过程中的组织性能控制（2）轧制温度的控制：轧制温度主要是强调对终轧温度的控制，终轧温度越高，奥氏体晶粒越粗大，相变后易出现魏氏组织，一般要求最后几道次的轧制温度要低，终轧温度尽可能地接近奥氏体开始转变的温度，对低碳结构钢约为830℃或更低些，对含铌钢可控制在730℃左右。

TMCP工艺参数的控制原则2.2板带轧制过程中的组织性能控制（3）变形量的控制：通常要求在低温区保证足够的变形量，在再结晶区轧制时，要求道次变形必须大于临界变形量，并采用不间隔的连续轧制。由于普碳钢的未再结晶区间很窄，为实现完全再结晶、避免混晶组织出现，必须充分重视道次变形量的设定，而含铌钢在720－950℃的较宽温度区间内应变均可以累积，因此更重视总变形量的设定。

TMCP工艺参数的控制原则2.2板带轧制过程中的组织性能控制

TMCP工艺参数的控制原则（4）冷却制度的控制水是“钢的最有效合金化添加剂”高度概括了加速冷却在钢材生产中的作用：加速冷却可提高相变驱动力、降低Ar3温度、使铁素体细化；促使强韧的低碳贝氏体形成并呈小岛状弥散分布，提高钢材强度；铁素体细化的同时珠光体也得到细化，珠光体片层间距减小，带状组织基本消失；在不降低强度的前提下，可减少钢中碳当量，有利于改善焊接性能。2.2板带轧制过程中的组织性能控制

冷却制度的控制主要包括冷却开始温度、冷却速度和冷却终了温度的合理控制：当奥氏体的有效晶界面积较大，即终轧温度较高，奥氏体晶粒比较粗大时，冷却速度过快，会使钢中的贝氏体含量显著增大，虽然强度指标会明显提高，但塑、韧性会相对降低。因此，应针对具体钢种和具体的力学性能要求将冷却速度控制在合理的范围；对微合金化的热轧钢板冷却终了温度或卷取温度的控制，应结合具体钢种，在充分把握不同终冷温度下，沉淀相的数量、大小和分布状态对相关力学性能的影响规律后，精确控制终冷温度。

2.2板带轧制过程中的组织性能控制

TMCP工艺参数的控制原则（4）冷却制度的控制图21冷却速度对0.01C-1.5Mn-0.04Nb-0.09V钢组织的影响Sv－奥氏体的有效晶界面积（1）Q345系列中厚钢板的TMCP工艺研究

在中厚板的产量中，Q345系列钢所占比例最大、品种规格最多，在新的装备条件下，如何合理应用TMCP工艺、最大限度地挖掘其潜在性能，这是国内中厚板企业共同关心的技术问题。本课题结合首钢3500mm轧机的改造，以Q345普碳钢为对象，系统地研究了轧制过程中的奥氏体再结晶行为、应变累积效应和相变规律等，得出适用于造船、锅炉、容器、桥梁等同类品种钢板的TMCP工艺。试验钢取自80mm厚中间坯，化学成分如表4所示。热模拟实验，在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的Gleeble1500实验机上进行；热轧试验，在配有水幕冷却装置的ф300mm多功能实验轧机上进行；工业试验，在首钢中板厂原3340mm机组和改造后的3500mm机组上进行。

2.3板带钢生产工艺优化的典型示例分析课题背景及试验条件表4试验钢的化学成分，wt%

成份牌号CMnSiSPQ345B0.171.480.350.0080.021

为了提高精轧阶段奥氏体部分再结晶区及未再结晶区内应变累积的百分数，选择合适的精轧温度区间是确定TMCP工艺的关键。因此采用表4所示的试验钢在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的ф300mm多功能实验轧机上进行控轧控冷试验确定精轧工艺参数和轧后冷却工艺参数。试验采用的压下规程如表5所示。阶段道次辊缝mm压下量△hmm变形量%总变形量%80Ⅰ1651518.7543.752551015.383451018.18Ⅱ438715.5664.445281026.31622621.42718418.18816211.11表5Q345钢控轧试验压下规程图18控轧温度与力学性能的关系

