硬質合金生產後鉭鈮廢料含些什麼（加鈮低碳低錳長材工藝和冶金過程）

2023-05-26 16:47:16

工藝與物理冶金的連接提高產品質量，這是各種研究結果的集成。然而，通常不報告工藝冶金參數之間的聯繫，特別是與此相關的工業生產數據。

在冶煉、鑄造、再加熱和軋制等冶金過程中，通常會自然地發生一些操作程序的變化，這些過程中的冶金參數不規則的變化和偏差會影響成品的微觀結構和鋼的質量水平，因此有時會造成偏離標準要求的力學性能結果。在連鑄生產過程中，控制中間包過熱度、結晶器液位波動、適當的一冷和二冷是連鑄工藝的首要任務。這些參數直接影響凝固過程、適當的等軸柱狀晶粒過渡區(EACLGZ)、優異的熱延性、優良的鑄坯表面質量和降低元素的偏析。在最終熱軋產品中，加熱溫度、精軋溫度、冷床冷卻溫度和冷床冷卻速率直接影響熱軋鋼材的內部組織。實踐中已經確定了在特定截面上有害的混晶組織是與不當的溫度制度有關的。例如，在軋制鋼筋的邊角處過冷的不均勻性會導致形成馬氏體組織，相反，棒材中心附近的均勻冷卻導致珠光體/貝氏體組織。然而，當工藝的冶金參數，如溫度制度、壓下制度、冷卻均勻性、鑄坯的菱變和產品形狀都在溫度控制上下限值範圍內時，其產品的性能很有可能滿足和/或超過用戶期待機械性能指標。因此，按照實驗室鋼種開發的結果進行控制，工業現場很少的改變就能夠達到實驗室研發的效果。工業過程控制的一致性增加了微觀結構穩定性，達到了所需要的材料力學性能。在棒材連軋作業中，適當的粗軋壓下制度、精軋壓下制度和冷床溫度制度至關重要。粗軋、精軋和冷床每一階段的溫度的變化都可能導致成品溫度波動，導致產品性能的降低。造成這些地方軋件溫度變化的根本原因與加熱爐的操作、加熱效率和加熱性能直接相關(燃燒冶金法，CMA®)。

在連鑄生產小方坯過程中，鑄坯表面和內部缺陷的最小化對鋼的生產運營成本、內部和外部質量成本以及保證交貨都有很大的影響。對給定碳含量鋼種的連鑄工藝冶金參數和這些低、中、高碳鋼鋼種的熱塑性行為需要有敏銳而全面的了解，這是成功生產高質量長材產品的必要條件。

最近在碳-錳普通鋼和高附加值微合金鋼方面的冶金進展使的冶金界更加重視工藝和物理冶金的協同作用。但很少有論文發表討論這種協同作用，需要對這個系統進行更多的研究和開發。最近的主要發展趨勢之一是全球鋼鐵業向低碳、降低合金使用的轉變，提高鋼鐵產品的魯棒性、低溫韌性、更少的中心線和四分之一處的元素偏析，改善疲勞和改善焊接性。例如，最近的一項研究涉及鈮(微鈮為0.01-0.02%)的應用，甚至在結構扁鋼和長材製品的低強度鋼中也有應用，允許錳的降幅高達40%。2既經濟又提高了質量。在傳統的高強度SBQ鋼產品中，鈮的加入可以解釋為再結晶和超細晶組織的作用。

長材產品分為MBQ、SBQ和型材。生產的普通棒材MBQ鋼具有特定的尺寸和廣泛的化學成分，以達到需要的力學性能來滿足最終並非苛刻惡劣的場所。MBQ棒材軋制的鑄坯要求不太嚴格，棒材通常有相當寬鬆的精度，對棒材的表面和中芯缺陷很寬容，沒有對此進行很好的量化要求。MBQ的最終用戶可以進行適當的彎曲、熱成型、衝壓和焊接等操作。影響鋼的清潔度質量指標如疏鬆、偏析、表面裂紋和晶粒尺寸的標準要求較為寬鬆。特殊用棒材SBQ是性能能夠得到顯著改善的長材產品，鋼廠生產的產品就是要滿足市場提出的要求，1、2這些長材製品是為滿足汽車、卡車、鍛壓和重型設備等應用而製造的，這裡僅僅舉了這幾個實際運用的領域。需要提高了鋼的疲勞斷裂和強度，提供了更高水平的一致性和完整性的鋼材。為了達到預期的性能水平，鋼的化學成分和潔淨度對達到所需的機械性能至關重要。合金的設計和潔淨鋼的要求是實現特殊棒材質量的關鍵，並直接影響到部件的動態性能，如疲勞壽命。所要求的鋼的潔淨度取決於低化學元素的偏析、低而良好的夾雜率以及最小的內部和表面缺陷。

普通棒材MBQ與特殊棒材SBQ在操作和冶金方面的發展趨勢是不同的。MBQ目前和未來的全球趨勢是:

