《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》鼓勵(lì)研究、開(kāi)發(fā)和使用高性能、低成本、低消耗的新型材料，降低鋼材消耗?！段覈?guó)中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》明確提出，要開(kāi)發(fā)新一代鋼鐵生產(chǎn)工藝流程，實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的三大主要功能，即提供鋼鐵產(chǎn)品、能源轉(zhuǎn)換、廢棄物處理。作為鋼鐵材料生產(chǎn)流程主要環(huán)節(jié)的材料加工工序，如何在新一代鋼鐵工藝流程中實(shí)現(xiàn)減量化，生產(chǎn)節(jié)約型鋼鐵材料，促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，是需要我們認(rèn)真思考的問(wèn)題。
    減量化制造工藝成為亮點(diǎn)
    鋼鐵材料能通過(guò)成分設(shè)計(jì)和熱處理得到從低強(qiáng)度到高強(qiáng)度的極其寬廣范圍的性能，是其能被廣泛應(yīng)用的一個(gè)極為重要的原因。盡管鋼材有多種強(qiáng)化方式，但只有細(xì)晶強(qiáng)化可以同時(shí)提高材料強(qiáng)度和韌性。
    到上世紀(jì)70年代，將控制軋制和控制冷卻方法結(jié)合起來(lái)，形成了所謂的控制軋制和控制冷卻技術(shù)，即TMCP?？刂栖堉频闹饕康氖强刂茒W氏體的狀態(tài)，利用奧氏體高溫階段的晶粒細(xì)化和低溫階段的變形累積，在奧氏體內(nèi)積蓄能量，以便在隨后的相變中造成奧氏體晶界和晶內(nèi)大量的鐵素體形核核心，促進(jìn)鐵素體晶粒的細(xì)化。而控制冷卻則是對(duì)硬化狀態(tài)奧氏體的相變進(jìn)行控制，細(xì)化相變產(chǎn)物鐵素體的晶粒，或控制生成按一定相比例組成的復(fù)相組織，提高材料的性能。充分利用鋼鐵材料的相變特點(diǎn)，對(duì)進(jìn)一步挖掘鋼鐵材料的潛力、實(shí)現(xiàn)減量化制造具有重要意義。
    減量化加工制造技術(shù)工藝的應(yīng)用
    減量化板材：新一代鋼鐵材料的開(kāi)發(fā)，希望用盡量少的資源，即盡量不添加或少添加各類(lèi)合金元素和微合金元素，來(lái)生產(chǎn)高性能鋼材。例如200MPa級(jí)普通低碳鋼，通過(guò)工藝技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化，提高其強(qiáng)度和韌性，達(dá)到400MPa級(jí)材料的綜合性能，將可以節(jié)約大量鋼材，是節(jié)約型的新一代鋼鐵材料。根據(jù)低碳鋼靜態(tài)再結(jié)晶的研究結(jié)果，變形溫度在850℃~900℃時(shí)，變形后保溫時(shí)間在5秒以?xún)?nèi)，可以保證形變奧氏體處于未再結(jié)晶的硬化狀態(tài)。因此，從時(shí)間軸考慮，利用好變形后幾秒鐘內(nèi)的未再結(jié)晶區(qū)，是細(xì)化碳錳鋼和低碳鋼晶粒的關(guān)鍵。在利用現(xiàn)代冷卻過(guò)程進(jìn)行組織控制時(shí)，軋件變形后應(yīng)當(dāng)在短時(shí)間內(nèi)立即進(jìn)入冷卻區(qū)，實(shí)施快速或超快速冷卻和冷卻路徑控制。通過(guò)冷卻對(duì)硬化奧氏體的相變過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的組合，得到需要的晶粒尺寸和相組成。對(duì)于熱連軋和棒線連軋，軋制階段可以改變的因素相對(duì)較少，所以把軋后冷卻的控制作為關(guān)注的重點(diǎn)，采用高密度、大流量的層流冷卻裝置和低溫卷取等控制策略，應(yīng)用于減量化帶材和棒線材的開(kāi)發(fā)。
    東北大學(xué)與寶鋼等單位合作進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)，在寶鋼2050熱帶軋機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模ss400鋼細(xì)化晶粒的現(xiàn)場(chǎng)軋制實(shí)驗(yàn)，在目前的工業(yè)條件下，對(duì)現(xiàn)有的軋制規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化，生產(chǎn)出super~ss400鋼，它和同性能的微合金鋼相比，可以省略微合金元素，是減量化生產(chǎn)的一個(gè)例子。
