Development of Ti-Nb Microalloyed HSLA and UHSS on a Thin-Slab Casting and Rolling Mill

薄板坯连铸连轧钛铌微合金HSLA和UHSS钢的研发

为满足80级高强度低合金钢、90级超高强度钢的要求，使用薄板坯连铸连轧生产热轧卷材，研究化学成分和热轧工艺参数对机械性能的影响。通过添加钛(Ti)和铌(Nb)微合金元素，采用细晶粒强化、沉淀强化、优化工艺参数手段，获得了较高的强度。冶炼和连铸工艺是控制钢的内外在质量的关键，对此进行了阐述。

高强度低合金钢在汽车、能源、农业、建筑等行业有着广泛的应用，这类钢通常是低碳钢，含有少量的合金元素，如铌(Nb或Cb)，钒(V)和钛(Ti)。这些合金元素可以单独加入或组合加入，产生显著的晶粒细化和析出沉淀强化，提高钢的强度与其他性能，如焊接性、成形性、韧性等，也满足最终用户的要求。一些出版物综述了钒、铌、钛在微合金钢中的应用。^{1 - 6}

紧凑型带钢生产(CSP)技术是生产优质带钢是有前途工艺路线。薄板坯技术包含钢水生产到热轧和冷轧的几个环节。与传统的厚板坯连铸，再加热和热轧相比，薄板坯工艺技术具有资金、能源、劳动力、库存成本低、轧制薄带材能力强等优势。自1989年第一座薄板坯连铸连轧设备投产以来，该技术一直在不断发展，业已生产各种高质量的热轧带钢产品。⁸

高强度低合金HSLA 的80级和90级是在Algoma钢铁公司的直接带钢生产设备(DSPC)中开发和生产的。工艺布置如图1所示，直接带钢热轧线（DSPC）由连铸机、隧道炉、粗轧机、精轧机和带层流冷却的成品辊道组成。该连铸机从炼钢厂获得精炼钢水，浇铸成70-90mm厚度的薄板，这些薄板无需中间冷却，直接热送，在精轧机上轧制成带钢。它使生产范围广泛的带钢板卷产品，具有优良的表面质量，带钢全长质量得到保证。

图1 直接带钢生产线(DSPC)配置示意图

本文介绍Algoma钢铁公司生产和开发的Gr80级高强度低合金钢HSLA和Gr90级超高强度UHSS钢卷，以满足ASTM A1011/ A1018、SAE J1392/J2340等通用标准，以及福特、通用汽车和克莱斯勒等公司的专有技术规范。

化学成分和工艺

在Algoma钢厂，开发了钒氮(V-N)和钛铌(Ti-Nb)微合金化钢生产工艺，以生产HSLA Gr80钢种，HSLA Gr90是在Ti-Nb Gr80化学成分的基础上发展起来的，Mn和Nb的含量都有所增加。两种产品的化学成分如表1所示。硫和磷通常分别控制在0.005%和0.018%以下。通过对钢水进行钙处理，提高了钢水的可浇性，改善了夹杂物的形状。结果达到了良好的钢材成形性能。

表1 两种钢化学成分最大值(wt.%)

热轧Gr80和Gr90的生产工艺路线为高炉(BF) -转炉(BOF) -钢包精炼炉(LMF) – 薄板坯连铸连轧DSPC设备。

冶炼和薄板坯连铸

氧气转炉使用铁水与废钢生产260吨钢水，精炼后达到所需要的温度和成分。钛对氧、氮和硫有很高的亲和力。氧化物、硫化物和氮化钛夹杂物不仅使钢的性能恶化，而且降低了钛的回收率。为了控制所有这些夹杂物，并达到高而稳定的钛利用率，制定了炼钢标准工艺规程。

在低碳等级中，铝被用作初级脱氧剂。在硅镇静钢中，出钢过程中添加的SiMn合金与铝一起作为脱氧剂。这两种脱氧剂都含有Al₂O₃和SiO₂等夹杂物。因此，应尽可能降低钢水的含氧量，以减少夹杂物的产生。采用了AMEPA(钢包渣检测摄像机)监控出钢时候的下渣，尽可能减少出钢时候的下渣，转炉渣进入钢包造成钢包渣中FeO和MnO含量升高，是钢水二次氧化的主要来源。这些渣中的氧化物与溶解的铝发生反应，在钢水中生成氧化铝。由于钢的清洁度要求和精炼渣改善的实践，最终钢包中钢水的总氧可以达到10ppm以下。

