非调质钢生产技术及用户使用技术研究介绍演示文稿

非调质钢生产技术及用户使用技术研究介绍演示文稿本文档共26页；当前第1页；编辑于星期二\22点27分优选非调质钢生产技术及用户使用技术研究介绍本文档共26页；当前第2页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢是通过微合金化并采用控制热加工工艺参数及随后的冷却工艺，以达到省略常规热处理工序的一类钢。非调质钢的上述特点使其与常规调质钢相比具有减少用户加工工序，符合当前环保需求的优点；由此，非调质钢与常规调质钢相比，钢的表面质量、力学性能稳定性就显得尤为重要。同时，针对非调质钢与传统调质钢的差异，用户使用技术研究成为在非调质钢的推广应用中的重要工作内容。本文就当前应用范围最广的珠光体铁素体型热锻用非调质钢、冷墩用非调质钢，从钢铁厂产品研发推广角度，在化学成分控制、纯净度控制、热加工工艺、用户使用工艺等方面进行探讨。前言本文档共26页；当前第3页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的生产技术111非调质钢的成分控制1含硫非调质钢的夹杂物控制2非调质钢的N添加技术3非调质钢的连铸4非调质钢的热加工工艺5本文档共26页；当前第4页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的成分控制非调质钢的成分设计钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)钒是非调质钢中主要添加元素，常规加入量为0.1%，根据力学性能指标的差异添加量在0.05-0.20%。固溶于奥氏体中的钒，在冷却到略高于钢的Ar3的温度时，就有少量钒的碳化物析出，随着钒的添加，沉淀相体积分数增加，沉淀相的密度增加和间距减小。因此添加钒可提高微合金非调质钢的强度。钛在钢中常以TiC或Ti(C,N)形式存在，具有阻止奥氏体长大的作用，可以细化晶粒，常规添加量在0.01-0.03%。铌比钒的完全固溶温度高得多，因此以热锻为目标的调质钢通常不宜单独加入铌。如铌和钒复合添加时，既能提高钢的强度又能改善钢的韧性，这是因为钒固溶温度低可以起沉淀强化作用，而铌在普通锻造加热温度下大都不溶解，可以起细化晶粒作用。一般铌的添加量为钒的一半或更少。在一般的锻造加热温度(1050～1150℃)下，含碳量为0.5%含钒钢中，钒元素几乎能完全溶于γ－Fe中，很少有未溶碳(氮)化合物残留，所以无抑制晶粒长大能力，对韧性贡献较小。铌和钛则不同，含碳量为0.3～0.4%时，在1100℃加热，固溶量不足10%；在1300℃加热，固溶量亦仅10%，所以有足够的未溶碳化物或碳氮化物通过钉扎晶界，细化奥氏体晶粒而起韧化作用。本文档共26页；当前第5页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的成分控制非调质钢的成分设计碳(C)碳是最有效的强化元素，增加碳可使组织中珠光体含量增加，碳化物体积分数增多，但同时又造成韧性降低。根据力学性能指标及零部件使用特性，热锻用非调质钢在0.20-0.50%之间设定一个控制范围。冷镦用非调质钢通常在0.20%以下。氮(N)在微合金非调质钢中，复合添加钒、氮可以收到更明显的强化效果。常规的锻造加热温度下，氮和钢中的铝化合形成的AlN可以细化晶粒。由于NbN和TiN的固溶温度一般高于常规锻造温度，因此NbN或TiN复合添加，其强化效果并不明显。通常热锻用非调质钢氮的范围在50-200ppm之间。冷镦用非调质钢在满足零件性能条件下尽可能降低。锰(Mn)和铬(Cr)这两种元素是弱碳化物形成元素，有一定的固溶强化作用。同时它可以降低相变温度，增加珠光体含量，使珠光体片层间距变小和渗碳体片变薄，从而导致强度升高，韧性增加。通常Mn的范围在0.60-1.60%，Cr的范围在0.05-0.30%。本文档共26页；当前第6页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的成分控制非调质钢的成分设计硫(S)添加硫可以改善钢的切削性能。