工艺与物理冶金的连接提高产品质量，这是各种研究结果的集成。然而，通常不报告工艺冶金参数之间的联系，特别是与此相关的工业生产数据。
工艺与产品冶金组合工艺和物理冶金与材料科学的联系，对于理解和正确执行从实验室到工业化成果转化是至关重要的。本文论述了生产过程冶金与普通棒材(MBQ)、特种棒材(SBQ)及型材的力学性能和微观结构之间的关系。在冶炼、铸造、再加热和轧制等冶金过程中，通常会自然地发生一些操作程序的变化，这些过程中的冶金参数不规则的变化和偏差会影响成品的微观结构和钢的质量水平，因此有时会造成偏离标准要求的力学性能结果。在连铸生产过程中，控制中间包过热度、结晶器液位波动、适当的一冷和二冷是连铸工艺的首要任务。这些参数直接影响凝固过程、适当的等轴柱状晶粒过渡区(EACLGZ)、优异的热延性、优良的铸坯表面质量和降低元素的偏析。在最终热轧产品中，加热温度、精轧温度、冷床冷却温度和冷床冷却速率直接影响热轧钢材的内部组织。实践中已经确定了在特定截面上有害的混晶组织是与不当的温度制度有关的。例如，在轧制钢筋的边角处过冷的不均匀性会导致形成马氏体组织，相反，棒材中心附近的均匀冷却导致珠光体/贝氏体组织。然而，当工艺的冶金参数，如温度制度、压下制度、冷却均匀性、铸坯的菱变和产品形状都在温度控制上下限值范围内时，其产品的性能很有可能满足和/或超过用户期待机械性能指标。因此，按照实验室钢种开发的结果进行控制，工业现场很少的改变就能够达到实验室研发的效果。工业过程控制的一致性增加了微观结构稳定性，达到了所需要的材料力学性能。在棒材连轧作业中，适当的粗轧压下制度、精轧压下制度和冷床温度制度至关重要。粗轧、精轧和冷床每一阶段的温度的变化都可能导致成品温度波动，导致产品性能的降低。造成这些地方轧件温度变化的根本原因与加热炉的操作、加热效率和加热性能直接相关(燃烧冶金法，CMA®)。
在连铸生产小方坯过程中，铸坯表面和内部缺陷的最小化对钢的生产运营成本、内部和外部质量成本以及保证交货都有很大的影响。对给定碳含量钢种的连铸工艺冶金参数和这些低、中、高碳钢钢种的热塑性行为需要有敏锐而全面的了解，这是成功生产高质量长材产品的必要条件。
最近在碳-锰普通钢和高附加值微合金钢方面的冶金进展使的冶金界更加重视工艺和物理冶金的协同作用。但很少有论文发表讨论这种协同作用，需要对这个系统进行更多的研究和开发。最近的主要发展趋势之一是全球钢铁业向低碳、降低合金使用的转变，提高钢铁产品的鲁棒性、低温韧性、更少的中心线和四分之一处的元素偏析，改善疲劳和改善焊接性。例如，最近的一项研究涉及铌(微铌为0.01-0.02%)的应用，甚至在结构扁钢和长材制品的低强度钢中也有应用，允许锰的降幅高达40%。2既经济又提高了质量。在传统的高强度SBQ钢产品中，铌的加入可以解释为再结晶和超细晶组织的作用。
未来长材生产和冶炼结合的趋势长材产品分为MBQ、SBQ和型材。生产的普通棒材MBQ钢具有特定的尺寸和广泛的化学成分，以达到需要的力学性能来满足最终并非苛刻恶劣的场所。MBQ棒材轧制的铸坯要求不太严格，棒材通常有相当宽松的精度，对棒材的表面和中芯缺陷很宽容，没有对此进行很好的量化要求。MBQ的最终用户可以进行适当的弯曲、热成型、冲压和焊接等操作。影响钢的清洁度质量指标如疏松、偏析、表面裂纹和晶粒尺寸的标准要求较为宽松。特殊用棒材SBQ是性能能够得到显著改善的长材产品，钢厂生产的产品就是要满足市场提出的要求，1、2这些长材制品是为满足汽车、卡车、锻压和重型设备等应用而制造的，这里仅仅举了这几个实际运用的领域。需要提高了钢的疲劳断裂和强度，提供了更高水平的一致性和完整性的钢材。为了达到预期的性能水平，钢的化学成分和洁净度对达到所需的机械性能至关重要。合金的设计和洁净钢的要求是实现特殊棒材质量的关键，并直接影响到部件的动态性能，如疲劳寿命。所要求的钢的洁净度取决于低化学元素的偏析、低而良好的夹杂率以及最小的内部和表面缺陷。
普通棒材MBQ与特殊棒材SBQ在操作和冶金方面的发展趋势是不同的。MBQ目前和未来的全球趋势是:
• 降低碳含量，提高产品制造和焊接性能。
• 降低锰含量，最大限度地减少偏析和表面质量问题。
• 降低残余元素水平，以提高内部和外部质量水平，降低质量处理成本，同时逐步降低钢中的硫磷含量。
• 通过添加微量的Nb来诱导晶粒的细化，抵消了由于降碳降锰造成的屈服强度和拉伸强度的降低。
• 最终用户对结构用钢的长材产品包括钢筋、角钢、扁钢和槽钢，（特别是建筑行业的建筑、桥梁和基础设施)的制造、成形性和焊接性要求的提高。
• 通过CMA在加热炉上节约能源。
特殊用长材SBQ目前和未来的全球趋势集中于:
• 连铸工艺、操作和冶金方面的改进，改善了铸坯内部质量的均匀性和大大减少铸坯内部和表面的开裂倾向。
• 改善炼钢过程中对氮控制，特别是电弧炉操作中对氮的控制。
• 废钢准备和控制残余元素，防止较重的元素偏析。
