刘学华陶承岗王小燕沈昶张晓峰潘远望胡学文
（马钢技术中心）
摘要阐述了CSP流程生产低碳钢的生产试验研究，加B后热轧卷的屈服强度降低至250MPa以下，但加B后热轧卷出现较严重的边裂，为解决此问题，研究了加B钢的高温力学性能，据此提出了合理的加B量、最佳的B/N 比值及适合于加B钢的连铸、连轧工艺。
雪中悍刀行人物介绍以及人物结局>扁鹊见蔡桓公翻译关键词CSP B微合金化实践
Production of B-bearing Microalloying Steels on CSP
Liu Xuehua Tao Chenggang Wang Xiaoyan Shen Chang Zhang Xiaofeng
Pan Yuanwang Hu Xuewen
（Central Technical Department of Masteel）
Abstract It is reviewed the status quo of production of low carbon steels by CSP process route. The inv
estigation on the influncence of B on yield strength of low carbon steels by CSP were carried out.It is showed that the yield strengthof low carbon steels by CSP could decrease to the level of 250MPa,but addition of B to low carbon steel may cause edge cracks on the hot rolled strips.To solve this problem, the mechanical properties of B-bearing low carbon steels at elevated temperature were performed and the reasonable B content, the optimization ratio of B over N and the continous casting and hot rolling process of B bearing steels were put forward.
Key words CSP, B alloying, practice
1 引言
薄板坯连铸连轧工艺已能生产传统流程生产的大部分品种。近年来，国内外一些钢厂已经开始采用薄板坯连铸连轧工艺生产冷轧基料，国外如德国的TKS、位于西班牙的ACB，美国的Nucor；国内如马钢、包钢、涟钢、珠钢及邯钢等。但是，薄板坯连铸连轧流程生产的低碳钢普遍存在组织较细、强度偏高的现象，不能满足冷轧用料的要求。研究结果表明，薄板坯连铸连轧过程中弥散析出的细小的AlN钉扎了晶界的迁移是热轧带钢强度偏高的原因[1, 7,8,9]。目前，国内外的电炉和转炉CSP流程均已大量采用B微合金化来生产冷轧基料用钢，取得了较明显的效果。本文在综述CSP流程生产的热轧带钢的强化机制及B微合金化机理的基础上，结合马钢的冷轧基料攻关，讨论B微合金化钢的生产中存在的问题及其相应的措施。
2 CSP流程生产的热轧带钢的强化机制及B微合金化机理
2.1CSP流程生产的热轧带钢的强化机制
材料的强化方式主要有固溶强化、细晶强化、析出强化、位错强化等，大量的研究表明，析出强化和细晶强化是冷轧基料的最主要强化方式。王中丙等[2]在研究电炉流程生产的热轧带钢时发现了纳米级的弥散氧化物和硫化物析出物（见图1、图2）。据此柳德橹、傅杰、康永林等[3]在珠钢的电炉CSP流程利用细小析出物的析出强化开发出了HSLC（High Strength Low Carbon Steel）钢。马钢的研究人员对传统流程和CSP流程生产的成分相近的冷轧基料SPHC作了对比，其结果见表1。从表1看出，从CSP流程和传统流程生产
2007中国钢铁年会论文集
SPHC 的组织和性能来看，CSP 工艺比常规热轧工艺晶粒的平均截距大2.5 µm ，因此从理论上说常规热轧工艺的屈服强度应该比CSP 工艺高，但实际的测量结果却正与此相反，这说明马钢CSP 生产的SPHC 必然存在其他强化方式。从马钢CSP 生产的热轧带钢的透射电镜照片中也可以看到纳米尺寸的第二相粒子，因此CSP 工艺低碳钢中还存在纳米析出物的沉淀强化作用，它的强度增量约为40 MPa 。常规热轧工艺生产的低碳钢的屈服强度只取决于钢的成分和晶粒大小，而CSP 生产的低碳钢还存在纳米级第二相粒子的析出强化作用。
表1 不同流程生产的SPHC 的屈服强度实际值与计算值的比较
实测值
计算值①
工艺流程 Rel/MPa Rm/MPa A/% D/µm Rel/MPa ∆Rel/MPa
CSP 流程