图19终轧温度对力学性能的影响

主要试验结果及分析

图20不同精轧温度区间控轧时的室温组织控轧温度：a—800℃b—880℃c—950℃

终轧温度：a—756℃b—822℃c—884℃序号控轧温度（℃）终轧温度（℃）屈服强度（Mpa）抗拉强度（Mpa）室温AKV（J）横纵a800756371.39548.12106193b880822396.17568.92117229.5c950884389.74544.4158116.5表6试验钢不同精轧温度区间控轧时的力学性能abc

图21试验钢精轧阶段累积形变量与强度和冲击功的关系

从图21可以看出：屈服强度随累积变形量的增加而增加，尤其是当累积变形量达到70%时，屈服强度升高约30MPa，达到380MPa左右；随累积变形量的增加冲击值几乎呈线性递增，可见增加精轧阶段的累积变形量对提高Q345钢的冲击韧性非常有效。

图22不同累积变形量试样的金相照片其中（a）38%；（b）55%；（c）66%；（d）73%

为了把握轧后冷却制度对Q345钢力学性能的影响规律，按表5所示压下规程在Φ300mm轧机上进行了控轧控冷综合试验。试验钢的力学性能和室温组织如表7和图23所示：试样号屈服强度MPa抗拉强度MPa断后伸长率δ5％横向室温冲击功Akv，J纵向室温冲击功Akv，J143058630761242435586267410334285962872130表7试验钢控轧控冷试样的力学性能

图23试验钢控冷材的室温组织图24不同冷却速度下试验钢的力学性能

abc图25不同冷却速度下试验钢的室温组织（a）30℃/s（b）20℃/s（c）10℃/s图26终冷温度对对强度的影响从图26可以看出：终冷温度>700℃时，随终冷温度的升高，屈服强度降低，在试验的温度范围内，大约降低30-40Mpa，但都满足标准要求。从图27可以看出：Q345钢的贝氏体形成温度范围比较宽，当终冷温度或钢板瞬间冷却温度低于600℃至400℃之间，均有可能形成贝氏体，因此普通级别Q345钢板，比较适宜的终冷温度应为650-700℃。图27Q345钢的动态CCT曲线工业试验及TMCP工艺的确定钢种CSiMnPSQ3450.15-0.180.34-0.401.26-1.380.019-0.0200.015-0.022

表8工业试验钢的化学成分，Wt%编号待温厚度mm成品厚度mmⅡ阶段开冷温度,℃终冷温度,℃冷却速度,℃/S控轧温度,℃终轧温度,℃013012860750729677-0250208458037896622.90360208307557166441.60480208367527356202.40540208268167856513.10660208307427176012.7表9Q345钢工业试验TMCP工艺参数

通过工业试验数据与实验室研究结果的比较分析，结合首钢中板厂改造后的3500mm轧机特点，确定Q345系列中厚钢板TMCP工艺要点如下：钢坯加热温度1050～1150℃，在炉时间3～3.5h；开轧温度1000～1100℃，粗轧道次压下率≥10％，最大压下量≤30mm；生产厚度≥12mm钢板时实行中间待温，待温厚度为成品钢板的2～2.5倍；精轧开轧温度880℃±20℃，终轧温度820℃±20℃；轧后开冷温度≥760℃，冷却速度5～15℃，终冷温度650～700℃。参照此要点同时确定出造船钢板、16MnR、16Mnq、16MnL等二十余种同类钢板的TMCP工艺和具体操作规程。Q345系列中厚钢板的TMCP工艺要点首钢3500mm中厚板轧机首钢3500mm轧机轧后冷却系统

表123500mm机组工业生产Q345钢的实测TMCP工艺参数表113500mm机组工业生产Q345钢化学成分及坯料尺寸

Q345钢工业生产业绩表133500mm机组工业生产Q345钢的常规力学性能

图28工业生产Q345钢的室温组织（1）采用TMCP工艺后，在正常生产条件下，可使普通Q345B级钢板的力学性能稳定达到Q390C、D级水平，韧性指标同级相比提高50％以上，常规普碳钢品种板的潜在性能得到了有效挖掘。（2）改造前，首钢中板厂主要以生产普碳钢和Q345A、B钢板为主，改造后，新产品开发能力增强。先后研制生产了Q345qC、D、E桥梁板，高强船板A32、D36，锅炉板、压力容器板、低合金高强度Q390、Q460C钢板等新产品，并进行了管线钢、Z向钢的研制开发。据统计2003年采用TMCP工艺生产品种钢板计53.6万吨，其中高附加值产品产量已达到总产量的90%以上。（3）采用TMCP工艺后，以Q345D钢板为例，组织晶粒度比改造前平均提高了3～4级，由改造前的7～8级提高到现在的10～12级，同时较好地抑制了钢板的带状组织，带状组织由改造前的3～5级降低至目前的1.5级以下。（4）采用TMCP工艺后，使保性能厚板的规格范围不断扩大，由改造前的30mm以下提高到现在的60mm。