更重要的是，它有能细化奥氏体晶粒。硫的缺点是使钢降低横向性能。据锻造厂反映，粗大的硫化物影响零件的荧光探伤合格率。通常热锻用非调质钢硫的要求范围在0.040-0.065%。硅(Si)硅可提高抗拉强度和屈服强度，总的说来加硅有利于改善韧性。硅含量在0.5～0.7%时提高韧性；高于0.7%时，增加强度，降低韧性。硅急剧提高钢的冷作硬化性能，在满足零件性能指标条件下应减少添加量。本文档共26页；当前第7页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的成分控制非调质钢的窄成分控制技术由于使用非调质钢制造的零部件的性能直接取决于钢的化学成分及后续热变形、冷变形工艺，因此，钢化学成分的波动，将增加后续加工工艺的调整难度，甚至导致零件性能不合格。化学成分的波动，主要考察不同炉次的成分差异及棒材横截面不同部位的碳含量差异（碳偏析）。对碳含量小于0.50%的中碳非调质钢的成分差异及碳偏析要求。CMnSiCrVNAlS碳偏析±0.01±0.05±0.05±0.05±0.01±0.0020±0.01±0.010≤0.05本文档共26页；当前第8页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司含硫非调质钢的夹杂物控制通常，钢材的最终制成品离不开机加工工序，因此，在化学成分设计时，多添加适量的硫元素以改善切削性能；另外，对热锻用非调质钢，硫元素的添加，有利于细化锻造组织提高韧性；但是，硫元素的添加，不利于钢的横向性能，降低零部件塑性指标，且用户有粗大条状硫化物影响零件表面荧光探伤合格率的抱怨。硫化物的细小、弥散、纺锤形分布有助于消除硫化物的不利影响。根据炼钢学原理，采取先脱硫再增硫的方法，减少粗大硫化物的生成几率，并在连铸过程中优化连铸工艺参数，抑制硫化物的偏聚、长大。按照GB/T10561评定硫化物，目前先进钢铁厂控制硫化物粗系≤1.5级、细系≤2.5级。本文档共26页；当前第9页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的N添加技术在非调质钢中，为了更好的实现提升材料的使用性能，对钢中的氮含量多有明确的范围要求，需要额外添加。对氮的合金化，多采用含氮合金在精炼后期加入，如通过氮锰合金、氮铬合金，同时实现氮锰、氮铬的合金化。此法适合冶炼高锰、高铬等含大量固氮元素的不锈钢等高合金钢，对含锰1％左右、铬残余的非调质钢，因缺少固氮元素，氮平衡溶解度较低，导致氮的收得率偏低且波动较大，增加了冶炼的困难。另外，因含氮合金在精炼后期加入，含氮合金中的杂质同时进入钢液，对钢液造成污染。直接采用氮气部分取代氩气底吹，可稳定氮的收得率，减少合金消耗，提高生产效率。氮气增氮通常在VD脱气末期和/或真空毕进行。增氮效率与真空度、氮气流量、炉底透气砖透气效果等相关。本文档共26页；当前第10页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的连铸对含硫、铝的高氮100－200ppm非调质钢，存在连铸水口结瘤现象，严重影响连浇炉数。某钢厂对水口所结冷钢的化学成分连铸可浇性CMnPSSiNiCrCuMoVAlTiCa水口0.391.250.0200.750.590.050.090.110.010.090.110.010.93熔炼0.391.270.0190.0520.580.050.250.110.010.090.0190.01－对比生产钢熔炼成分和水口冷钢化学成分，两者之间存在较大的成分差异，冷钢含有大量的Ca、Al、S，说明连铸过程中钢液与水口发生物质交换，引起水口壁附近钢流存在严重的成分偏聚，而生成的高熔点物质在水口壁堆积，导致水口开度增加，直至停浇。