• 降低碳含量，提高產品製造和焊接性能。

• 降低錳含量，最大限度地減少偏析和表面質量問題。

• 降低殘餘元素水平，以提高內部和外部質量水平，降低質量處理成本，同時逐步降低鋼中的硫磷含量。

• 通過添加微量的Nb來誘導晶粒的細化，抵消了由於降碳降錳造成的屈服強度和拉伸強度的降低。

• 最終用戶對結構用鋼的長材產品包括鋼筋、角鋼、扁鋼和槽鋼，（特別是建築行業的建築、橋梁和基礎設施)的製造、成形性和焊接性要求的提高。

• 通過CMA在加熱爐上節約能源。

特殊用長材SBQ目前和未來的全球趨勢集中於:

• 連鑄工藝、操作和冶金方面的改進，改善了鑄坯內部質量的均勻性和大大減少鑄坯內部和表面的開裂傾向。

• 改善煉鋼過程中對氮控制，特別是電弧爐操作中對氮的控制。

• 廢鋼準備和控制殘餘元素，防止較重的元素偏析。

• 增加最終用戶對改善疲勞、斷裂韌性和降低屈服-拉伸比變化的需求。

• 通過CMA在加熱爐上節約能源。

這些操作、冶金和產品發展趨勢的驅動因素如圖1所示。

圖1長產品製造驅動因素

電弧爐或鹼性氧爐長材煉鋼生產過程中起著重要作用，本文對普通棒材(MBQ)生產與特殊棒材SBQ冶煉進行比較，冶煉方法因產品質量規範而異。當然，在普通的建築用材、鋼筋角鋼、槽鋼和扁平材等產品允許的化學成分範圍較為寬鬆，允許的殘餘元素含量較高。例如，硫和磷的水平可能分別接近0.025%和0.035%。對某些長材產品煉鋼廠未來的趨勢要降低鋼中硫磷含量(要降低了近50%)以及對殘餘元素的更多限制。對廢鋼硫磷含量的限制可以使得軋機軋制速度和每小時產量的提高。當然，這些殘餘元素的降低增強了鋼材的質量和提高了最終的棒材性能。進而減少碳含量，以提高韌性、焊接性和堅固性，甚至在低強度等級，如S235、S275和S355MPa建築用鋼上採用降碳措施，這樣不僅是提高了客戶需要的鋼材質量，而且顯著降低了操作難度，減少了事故質量降級和切頭切尾，提高了生產率。

第二種趨勢是採用等級合併，交叉應用結構板材和管線鋼鋼種的化學成分，以降低生產操作成本。在轉爐/電爐和板坯/鋼坯連鑄機組合的車間內，少數幾個低等級鋼種進行規模效益生產。如果想要滿足未來鋼結構市場對韌性和焊接性的要求，就必須做到低硫低磷潔淨鋼生產。通過使用潔淨鋼、低碳低合金(LCLA)，降低精軋溫度，並結合加速冷卻或控制冷卻，可以顯著降低生產成本。3這種已經成功冶煉生產的鋼種交叉組合應用，對於生產普通MBQ棒材和高質量、高強度SBQ高等級工程鋼材的製造至關重要。這種交叉應用的方法源自於其他產品部門，如汽車行業、板材和型材產品的生產上，然後移植到長材產品，可以顯著地提高MBQ和SBQ的生產效率，提高產品內在和外在質量，降低質量成本有利。

低硫、低磷和嚴格控氮生產展現出生產高質量結構鋼的可能性，這些鋼的延性、彎曲性、成形性、抗裂性和韌性均得到改善。冶煉操作的改變也是適用於生產普通MBQ鋼級。第二優點是在鋼廠內部，低硫和低磷鋼提高了鋼的可澆性和良好軋制性能，連鑄坯、異形坯和板坯的開裂最小化。降低了軋制過程中鑄坯的變形抗力，改善鋼材的軋制性能，這些改進使得噸鋼的生產成本至少降低了10%。目前，世界上用於普通長材產品的潔淨鋼冶煉生產實踐非常有限。該工藝冶金交叉應用的方法從其他產品如管線鋼、H型鋼和工槽角鋼和船板等幾個例子上得到，移植應用於長材產品的生產。以S355為例，分析了S355建築板材在低硫水平下的韌性，注意到每降低50%的硫含量，夏比衝擊強度至少提高三到四倍。這裡的移植先進方法的改進不僅對最終用戶有利，而且對熱軋工藝過程也是有利的，這種移植應用如圖2所示，它顯示了S355在降低硫水平下的結構鋼板的韌性水平。

圖2 硫對S355鋼種橫向夏比V韌性的影響。

降低硫水平的策略不僅是為了滿足客戶對提高韌性的需求，而且還可以提高鑄坯通過軋機的軋制能力。目前，世界上將潔淨鋼生產方法用於生產普通商用棒材的實踐非常有限。將應用於管線鋼、鋼梁、船板要求高的工藝冶金工藝實踐移植到普通結構用鋼上來，增加這些長材的附加值，注意到每降低50%的硫含量，夏比衝擊值至少提高三到四倍。低溫軋制帶來的益處是顯而易見的。當然，由於機械傳動裝置和電機的負載限制，一些軋機低溫軋制也是受到限制的。