• 增加最终用户对改善疲劳、断裂韧性和降低屈服-拉伸比变化的需求。
• 通过CMA在加热炉上节约能源。
这些操作、冶金和产品发展趋势的驱动因素如图1所示。
图1长产品制造驱动因素
长材生产未来趋势电弧炉或碱性氧炉长材炼钢生产过程中起着重要作用，本文对普通棒材(MBQ)生产与特殊棒材SBQ冶炼进行比较，冶炼方法因产品质量规范而异。当然，在普通的建筑用材、钢筋角钢、槽钢和扁平材等产品允许的化学成分范围较为宽松，允许的残余元素含量较高。例如，硫和磷的水平可能分别接近0.025%和0.035%。对某些长材产品炼钢厂未来的趋势要降低钢中硫磷含量(要降低了近50%)以及对残余元素的更多限制。对废钢硫磷含量的限制可以使得轧机轧制速度和每小时产量的提高。当然，这些残余元素的降低增强了钢材的质量和提高了最终的棒材性能。进而减少碳含量，以提高韧性、焊接性和坚固性，甚至在低强度等级，如S235、S275和S355MPa建筑用钢上采用降碳措施，这样不仅是提高了客户需要的钢材质量，而且显著降低了操作难度，减少了事故质量降级和切头切尾，提高了生产率。
第二种趋势是采用等级合并，交叉应用结构板材和管线钢钢种的化学成分，以降低生产操作成本。在转炉/电炉和板坯/钢坯连铸机组合的车间内，少数几个低等级钢种进行规模效益生产。如果想要满足未来钢结构市场对韧性和焊接性的要求，就必须做到低硫低磷洁净钢生产。通过使用洁净钢、低碳低合金(LCLA)，降低精轧温度，并结合加速冷却或控制冷却，可以显著降低生产成本。3这种已经成功冶炼生产的钢种交叉组合应用，对于生产普通MBQ棒材和高质量、高强度SBQ高等级工程钢材的制造至关重要。这种交叉应用的方法源自于其他产品部门，如汽车行业、板材和型材产品的生产上，然后移植到长材产品，可以显著地提高MBQ和SBQ的生产效率，提高产品内在和外在质量，降低质量成本有利。
低硫、低磷和严格控氮生产展现出生产高质量结构钢的可能性，这些钢的延性、弯曲性、成形性、抗裂性和韧性均得到改善。冶炼操作的改变也是适用于生产普通MBQ钢级。第二优点是在钢厂内部，低硫和低磷钢提高了钢的可浇性和良好轧制性能，连铸坯、异形坯和板坯的开裂最小化。降低了轧制过程中铸坯的变形抗力，改善钢材的轧制性能，这些改进使得吨钢的生产成本至少降低了10%。目前，世界上用于普通长材产品的洁净钢冶炼生产实践非常有限。该工艺冶金交叉应用的方法从其他产品如管线钢、H型钢和工槽角钢和船板等几个例子上得到，移植应用于长材产品的生产。以S355为例，分析了S355建筑板材在低硫水平下的韧性，注意到每降低50%的硫含量，夏比冲击强度至少提高三到四倍。这里的移植先进方法的改进不仅对最终用户有利，而且对热轧工艺过程也是有利的，这种移植应用如图2所示，它显示了S355在降低硫水平下的结构钢板的韧性水平。
图2 硫对S355钢种横向夏比V韧性的影响。
降低硫水平的策略不仅是为了满足客户对提高韧性的需求，而且还可以提高铸坯通过轧机的轧制能力。目前，世界上将洁净钢生产方法用于生产普通商用棒材的实践非常有限。将应用于管线钢、钢梁、船板要求高的工艺冶金工艺实践移植到普通结构用钢上来，增加这些长材的附加值，注意到每降低50%的硫含量，夏比冲击值至少提高三到四倍。低温轧制带来的益处是显而易见的。当然，由于机械传动装置和电机的负载限制，一些轧机低温轧制也是受到限制的。
低碳含量的效果
另一个移植应用是考虑将低碳钢板生产的方式转移到棒材生产上。在结构钢钢板的发展中，一个关键的考虑因素是采用低碳合金的工艺方法来替代高碳钢，同时考虑硫含量对微合金化钢结构产品性能的影响。生产商往往过分地考虑冶炼、连铸和轧制来生产低残余元素洁净钢、低碳的钢材对整体运营成本提高的影响。9在碳含量为0.10%的钢种将有害元素降低到0.50%，氮含量低于90ppm，硫含量低于0.005%，这种情况下，S355钢的实际生产成本将会降低，都低于S235和S275钢种的实际生产成本。将这种策略与精轧控制轧制方案相结合，将得到非常细的铁素体晶粒。此外，碳当量降低了0.10%左右，其钢的焊接性显著提高。通常，基础成分对冷裂敏感性的影响是公式(1)所示的碳当量(CE)的函数。
CE = C Mn/6 (Cr Mo V)/5 (Cu Ni)/15 (Eq. 1)
除了改善焊接性，低碳(<0.08%C)钢板对比中碳(0.14-0.18%C)工艺方案，钢板的韧性也得到了改善。由于冶金机制和工艺相同，普通商用棒材这样生产也得到相似的益处。图3显示了低碳含铌钢对比中碳成分钢在长度方向上韧性的改善。
图3 S355级低碳钢夏比V缺口横向冲击韧性对比。
在这个例子中，75mm厚度钢板在-60℃低温冲击韧性几乎是原来的三倍，因为添加铌后，碳含量从0.14%降低到0.07%，因此，低碳结构钢普通棒材成分比中碳棒材具有更好和一致性的力学性能、改善了韧性、碳含量避开连铸机易出缺陷的包晶反应区范围，从而改善了铸坯表面质量，具有更好的焊接性能，因此这种钢材更受青睐。此外，表面质量的改善有助于增强环氧涂层的附着力，提高耐腐蚀性。