Q345钢工业生产业绩

结论

结合首钢3500mm中厚板轧机的改造，就传统Q345系列中厚钢板的TMCP进行了比较深入的研究，围绕TMCP工艺技术的核心－晶粒组织细化、得出如下结论：（1）采用再结晶方法细化奥氏体晶粒时，高温再结晶区的道次变形量宜控制在10～20％，低温区宜控制在20～30％，最大道次压下量≤30mm。这有利于再结晶过程的充分进行，避免混晶形成，减少相变后生成魏氏组织的几率；（2）采用形变诱导相变方法细化铁素体晶粒时，降低进精轧温度或增加待温厚度，有利于提高有效累积应变量，促进铁素体形核、增强相变驱动力，获得均匀细小的铁素体+珠光体组织，推荐的较好精轧温度区间为880～820℃，待温厚度为2～2.5倍成品厚度；（3）采用加速冷却促进铁素体相变时，为避免过量的脆性相形成而导致钢材塑韧性降低，推荐的较好冷却速度为5～15℃/S，终冷温度为650～700℃。

Q345钢原是在Q235成分的基础上，为提高强度和韧性，加入了适量的合金元素Mn，由于Mn含量提高，易形成较多的MnS塑性夹杂物，造成带状组织和横纵向力学性能不均，影响Z向性能，如果能够以普通Q235坯料生产Q345钢板，则从工艺性能上，不仅可以减轻带状组织程度，减小横纵向性能差异，而且可以降低碳当量，从而提高钢材的韧性和焊接性能，这样既可以简化炼钢工艺、节省合金元素的用量，降低生产成本，还有利于提高构件的承载能力，减少钢材用量，有利于增强钢材用户的市场竞争力，促进国民经济的良性循环。

2002年2月起，在国家经贸委的资助下，东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验与首钢合作，结合首钢3500mm机组的改造过程，在国内率先开始了以Q235代替Q345为目标的超级钢中厚板生产工艺研究，成功地开发出20mm以下厚度规格的Q235超细晶粒中厚钢板的TMCP生产技术，并先后在酒钢中板厂和南钢中板厂得到推广应用。

2.3板带钢生产工艺优化的典型示例分析（2）将Q235升级为Q345的超级钢中板研制

课题研究背景试验坯料及设备条件

试验材料为220mm(厚)×1400mm（宽）×1900mm（长）的Q235B连铸板坯，化学成分如表14所示。轧制试验在首钢中板厂3340mm四辊可逆式轧机上完成，试验钢板厚度规格为：12mm、20mm。表14试验材料的化学成分（wt%）

加热温度：1150～1200℃，在炉时间≤3.5h；粗轧阶段开轧温度：1050～1100℃；中间坯待温采用空冷、高压水冷却和2组2道、2组4道、2组6道水冷；精轧开轧温度：810～870℃，终轧温度：680～770℃；中间坯厚度>2倍成品厚度，精轧道次的道次压下量10～25%；终轧后水幕冷却，冷却速度：2~5℃/s，终冷温度550～650℃。

试验时所采用的TMCP工艺参数如下：

工业试验时采用较大的冷却速度，加强对相变过程的控制，所采用的主要TMCP工艺参数如下:加热温度：1150～1200℃；在炉时间≤3.5h；粗轧阶段开轧温度：1050～1100℃；精轧开轧温度为820～890℃；终轧温度：770～820℃；终轧后冷却方式：管层流；冷却速度10~20℃/s；终冷温度480～640℃。

为了充分利用首钢改造后的强力轧机和高效冷却系统的设备优势，以前期所进行的大量Q235钢工艺试验结果为基础，在首钢改造后的3350mm机组上进行TMCP工艺综合工业试验，试验钢的化学成分如表15所示。表15首钢3350mm机组工业试验钢的化学成分和坯料规格