范围 285～330 355～400 32～44 11～16 平均值 305 370 37.4 13.3 265
40
传统流程
范围 — — — 9～12.3
平均值
270
IPHONE 14 PRO
362
51
11.1
278 8
① 计算公式为扩展Hall -Petch 公式，即1/2104.132.6Mn 84.0Si 17.5d σ−=+++。
干勇[4]、刘清友等[1]研究CSP 流程时采用化学相分析的试验方法发现了热轧钢带中细小弥散的AlN 主要是在铸坯中形成的，这是导致CSP 强度偏高的主要原因之一。
所以，CSP 生产的冷轧基料强化机制主要是细晶强化和第二相（AlN 、MnS 、Al 2O 3）析出强化，正是由于析出强化的存在，导致了冷轧基料的强度较传统流程的高。
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图1 低碳超级钢中弥散析出的氧化物
图2 低碳超级钢中弥散析出的硫化物
2.2 B 微合金化降低强度的机理
根据Hall -Petch 关系及扩展屈服强度计算经验公式，自由N 对热轧板屈服强度的贡献非常大，因此通过固定钢中的自由N 可以降低热轧板的屈服强度。在钢中，B 与N 、Al 和N 在γ-Fe 中的固溶度积存在如下关系：
13970
log[B][N] 5.24=−
+T （1） 7184
log[Al][N] 1.79=−+T
（2）
根据式（1）和（2）可以计算出[Al][N]和[B][N]在奥氏体中的固溶度积随温度变化关系如图3所示。 由图3可以看出：在相同温度、相同氮含量下，B 在钢中的固溶度要远小于Al ，并且B 在钢中的扩散速
率与N 相当，是Al 在钢中扩散速率的10倍左右，由此可见，微合金元素B 比Al 在钢中与自由N 具有更强的结合力，更容易与N 结合形成BN 从基体中脱溶。因此，向钢中加入一定量的B ，控制钢中B/N 化学计量比，可以有效地降低钢中自由N 的含量，从而降低热轧板的屈服强度。
文献[1]通过以上热力学计算、化学相分析结果及SEM 和TEM 观察表明，粗大BN 颗粒在高温奥氏体中的优先析出，抑制了AlN 的析出，从而导致产品带钢的显微组织的粗化。
CSP流程生产硼微合金化钢实践
图3 [Al][N]和[B][N]在奥氏体中的固溶度积随温度变化关系
马钢在薄板坯连铸连轧流程生产典型低碳铝镇静钢SPHC热轧带钢进行了B微合金化工业试验后发现，钢中BN的析出都较为粗大，且常易与钢中MnS、Fe3C以及粗大氧化物夹杂复合析出形成更为粗大的颗粒（见图4）；与非B微合金化钢相比，B微合金化钢的晶粒明显粗化，其平均晶粒尺寸达到23.3µm；B微合金化钢比非B微合金化钢在线检测的平均屈服强度降低19MPa，经时效后，非B微合金化钢的屈服强度变化不大，仅下降13MPa，B微合金化钢的屈服强度下降了54MPa，非B微合金化钢相比，B微合金化钢的屈服强度总共下降了60MPa，达到了250MPa以下（见表2）。
图4 经1150℃均热后，铸坯中粗大BN析出物粒子的TEM观察及其能谱图
2007中国钢铁年会论文集
表2马钢生产的B微合金化钢与非B微合金化钢的平均力学性能对比
性能Rel/MPa Rm/MPaδ5/% 平均晶粒尺寸/µm 板厚/mm 非B微合金化钢313 405 33 13.6 2.15
B微合金化钢242 337 36 25.3 2.15
B能有效地降低低碳铝镇静钢的屈服强度，其关键是B元素的合理添加和控制。B是元素周期表中的第二周期第三主族元素，与氧、氮及碳有很强的亲和力。文献表明为降低低碳铝镇静钢的屈服强度，B的加人量与钢中氮含量有关，一般B/N=0.5～2.5，最好控制在0.6～0.8。若钢中B的加入量过小，起不到固氮的作用；若钢中B含量过高，不但成本增加，而且当钢中含量大于一定值时由于生成另一些含硼的化合物（如F （BC）)，使晶粒细化导致屈服强度升高[5]。
3 B微合金化低碳铝镇静钢的生产实践
马钢的CSP流程在采用B微合金化来降低低碳铝镇静钢的屈服强度过程中，曾经出现过B微合金化热轧钢板的严重边裂现象（见图5）。为解决B微合金化钢的严重边裂问题，对相应的冶炼、精炼及连铸、连轧工艺进行了研究，通过优化钢水的成分（尤其是N、O、Al）及工艺控制，取得了较好的效果。
图5 边裂缺陷处典型的微观形貌
3.1B微合金化低碳铝镇静钢的冶炼和精炼
前已述及，B与氧、氮及碳有很强的亲和力，良好的脱氧条件能够保证B不被氧化生成B的氧化物而失去作用，因此，在LF的精炼后期进行B微合金化能够保证B有较高且较为稳定的回收率，保证B含量稳定控制在35ppm以内。表3给出了试验时B微合金化的时机对B回收率的影响关系。
表3B微合金化的时机对B回收率的影响
LF精炼前期B微合金化LF精炼后期B微合金化序号终点B含量/％B回收率/％序号终点B含量/％B回收率/％
1 0.0007 16.9 1 0.0033 79.6
2 0.0025 60.