本文档共26页；当前第11页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的连铸连铸可浇性本文档共26页；当前第12页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的连铸连铸可浇性谱图COMgAlSiSCaCrMnFePo谱图12.6914.155.3112.3325.8334.812.201.870.79谱图216.744.031.283.493.124.600.531.3964.82谱图32.4031.528.3022.7313.3519.350.951.39谱图42.520.631.3895.48谱图51.6229.427.7519.3213.1220.062.076.63谱图62.0331.1110.0321.8512.7715.701.804.72谱图77.030.831.064.281.5285.29电镜观察水口所结冷钢存在大量非金属夹杂物，夹杂物数量从紧靠水口壁处向紧临钢流处依次减少。夹杂物为含Ca、Al、Mg、Mn金属元素和O、S、C非金属元素的复合非金属夹杂物。Mg、C来源于水口材质，Ca、Al、Mn、O、S源于钢的内生夹杂物。本文档共26页；当前第13页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的连铸连铸可浇性原因：VD后补加Al与O结合形成的氧化物不能及时上浮。此时钢中的夹杂物种类主要有氧化铝、硫化锰；钙处理后，夹杂物种类主要有氧化铝、硫化锰、钙铝酸盐、含钙硫化物或含硫、铝等元素的复合夹杂物。当钢中氧含量高，硫含量低时，钙铝酸盐优先生成；由于镁的氧化性优于铝，钙铝酸盐和氧化铝同水口材料镁、碳发生反应、消耗。因浓度梯度关系，钙铝酸盐、氧化铝和含硫、铝等元素的复合夹杂物不断向水口壁运动，反应产物不断在水口处堆积，造成开度增加，液面波动严重，直至停浇。本文档共26页；当前第14页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的连铸连铸可浇性措施：VD前喂铝量增加，实现真空脱气后Al分析值在规格下限，不再补喂铝。达到较少夹杂物总量的目的。浇注前先喂硫后喂钙，形成的夹杂物是以含钙硫化物为主，液面波动无，水口内无“冷钢管”，实现连浇炉数在3炉以上。本文档共26页；当前第15页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的连铸坯料表面质量控制非调质钢含有钒、铌、钛等微合金化元素，在奥氏体温度区域缓慢冷却易形成碳化物或氮化物沿奥氏体晶界沉淀，减弱晶界处结合力，使连铸坯的表面裂纹发生率显著高于普通钢连铸坯。采取的工艺措施有：对含铌钢，添加少量的钛固氮，抑制氮化铌的生成；根据高温脆性试验，调整拉速、二冷参数，避免校直裂纹；定期检查坯型、连铸机喷嘴，确保冷却均匀。本文档共26页；当前第16页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的热加工工艺化学成分是微合金非调质钢性能的内在因素，而合适的热加工制度则是其外部条件。热加工条件包括加热温度、变形量、变形速率、热加工温度和轧(锻)后的冷却速率等。中碳微合金非调质钢的韧化主要是通过在不同热加工条件的加热温度下，固溶微合金原子对晶界推移的拖拽作用和析出的微合金元素碳化物和碳氮化物钉扎晶界的晶粒细化贡献来对冲击韧性和脆性转变温度产生影响。对于铁素体而言，强度的主要来源是铁素体晶粒尺寸d。而珠光体的强度主要取决于珠光体片间距S，珠光体的韧性包括了珠光体片间距S、珠光体团尺寸p、渗碳体片厚度t的影响。本文档共26页；当前第17页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的热加工工艺加热温度升高，碳化物和氮化物按钒、铌、钛的顺序逐渐溶入奥氏体中，奥氏体晶粒粗大。这就导致相变后珠光体百分数、珠光体团直径和渗碳体片厚增大，铁素体含量减小，溶解在奥氏体中的微合金元素碳氮化物在冷却过程中析出。故随着加热温度的升高，钢的强度增加，塑性和韧性降低，韧脆转变温度升高。