低碳含量的效果

另一個移植應用是考慮將低碳鋼板生產的方式轉移到棒材生產上。在結構鋼鋼板的發展中，一個關鍵的考慮因素是採用低碳合金的工藝方法來替代高碳鋼，同時考慮硫含量對微合金化鋼結構產品性能的影響。生產商往往過分地考慮冶煉、連鑄和軋制來生產低殘餘元素潔淨鋼、低碳的鋼材對整體運營成本提高的影響。9在碳含量為0.10%的鋼種將有害元素降低到0.50%，氮含量低於90ppm，硫含量低於0.005%，這種情況下，S355鋼的實際生產成本將會降低，都低於S235和S275鋼種的實際生產成本。將這種策略與精軋控制軋制方案相結合，將得到非常細的鐵素體晶粒。此外，碳當量降低了0.10%左右，其鋼的焊接性顯著提高。通常，基礎成分對冷裂敏感性的影響是公式(1)所示的碳當量(CE)的函數。

CE = C Mn/6 (Cr Mo V)/5 (Cu Ni)/15 (Eq. 1)

除了改善焊接性，低碳( 1150℃)和均熱區(> 1225℃)下進行，從而導致普通碳鋼和微合金鋼過熱，晶粒異常生長。在世界各地的許多鋼廠進行的觀察發現，高溫加熱操作在超過0.20%C的中碳鋼上更為普遍。這些不良的加熱行為對鑄坯加熱質量有不利的影響，因為異常和變化的晶粒尺寸和鑄坯厚度上不均勻的加熱，粗大奧氏體晶粒在最終熱軋產品中轉為較粗大的鐵素體晶粒。此外，過高溫度加熱導致較厚的氧化鐵皮形成，較厚的氧化鐵皮的冶金後果超出了簡單的表面質量問題，對成品的機械性能的產生變化，這是由於鋼坯在熱軋前的不適當加熱MBQ和SBQ鑄坯造成的。在世界各地的大量鋼廠觀察發現，在生產高強度、低合金(HSLA)微合金鋼和碳含量超過0.20%的高碳鋼的鋼廠，加熱溫度常常較高。在高溫過熱條件下，鈮能有效地延緩奧氏體晶粒的生長。

從實際操作的角度來看，超過1250℃的均熱溫度對鋼的表面質量、韌性、成品率、力學性能和成本控制都是有害的。重度氧化鐵皮造成成材率下降，氧化鐵皮往往可達到幾毫米厚，成材率下降了1~1.5%，這種成材率損失轉化為資金就是數百萬美元的損失，而且也降低了年產量。

重要的是了解動力學是為最終控制燃燒反應的有效性和效率。熱力學表明反應是否自然可行，（即可能在一個孤立的系統中進行)或人工幹預(即，需要從外部輸入一些能量)。熱力學保證燃料和空氣可以自然反應，但如果動力學太慢，燃燒反應就會受阻。在燃燒中考慮了兩種極端的混合情況：在預混合系統中燃燒和在非預混燃料和空氣接觸的共界面層中燃燒。此外，適當的溫度和加熱時間對於確保生產高強度鋼熱機控制軋制(TMCP)長材產品中各種微合金元素或合金元素在加熱條件下得到適當的回溶是至關重要的，為粗軋和精軋中和後期的有益析出第二相粒子強化做好準備。

燃燒冶金學方法CMA的定義是將加熱爐工藝操作參數、燃燒條件及其對鋼坯質量的影響綜合起來，從鑄坯的奧氏體晶粒尺寸、溫度均勻性、前後溫度均勻性以及最佳氧化鐵皮等方面來研究加熱爐鋼坯出爐後的鑄坯加熱質量。加熱爐冶金過程直接影響到熱軋變形前的奧氏體晶粒尺寸。儘管在鋼鐵工業中認為是影響質量的一個重要工序，但板坯加熱和燃燒冶金機制的影響通常與較差的韌性結果(即，低落錘撕裂試驗(DWTT)和低的夏比衝擊值)或延性和彎曲性較差的現象結合起來看待。在工業加熱爐運行過程中，板坯、方坯或大方坯的隨意過熱會導致晶粒異常生長，這種隨機性有時是可以預測的，但由於此時需要適當的動態再熱爐控制和經驗來調整使其最小化這些偏差，許多軋機生產經常忽視加熱爐出現異常，又不作調整。在某些情況下，這些異常是由燒嘴、耐火材料和其他燃燒過程控制問題引起的。因此，成品厚度和寬度方向的力學性能將發生很大的變化和惡化，特別是韌性、彎曲性能、延性、屈強比和疲勞性能。