由于铌的晶粒细化晶粒的机理作用，通过降低含碳量可以获得更高的屈服强度，更好的焊接性和更好的断裂韧性。这使得工程设计者能够有机会要求使用这种低碳钢材，在不牺牲强度的情况下提高结构的韧性和焊接性。研究铌冶金作用原理，应用于高强度管线钢和先进的低碳高强度结构钢以及微合金钢系列，以满足抗震、低温、耐火、疲劳极限和提高成形性等要求。
在MBQ生产中，应对碳、硫和磷含量的调整生产进行明智的评估，许多钢厂生产这种MBQ钢种，为规范钢厂工艺纪律提供了非常好的机会，这将显著的降低生产成本。成本的降低使棒材轧机能够在MBQ竞争激烈的环境中成功地保持良好的利润率。图4为碳对韧性的显著影响，这是评价长材产品生产过程中热机轧制对鲁棒性的重要指标。
图4 冲击韧性与碳含量的关系
铸坯加热工艺与燃烧冶金过程在生产MBQ和SBQ两种热轧棒材产品的过程中，轧钢加热炉工艺对轧制性能、最终热轧钢材质量和力学性能的一致性有着重要影响。无论什么钢种，加热均匀性对板坯或方坯宽度和长度方向都至关重要，最终热轧产品的铁素体晶粒尺寸受原始奥氏体晶粒尺寸的影响非常大。在实际操作中，许多加热炉冶金工艺和燃烧参数都会影响轧机的生产率、微观组织、奥氏体晶粒尺寸、废品率和降级转差率。在冶炼和轧钢生产过程中，加热炉工艺在产品质量和机械性能的评价中，特别是全钢板厚方向的韧性评价中，其重视程度往往较低。辐射、对流、导热等传热条件影响炉子的热效率。在实验室研究中，炉膛加热步骤通常是相当均匀的，产生了均匀的和细小的奥氏体晶粒。在实际工业生产过程中，很难控制加热均匀性和传热一致性来保证整个铸坯长度和厚度方向上加热均匀。炉况与产品质量的关系是通过炉膛工艺参数，如燃料-空气比、烧嘴条件、炉膛压力、能源效率、绝热火焰温度(AFT)和炉膛耐火材料条件等来确定的。这里提出操作实践建议，减少对铸坯不均匀加热，这种不均匀加热会导致产品质量低劣、热轧模型产生异常变动，成品厚度方向的韧性变化大。
铸坯尺寸变化、铸坯出炉速率、空气-燃气比、炉内氧气过剩系数影响铸坯氧化铁皮的厚度，整体炉膛效率等变量都影响加热行为和最终碳化物溶解度动力学。加热炉热能损失曲线也能够影响铸坯加热动力学，像不合适的耐材构建、敞口散热、检查炉门不合适、不合适维护管理。
铸坯进出加热炉产生的问题都会对加热过程产生负面影响。6加热不当和铸坯均热时间不够将导致最终用户得到的钢筋力学性能发生以下变化:
• 在给定的轧制程序内增加了屈服强度的可变性。
• 最终热轧产品的屈强比。
• 由于马氏体体积分数的变化影响棒材芯部性能和延伸率，导致MBQ、SBQ 钢坯过热导致奥氏体晶粒生长异常。
还原性气氛均热温度的重要性在加热炉中，铸坯是通过炉内的顶部和侧壁耐材辐射而加热的。炉顶和炉壁耐火材料从烧嘴火焰中吸收热量。绝热火焰温度(AFT)受燃料类型、烧嘴效率和空气-燃气比的影响，越高的AFT意味着更高的热能输入、更高的生产能力和最大加热效率。优化的空气-燃气比还能形成良好的炉内气氛，有利于良好的铸坯表面质量，高效热量渗透进入铸坯内部加热，以及最佳的氧化铁皮厚度和粘度。图5显示了不同空-燃比(即，当量比)对不同气体的绝热火焰温度。
图5 空-燃当量比与绝热火焰温度的关系
由于大多数加热炉消耗天然气，最大绝热火焰温度为2,250 K（1977℃），约为1.10当量比(10%过剩空气)。在这些条件下，燃料燃烧产生的热量大约有一半用于加热钢铁。随着空-燃当量比的增大，燃烧效率降低，AFT减小。有几个操作上的原因导致增加当量比，8增加当量比导致铸坯的加热不当，延长加热时间:
• 烧嘴孔板开裂，导致火焰温度不够理想。
• 炉顶或炉壁耐火材料有裂缝，导致空气渗入炉膛。
• 由于燃烧风机机械性能不佳(轴承、不平衡、部件磨损)，导致炉膛压力低。
• 由于氧化铁皮的淤积，减少了预热和加热段底部区域的工作体积。
• 烧嘴前端不合适的氧气富集燃烧。
• 氧化铁皮形成和粘结。
大多数工业上使用的燃料是碳氢化合物。根据燃料完全氧化的化学计量比，输入燃烧室的空气/燃料混合物可分为:
• 稀薄混合物(燃料含量低，空气过多)。
• 化学计量混合物(含精确或理论上的燃料量)。
• 丰富的混合物(比需要更多的燃料，但过量的燃料会被分解成小分子燃料，只有小分子出现在尾气中)。
全球铸坯加热炉操作世界各地的许多加热炉操作都在高温区(> 1150℃)和均热区(> 1225℃)下进行，从而导致普通碳钢和微合金钢过热，晶粒异常生长。在世界各地的许多钢厂进行的观察发现，高温加热操作在超过0.20%C的中碳钢上更为普遍。这些不良的加热行为对铸坯加热质量有不利的影响，因为异常和变化的晶粒尺寸和铸坯厚度上不均匀的加热，粗大奥氏体晶粒在最终热轧产品中转为较粗大的铁素体晶粒。此外，过高温度加热导致较厚的氧化铁皮形成，较厚的氧化铁皮的冶金后果超出了简单的表面质量问题，对成品的机械性能的产生变化，这是由于钢坯在热轧前的不适当加热MBQ和SBQ铸坯造成的。在世界各地的大量钢厂观察发现，在生产高强度、低合金(HSLA)微合金钢和碳含量超过0.20%的高碳钢的钢厂，加热温度常常较高。在高温过热条件下，铌能有效地延缓奥氏体晶粒的生长。