变形量和变形速率增大引起奥氏体晶粒更加碎化，铁素体百分数增加，铁素体和珠光体团尺寸减小，细小的组织使强度和韧性同时上升。终轧温度降低，奥氏体再结晶不充分，转变后组织为细小的铁素体晶粒和珠光体团。屈服强度和韧性提高，而抗拉强度基本不变或略有降低，终轧温度应根据钢的化学成分来选定。本文档共26页；当前第18页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的热加工工艺加工温度和变形量既影响到再结晶和奥氏体晶粒尺寸，又影响到形变诱发析出的程度。加工温度高，再结晶速度快，奥氏体晶粒变大，冷却后强度升高，韧性下降；加工温度低，再结晶驱动力小，并产生形变诱发析出，细化晶粒，强度变化不大，但韧性有很大提高。在同一温度下变形量增加，强度和韧性同时提高。热加工后快冷，珠光体百分数增加，同时铁素体晶粒尺寸、珠光体片间距和渗碳体片厚降低。需特别指出的是冷却速率对析出强化的影响：冷却速率增加，析出物弥散程度增大，但当冷却速率超过一定值后，析出不充分，反而降低析出强化作用。析出物的细化有利于强度和韧性的提高。本文档共26页；当前第19页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢的热加工工艺对连铸坯，应根据化学成分制订较高的加热温度，足够的均热时间，确保铸态钒铌钛的碳化物和氮化物固熔到奥氏体中，在随后的轧制过程弥散、细小析出；在成品轧制或锻造时，降低加热温度和终轧(锻)温度，增大变形量和变形速率，较快的冷却速率均有利于提高强度和韧性。本文档共26页；当前第20页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢产品研发实例分析将试样迅速加热到锻造加热温度保温t1＝7分钟，然后以80℃/分钟的冷却速度冷却至T2＝750℃。冷却过程中试样在不同温度下进行三道次轴向压缩变形，总变形量0.7(ε1＝0.13、ε2＝0.4、ε3＝0.17)，变形速率为10S-1。选择15℃/分钟、25℃/分钟、35℃/分钟、45℃/分钟、55℃/分钟、65℃/分钟六个冷却速度V，控制相变区间(T2～T3＝750℃～550℃)内试样冷却速度，相变终了后试样空冷至室温。热锻用非调质钢锻造工艺模拟温度℃时间t(分钟)T1t1ε1ε2ε3t2=(T1-T2)/80T2t3=(T3-T2)/VT3本文档共26页；当前第21页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢产品研发实例分析热锻用非调质钢锻造工艺模拟本文档共26页；当前第22页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢产品研发实例分析（1）硫化物上析出的钒、钛的碳、氮化物形成晶内铁素体，增加铁素体晶粒个数，减小铁素体晶粒平均直径；再加热冷却过程硫化物相变产生的贫锰区增加铁素体晶粒个数，减小铁素体晶粒平均直径。（2）在忽略硫化物的组织细化作用情况下：在相同的加热温度下，随着冷却速度的增加，单位面积内铁素体晶粒个数增多，铁素体晶粒平均直径变小，也就是钢中铁素体弥散分布。由于冷却速度越大，冷却过程中铁素体析出越不充分，所以铁素体百分含量降低。同一冷却速度下，加热温度越高，奥氏体晶粒越粗大。可作为铁素体形核位置的晶界减小，单位体积内的铁素体晶粒个数减少，珠光体百分含量增加，铁素体百分含量减小而铁素体晶粒平均直径变化不大。（3）铁素体晶粒数目、铁素体晶粒平均直径、铁素体百分含量是加热温度、冷却速度、硫化物分布及成分变化、钒、钛的碳、氮化物析出相、变形量等参数的函数，其中加热温度、冷却速度是主要影响因素。硫化物成分变化和钒、钛的碳、氮化物析出相大小受加热温度、冷却速度的影响而变化，在特定加热温度、冷却速度条件下，成为铁素体晶粒数目、铁素体晶粒平均直径、铁素体百分含量的主要影响因素。热锻用非调质钢锻造工艺模拟本文档共26页；当前第23页；编辑于星期二\22点27分南京钢铁股份有限公司非调质钢产品研发实例分析以中碳钢45钢为基本成分，添加0.3%硫，采用控制轧制手段实