許多結構應用的鋼材規範允許C的最高水平高達0.26%。包晶鋼的碳含量在0.11-0.16%範圍內，這個範圍的碳含量在結構鋼長材和板材產品中得到了廣泛的應用。有一些結構鋼廠家從低碳轉向包晶鋼，然而，選擇這種包晶鋼生產增加了煉鋼、連鑄和熱軋的總作業成本(TABC)。由於缺乏對實際成本的測量和理解，因此很難將低於0.10%含碳量的好處計算出來。表1說明了一些ASTM規範，允許在這個包晶反應區域內生產的鋼種。

表1 所選ASTM規格最大碳含量9

1 8個不同的鋼種，根據鋼種的不同給出%C上限

2 截面積碳的最大變化範圍

3 碳的最大值隨著高屈服強度等級的增加而增加

本文對低碳鋼的定義是含碳量小於0.10%的鋼種。問題是當客戶鋼鐵訂貨標準如ASTM A529或A572時候，除非用戶指定碳含量上限為0.10%，鋼廠就以碳含量上限生產來達到這種低碳鋼要求的強度。對於更高的屈服強度等級，ASTM A913允許65和70級最高碳含量為0.16%。這種採用碳含量上限生產的變化造成一些嚴重問題和最終用戶鋼材差的性能問題的衝突。9如果鋼廠認為包晶鋼含碳量範圍生產划算，那麼這家工廠就沒有正確地分析或理解這些碳微合金鋼的生產總成本。由於許多最終用戶依賴於給定的協議規範來滿足他們的訂單要求，儘管指定的化學元素滿足組合範圍，訂單被認為是可以接受的，在此，最終用戶可能會遇到兩個潛在的問題，具體來說，材料性能的變化產生於不同爐號，或者多個供應商和服務中心供應相同鋼種之間的碳含量存在差異，近來與最終用戶的溝通顯示，他們沒有意識到在他們的業務中處理包晶鋼時對其的負面影響。與此同時，這些ASTM等級的最終用戶要求結構部件具有很小的機械性能波動變化，要求性能具有一致性。例如,低溫韌性等性能，成形性，彎曲性能、可焊性、斷裂韌性和抗疲勞性能，當使用這些較高碳含量鋼種時候，這些性能就受到限制，從不同的鋼廠和服務中心得到的鋼材加重了這種限制。如果使用低於0.10%碳的高強度鋼將緩解在工地現場的許多質量問題。

最近的煉鋼發展已經成功地冶煉錳含量降低了25%的鋼，在一些結構用鋼和基本鋼板、型材和長材製品中添加了0.010至0.020%鈮，其結果降低煉鋼合金的原材料成本，提高連鑄的可澆性，減少鑄坯內部硫化錳夾雜中心線偏析，減少熱軋板中的帶狀組織結構，從而獲得更均勻的鐵素體珠光體組織，在基礎設施領域的應用正在增長，因為這一產品具有競爭力，特別是對MBQ使用者具有吸引力。關於錳對中心線偏析的影響已發表了許多文章。分層和開裂主要發生在熱軋產品的中心線，分層是由於板坯中心線偏析導致硫化錳夾雜物含量過高，這導致大量客戶投訴。在客戶處進行成形操作時，在熱軋產品的中心面以外的位置也觀察到類似的分層或開裂。即使在相對均勻的微觀結構中，偏析也常常會導致材料的拒收，或者是增加鋼的質量處理成本。金相研究表明，在距離中心位置有一條富含硫化錳的偏析線，類似於中心線缺陷的形式。中心線偏析是一種很好理解的現象，但在熱軋產品中存在偏離中心偏析現象尚未得到系統的研究。10在板坯柱狀晶間裂紋中除了Mn之外充滿了偏析元素。通過微量鈮低錳方法的發展歷程，市場經歷了FeMn價格不斷上漲造成的全球供需失衡。然而，正如本文所報導的，對其好處的進一步分析遠遠不止通過降低鐵合金含量和添加微量鈮來降低冶煉車間的成本。在這些低碳低錳含鈮鋼的熱軋過程中，由於轉換時間短，推遲了珠光體相變導致層間距極小，而且晶粒得到細化，從而導致低碳低錳鋼的強度增加，這些鋼的錳含量降低到0.40%，除了降低合金成本外，還有其他一些有益的影響:

• 降低向鋼水添加常溫鐵合金量(可節約能源)。

• 降低來自FeMn合金的P汙染。

• 降低鑄坯和鋼板Mn在中心線的偏析。

• 減少熱軋條狀組織帶。

• 碳當量更低(焊接性更好)。

• 增強魯棒性，降低屈服強度和抗拉強度離散程度。

• 厚度和寬度方向上更細和更均勻的晶粒尺寸。

• 提高韌性，降低DBTT(從韌性到脆性轉變溫度)。

近年來，低錳低鈮結構鋼的研究與開發已實現產業化。11該方法包括應用簡單的常規軋製程序和加熱以及熱軋工藝。在工業操作中實施無縫對接是可行的。過去，對這類產品的研究有限，主要有兩個原因。首先，當熱鍛、拉拔、冷鍛等二、三次加工過程中，使用中高碳鋼時，有人認為控軋空冷的效果可能會在這些加工過程中喪失。其次，Nb在相同溫度下的低碳鋼中其奧氏體中的溶解度較低。然而，這些試驗甚至在以非常經濟的成本用於建築應用的中碳包晶鋼S355結構鋼中也顯示出良好的韌性，如表2所示。