3 2 0.0031 74.7
3 0.0007 16.9 3 0.0035 84.4
4 0.0019 45.8 4 0.0029 69.9
平均值0.0015 35.0 平均值0.0032 76.5
钢水N含量的高低也是B微合金化效果的主要因素之一，控制钢水的N含量至关重要。在生产中，首先应优化转炉出钢过程加铝脱氧的时机，图6表明[6]，在出钢的后期加铝脱氧可降低钢水吸氮；其次应优化LF精炼工艺，尽量减少LF精炼过程钢水吸氮；再其次，应做好连铸过程钢水从钢包到中间包的密封效果，使钢中氮含量小于50ppm。
CSP流程生产硼微合金化钢实践
图6 出钢过程中加铝脱氧对钢水吸氮的影响
3.2 B微合金化低碳铝镇静钢的连铸
在边裂的影响因素中，钢水氮含量、铝含量及B含量与连铸拉速和二冷制度的配合及设备状况与缺陷产生存在一定的关系，解决措施主要从这些因素入手。对B微合金化钢的高温塑性研究表明，铸坯高温塑性曲线为850～950℃和1250℃以上存在比较明显的低塑性温度区；在低塑性区850～950℃其面缩率在40％左右。根据高温塑性曲线调整二冷水量及拉速等参数，目前马钢冷轧原料的边裂问题已得到较好的控制，如图7、图8所示。
图7 加B合金130kg/炉的铸坯纵向（左）与横向（右）高温强度、塑性曲线
图8 加B合金130kg/炉的铸坯纵向（左）与横向（右）高温强度、塑性曲线
3.3 B微合金化低碳铝镇静钢的热轧
生产冷轧基料时，为确保AlN等离子充分固溶，以满足热轧温度控制的需要，均热工艺的关键是采用较高的板坯均热温度，一般应大于1100℃。热轧工艺主要是选用合理的压下制度和温度制度的组合，其中工艺要点是尽量在再结晶区域进行大变形，为随后的晶粒回复和长大创造条件。终轧应尽量在该钢种的Ar3点以上30～50℃区域完成，轧后冷却应选用后段冷却模式，以保证轧后晶粒有充分的长大时间。适当降低终轧温度、提高卷取温度。山有木兮木有枝 心悦君兮君不知
2007中国钢铁年会论文集
3.4 产品的实物质量
采用CSP流程开发的CQ、DQ级原料，其化学成分、机械性能、等质量指标均满足相关的技术条件要求，为冷轧生产提供了合格的原料，供冷轧的原料比例逐月提高，其比例已达到70％以上，CSP流程生产的原料经冷轧和镀锌生产的产品性能完全满足市场需求。马钢CSP大规模生产冷轧基料技术的开发成功，填补了国内在此技术领域的空白，达到国内较高水平。
4 结语
通过对CSP流程生产B微合金化低碳铝镇静钢的试验研究，可以得出如下结论：
（1）为保证B有较好的降低屈服强度的效果，应稳定B的回收率、严格控制钢水的N含量，使B/N 在0.6～0.8之间。
（2）B微合金化能抑制AlN的析出，能与MnS、Al2O3、Fe3C复合析出形成更为粗大的颗粒，粗化晶粒，从而降低屈服强度。
（3）B微合金化低碳铝镇静钢的强度可达到250MPa以下，控制钢水的B、N含量及适当调整连铸工艺参数可避免因B引起的边裂。
参考文献
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2005
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山市唐钢
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6 马钢引智项目内部交流资料
7 康永林，温德智，吴光亮等.薄板坯连铸连轧生产冷轧基板的工艺与组织性能分析.薄板坯连铸连轧技术交流与开发学会，
2005年8月，河北省唐山市唐钢
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