首钢设备改造后的工业试验试验设备及轧后冷却条件规格(mm)待温厚度(mm)精轧开轧温度（℃）终轧温度（℃）终冷温度（℃）冷却速度℃/s屈服强度(Mpa)抗拉强度(Mpa)延伸率（%）3340mm轧机+2组水幕1230~57807~870687~770494~6462~4347~397447~49722~312045~60820~830742~755665~7102~4330~350458~47030~313500mm轧机+管层流冷却1222～48825~896738~824556~64810~25345~420485~54523~28.52042～61818~864763~833480~69010~20330~375475~52023~32表16试验钢板的工艺条件及力学性能检验结果

试验钢板的力学性能检验结果如表15所示，厚度规格为20mm的Q235B中板，屈服强度达到了325MPa，抗拉强度为455MPa，延伸率为31.5%，冲击达到D级水平，铁素体晶粒尺寸为14μm；厚度规格为12mm的Q235B钢板，屈服强度可达到335MPa，抗拉强度为475MPa，延伸率为30%，冲击功达到D级水平，铁素体晶粒尺寸为14μm。

试验结果及分析

（a）12mm规格（b）20mm规格

图29试验钢板的金相照片

（a）铁素体中的位错亚结构（b）已发生退化的珠光体图30试验钢板的TEM照片

对Q235升级后的12mm、20mm钢板进行了手工焊对接焊接适应性试验，根据实际板厚，12mm试板采用V型坡口，20mm试板采用X坡口，坡口角度均为60º，无钝边，装配时留1.5-2.5mm间隙；因Q235板经控轧控冷升级后，其强度已达到了Q345级别，故焊接时所用电焊条为Q345级别的J506电焊条，焊条熔敷金属的化学成分及力学性能如表17所示。焊接接头的拉伸性能如表18、焊接接头各部位的冲击性能如表19所示。

由焊接试验结果可见，Q235升级后的细晶粒钢板经手工电弧焊后，焊接接头拉伸后均断在母材，说明焊缝的强度高于母材的强度；焊缝金属的冲击功优于母材的冲击功，说明焊接材料的冲击韧性优于母材，熔合线、热影响区冲击值与母材冲击值相当，说明Q235升级板经手工电弧焊后母材性能变化不大，手工电弧焊的焊接适用性良好。表17熔敷金属化学成分及熔敷金属力学性能表18焊接接头的拉伸性能表19焊接接头的各部位的冲击性能备注：1—焊缝，2—熔合线，3—热影响区

结论（1）在可以实现大冷却速度和较低终冷温度的条件下，可以不必过分追求低温轧制，仅通过TMCP工艺参数的优化组合，即可利用普通Q235成分坯料生产出具有高强度、高塑性和韧性的超级钢中板。（2）所研制的Q235升级钢板微观组织以细小多边形铁素体和退化珠光体组织为主，20mm规格板发现有少量粒状贝氏体，铁素体平均晶粒尺寸10~12μm。终轧后加速冷却,导致珠光体细化,珠光体强度增加,珠光体退化和铁素体晶粒细化是低温冲击韧性提高的主要原因。（3）所研制的Q235升级钢板具有屈强比低(0.7)、延伸率高(26.5%)和焊接性能良好的特点，具有很好的推广应用前景。2.3板带钢生产工艺优化的典型示例分析（3）新型Q460级细晶粒中厚钢板的研制本研究开发出一种新型Q460级焊接结构中厚钢板制造方法。与传统的Nb-V复合微合金化Q460级钢相比，其成分与传统16Mn成分相近，此钢种可用于工程机械制造，代替传统60公斤级工程机械用钢。表20为新开发460MPa级钢板（简称UP460）与传统Q460级钢典型化学成分的对比。可以看出：新开发钢与传统钢相比，不仅节省了全部的V，还使Nb的用量大幅度降低。由于传统Q460中含Nb较高，为保证钢坯加热时Nb（C，N）易于溶解，通常需要将C含量控制在成分下限。另外，当钢中合金元素添加量较多时，易造成连铸坯表面裂纹。新开发钢中Nb的用量较低，因此，冶炼时不对C含量做特殊要求，连铸坯表面亦不易产生裂纹。表20新开发钢与传统Q460化学成分的对比（质量分数%）