从实际操作的角度来看，超过1250℃的均热温度对钢的表面质量、韧性、成品率、力学性能和成本控制都是有害的。重度氧化铁皮造成成材率下降，氧化铁皮往往可达到几毫米厚，成材率下降了1~1.5%，这种成材率损失转化为资金就是数百万美元的损失，而且也降低了年产量。
重要的是了解动力学是为最终控制燃烧反应的有效性和效率。热力学表明反应是否自然可行，（即可能在一个孤立的系统中进行)或人工干预(即，需要从外部输入一些能量)。热力学保证燃料和空气可以自然反应，但如果动力学太慢，燃烧反应就会受阻。在燃烧中考虑了两种极端的混合情况：在预混合系统中燃烧和在非预混燃料和空气接触的共界面层中燃烧。此外，适当的温度和加热时间对于确保生产高强度钢热机控制轧制(TMCP)长材产品中各种微合金元素或合金元素在加热条件下得到适当的回溶是至关重要的，为粗轧和精轧中和后期的有益析出第二相粒子强化做好准备。
燃烧冶金学方法(CMA)燃烧冶金学方法CMA的定义是将加热炉工艺操作参数、燃烧条件及其对钢坯质量的影响综合起来，从铸坯的奥氏体晶粒尺寸、温度均匀性、前后温度均匀性以及最佳氧化铁皮等方面来研究加热炉钢坯出炉后的铸坯加热质量。加热炉冶金过程直接影响到热轧变形前的奥氏体晶粒尺寸。尽管在钢铁工业中认为是影响质量的一个重要工序，但板坯加热和燃烧冶金机制的影响通常与较差的韧性结果(即，低落锤撕裂试验(DWTT)和低的夏比冲击值)或延性和弯曲性较差的现象结合起来看待。在工业加热炉运行过程中，板坯、方坯或大方坯的随意过热会导致晶粒异常生长，这种随机性有时是可以预测的，但由于此时需要适当的动态再热炉控制和经验来调整使其最小化这些偏差，许多轧机生产经常忽视加热炉出现异常，又不作调整。在某些情况下，这些异常是由烧嘴、耐火材料和其他燃烧过程控制问题引起的。因此，成品厚度和宽度方向的力学性能将发生很大的变化和恶化，特别是韧性、弯曲性能、延性、屈强比和疲劳性能。
ASTM结构钢规范允许最大含碳量许多结构应用的钢材规范允许C的最高水平高达0.26%。包晶钢的碳含量在0.11-0.16%范围内，这个范围的碳含量在结构钢长材和板材产品中得到了广泛的应用。有一些结构钢厂家从低碳转向包晶钢，然而，选择这种包晶钢生产增加了炼钢、连铸和热轧的总作业成本(TABC)。由于缺乏对实际成本的测量和理解，因此很难将低于0.10%含碳量的好处计算出来。表1说明了一些ASTM规范，允许在这个包晶反应区域内生产的钢种。
表1 所选ASTM规格最大碳含量9
|
ASTM标准 |
A242 |
A5141 |
A529 |
A5722 |
A588 |
A9133 |
A992 |
|
最大% C |
0.15 |
0.10-0.21 |
0.27 |
0.21-0.26 |
0.15-0.20 |
0.12-0.16 |
0.23 |
1 8个不同的钢种，根据钢种的不同给出%C上限
2 截面积碳的最大变化范围
3 碳的最大值随着高屈服强度等级的增加而增加
本文对低碳钢的定义是含碳量小于0.10%的钢种。问题是当客户钢铁订货标准如ASTM A529或A572时候，除非用户指定碳含量上限为0.10%，钢厂就以碳含量上限生产来达到这种低碳钢要求的强度。对于更高的屈服强度等级，ASTM A913允许65和70级最高碳含量为0.16%。这种采用碳含量上限生产的变化造成一些严重问题和最终用户钢材差的性能问题的冲突。9如果钢厂认为包晶钢含碳量范围生产划算，那么这家工厂就没有正确地分析或理解这些碳微合金钢的生产总成本。由于许多最终用户依赖于给定的协议规范来满足他们的订单要求，尽管指定的化学元素满足组合范围，订单被认为是可以接受的，在此，最终用户可能会遇到两个潜在的问题，具体来说，材料性能的变化产生于不同炉号，或者多个供应商和服务中心供应相同钢种之间的碳含量存在差异，近来与最终用户的沟通显示，他们没有意识到在他们的业务中处理包晶钢时对其的负面影响。与此同时，这些ASTM等级的最终用户要求结构部件具有很小的机械性能波动变化，要求性能具有一致性。例如,低温韧性等性能，成形性，弯曲性能、可焊性、断裂韧性和抗疲劳性能，当使用这些较高碳含量钢种时候，这些性能就受到限制，从不同的钢厂和服务中心得到的钢材加重了这种限制。如果使用低于0.10%碳的高强度钢将缓解在工地现场的许多质量问题。