在炼钢和连铸过程中采取了一些措施来保持低氮含量。在吹氧的初始阶段，氧枪枪位高于熔池的高度，从而产生FeO。添加造渣材料的化渣速度越快越好，以形成泡沫渣有助于保护钢水不从空气中吸氮。在熔炼阶段，通过良好的的泡沫渣过程，CO气泡有助于减少钢水中的氮，同时，炉内正压有助于减少氮的吸收。转炉出钢口保持良好状态，防止出钢时候的钢流分散。出钢时候向钢包加入铝和其他合金可以减少出钢过程中的吸氮，因为在高氧化钢水吸氮最小。通常，在钢中氮含量低于40ppm，中间包测试分析中的氮含量约为50ppm。

炼钢之前铁水在鱼雷混铁车内进行脱硫处理，钢包采用双吹氩搅拌，精炼渣中的FeO和MnO需要降低到2.0%以下，高的钢水温度和碱性氧化渣均有利于将硫含量脱到0.005%以下。加钙处理前，根据要求添加FeTi丝和/或FeTi合金包扔进钢中来调整钛含量。在添加FeTi后，钢水不能再次通电加热，也不允许氩气过大透过渣层形成天窗造成二次氧化。通过这些步骤，可以达到82%至87%的钛回收率。喂入钙线液化钢中的非金属夹杂物，并对其进行变性处理。氧化物的减少将防止连铸水口浇铸过程中絮流堵塞，夹杂物变性和变形将提高钢的成形性能。

精炼后的钢水提供给DSPC的薄板坯连铸机(TSC)，软芯压下、二冷和连铸拉速是保证良好内部质量和最小的碳、锰等合金元素引起的溶质偏析的关键工艺参数。软压下可将铸坯厚度降低约14毫米，以减小因冷却收缩引起的中心线偏析和疏松和缩孔，防止凝固过程中吸入溶质元素造成偏析。Gr80和Gr90钢种的冶金长度约为9.6 m，出现在6段末尾。采用软压下系统，结合动态液相穴长度的控制，可以预测出该钢种连铸过程的最佳软下压布置。图2为Gr80板低倍腐蚀情况，不明显的中心线表明，铸坯软压下是在凝固过程中最佳的设定值处进行的。

图2  Gr80钢试样横截面宏观酸洗低倍

二冷是汽水雾化冷却，具有广泛的水气流控制范围，供有八个不同的控制冷却段。冷却速率按照铸坯尺寸进行调节，以避免角部过分冷却。调节连铸拉速，结晶器内连续稳定传热和凝固，生产足够厚度无张应力的固态坯壳，固态坯壳若是有张应力将导致形状缺陷、表面裂纹或内部裂纹。为了保持铸坯合适的内部温度和表面温度，采用了在线数学冷却模型。连铸拉速根据钢水过热度在3.0-3.5 m/min范围内进行调节。

纯净钢的工艺过程指钢包精炼钢水达到纯净水平采用的措施，并且一直保持到钢包浇铸结束时钢水的纯净度。大颗粒的夹杂物通常是由空气吸入、中间包耐火材料、渣/钢水和裹挟吞噬乳化渣滴而引起的。连铸工序采用了长水口充氩保护浇铸、高比例MgO中间包工作衬、碱性中间包覆盖剂隔绝空气和防止温度过渡损失，钢包更换过程中使用AMEPA检测和控制下渣等措施。结晶器安装有高精度监控设备，监控一冷热量的传送和结晶器液面波动监控，结晶器保护渣控制等保证了板坯优良的表面质量，避免表面裂纹的产生。