表2 中碳低錳微鈮鋼的機械性能*11

*在0.16%C時，Mn從標準的1.45%降低到1.15%Mn，添加0.010%Nb(包晶鋼，Mn/S從181降低到144)

本工作的目的是研究現有的包晶鋼碳含量範圍，並用鈮取代釩，並顯著降低這345 MPa鋼級的錳含量。下一步是考慮類似的降低如235 MPa和275 MPa鋼級中Mn含量的策略，即使對於低強度鋼，也是具有降低成本的機會。從這項工作中獲得的知識說明了降低錳含量可行性和顯著降低成本的作用。有些情況下，目標是生產S275，而軋機實際生產的S420 MPa等級的結構鋼，具有更好的韌性和更少的帶狀組織帶。固溶體強化方程如公式2和公式3，見參考文獻12 Gladman and Pickering的論文所示：

屈服強度(MPa) = 53.9 32.3%Mn 83.2%Si 354%Nf 17.4d-1/ (Eq. 2)

抗拉強度(MPa) = 294 27.7%Mn 83.2%Si 3.85%Pearlite 7.7d-1/2 (Eq. 3)

表3給出了不同Mn含量下固溶強化效果。

表3 錳固溶體強化

鈮微合金化長材製品和鍛造用鋼的增值應用技術在全球範圍內不斷發展，滿足了更多的終端用戶需求。全球最終用戶群體正在特別尋求改善能源消耗、提高疲勞壽命，更好的裂紋抑制能力、減輕部件重量、並在整個產品生命周期中更低的排放和更加高效地生產。在鍛件毛坯的內部，微合金化元素的加入影響坯料加熱過程中晶粒長大速率、變形奧氏體的再結晶參數、冷卻時γ-α相轉變溫度以及對鐵素體析出強化的貢獻。介紹了一種抗震鋼筋、細晶鍛件、型鋼和板材的研製，該產品具有較好的屈強比一致性、低溫加工節能和具有較好的焊接性能。另一個迅速擴張的全球鈮冶金行業涉及中、高碳長材產品，與傳統的不含Nb處理的中碳鋼和高碳鋼相比，添加0.005 ~ 0.020%Nb的微合金鋼在加工過程中可改善成形性，晶粒尺寸均勻，力學性能提高。

隨著Nb在鋼筋和鋼結構型鋼中的添加，機械性能的改善已經被移植應用到汽車結構部件中，例如螺旋彈簧。例如，研製了一種由0.51%C的北美汽車前懸架螺旋彈簧，採用Mo-V-Nb複合材料製成，與傳統彈簧相比，具有更好的力學性能。在9259工程合金彈簧鋼牌號中採用0.035%Nb時，在鋼筋和其他長材產品應用中也觀察到類似的效果。鈮的晶粒細化、微觀組織更加均勻、微合金碳氮化物析出相形貌和析出相強化是提高合金性能的主要原因。Nb改性彈簧鋼的化學成分如表4所示。

表4 螺旋彈簧化學成分，%

回火溫度下硬度的改善轉化為強度的增加、更好的疲勞極限和良好的斷裂韌性，從而允許輕量化設計螺旋彈簧。將標準SAE9259的疲勞斷裂韌性與圖6和圖7中Nb改性後的SAE9259的疲勞斷裂韌性進行對比。

圖6 動態凹陷損失對比

圖7 斷裂韌性比較

與傳統的5160或9259或加釩的9259相比，這種Nb-V-Mo改進型彈簧鋼使螺旋彈簧重量減少了約15%，疲勞強度提高了12%，斷裂韌性提高了27%。由此得到的Nb-V改性鋼級具有較好的屈服強度和抗拉強度，較好的循環疲勞壽命和改善了斷裂韌性。調整鋼的化學成分、晶粒細化、Nb-V(CN)析出強化以及較低硬質氧化物夾雜整體體積分數的降低均改善了鋼的性能。這個應用說明了Nb和V在這些高碳工程工具鋼中的組合作用。晶粒細化效應改善了動態負載損失性能，提高了斷裂韌性和韌性斷裂。在實際操作中，降低了Nb/V的化學計量比得到下降，添加0.020% Nb，降低了V合金的成本。