    減量化線材：線材屬于高速軋制，不能像板材那樣實(shí)施低溫終軋。線材軋制軋件總延伸大，軋制速度高，壓下方向不斷變化，機(jī)架間間歇時(shí)間短，這種連續(xù)大變形易于實(shí)現(xiàn)應(yīng)變積累，造成軋件奧氏體的硬化。同時(shí)，線材軋機(jī)斷面積小，容易實(shí)現(xiàn)由表及里的相對(duì)比較均勻的高冷卻速度，因而容易通過(guò)冷卻獲得斷面上均勻細(xì)小的晶粒尺寸。針對(duì)以上特點(diǎn)，線材軋制的技術(shù)要點(diǎn)是：利用線材軋制的大應(yīng)變連續(xù)累積變形，實(shí)現(xiàn)材料的加工硬化；軋后立即穿水快速冷卻，吐絲后采用水霧冷卻，以獲得高冷卻速度和必要的終冷溫度；通過(guò)快速冷卻抑制奧氏體的再結(jié)晶，保持奧氏體的硬化狀態(tài)，并在適當(dāng)?shù)臏囟认陆K止冷卻，控制相變過(guò)程，防止發(fā)生淬火組織。這種技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)了400MPa級(jí)減量化線材穩(wěn)定、大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。
    超級(jí)鋼棒材：螺紋鋼筋是我國(guó)產(chǎn)量最大的鋼材品種，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。由于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的限制，我國(guó)400MPa級(jí)熱軋帶肋鋼筋棒材必須在20MnSi的基礎(chǔ)上添加一定數(shù)量的微合金元素，以確保鋼筋的性能全面滿足要求。這必然會(huì)增加HRB400的生產(chǎn)成本，消耗數(shù)量巨大的微合金元素。以我國(guó)年產(chǎn)7000萬(wàn)噸螺紋鋼筋計(jì)算，如果全部生產(chǎn)Ⅲ級(jí)鋼筋，則需要釩3.5萬(wàn)噸，這幾乎占據(jù)世界釩年產(chǎn)量的一半，將造成微合金元素價(jià)格飛漲，超出生產(chǎn)廠可以承擔(dān)的范圍。減量化制造可以在不添加微合金元素的基礎(chǔ)上，通過(guò)生產(chǎn)工藝的控制，獲得Ⅲ級(jí)鋼筋。在工藝操作上，采用常規(guī)高溫連續(xù)熱軋+軋后超快速冷卻+適宜溫度中止冷卻的棒材超級(jí)鋼生產(chǎn)新技術(shù)，其核心是超快速冷卻技術(shù)。棒材超快速冷卻技術(shù)用于超級(jí)鋼螺紋鋼筋生產(chǎn)，是一套優(yōu)化的工藝制度。它充分利用高溫高速、強(qiáng)烈變形的硬化、細(xì)晶的奧氏體冷卻過(guò)程中的相變，控制材料的性能，使其合理匹配，不僅力學(xué)性能全面達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且焊接性能、時(shí)效性等也均滿足使用要求。這項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于江西萍鋼、福建三鋼、酒鋼、山東濟(jì)鋼、石橫特鋼等企業(yè)，正在進(jìn)一步推廣。
    低成本管線鋼：管線鋼是重要的能源用鋼，自上世紀(jì)80年代末期，我國(guó)開(kāi)始開(kāi)發(fā)管線鋼，目前已經(jīng)達(dá)到x80的強(qiáng)度級(jí)別，可以供應(yīng)熱帶、中厚板等不同的規(guī)格、品種。為了保證需要的力學(xué)性能，x70以上的管線鋼依據(jù)不同級(jí)別的性能要求，采用TMcP技術(shù)，形成針狀鐵素體組織、粒狀貝氏體組織、下貝氏體組織等；在成分設(shè)計(jì)上，廣泛采用Mo、cu、Ni、cr系合金設(shè)計(jì)。由于Mo的價(jià)格十分昂貴，人們開(kāi)始探求新的合金成分設(shè)計(jì)。從1999年開(kāi)始，由巴西鈮公司牽頭，幾個(gè)不同國(guó)家工廠參與國(guó)際合作，以Nb代替昂貴的Mo，開(kāi)發(fā)出高鈮成分系列(含鈮0.1％左右)的管線鋼成分設(shè)計(jì)和相應(yīng)的HTP(High Temperature。Processing)生產(chǎn)技術(shù)，目前已經(jīng)可以應(yīng)用到x80級(jí)管線鋼的生產(chǎn)。這項(xiàng)技術(shù)以低成本生產(chǎn)出高強(qiáng)度級(jí)別的減量化管線鋼，大幅度地降低了生產(chǎn)成本，并已經(jīng)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)試制。