轧制

薄板坯离开铸机后进入辊底隧道炉。铸坯在隧道炉均衡内外和角部坯温度，保证了轧制所需的温度条件。两台铸坯在一套轧机之间具有横移辊道，将两台铸机生产的板坯并入同一轧制前辊道进入粗轧机，并且具有一定的缓冲能力，铸坯在隧道炉停留约20分钟，将铸坯热到1150°C。粗轧区由高压除鳞机、液压立式轧边机和粗轧机组成。液压控制的粗轧机一次可将板坯厚度减少约50%，碾碎粗大的铸坯组织和完全的再结晶消除连铸坯带来的缺陷。经过粗轧压下减薄的轧件通过加热辊道运送至精轧机组，加热辊道将轧件的温度保持在1100℃，然后进入高压除鳞机去除轧件表面二次氧化铁皮，轧件进入4- 6机架精轧机轧制。在精整机组第一架对轧件实施大压下，以确保完全的再结晶，从而显著细化了晶粒组织。成品带钢离开精轧机后，在层流水冷却辊道对热轧带钢进行强制冷却。靠近轧机侧的冷却强度比卷取机侧的冷却强度大。优化精轧压下制度和卷取温度是有利于精轧轧制和优化产品的机械性能。表面检测系统用于线圈表面检测(带钢上部和下部)。该系统是一个自动在线检测设备，用于检测带钢的表面缺陷，包括轧辊压痕，给换辊提供依据，及时调整进行工艺调整和相应的物理检查。

结果与讨论

微观清洁度

Gr80和Gr90钢的内部清洁度按照ASTM E45使用显微镜进行高倍分析评级，通过评级来判别钢的纯净度。高倍检验非金属夹杂物见表2和表3。结果表明，在炼钢和连铸过程中，夹杂物控制是成功的。

表2  HSLA Gr80的高倍夹杂物检验

表3 UHSS Gr90夹杂物高倍检验

微观结构和析出物

采用光学显微镜(LOM)和透射电镜(TEM)对其显微组织和析出物进行分析。

整个厚度的微观组织和晶粒尺寸分析，分别在接近上表面、中心线和下表面的位置对成品厚度为1.8 ~ 4.5 mm的Gr80试样进行检测。图3为从轧制方向观察厚度为4.5 mm带钢的光学显微照片，所有的微观结构都表现出非常细小的珠光体和铁素体组织。根据ASTM E112，使用Clemex Vision软件在X500倍放大倍数进行晶粒分析，测量的ASTM标准的晶粒尺寸数在12.4到12.6之间。随着带钢厚度的增加，晶粒尺寸数略有减小。图4为6.0 mm厚Gr90的显微照片。Gr90钢的微观结构似乎比Gr80钢更细，测量的ASTM晶粒尺寸数在12.9到13.1之间。

图3  硝酸酸洗后Gr80带钢光学显微镜照片：(a)上表面，(b)中心线，(c)下表面

图4 硝酸酸洗后Gr90带钢光学显微镜照片：(a)上表面，(b)中心线，(c)下表面

采用碳萃取复制技术对钢中析出物进行了分析，使用飞利浦CM12透射电子显微镜(Philips CM12 TEM)在120 keV下对析出物进行了检测。采用费坦80-300 LB高分辨/扫描透射电镜(HRSTEM)能谱仪(EDS)对典型析出物的化学成分进行分析。图5为典型的Gr80钢碳提取试样TEM亮场图像。EDS分析结果如图6所示。每个光谱中铜的峰值都来自于支撑复样铜网格。

图5 透射电镜(TEM)显示Gr80钢析出物的亮场图像： (a)大/中颗粒，(b)小颗粒

图6  Gr80钢中析出物(a)和小尺寸析出物(b)的高分辨TEM (HRTEM)图像和能谱(EDS)分析

本研究中感兴趣的析出物根据其大小和形貌可以分为三组。不同组的析出物在不同的加工阶段形成，具有不同的化学成分。图5a所示的大颗粒大于1微米，呈长方体形状。它很可能是TiN，在连铸过程中的液相中形成，这种颗粒非常粗大，破坏了钢的成形性和韧性。第二组中等颗粒大小为30 ~ 150nm，呈球状，如图5a所示。第二组析出物发生在凝固后的奥氏体内和热轧过程中的应变诱导析出，这些析出物能有效地延缓奥氏体在加热炉中的粗化和热轧过程中的再结晶。图5b为第三组小于20nm的小颗粒。这些细小的析出物是在层流冷却辊道和卷取过程中在奥氏体/铁素体晶界和铁素体内部缺陷处成核形成的，对析出强化的贡献最大。根据图6a和图6b的EDS分析，中型颗粒为(Ti,Nb)(C,N)，小型颗粒为TiC。