低锰微铌长材钢材途径最近的炼钢发展已经成功地冶炼锰含量降低了25%的钢，在一些结构用钢和基本钢板、型材和长材制品中添加了0.010至0.020%铌，其结果降低炼钢合金的原材料成本，提高连铸的可浇性，减少铸坯内部硫化锰夹杂中心线偏析，减少热轧板中的带状组织结构，从而获得更均匀的铁素体珠光体组织，在基础设施领域的应用正在增长，因为这一产品具有竞争力，特别是对MBQ使用者具有吸引力。关于锰对中心线偏析的影响已发表了许多文章。分层和开裂主要发生在热轧产品的中心线，分层是由于板坯中心线偏析导致硫化锰夹杂物含量过高，这导致大量客户投诉。在客户处进行成形操作时，在热轧产品的中心面以外的位置也观察到类似的分层或开裂。即使在相对均匀的微观结构中，偏析也常常会导致材料的拒收，或者是增加钢的质量处理成本。金相研究表明，在距离中心位置有一条富含硫化锰的偏析线，类似于中心线缺陷的形式。中心线偏析是一种很好理解的现象，但在热轧产品中存在偏离中心偏析现象尚未得到系统的研究。10在板坯柱状晶间裂纹中除了Mn之外充满了偏析元素。通过微量铌低锰方法的发展历程，市场经历了FeMn价格不断上涨造成的全球供需失衡。然而，正如本文所报道的，对其好处的进一步分析远远不止通过降低铁合金含量和添加微量铌来降低冶炼车间的成本。在这些低碳低锰含铌钢的热轧过程中，由于转换时间短，推迟了珠光体相变导致层间距极小，而且晶粒得到细化，从而导致低碳低锰钢的强度增加，这些钢的锰含量降低到0.40%，除了降低合金成本外，还有其他一些有益的影响:
• 降低向钢水添加常温铁合金量(可节约能源)。
• 降低来自FeMn合金的P污染。
• 降低铸坯和钢板Mn在中心线的偏析。
• 减少热轧条状组织带。
• 碳当量更低(焊接性更好)。
• 增强鲁棒性，降低屈服强度和抗拉强度离散程度。
• 厚度和宽度方向上更细和更均匀的晶粒尺寸。
• 提高韧性，降低DBTT(从韧性到脆性转变温度)。
近年来，低锰低铌结构钢的研究与开发已实现产业化。11该方法包括应用简单的常规轧制程序和加热以及热轧工艺。在工业操作中实施无缝对接是可行的。过去，对这类产品的研究有限，主要有两个原因。首先，当热锻、拉拔、冷锻等二、三次加工过程中，使用中高碳钢时，有人认为控轧空冷的效果可能会在这些加工过程中丧失。其次，Nb在相同温度下的低碳钢中其奥氏体中的溶解度较低。然而，这些试验甚至在以非常经济的成本用于建筑应用的中碳包晶钢S355结构钢中也显示出良好的韧性，如表2所示。
表2 中碳低锰微铌钢的机械性能*11
|
样本 |
屈服强度(MPa) |
抗拉强度(MPa) |
延伸率(%) |
冲击功 -20ºC |
冲击功 0℃ |
冲击功 20ºC |
|
目标值 |
345 |
470 |
21.0 |
—— |
≥34 |
—— |
|
II-16 mm |
405 |
525 |
28.5 |
150 |
170 |
160 |
|
III-16 mm |
410 |
535 |
33.0 |
150 |
170 |
160 |
|
IV-40 mm |
455 |
615 |
22.0 |
160 |
155 |
180 |
*在0.16%C时，Mn从标准的1.45%降低到1.15%Mn，添加0.010%Nb(包晶钢，Mn/S从181降低到144)
本工作的目的是研究现有的包晶钢碳含量范围，并用铌取代钒，并显著降低这345 MPa钢级的锰含量。下一步是考虑类似的降低如235 MPa和275 MPa钢级中Mn含量的策略，即使对于低强度钢，也是具有降低成本的机会。从这项工作中获得的知识说明了降低锰含量可行性和显著降低成本的作用。有些情况下，目标是生产S275，而轧机实际生产的S420 MPa等级的结构钢，具有更好的韧性和更少的带状组织带。固溶体强化方程如公式2和公式3，见参考文献12 Gladman and Pickering的论文所示：
屈服强度(MPa) = 53.9 32.3%Mn 83.2%Si 354%Nf 17.4d-1/ (Eq. 2)
抗拉强度(MPa) = 294 27.7%Mn 83.2%Si 3.85%Pearlite 7.7d-1/2 (Eq. 3)
表3给出了不同Mn含量下固溶强化效果。
表3 锰固溶体强化
|
%Mn |
屈服强度贡献(MPa) |
抗拉强度贡献(MPa) |
|
0.30 |
10 |
8 |
|
0.60 |
16 |
14 |
|
1.00 |
32 |
28 |
铌微合金化长材制品和锻造用钢的增值应用技术在全球范围内不断发展，满足了更多的终端用户需求。全球最终用户群体正在特别寻求改善能源消耗、提高疲劳寿命，更好的裂纹抑制能力、减轻部件重量、并在整个产品生命周期中更低的排放和更加高效地生产。在锻件毛坯的内部，微合金化元素的加入影响坯料加热过程中晶粒长大速率、变形奥氏体的再结晶参数、冷却时γ-α相转变温度以及对铁素体析出强化的贡献。介绍了一种抗震钢筋、细晶锻件、型钢和板材的研制，该产品具有较好的屈强比一致性、低温加工节能和具有较好的焊接性能。另一个迅速扩张的全球铌冶金行业涉及中、高碳长材产品，与传统的不含Nb处理的中碳钢和高碳钢相比，添加0.005 ~ 0.020%Nb的微合金钢在加工过程中可改善成形性，晶粒尺寸均匀，力学性能提高。