     減量化生產(chǎn)的新流程
    薄板坯連鑄連軋(TsCR)短流程：TSCR過(guò)程的一個(gè)重要特點(diǎn)，是軋制線上各點(diǎn)的溫度和斷面不隨時(shí)間變化而變化，這與常規(guī)熱帶軋制中的升速軋制所帶來(lái)的擾動(dòng)有本質(zhì)的區(qū)別。它通過(guò)對(duì)冷卻路徑的有效控制，不需要添加昂貴的合金元素來(lái)擴(kuò)大軋制和冷卻的工藝窗口。同時(shí)，由于TscR過(guò)程產(chǎn)量因素不是主要決定因素，軋制速度可以降低，有足夠的時(shí)間用于鐵素體的析出，從而彌補(bǔ)了輸出輥道較短帶來(lái)的不足。包頭鋼鐵集團(tuán)公司與東北大學(xué)合作，在包鋼的生產(chǎn)線上進(jìn)行了C-Mn系雙相鋼開(kāi)發(fā)的探索性試驗(yàn)，目的是開(kāi)發(fā)新型減量化的熱軋雙相鋼。
    傳統(tǒng)的取向硅鋼生產(chǎn)過(guò)程采用MnS或AIN作為抑制劑。為了形成需要的抑制劑，傳統(tǒng)流程必須將材料加熱到高溫，這既消耗了能源，增加了二氧化碳的排放，又增加了工藝的難度。近年來(lái)，新的硅鋼生產(chǎn)工藝不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，這種情況正在逐漸改變。
    國(guó)外的一些工廠開(kāi)發(fā)出薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)取向硅鋼的新工藝，為取向硅鋼的低成本生產(chǎn)開(kāi)辟了一條新的途徑。TscR過(guò)程將高溫熔融狀態(tài)下的鋼液澆注到連鑄機(jī)結(jié)晶器，連鑄板坯直接裝入通道式均熱爐保溫均熱，然后送人軋機(jī)軋制。由于板坯不經(jīng)過(guò)鐵素體相變過(guò)程，在軋制之前不進(jìn)行變形，多數(shù)MnS和AIN仍然保持溶解狀態(tài)，會(huì)在隨后的精軋過(guò)程中微細(xì)析出，可以作為一部分抑制劑而加以利用。TSCR軋制取向硅鋼的過(guò)程不需要再加熱到高溫，可以大幅度降低能源的消耗，降低生產(chǎn)和設(shè)備建制的難度，是一個(gè)有前景的取向硅鋼生產(chǎn)工藝過(guò)程。
    柔性生產(chǎn)工藝：現(xiàn)代化的大生產(chǎn)應(yīng)當(dāng)是大規(guī)模定制方式，生產(chǎn)過(guò)程既要大規(guī)模進(jìn)行，又要滿足用戶(hù)的個(gè)性化需求，如何增加現(xiàn)有生產(chǎn)過(guò)程的柔性是非常重要的。柔性軋制技術(shù)是利用同一種材料，通過(guò)軋制、冷卻過(guò)程的控制，生產(chǎn)不同強(qiáng)度級(jí)別、不同組織和性能的材料。這樣可以大大簡(jiǎn)化煉鋼過(guò)程和連鑄過(guò)程的生產(chǎn)操作，有利于生產(chǎn)的組織和調(diào)度，為實(shí)現(xiàn)軋制生產(chǎn)的大規(guī)模定制奠定基礎(chǔ)。
    中厚板在線熱處理工藝：中厚板的熱處理通常是利用?；癄t或調(diào)質(zhì)爐離線進(jìn)行的，因此需要重新進(jìn)行加熱。與傳統(tǒng)的離線熱處理不同，JFE福山厚板廠在矯直機(jī)的后面安裝了鋼板在線熱處理裝置，與新型的強(qiáng)力冷卻裝置super-oLAC配合使用，對(duì)鋼板進(jìn)行調(diào)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)減量化的優(yōu)質(zhì)鋼板生產(chǎn)。這種在線熱處理裝置采用新的在線熱處理工藝，與傳統(tǒng)的離線熱處理工藝比較，具有以下新的特點(diǎn)：一是與軋制、冷卻過(guò)程同步完成，交貨期短，產(chǎn)量高；二是通過(guò)與加速冷卻裝置的配合，可以進(jìn)行相變組織的控制和析出物的析出控制，獲得新的組織，從而獲得新的性能，為鋼材性能的提高提供了新的途徑。（中國(guó)冶金報(bào)）