SBQ的另一個應用涉及鈮在高碳共析鋼中的應用，這個市場還在繼續擴大增長。由於對1080級鋼的有效性認識不完全，通過添加微合金來改進這種鋼的進展並不很受歡迎，後來在兩家工廠的試驗表明，這種方法對預應力混凝土鋼絞線、子午線輪鋼簾線和中碳彈簧鋼等產品是有益的。將微鈮合金方法應用於0.20%C以上車用高碳鋼和中碳棒產品中，通過細化晶粒提高了鋼的力學性能魯棒性。這種機制使鑄坯、棒材和線材的晶粒細化更加均勻，從而改善了整個供應鏈的表面質量、提高了生產率並降低了廢品率，從而降低了每噸的總體運營成本。對1080鋼中鈮的成分含量進行了優化研究，確定了最終線材用戶的最佳拉拔比、壓縮比、延性和表面質量以及最終的力學性能。結果表明，添加0.02%鈮的微鈮可提高產品的魯棒性，降低產品質量成本，提高生產效率達10%。1080鋼的研究結果為解釋共析鋼線材性能的改善提供了基本的冶金知識。基於這些結果，同樣的微鈮方法學也適用於其他碳鋼，再進行這樣的綜合研究就沒有必要的，因為移植轉移使用優化的低微鈮成分(0.005-0.020%鈮)是1080高碳鋼到低碳鋼(即，含碳量分別是0.70%，0.50%和0.35%)。因此，在這些鋼中微鈮的雙重好處是：(1)防止加熱爐非正常加熱過程奧氏體晶粒異常長大(CMA)，(2)最大限度地減小珠光體片間距，從而改善力學性能。

鈮在高碳鋼中的應用提高了長材產品的冶金性能和加工性能。這種工藝和產品冶金方面的改進與微合金化0.25 - 0.95%C鋼中奧氏體晶界的Nb釘扎效應有關，可最大限度地減少軋制前加熱爐過程中晶粒的異常生長。因此，鈮微合金化中高碳鋼的長材製品鋼得到了廣泛的應用，並將其與各種中、高碳鋼的牌號和應用進行了比較。開發和應用範圍包括汽車螺旋彈簧、共析鋼軌鋼、合金工具和模具鋼、汽車緊固件、螺紋鋼、線材和鋼簾線。對1080共析鋼預應力鋼絞線中添加0.018% Nb進行優化設計，進行了詳細的分析，為該冶金策略提供了依據。這種方法有助於實現理想的超細晶粒和均勻的高碳鋼微觀組織結構，具有優異的韌性、強度、疲勞性能，最終熱軋產品較少的機械性能波動變化，降低了質量成本和提高焊接性能。0.005 ~ 0.020% Nb的應用，在加熱過程中通過奧氏體晶界釘扎，熱軋過程中得到極細的珠光體片間距，提供了更耐用的長材製品，質量成本的改善遠遠超過了由於添加微量鈮造成的合金成本的提高。15

過程和物理冶金協同作用與材料科學與工程聯繫在理解和正確執行新產品和先進長材產品從實驗室到工業化的成功移植方面是至關重要的。煉鋼、連鑄、熱軋和冷軋的一體化是正確理解影響所需產品物理冶金的根源過程冶金參數的關鍵。存在著將SBQ冶金實踐轉移到MBQ生產實踐的機會，以便在MBQ生產中降低操作成本，提高生產率和質量。未來趨勢包括硫磷水平的降低(降低了近50%)以及對殘餘元素更多限制，這些硫和磷的降低導致質量降級和廢品的減少，軋機軋制速度提高和小時產量的提高。當然，殘餘元素含量的下降提高了產品質量，提高最終用戶中的鋼材性能。微量鈮處理將碳降低到0.10%以下，改善了鋼的可澆性、鋼的魯棒性和焊接性。新一代高附加值低碳低錳微鈮結構鋼的互補發展為低屈服強度和高屈服強度提供了提高韌性、可彎曲性和延展性，同時降低了操作成本。另一個主要的發展趨勢涉及再加熱過程操作可變性(CMA)的影響，這對MBQ和SBQ產品的奧氏體晶粒尺寸、再結晶行為、最終組織和延性都有顯著影響。

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15.S. Jansto, 「Niobium-Bearing Steel Technological Developments for Long Productsand Forgings,」 International Conference on Advanced Metallurgy of Long andForged Products, 12–15 July 2015, Vail, Colo., USA.