随着Nb在钢筋和钢结构型钢中的添加，机械性能的改善已经被移植应用到汽车结构部件中，例如螺旋弹簧。例如，研制了一种由0.51%C的北美汽车前悬架螺旋弹簧，采用Mo-V-Nb复合材料制成，与传统弹簧相比，具有更好的力学性能。在9259工程合金弹簧钢牌号中采用0.035%Nb时，在钢筋和其他长材产品应用中也观察到类似的效果。铌的晶粒细化、微观组织更加均匀、微合金碳氮化物析出相形貌和析出相强化是提高合金性能的主要原因。Nb改性弹簧钢的化学成分如表4所示。
表4 螺旋弹簧化学成分，%
|
C |
Mn |
P |
S |
Si |
Cu |
Ni |
Cr |
Mo |
V |
Nb |
N（ppm） | |
|
SAE9259 |
0.61 |
0.86 |
0.014 |
0.021 |
0.78 |
0.008 |
0.008 |
0.51 |
0.008 |
0.005 |
0.002 |
55 |
|
V-SAE9259 |
0.60 |
0.81 |
0.020 |
0.017 |
0.85 |
0.007 |
0.009 |
0.51 |
0.003 |
0.100 |
0.002 |
110 |
|
Nb-V-MoSAE9259 |
0.51 |
0.69 |
0.016 |
0.020 |
1.31 |
0.007 |
0.012 |
0.45 |
0.040 |
0.100 |
0.035 |
130 |
回火温度下硬度的改善转化为强度的增加、更好的疲劳极限和良好的断裂韧性，从而允许轻量化设计螺旋弹簧。将标准SAE9259的疲劳断裂韧性与图6和图7中Nb改性后的SAE9259的疲劳断裂韧性进行对比。
图6 动态凹陷损失对比
图7 断裂韧性比较
与传统的5160或9259或加钒的9259相比，这种Nb-V-Mo改进型弹簧钢使螺旋弹簧重量减少了约15%，疲劳强度提高了12%，断裂韧性提高了27%。由此得到的Nb-V改性钢级具有较好的屈服强度和抗拉强度，较好的循环疲劳寿命和改善了断裂韧性。调整钢的化学成分、晶粒细化、Nb-V(CN)析出强化以及较低硬质氧化物夹杂整体体积分数的降低均改善了钢的性能。这个应用说明了Nb和V在这些高碳工程工具钢中的组合作用。晶粒细化效应改善了动态负载损失性能，提高了断裂韧性和韧性断裂。在实际操作中，降低了Nb/V的化学计量比得到下降，添加0.020% Nb，降低了V合金的成本。
SBQ的另一个应用涉及铌在高碳共析钢中的应用，这个市场还在继续扩大增长。由于对1080级钢的有效性认识不完全，通过添加微合金来改进这种钢的进展并不很受欢迎，后来在两家工厂的试验表明，这种方法对预应力混凝土钢绞线、子午线轮钢帘线和中碳弹簧钢等产品是有益的。将微铌合金方法应用于0.20%C以上车用高碳钢和中碳棒产品中，通过细化晶粒提高了钢的力学性能鲁棒性。这种机制使铸坯、棒材和线材的晶粒细化更加均匀，从而改善了整个供应链的表面质量、提高了生产率并降低了废品率，从而降低了每吨的总体运营成本。对1080钢中铌的成分含量进行了优化研究，确定了最终线材用户的最佳拉拔比、压缩比、延性和表面质量以及最终的力学性能。结果表明，添加0.02%铌的微铌可提高产品的鲁棒性，降低产品质量成本，提高生产效率达10%。1080钢的研究结果为解释共析钢线材性能的改善提供了基本的冶金知识。基于这些结果，同样的微铌方法学也适用于其他碳钢，再进行这样的综合研究就没有必要的，因为移植转移使用优化的低微铌成分(0.005-0.020%铌)是1080高碳钢到低碳钢(即，含碳量分别是0.70%，0.50%和0.35%)。因此，在这些钢中微铌的双重好处是：(1)防止加热炉非正常加热过程奥氏体晶粒异常长大(CMA)，(2)最大限度地减小珠光体片间距，从而改善力学性能。
铌在高碳钢中的应用提高了长材产品的冶金性能和加工性能。这种工艺和产品冶金方面的改进与微合金化0.25 - 0.95%C钢中奥氏体晶界的Nb钉扎效应有关，可最大限度地减少轧制前加热炉过程中晶粒的异常生长。因此，铌微合金化中高碳钢的长材制品钢得到了广泛的应用，并将其与各种中、高碳钢的牌号和应用进行了比较。开发和应用范围包括汽车螺旋弹簧、共析钢轨钢、合金工具和模具钢、汽车紧固件、螺纹钢、线材和钢帘线。对1080共析钢预应力钢绞线中添加0.018% Nb进行优化设计，进行了详细的分析，为该冶金策略提供了依据。这种方法有助于实现理想的超细晶粒和均匀的高碳钢微观组织结构，具有优异的韧性、强度、疲劳性能，最终热轧产品较少的机械性能波动变化，降低了质量成本和提高焊接性能。0.005 ~ 0.020% Nb的应用，在加热过程中通过奥氏体晶界钉扎，热轧过程中得到极细的珠光体片间距，提供了更耐用的长材制品，质量成本的改善远远超过了由于添加微量铌造成的合金成本的提高。15
