舞钢微合金化技术的创新应用

舞钢微合金化技术的创新应用舞钢公司始建于1970年11月，是我国优质钢板的专业厂家，同时也是宽厚特殊钢板科研和生产基地。现已形成“电炉—炉外精炼-连铸(模铸)-轧制-热处理-精整”这一具有世界先进水平的短流程生产线，具备了年产电炉钢300万t、钢板260万t的生产能力。舞钢是我国最早开发铌微合金化技术研究和应用的企业之一。经过舞钢几代人的努力，先后开发了含铌桥梁用钢板、建筑结构用板、管线用板、水电用板、锅炉和压力容器用板、高强船板以及平台板等品种，广泛应用于大跨度桥梁、超高层建筑、西气东输、西电东送、锅炉压力容器、大型船泊、海洋平台以及国防军工等国家重点工程项目。舞钢拥有专业化的从事宽厚钢板开发和生产的科研队伍和技术工人。近年来舞钢在开发微合金钢方面投入了较多的精力，取得了可喜的成果。主要微合金化技术包括铌、铌钒复合、铌钛复合、铌钒钛复合以及铌镍复合等多种形式。Nb做为主要的微合金化元素之一，在舞钢得到了广泛应用。每年Nb钢产量占产品总量的70%以上。舞钢在高强度宽厚板产品中加入微量Nb，可细化晶粒和析出强化，延迟再结晶、提高再结晶温度、扩大奥氏体未再结晶区。在C-Mn钢中加入0.020%～0.050%的Nb，有利于通过变形积累来增加有效晶界面积、提高铁素体的形核速率，从而细化铁素体晶粒。通过细化晶粒，既能提高钢的强度，又能提高钢的韧性。同时，Nb能与钢中的C、Ｎ结合形成稳定的Nb（C，N）。在奥氏体或铁素体中析出的弥散的Nb（C，N）质点，阻碍位错的运动，使基体得到强化。生产含Nb钢必须采用适宜的工艺，否则将得不到预期的效果，不但不能发挥Nb细化晶粒和析出强化的作用，而且会增加裂纹废品率，甚至降低钢板的韧性。连铸坯或钢锭中的铌主要以大颗粒的碳氮化物形式存在，只有在加热过程中固溶到奥氏体中的Nb才能够起到细化晶粒和沉淀强化的作用。因此，舞钢在选择加热工艺时确保足够的Nb固溶到奥氏体中去。铌的碳氮化物在900℃以下几乎不溶解，当温度900℃时才开始溶解，超过990℃时开始大量溶解。对于含0.14%C-1.43%Mn的低合金高强度钢，在1150℃时约有0.02％的Nb固溶到奥氏体中，当温度达到1200℃时，约有0.04％的Nb固溶。随着加热温度的升高，Nb的固溶度增加，但奥氏体晶粒尺寸急剧长大，这将降低钢板的韧性。钢坯或钢锭的加热温度一般比Nb完全固溶的温度高30～50℃。舞钢含Nb低合金钢的Nb含量一般在0.020%～0.050%，为保证有足够的Nb固溶并防止奥氏体晶粒粗大，较适宜的加热温度应为1180～1220℃。对含Nb钢而言，仅进行再结晶区控轧、随后快速冷却，在钢中将形成大量贝氏体。由于固溶Nb导致淬透性的增加，此时钢板的强度虽然较高，但延伸率、冲击韧性明显降低。含Nb低合金钢一般采用两阶段控制轧制，即奥氏体再结晶区轧制和奥氏体未再结晶区轧制。Nb能提高奥氏体再结晶温度，当温度低于950℃时，由于Nb（C，N）的析出可以认为含Nb钢基本上不发生再结晶。舞钢含Nb低合金钢的Ar3一般在800℃左右，在第II阶段的终轧温度一般不低于800℃，否则将导致强度升高，延伸率急剧降低。低合金高强度钢的强度相对容易达到，限制性能的环节通常是韧性。采用Nb微合金化，钢的低温冲击韧性可得到大幅度提高，韧脆转变温度明显降低，如20mm厚E36钢板的FATT50可达到-60℃。含Nb钢的组织一般为F＋P，部分钢板有少量的B存在。低合金高强度钢采用Nb微合金化，配以合适的控轧控冷工艺，控轧状态的晶粒度通常达到8.5级以上，甚至达到12级，正火后一般在9级以上，较普通低合金高强度钢细化1～2级。与C-Mn钢相比，含Nb钢晶粒更为细化，整个断面组织更为均匀。舞钢产品包括锅炉及压力容器用钢板、低合金高强度钢板、桥梁用钢板、高层建筑结构用钢板、耐腐蚀钢板、合金结构钢板、模具用钢板、碳素结构钢板、造船及采油平台用钢板、复合钢板、高强度高韧性钢板、油气输送管线用钢板等12大系列、国内外标准300多个牌号。产品规格为:厚度8～400mm（最大厚度达650mm）、宽度1500～3900mm（最宽4020mm）、长度3000～27000mm、产品的最大单重为27t。特厚特宽的精品离不开Nb等微合金化技术的研究与应用。舞钢利用Nb等微合金化技术先后开发的品种以及应用包括以下几个方面：1、特厚Z向钢板舞钢1982年开始研制Z向钢板，1985年研制成功ZC-EH36-Z35级钢板，起草并制定《厚度方向性能钢板》国家标准，1986年海上采油平台用抗层状撕裂钢板通过鉴定，结束了Z向钢板依赖进口的局面，显示出舞钢公司在我国生产Z向钢板方面的主导地位。GB5313-85中Z向钢板的最大厚度为150mm，舞钢利用Nb微合金化技术生产的Z向钢板厚度已达到230mm。2、建筑结构用系列高强度特厚钢板2008年奥运会主会场鸟巢、中央电视台新台址、水立方、国家大剧院等超大型建筑无不透漏着舞钢骄傲。