原文作者

StevenG. Jansto principlepartner, Research and Development Resources, Bowling Green, Ohio, USA [email protected]

這篇文章的觀點是跟隨時代發展提出新的面對措施，鋼鐵工業歷史各個階段對性能的要求受到當時科學技術，認識水平，社會要求，經濟發展制約等因素，只能達到那個階段平均要求水平，就是社會需要與現實生產水平之間的平衡，標準其實就是社會的公知和鋼廠之間平衡較量的產物。隨著社會前進，要求越來越高，環保理念其實就是對生活質量的一種追求。人類發展的歷史，就是一部材料進步的歷史，目前處於矽資訊時代仍然是以鐵器時代延續和交叉重合，鋼鐵作為最為重要的工程材料將繼續扮演基礎的角色。代表苛刻服役條件高溫和低溫下各種工況，需要鋼材高強高韌，於是就提出來即使普通鋼也要達到與時代發展相適應的性能水平上來，這是時代的要求，也是我國轉型上的要求，是歷史給我們鋼鐵工業一個機遇，大路貨的鋼鐵產品也要上質量臺階。

1. 祖國大地需要

中國地大物博，從地形上看，三個階梯形成三個大臺階，早就了秀麗壯觀的大自然景色，但是自然的力量在地下湧動，板塊連接處的搖搖晃晃警示著我們，上面蓋的建築要注意，看到汶川大地震造成的惡果想到，如果當時學校和橋梁主要的建築採用鋼結構多好呀！現在看到恢復的重建，仍然是鋼筋混凝土結構的橋梁和房子，如果大地再來一次搖晃，是否又是同樣的結果？！鋼鐵人就想到，祖國的產能這麼大，為什麼不能在重要的建築上採用抗震的鋼結構呢？這也是一種教訓吧，遺憾的是我們的回顧總是缺乏一點什麼。

祖國地域遼闊，南北東西溫度差別大，生產的鋼材要適應這塊土地的要求，總不至於討論訂單的時候要求指定鋼材適應的區域吧。比如汽車鋼材就要從50℃到-50℃都要能夠保持應有的強度和韌性，具有一定的魯棒性。從當前的生產來看，普通鋼對磷硫含量、銅含量、殘餘元素含量要求很低，對非金屬夾雜物則沒有具體的要求，這種鋼材面對惡劣條件下能否正常提供應有的強度好像把握性不大，比如普通鋼板焊接的鋼結構使用在嚴寒地帶，這種鋼板的冶煉往往就經過轉爐出鋼後簡單處理就直上連鑄機，鋼中的磷硫含量和夾雜物處理是考慮不足的，嚴寒地帶低溫將考驗著這些鋼材筋骨。總是覺得祖國鋼鐵工業如此強大，產能嚴重過剩，為什麼不能在重要的公共建築上採用鋼結構，為什麼不能充分利用現用的精煉技術來降低鋼中硫磷含量和非金屬夾雜呢？方針政策的指引好像沒有看到，應該快了吧，期待！

這篇文章具有一定的前瞻性，主要的觀點是就是即使生產普通鋼也是要用現有的冶煉和軋制的手段按照優特鋼的要求進行，從而大大提升普通鋼的質量水平，主要就是將普碳鋼的強度和韌性得到提高，通過降碳降錳，提高鋼材的低溫韌性，從現在技術水平上看，只有降低碳含量才能得到高的衝擊韌性指標和提高可焊性；降低錳含量才能降低帶狀組織的級別，降碳降錳造成的強度損失通過添加微量Nb微合金元素和控軋控冷工藝來彌補，這種認知和生產實踐在優特鋼上廣泛採用，但是對於產能巨大的普碳鋼仍然是老舊的標準和規範，用戶訂單往往也就是根據這些過去的東西來要求鋼廠，好幹，成本低，產能大，這幾年中國大地螺紋鋼火紅的市場需求讓鋼廠老闆們狠狠地賺了大把真金白銀，以螺紋鋼為代表的建築用材生產量巨大無比，鋼廠的建設也非常迅猛，尤其是以百座以上電爐短流程大力發展，面向的就是這種大路貨，即使打上特殊鋼的廠名，其實這種大規模使用殘餘元素較多的廢鋼短流程，命中注定註定只能生產大路貨建築用材。中國面對發展良機，可以在標準規範上做出有利於持續發展的進步，提升普碳鋼檔次，提高產品的性能指標，大大提高鋼鐵產品的抗變化性，為國民經濟創造更好鋼筋鐵骨，其實不難，就是成本稍微有所提高，無錫車輛超載倒塌橋梁給合理的運輸市場建立起到了一個標誌點的作用，運價馬上跟上來，鋼鐵性能的提高其價格也應該有所上升，中國人民在目前經濟持續發展多年的基礎上是應該講究講究了，鋼鐵人講鋼鐵話，使用高品質鋼材就是提高生活品質的一個組成部分。

2. 電爐生產

但是電爐必須配置精煉爐工序來組織生產，使用精煉爐就可以大大降低鋼中的硫含量，從而減輕硫對品質的危害，當然磷只能在初煉爐來解決，在電爐內創造有利的氣氛和條件進行脫磷操作，我國還是處在發展期，從廢鋼中的殘餘元素就可看出國內的廢鋼相對來說比較乾淨，廢鋼基本上是一次循環，不太髒的。俺在十幾年前使用過米國進口廢鋼，是在太髒了，這裡的髒指的是廢鋼中的殘餘元素多，只有每爐鋼搭一點逐步吃掉。米國的廢鋼經歷多次循環，他們自己用電爐生產高品質鋼材都是採用鐵水、海綿鐵或者是直接還原鐵壓塊稀釋，或者就是以廢鋼為輔的原料菜單組織生產。我這裡說電爐鋼今後成為建築用材的主體生產方式，電爐有條件來按照低碳低錳微合金化來生產高品質鋼材的，就看政府決心和市場導向了。