化学成分设计原则TMCP工艺要点新开发钢中不含析出强化功能较强的V元素，因此，必须有其它强化机制作用的提高，来弥补析出强化的不足。通过在酒钢450实验轧机上进行一系列TMCP工艺优化试验，确定了以细晶强化为主的TMCP生产工艺。为使新开发钢厚度方向上晶粒尺寸均匀，控制轧制过程中，对每道次压下量及轧制速度进行合理的控制。一方面，在奥氏体再结晶区轧制时，使形变在厚度方向充分渗透至中心部分，使奥氏体再结晶充分进行，晶粒尺寸均匀、细化；另一方面，在奥氏体未再结晶区轧制时，使钢板厚度方向形变累积效果均匀。控制冷却采用气雾式冷却，减小了钢板表面与内部温差。工业试验在酒泉钢铁集团公司中板厂进行。连铸坯厚度为220mm，成品厚度分别为12mm、14mm、16mm、20mm和30mm。采用传统控轧及轧后加速冷却工艺（CCR+ACC），主要工艺参数为：开轧温度1100~1150℃；终轧温度850℃；轧后采用气雾冷却，冷却速度为8~15℃/s；终冷温度~660℃。

表21为工业试生产20个批号的UP460钢力学性能统计值与国家标准（GB/T1591-94）值的对照，表中数据显示，成品厚度规格12~30mm钢板的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率和冷弯等性能均满足国家标准GB/T1591-94中Q460E性能要求，屈服强度等力学性能稳定，不随厚度变化。表21工业试制UP460实测力学性能与国家标准GB/T1591-94的对照

力学性能与微观组织取屈服强度，抗拉强度及断后延伸率不同的两块钢板进行时效实验，时效实验周期为28天，结果如图35所示，由图可见：延伸率有所提高，而屈服强度和抗拉强度基本不变，可见新开发钢种时效弱化效应小。图31UP460时效时间与力学性能之间关系

图32为20mm厚试制钢板的SEM照片，新开发钢的室温组织为铁素体+珠光体，厚度为12~20mm的试制钢板的铁素体平均晶粒尺寸约为5~6μm；30mm试制钢板的铁素体平均晶粒尺寸为7~8μm；采用LEICA图象分析仪测得铁素体体积百分含量约为82%；珠光体体积百分含量约为18%。珠光体中渗碳体片层间距约100~125nm。FP图32新型460MPa级钢板的SEM照片10μm2.5μm距表面0.1mm距表面0.5mm距表面5mm试样中心处图33为

20mm试制钢板晶粒尺寸沿厚度方向分布状态，由于采用轧后快速冷却工艺，距表层0.1mm厚度内为针状铁素体+珠光体+多边形铁素体混合组织，其余均为细晶铁素体+珠光体组织。表面0.5mm处晶粒尺寸与中心处无显著区别，平均晶粒直径约为6μm，厚度方向晶粒尺寸均匀。图33新型460级20mm厚钢板表面至中心处的显微组织采用二氧化碳气体保护焊，控制输入线能量在15KJ/cm以下，焊接接头具有良好的力学性能。在不预热的情况下，HAZ冲击转变温度（ITT）达-40℃；经75~100℃预热时，ITT可达-60℃。焊接接头冲击试验结果如表22所示。表22焊接接头冲击试验结果母材HAZ图34新型460级钢板HAZ组织

图34为新开发钢的HAZ组织照片，厚度30mm，焊前经80℃预热，从照片中可以看出HAZ区为细晶铁素体，晶粒尺寸2~3μm，由于采用多道次焊接，在A3温度附近经历多次热循环，从而细化了铁素体晶粒，改善HAZ区性能。表23新开发钢UP460与传统Q460冶炼成本及不同成材率下生产成本的对比表23为新型460级钢板与传统Q460级钢板生产成本的比较。新开发钢的生产效率与传统Q460相当，而在冶炼成本上，按铌铁100250元/吨、钒铁140000元/吨计算，吨钢可降低原料费用240元人民币，若考虑到产品成材率的因素，吨钢生产成本降低更多。按可持续发展的战略，钢材生产应在保持使用性能基本不变的前提下，尽量采用地球储量丰富或对生态环境影响小的元素或物质作为强化组元；尽量降低钢材中强化元素的含量或减少合金元素的种类。由此可见，在资源日趋匮乏的今天，新开发钢种不仅具有显著的经济效益，还具有重要的社会效益，具有广阔的推广使用前景。

经济效益和社会效益分析（1）采用Nb微合金化及TMCP技术，开发了厚度规格12~30mm的屈服强度460MPa级中厚钢板；新钢种的主要化学成分为：C：0.12~0.17%