拉伸性能

Gr80和Gr90的典型拉伸性能如表4所示。性能满足通用标准和专用特定要求。

表4 典型Gr80和Gr90机械性能(纵向)

由于化学成分和热机轧制参数的变化，材料的力学性能会发生很大的变化。对Gr80钢种数据进行逐步回归分析，确定影响性能的因素。卷曲温度、Ti含量百分比、带钢厚度、连铸拉速和含铌量的百分比排在前五位。图7为(a)卷曲温度、(b) Ti%、(c)带钢厚度对屈服强度的影响，它们对拉伸强度的影响是相似的，因此没有给出。三阶模型最能反映卷取温度对屈服强度的影响。拟合曲线显示最佳卷曲温度在620℃到630℃之间，以最大限度地提高屈服强度。屈服强度与钛含量呈正相关，与带钢厚度呈负相关。屈服强度与Ti%和产品厚度的关系可以用线性模型来描述。

图7 (a)屈服强度与卷曲温度、(b)Ti%，(c)带钢厚度的关系

进行多元回归分析，得到屈服强度与以下关键因素之间的拟合模型:

屈服强度(psi) = –20800 + 0.782 CTF – 48127带钢厚度(in) + 194478 Nb(%) + 326136 Ti(%) + 6136 连铸拉速(m/min)

这里

CTF = 2531822 – 12052卷取温度(°C) + 22.62 卷取温度(°C) ² – 0.01305 卷取温度(°C) ³

卷取温度 = 510–720°C,

Ti = 0.07–0.095%,

Nb = 0.01–0.02%,

带钢厚度= 0.08–0.20 英寸

连铸拉速= 2.8–3.6 m/minute.

上述回归模型r2值为0.7，P值小于0.05，满足统计学意义

夏比冲击

根据ASTM E23进行了夏比v型缺口冲击试验，以确定三种厚度(4.5 mm、6.15 mm和9.5 mm)的Gr80带钢的韧脆转变温度(DBTT)和横向到轧制方向的转变曲线。如图8a所示为吸收的能量(亚尺寸试样)与试验温度的关系，图8b为断口形貌(剪切面积百分比)与试验温度的关系。

图8 (a)夏比v型缺口冲击吸收能，(b)断口剪切面积，Gr80带钢横向测试温度与冲击功和断口剪切面积的函数关系

利用吸收能量和剪切面积数据确定了转变温度。对于每种带钢厚度，基于吸收能量和剪切面积百分比的转变温度基本相同。DBTT随着产品厚度的增加而增大。对于4.5 mm厚的产品，在-50°C低冲时没有发生转变，而9.5 mm厚的产品在-20°C到-30°C之间的低冲发生了转变。

弯曲性能和外缘拉伸翻边性能

图9显示了根据Caterpillar规范CAT 1E1274，使用0.5英寸的弯芯直径，在180°横向弯曲到轧制方向(条件恶劣方向)的Gr80片的图像。带钢厚度为9.5 mm。弯曲后的试样可见平行于弯曲曲率的流线，弯曲钢板的外部面和横向未见裂纹。

图9 钢板弯曲外弧面、侧缘无开裂的图片(弯芯直径0.5英寸)：(a)外弯半径视图，(b)侧缘视图

利用Algoma公司的Hille 20/40吨通用钣金试验机进行扩孔试验，可确定材料的边拉伸翻边性能。它能够在测试过程中保持试样的位置，并在膨胀过程中孔边缘出现贯穿裂纹时立即停止冲孔。该测试程序是参照JFS T 1001和ISO/ TS 16630规范开发的。图10为试样尺寸为125 mm X 125 mm，中心打孔直径为10 mm，毛刺朝上。测试件尺寸没有给出具体的尺寸；然而，试样应该足够的大，以允许具有足够的保持能力，以避免在试验测试期间拉拔位移。为减小试验结果的变化，所测钢板的扩孔率(HER)值取五个试件的平均值。对10个2- 3mm厚度的Gr80钢卷样品进行了测试，平均HER为65%，标准偏差为10%。这些数字表明了HER的均值和变化值。本文还没有研究抗拉强度对其HER值的影响。