结论过程和物理冶金协同作用与材料科学与工程联系在理解和正确执行新产品和先进长材产品从实验室到工业化的成功移植方面是至关重要的。炼钢、连铸、热轧和冷轧的一体化是正确理解影响所需产品物理冶金的根源过程冶金参数的关键。存在着将SBQ冶金实践转移到MBQ生产实践的机会，以便在MBQ生产中降低操作成本，提高生产率和质量。未来趋势包括硫磷水平的降低(降低了近50%)以及对残余元素更多限制，这些硫和磷的降低导致质量降级和废品的减少，轧机轧制速度提高和小时产量的提高。当然，残余元素含量的下降提高了产品质量，提高最终用户中的钢材性能。微量铌处理将碳降低到0.10%以下，改善了钢的可浇性、钢的鲁棒性和焊接性。新一代高附加值低碳低锰微铌结构钢的互补发展为低屈服强度和高屈服强度提供了提高韧性、可弯曲性和延展性，同时降低了操作成本。另一个主要的发展趋势涉及再加热过程操作可变性(CMA)的影响，这对MBQ和SBQ产品的奥氏体晶粒尺寸、再结晶行为、最终组织和延性都有显著影响。
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原文作者
StevenG. Jansto principlepartner, Research and Development Resources, Bowling Green, Ohio, USA steven.jansto@gmail.com
唐杰民读后感这篇文章的观点是跟随时代发展提出新的面对措施，钢铁工业历史各个阶段对性能的要求受到当时科学技术，认识水平，社会要求，经济发展制约等因素，只能达到那个阶段平均要求水平，就是社会需要与现实生产水平之间的平衡，标准其实就是社会的公知和钢厂之间平衡较量的产物。随着社会前进，要求越来越高，环保理念其实就是对生活质量的一种追求。人类发展的历史，就是一部材料进步的历史，目前处于硅信息时代仍然是以铁器时代延续和交叉重合，钢铁作为最为重要的工程材料将继续扮演基础的角色。代表苛刻服役条件高温和低温下各种工况，需要钢材高强高韧，于是就提出来即使普通钢也要达到与时代发展相适应的性能水平上来，这是时代的要求，也是我国转型上的要求，是历史给我们钢铁工业一个机遇，大路货的钢铁产品也要上质量台阶。
1. 祖国大地需要
中国地大物博，从地形上看，三个阶梯形成三个大台阶，早就了秀丽壮观的大自然景色，但是自然的力量在地下涌动，板块连接处的摇摇晃晃警示着我们，上面盖的建筑要注意，看到汶川大地震造成的恶果想到，如果当时学校和桥梁主要的建筑采用钢结构多好呀！现在看到恢复的重建，仍然是钢筋混凝土结构的桥梁和房子，如果大地再来一次摇晃，是否又是同样的结果？！钢铁人就想到，祖国的产能这么大，为什么不能在重要的建筑上采用抗震的钢结构呢？这也是一种教训吧，遗憾的是我们的回顾总是缺乏一点什么。
祖国地域辽阔，南北东西温度差别大，生产的钢材要适应这块土地的要求，总不至于讨论订单的时候要求指定钢材适应的区域吧。比如汽车钢材就要从50℃到-50℃都要能够保持应有的强度和韧性，具有一定的鲁棒性。从当前的生产来看，普通钢对磷硫含量、铜含量、残余元素含量要求很低，对非金属夹杂物则没有具体的要求，这种钢材面对恶劣条件下能否正常提供应有的强度好像把握性不大，比如普通钢板焊接的钢结构使用在严寒地带，这种钢板的冶炼往往就经过转炉出钢后简单处理就直上连铸机，钢中的磷硫含量和夹杂物处理是考虑不足的，严寒地带低温将考验着这些钢材筋骨。总是觉得祖国钢铁工业如此强大，产能严重过剩，为什么不能在重要的公共建筑上采用钢结构，为什么不能充分利用现用的精炼技术来降低钢中硫磷含量和非金属夹杂呢？方针政策的指引好像没有看到，应该快了吧，期待！
这篇文章具有一定的前瞻性，主要的观点是就是即使生产普通钢也是要用现有的冶炼和轧制的手段按照优特钢的要求进行，从而大大提升普通钢的质量水平，主要就是将普碳钢的强度和韧性得到提高，通过降碳降锰，提高钢材的低温韧性，从现在技术水平上看，只有降低碳含量才能得到高的冲击韧性指标和提高可焊性；降低锰含量才能降低带状组织的级别，降碳降锰造成的强度损失通过添加微量Nb微合金元素和控轧控冷工艺来弥补，这种认知和生产实践在优特钢上广泛采用，但是对于产能巨大的普碳钢仍然是老旧的标准和规范，用户订单往往也就是根据这些过去的东西来要求钢厂，好干，成本低，产能大，这几年中国大地螺纹钢火红的市场需求让钢厂老板们狠狠地赚了大把真金白银，以螺纹钢为代表的建筑用材生产量巨大无比，钢厂的建设也非常迅猛，尤其是以百座以上电炉短流程大力发展，面向的就是这种大路货，即使打上特殊钢的厂名，其实这种大规模使用残余元素较多的废钢短流程，命中注定注定只能生产大路货建筑用材。中国面对发展良机，可以在标准规范上做出有利于持续发展的进步，提升普碳钢档次，提高产品的性能指标，大大提高钢铁产品的抗变化性，为国民经济创造更好钢筋铁骨，其实不难，就是成本稍微有所提高，无锡车辆超载倒塌桥梁给合理的运输市场建立起到了一个标志点的作用，运价马上跟上来，钢铁性能的提高其价格也应该有所上升，中国人民在目前经济持续发展多年的基础上是应该讲究讲究了，钢铁人讲钢铁话，使用高品质钢材就是提高生活品质的一个组成部分。
