摘要：我国中长期发展规划纲要已经发布，这是我国今后科学技术发展的指导性文件。纲要中明确提出，要开发新一代钢铁生产工艺流程，实现钢铁生产的 3 个主要功能，即提供钢铁产品、能源转换、废弃物处理。钢铁材料加工过程是提供产品的重要环节。在新一代钢铁工艺流程中实现加工过程的减量化，生产节约型钢铁材料，必将促进我国社会经济可持续发展。
关键词：节约型；钢铁材料；减量化；加工制造技术
1钢铁企业资源节约、钢铁材料相关制造技术的发展意义
一是建设节约型企业、积极研发新技术是建设资源节约型社会的重要基础。我国自然资源虽然总量丰富，但是人均拥有的资源量相对于世界平均水平仍显不足。例如石油仅为世界人均的 8%，天然气仅为世界人均的 6%，石油、铁、铜、铝等重要矿产的国内保障程度低，另一方面资源时空分配也不均匀，又极大地增加了经济发展的成本。也正因为此，钢铁企业建设资源节约型企业、积极研发新的工艺生产技术是缓解资源供应紧张，切实落实党中央国务院关于建设节约型社会，贯彻绿色协调开放共享理念的重要举措。二是减轻环境污染是保证钢铁企业可持续发展的必由之路。在过去的企业发展过程中存在着各种各样的以资源以环境换取经济发展，保证地方财政收入，提高当地政绩的问题。而相关企业在生产过程中对于所产生的废水废气的排放对环境的污染程度与资源利用水平、生产技术水平有直接的关系。随着我国经济发展与社会进步，人们对美丽环境的要求越发看重，这使得钢铁企业重视对于自身生产活动管理，产业机构的升级，生产技术的革新成为一种趋势。
2 减量化钢材的设计和生产工艺
2.1 400～500MPa 级减量化带材的开发
新一代钢铁材料的开发，希望用尽量少的资源，即尽量不添加或少添加各类合金元素和微合金元素来生产高性能的钢材。例如200MPa级普通低碳钢，通过工艺技术的改进和优化，提高其强度和韧性，达到 400MPa 级钢材的综合性能。根据低碳钢静态再结晶的研究结果，变形温度在850～900℃时，变形后保温时间在 5s 以内，可以保证形变奥氏体处于未再结晶的硬化状态。从时间轴考虑，利用好变形后几秒钟内的未再结晶区进行控制冷却，是细化碳锰钢和低碳钢晶粒的关键，所以把轧后冷却的控制作为关注的重点，采用高密度、大流量的层流冷却装置和低温卷取等控制策略，应用于减量化带材的开发。基于上述的研究思路，在目前的工业条件下，对现有的轧制规程进行优化，轧制负荷后移，将精轧温度降低到 800℃左右，采用大于 30℃/s 的冷却速度，以低碳钢为原料，可以得到力学性能全面达标的 400MPa 级的减量化钢材。组织分析可见，强度提高的贡献，除了来源于晶粒细化之外，尚来源于少量贝氏体的作用。由于细晶强化和相变强化的综合作用，屈服强度超过400MPa，抗拉强度超过 540MPa，延伸率超过 27%，性能全面满足用户使用要求，用它代替同性的微合金钢，可以节省微合金元素，实现减量化生产。
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2.2. 400～ 500MPa级超级钢棒材的开发
由于建设标准和规范的限制，我国400MPa级热轧带肋钢筋需在20MnSi的基础上添加Nb、V、Ti等微合金元素，才能确保钢筋的性能[2]。但我国年产7000万t带肋钢筋，如添加0.05%的V，则每年需钒3.5万t，几乎占世界年产钒量的一半。为此，考虑到棒材轧制的工艺和尺寸规格特点，在成分设计上以HRB335(20MnSiⅡ级钢筋)为基础材料，不添加钒，通过工艺优化，获得HRB400Ⅲ级钢筋。在工艺控制上，采用常规高温连续热轧+轧后超快速冷却+适宜温度终止冷却新技术，其核心是采取轧后超快速冷却，通过控制高温、高速、强烈变形后硬化、细晶的奥氏体在冷却过程中的相变，来控制材料的性能，结果不仅使其力学性能全面达到国家标准，而且其焊接性能、时效性等也均满足使用要求。目前这项技术已成功应用于江西萍乡、福建三明、甘肃酒钢宏阳、山东济南石横、辽宁北台等钢厂，并取得十分显著的效果。
2.3 400～ 500MPa级减量化板材的开发
新一代钢铁材料的开发，希望用尽量少的资源，在不添加或少添加合金元素的条件下，生产出高性能的钢材。例如，强度为200MPa级的普通低碳钢，通过工艺优化，强度、韧性明显提高，可达到400MPa级材料的综合性能，从而可节约大量钢材。对低碳钢静态再结晶的研究结果表明，变形温度为850～ 900℃、变形后保温时间在5s以内时，可保证形变奥氏体处于未再结晶的硬化状态。因此，利用好变形后几秒钟的未再结晶区，是碳锰钢和低碳钢晶粒细化的关键。可见，轧件变形后应在短时间保温后进入冷却区，实施快速/超快速冷却和冷却路径控制，通过控制冷却工艺对硬化奥氏体的相变过程进行控制，以实现细晶强化和相变强化。对于板带材热连轧和棒线材连轧，轧制阶段可改变的因素相对较少，所以把轧后控制冷却工艺作为研究的重点，采用高密度、大流量的冷却装置和低温卷取等控制措施，可实现减量化板带材和棒线材的开发。
2.4 减量化400～500MPa 级线材的开发
线材轧制属于高速轧制过程，变形热引起轧件升温，终轧温度可以达到 1000℃，所以线材不能像板材那样实施低温终轧。线材轧制轧件总延伸大，轧制速度高，压下方向不断化，机架间间歇时间短，这种连续大变形易于实现应变积累，造成轧件奥氏体的硬化。针对线材轧制的特点，利用线材轧制的大应变连续累积变形，实现材料的加工硬化；轧后立即穿水快速冷却，吐丝后采用水雾冷却，以获得高冷却速度和必要的终冷温度，抑制奥氏体的再结晶，保持奥氏体的硬化状态。在适当的温度下终止冷却，控制相变过程，防止发生淬火组织。通过这种技术路线，使用C0.22%～0.25%－Si0.33%～0.42%－Mn0.7%～0.8%(质量分数)为原料，生产 HRB400 带肋钢筋线材，实现了稳定、大规模工业生产。
3 结语
本文主要对钢铁材料及其减量化加工制造技术相关的企业发展现状以及发展减量化钢铁材料生产技术进行了有益的总结与探讨，希望为广大从业者提供一些思路，同时也希望我国的钢铁行业能够持续良好的发展，为祖国建设事业持续不断贡献力量。
参考文献
[1]杨栋杰.节约型钢铁材料及其减量化加工制造技术探索[J].产业与科技论坛,2016(15).
[2]王国栋,刘相华,吴迪.节约型钢铁材料及其减量化加工制造[J].轧钢,2006(23).
[3]张永生.基于节约型减量化的钢铁材料加工过程理论及实践研究[D].东北大学,2009.
论文作者:牛鹏勇1,成一2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/4
标签：钢铁论文; 奥氏体论文; 减量化论文; 低碳钢论文; 材料论文; 线材论文; 结晶论文; 《电力设备》2017年第14期论文;