“鸟巢”用特厚Q460E-Z35钢板屈服强度460MPa、-40℃的低温冲击韧性、Z35抗层状撕裂性能，并附加了延伸率≥20%、碳当量≤0.48%、正火交货等要求，最关键的是钢板厚度达到110mm，超出了GB/T1591最大厚度100mm的范围。钢板的综合性能与其厚度有很大关系，受钢液凝固偏析及组织结构的影响，板厚效应难以克服，因而对“鸟巢”选用110mmQ460E-Z35钢板国内所有大的钢板生产厂都感到棘手。经科技查新表明，国外也没有生产使用过类似钢材的报道。在这种前提下，舞钢凭借其在宽厚钢板方面多年的生产经验，充分发挥自主研发的27～35t大扁钢锭、常化炉+NAC快速水冷等技术及装备优势，选用Nb、V、Ni作为复合强化元素，优化钢的成分和显微结构；通过洁净钢冶炼、大钢锭控温全程保护浇铸、正火后快冷等先进工艺技术，解决了特厚板内部疏松与厚度效应等技术难题，开发出符合“鸟巢”设计要求的Q460E-Z35钢板。“央视新址”用钢板要求其屈服强度为345MPa、390MPa、420MPa、460MPa4个等级，基本涵盖了GB/T1591-1994标准中所有的强度级别，用量达到46000t，其中Q390D-Z35最大厚度达到135mm，远超过建筑结构用钢的国家标准范围。舞钢充分利用Nb微合金化技术，解决了“央视新址”用钢的所有难题。利用Nb-V-Ni等微合金元素的复合强化作用，舞钢开发的系列建筑结构用钢板具有强度高、屈强比低、低温韧性好、优良的抗层状撕裂性能和较小的屈服强度波动范围等特点，且碳当量低，焊接性能好，便于在复杂环境中施焊，满足了大型钢结构抗震、防震的要求，其综合技术达到国际先进水平。3、高强度船板及平台钢舞钢高强度船板经过了9家船级社的认证，先后生产船板及平台钢近百万吨，是国内生产特宽、特厚船板的专业生产基地。据权威部门预计，到2010年，我国造船能力将达到2300万载重吨，年产量1700万载重吨。其中包括超大型油轮（VLCC船）本体结构用高强度钢板，20～30万吨级矿石和原油运输船用钢板，大型集装箱货船本体结构和甲板用360～390MPa级热处理钢板，罐体用-60℃耐低温高韧性钢板，运输温度低至-161℃的液化天然气运输船（LNG）用调质高强钢板等。高强度船板及海上采油平台的大批量建造必将进一步拉动船用钢板和平台用钢板的产品质量升级，舞钢将利用Nb、V、Ti等微合金化技术，进一步开发高强、高韧以及有特殊性能要求的钢板。4、低合金高强度钢通过Nb微合金化技术的深入研究，舞钢的产品质量已居于国际先进水平。近10年来每年出口约10万t，产品以低合金高强度特厚钢板为主，厚度大多在150mm以上。通过Nb微合金化、细化了产品晶粒、减少了钢板厚度方向偏析，确保了产品的各项性能，赢得国际市场的高度评价。5、高强度管线用钢板舞钢通过Nb等微合金化技术，首次为西气东输工程供货2万t的X70宽厚钢板，极大地抑制了进口价格，为国家重大工程建设添砖加瓦。根据国家有关部门预测，至2010年，我国建设的各类管线，平均年需管线钢350～400万t，此外，石油行业对管线钢材提出了新要求，高钢级、高性能的管线钢用量增加。舞钢利用新轧机的设备优势与HTP工艺相结合，提高钢中Nb含量，正在开发高钢级X80～X100管线用板。目前，舞钢利用Nb、V等微合金复合强化技术开发的抗大变形26.4mm、28.6mmX70管线用板已成功应用于正在建设中的中亚管线穿越、跨越工程。6、高强度高韧性调质钢舞钢开发的70～100kg级的煤矿液压支架用调质高强钢板、60～110kg级工程机械用调质高强钢板，均是通过Nb等微合金化技术得以开发成功的。现已全面应用在综合采煤采矿用超大电铲、挖掘机、全断面岩石掘进机、过江跨海隧道盾构机等，港口机械用调质高强钢板和调质船板替代了进口。7、压力水电站用钢舞钢压力钢管用钢的推广应用，促使屈服强度690MPa级高强度调质钢板再次用于水电工程，扩大了产品应用领域。利用其雄厚的技术优势，舞钢代表行业起草了《低焊接裂纹敏感性高强度钢板》水电站压力钢管用钢行业标准，积极推进Nb微合金化技术的应用，为Nb的广泛使用做出了较大的贡献。目前，水电压力钢管用钢已成功应用于40多个水电站的建设，累计供货超过10万t。利用Nb微合金化技术，2000年以来，舞钢公司累计开发新产品70余个，实现新产品销售50多万t，其中包括应用于2008北京奥运会主场馆“鸟巢”的Q460E/Z35钢板、四川普光油气田项目的SA516Gr70（HC）钢板、正在建设的美国旧金山新海湾大桥项目用A709HPS485W(Z)钢板、西电东送用WDB620、西气东输用X70管线板以及不同强度等级不同应用领域的调质钢板等。含Nb钢比例最高达到70%以上。随着市场竞争的加剧，舞钢将进一步加大Nb等微合金化的技术研究及工艺开发的投入力度，确保在市场上的领先地位。