2. 电炉生产
但是电炉必须配置精炼炉工序来组织生产，使用精炼炉就可以大大降低钢中的硫含量，从而减轻硫对品质的危害，当然磷只能在初炼炉来解决，在电炉内创造有利的气氛和条件进行脱磷操作，我国还是处在发展期，从废钢中的残余元素就可看出国内的废钢相对来说比较干净，废钢基本上是一次循环，不太脏的。俺在十几年前使用过米国进口废钢，是在太脏了，这里的脏指的是废钢中的残余元素多，只有每炉钢搭一点逐步吃掉。米国的废钢经历多次循环，他们自己用电炉生产高品质钢材都是采用铁水、海绵铁或者是直接还原铁压块稀释，或者就是以废钢为辅的原料菜单组织生产。我这里说电炉钢今后成为建筑用材的主体生产方式，电炉有条件来按照低碳低锰微合金化来生产高品质钢材的，就看政府决心和市场导向了。
3. 生产成本
铁合金价格因素，降碳降锰加铌保持强度，改善韧性，铌铁价格吨价25万，达到0.02%的铌含量需要加入铌铁0.3千克左右，价格为75圆，而降低锰含量对成本降低影响不大，只有几元钱的降低量，仅仅从铁合金上谈效益不行，要看综合效益。
文章中谈到这种降碳降锰微加铌生产方式可以降低轧制温度，减少氧化铁皮量，减少轧制废品和质量改判降级，提高生产率带来降本能够抵消添加铌合金元素增加，我认为也是不现实的，关键还是看销售价格，高级产品就是高附加值，比如价格上吨钢增加50圆，估计钢厂就有动力了。或者国家对重要的建筑和设备采购上就做出严格要求，顺应发展要求，那么就形成另外的驱动力，这种推动就是一种主动的行为，希望公务员来做做这个有意义的事情。
4. 工程技术发展
工程技术快速发展使得现在生产高品质钢材的成本大大降低，可以回顾过去20年前或30年前的高品质钢的要求很低的，现在钢厂装备水平与过去相比天壤之别，记得82年毕业到国营大钢厂，那个时代还没有精炼炉，生产好的产品只能浇注成镇静钢锭，经过几次轧制才能成为最终钢材成品，一般普碳钢浇铸成沸腾钢钢锭。现在不同了，时代进步啦，就是在民企生产建筑用材的钢厂，装备水平也不亚于国营大厂，现代化的转变水平具备生产高质量钢材的能力，如果仅仅通过初炼炉来生产低档次产品，倒不如发挥精炼设备的效能，生产高品质产品，成本增加仅仅是变动费用，如果价格、政策合理，现在的钢厂完全能够生产高质量低碳低锰微铌钢，从而大大提高普通钢的性能水平的提高。
5. 降锰必须降硫
降低锰含量减少铸坯内部偏析，其实还是要降低硫含量，这对成品钢材特别是扁平材层状撕裂需要降低硫含量，选分结晶的结果造成铸坯中心元素偏析，Z向性能要求的钢材都必须尽可能降低钢中的硫含量。
锰在钢中的一个作用是生成硫化锰夹杂来消除硫的有害作用，连铸工艺也要求尽量达到30:1以上的锰硫比，对于普通的钢材来说，锰含量只有0.40~0.50%，锰含量减半就是0.20%左右，如果不对硫元素进行控制，比如还是0.02%的硫含量，那么锰硫比就只有10:1，但是将硫含量降低到0.004%以下，锰硫比就是50:1，所以文中提及的降碳降锰微铌方案冶炼的重点就要降低钢中的硫含量。
钢中非中心区域出现的分层和撕裂现象，估计是混晶区，即柱状晶向等轴晶转变区域形成的区域，这里的偏析也是比较严重的，往往不亚于铸坯的中心部位，至少是铸坯内部第二位偏析污染区域，轧制成材后表现为偏离中心的异常区域。所以还是要降低硫含量，尽量减轻这种偏析对成品性能的影响。
6. 低碳对偏析影响
低碳含量钢材偏析影响很小，低于10个碳的钢种碳偏析就不是很大的问题了，我在无锡锡兴公司工作的时候，经常和老外商定技术协议，西方他们的采购人员的技术水平也不见的比中国的采购人员强，也经常遇到他们要求低碳钢的碳偏析指数小于1.1%，我只能耐心和他们解释，35钢以上谈碳的偏析有意义，不到10个碳的钢种，在断面上分析只要有一个碳的误差，就超过了1.1的指数，他们觉得很奇怪，为什么之前没有遇到这样的事情，往往的结果是他们和家里的专家商量后都同意我的观点，低碳钢去掉碳偏析指数考核指标。但是我保证在4个碳的范围内生产。
那个时候在钢厂还要和销售打交道，在长期与世界各地用户交往过程中感觉到，无论是高温高压锅炉管，还是低温下使用要求低温冲击性能的钢材，都是走向了降碳来达到目的，降碳损失的强度依靠合金的加入得到弥补或加强，所以我看这篇文章是有体会的。
如果轧钢界能够看到这篇文章，我倒是希望粗轧机组能力要大一点，能够适应控轧空冷工艺。
看了这篇文章觉得不错，所以翻译出来，瞎写了这个阅读体会，水平有限，错误之处请大家尽管指出。
唐杰民
2019年10月18日
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