3. 生產成本

鐵合金價格因素，降碳降錳加鈮保持強度，改善韌性，鈮鐵價格噸價25萬，達到0.02%的鈮含量需要加入鈮鐵0.3千克左右，價格為75圓，而降低錳含量對成本降低影響不大，只有幾元錢的降低量，僅僅從鐵合金上談效益不行，要看綜合效益。

文章中談到這種降碳降錳微加鈮生產方式可以降低軋制溫度，減少氧化鐵皮量，減少軋制廢品和質量改判降級，提高生產率帶來降本能夠抵消添加鈮合金元素增加，我認為也是不現實的，關鍵還是看銷售價格，高級產品就是高附加值，比如價格上噸鋼增加50圓，估計鋼廠就有動力了。或者國家對重要的建築和設備採購上就做出嚴格要求，順應發展要求，那麼就形成另外的驅動力，這種推動就是一種主動的行為，希望公務員來做做這個有意義的事情。

4. 工程技術發展

工程技術快速發展使得現在生產高品質鋼材的成本大大降低，可以回顧過去20年前或30年前的高品質鋼的要求很低的，現在鋼廠裝備水平與過去相比天壤之別，記得82年畢業到國營大鋼廠，那個時代還沒有精煉爐，生產好的產品只能澆注成鎮靜鋼錠，經過幾次軋制才能成為最終鋼材成品，一般普碳鋼澆鑄成沸騰鋼鋼錠。現在不同了，時代進步啦，就是在民企生產建築用材的鋼廠，裝備水平也不亞於國營大廠，現代化的轉變水平具備生產高質量鋼材的能力，如果僅僅通過初煉爐來生產低檔次產品，倒不如發揮精煉設備的效能，生產高品質產品，成本增加僅僅是變動費用，如果價格、政策合理，現在的鋼廠完全能夠生產高質量低碳低錳微鈮鋼，從而大大提高普通鋼的性能水平的提高。

5. 降錳必須降硫

降低錳含量減少鑄坯內部偏析，其實還是要降低硫含量，這對成品鋼材特別是扁平材層狀撕裂需要降低硫含量，選分結晶的結果造成鑄坯中心元素偏析，Z向性能要求的鋼材都必須儘可能降低鋼中的硫含量。

錳在鋼中的一個作用是生成硫化錳夾雜來消除硫的有害作用，連鑄工藝也要求儘量達到30:1以上的錳硫比，對於普通的鋼材來說，錳含量只有0.40~0.50%，錳含量減半就是0.20%左右，如果不對硫元素進行控制，比如還是0.02%的硫含量，那麼錳硫比就只有10:1，但是將硫含量降低到0.004%以下，錳硫比就是50:1，所以文中提及的降碳降錳微鈮方案冶煉的重點就要降低鋼中的硫含量。

鋼中非中心區域出現的分層和撕裂現象，估計是混晶區，即柱狀晶向等軸晶轉變區域形成的區域，這裡的偏析也是比較嚴重的，往往不亞於鑄坯的中心部位，至少是鑄坯內部第二位偏析汙染區域，軋製成材後表現為偏離中心的異常區域。所以還是要降低硫含量，儘量減輕這種偏析對成品性能的影響。

6. 低碳對偏析影響

低碳含量鋼材偏析影響很小，低於10個碳的鋼種碳偏析就不是很大的問題了，我在無錫錫興公司工作的時候，經常和老外商定技術協議，西方他們的採購人員的技術水平也不見的比中國的採購人員強，也經常遇到他們要求低碳鋼的碳偏析指數小於1.1%，我只能耐心和他們解釋，35鋼以上談碳的偏析有意義，不到10個碳的鋼種，在斷面上分析只要有一個碳的誤差，就超過了1.1的指數，他們覺得很奇怪，為什麼之前沒有遇到這樣的事情，往往的結果是他們和家裡的專家商量後都同意我的觀點，低碳鋼去掉碳偏析指數考核指標。但是我保證在4個碳的範圍內生產。

那個時候在鋼廠還要和銷售打交道，在長期與世界各地用戶交往過程中感覺到，無論是高溫高壓鍋爐管，還是低溫下使用要求低溫衝擊性能的鋼材，都是走向了降碳來達到目的，降碳損失的強度依靠合金的加入得到彌補或加強，所以我看這篇文章是有體會的。

如果軋鋼界能夠看到這篇文章，我倒是希望粗軋機組能力要大一點，能夠適應控軋空冷工藝。

看了這篇文章覺得不錯，所以翻譯出來，瞎寫了這個閱讀體會，水平有限，錯誤之處請大家儘管指出。

唐傑民

2019年10月18日