图10 扩孔试样，试样尺寸125x125mm，原始孔径φ10mm

总结

在Algoma钢铁公司的DSPC设备生产的钛铌微合金化HSLA 80级和90级上的研究，钢的铁素体/珠光体组织非常细小，析出物对晶粒细化和析出强化作用较大。采用逐步回归分析方法确定了影响机械性能的关键变量。通过多元回归分析，得到了屈服强度与卷取温度、Ti含量百分比、带钢厚度、连铸拉速和Nb含量百分比之间的数学拟合模型。综合金相检验和力学性能试验表明，该钢具有良好的洁净度、良好的弯曲性能和边缘拉伸翻边性能，符合通用和专有技术指标。

致谢

作者感谢阿尔戈马钢铁公司金相实验室、炼钢、DSPC操作团队以及质量保证和技术服务部的支持。感谢Andreas Korinek对TEM工作的协调，Natalie Hamada对Titan STEM特性的描述，Jhoynner Martinez对加拿大电子显微镜中心碳萃取复制制备的帮助。

参考文献

1. R. Lagneborg, T. Siwecki and S. Zaja, et al., “The Role of Vanadium in Microalloyed Steels,” Scand. J. Metall., Vol. 28, 1999, pp. 186–241.

2. A.J. DeArdo, “Niobium in Modern Steels,” Int. Mater. Rev., Vol. 48, No. 6, 2003, pp. 371–402.

3. T.N. Baker, “Microalloyed Steels,” Ironmaking & Steelmaking, Vol. 43, 2016, pp. 264–307.

4. T.N. Baker, “Titanium Microalloyed Steels,” Ironmaking & Steelmaking, Vol. 46, 2018, pp. 1–55.

5. S. Cho, “The Dynamic, Static and Metadynamic Recrystallization of a Nb-Microalloyed Steel,” ISIJ Int., Vol. 41, No. 1, 2001, No. 1, pp. 63–69.

6. S. Cho, “Mathematical Modeling of the Recrystallization Kinetics of Nb Microalloyed Steels,” ISIJ Int., Vol. 41, No. 7, 2001, pp. 766–773.

7. J. Muller, W. Henning and C. Bilgen, “Advanced CSP Casting Technology for High-Quality Steel Grades,” Proceedings of the 33^rd McMaster Symposium on Iron & Steelmaking, McMaster University, June 2005, pp. 240–250.

8. C. Klinkenberg, B. Kintscher and K. Hoen, et al., “More than 25 Years of Experience in Thin-Slab Casting and Rolling Current State of the Art and Future Developments,” Steel Research Int., Vol. 88, No. 10, 2017, pp. 1–10.

作者

Peng Zhang metallurgist, research and product development, Algoma Steel Inc., Sault Ste. Marie, Ont., Canada peng.zhang@algoma.com

Xiaoping Ma metallurgist, research and product development, Algoma Steel Inc., Sault Ste. Marie, Ont., Canada xiaoping.ma@algoma.com

Sang-Hyun Cho manager, research and product development, Algoma Steel Inc., Sault Ste. Marie, Ont., Canada sanghyun.cho@algoma.com

Shuhe Yang metallurgist, research and product development, Algoma Steel Inc., Sault Ste. Marie, Ont., Canada daniel.yang@algoma.com

Jay Patel senior process specialist, steelmaking and caster, Algoma Steel Inc., Sault Ste. Marie, Ont., Canada ay.a.patel@algoma.com

Erminio Cerilli senior process specialist, DSPC and cold mill, Algoma Steel Inc., Sault Ste. Marie, Ont., Canada erminio.cerilli@algoma.com

Joseph Miskiw process specialist, DSPC and cold mill, Algoma Steel Inc., Sault Ste. Marie, Ont., Canada joseph.miskiw@algoma.com

Kate Kuuskman superintendent (technical), DSPC and cold mill, Algoma Steel Inc., Sault Ste. Marie, Ont., Canada kate.kuuskman@algoma.com

唐杰民于2019年9月29~30日在安徽黄山屯溪翻译自美国《钢铁技术》2019年10月期刊中的文章。唐工水平有限，不准确和错误之处请大家给与指正。