高品质特殊钢技术发展的思考

高品质特殊钢技术发展的思考钢铁研究总院董瀚2013年7月31日长春高品质特殊钢是发展方向高质量高性能环境友好低成本窄化学成分高纯净度高均匀度组织控制高尺寸精度高表面质量力学性能强度和韧性服役性能疲劳/延迟断裂/腐蚀/蠕变工艺性能冷热加工生产/加工/应用过程中稳定和经济地回收利用生产/加工/应用过程中成本低特殊钢行业近期关注原材料流程装备工艺钢材深加工应用环保特殊钢行业近期关注•窄化学成分、高纯净度、高均匀度、精细组织、高尺寸精度、高表面质量提高质量•高铁轮对、能源装备、大型飞机、石油化工、武器装备……高端品种•资源供应、环境保护、市场需求•物质、能量、时间、空间流程再造•高强高韧钢、长寿命钢、低成本钢•钢材—零件一体化技术新型材料高品质特殊钢的关键技术•高洁净度化学冶金与精确控制化学成分技术•凝固过程的洁净度与均匀度控制技术–板（方、圆）坯连铸、大锭型模铸、大锭型电渣的凝固控制技术•高品质特殊钢的轧制（锻造）工艺技术–提高钢材尺寸精度与表面质量–在线热处理技术•后步精整热处理技术研究–组织调控技术与缺陷检测控制技术•特殊钢品种的应用技术研发•建设品种、工艺流程、装备、在线检测技术集成的生产示范线，推动特殊钢技术整体的进步特殊钢产品需要关注的共性问题•特殊钢的洁净度水平•特殊钢产品的均匀度–模具钢等向性–齿轮钢带状组织、淬透性带宽•特殊钢产品的质量稳定性和一致性•特殊钢产品的尺寸精度产品的稳定性和一致性•生产工艺流程的不断优化•品种开发能力、特殊钢关键品种的特征•关键工艺技术，尤其与设备的相关性•生产工艺流程的在线控制，尤其是成分的精确控制，轧制模型的动态调整•在线热处理、在线探伤、在线精整•原材料品质特殊钢产品的均匀度•碳和合金元素的分布均匀分布•夹杂物（硫化物、氧化物）分布不均匀•钢材硬度分布需更加均匀，提高加工性能•化学成分的偏析控制降低热处理变形特殊钢产品的尺寸精度•使用高精度轧机，如kocks轧机，提高棒材的尺寸精度•生产高精度管材，采用同样牌号的锅炉管，使用国内管材的机组效率需要提高•扁钢边角锐度需要达到先进水平技术的支撑作用市场需求与企业结构产品质量钢材品种工艺技术生产流程特殊钢的生产工艺流程普钢建成了先进流程（济钢）形成了先进钢铁生产工艺流程•高炉—转炉—连铸—热连轧—钢筋、线材、型钢普钢长形材•高炉—转炉—精炼—连铸—热连轧—冷连轧—薄板普钢薄钢板•转（电）炉—连（模）铸—热轧—热处理—钢板热轧中厚板•三步法冶炼—连铸—热连轧—冷连轧—不锈钢薄板不锈钢薄钢板•电（转）炉—精炼—连铸—连轧—精整热处理—棒线材特钢长形材•特冶—模铸—快锻—径锻—热处理—粗加工—锻材特钢锻材•电炉—精炼—连铸—轧管—精整热处理—钢管无缝钢管形成特殊钢材的专业化生产线棒线材电炉（转炉）冶炼—精炼—连铸—棒线材连轧—精整热处理板带材三步法冶炼（电炉＋K-OBM-S转炉＋VOD精炼）—板坯连铸—热连轧—冷轧—酸洗连续退火无缝钢管冶炼—精炼—坯料—环形炉加热—穿管—轧管—加热—减定径—探伤精整锻材锻件冶炼—精炼—模铸（连铸）—快锻（径锻）成材—锻件加工按合金、性能和产量划分特钢合金含量性能（耐温力蚀性能）优特钢合金不锈钢合金特钢生产和应用量特钢企业类型按材型分按流程分棒线材无缝管材中厚板板卷锻材锻件粉末冶金铁水转炉住金小仓V&MHüttenwerkeKruppMannesmannSSABDillingerHüttenwerkeNisshin废钢电弧炉日本大同Republic德国LSWTenarisV&MIndusteelAcerinoxOtokumpuSidenorDEW日本爱知Georgsmarienhütte特殊冶金CarpenterDEWSandvikSumitomoSMCATILatrobeA&DErasteelCrucible特殊钢是不断发展的新材料因为需求在不断发展如汽车、能源、武器等特殊钢工业基础材料和不断发展的新材料轴承钢产量400万吨/年高速钢产量10万吨/年特钢产品的主要发展方向抵抗温度环境—温抵抗载荷作用—力抵抗腐蚀失效—蚀适应多种工艺加工—艺装备的服役温度向超高温和超低温两个极限方向发展，需要耐650度以上温度的耐热钢，耐-196度的低温钢。要求开发高温稳定性好的特钢和低温韧塑性高的特钢装备的高性能化和轻型化要求提高钢材的强度，安全性和可靠性要求提高塑性和韧性，以及高强度化后所导致的疲劳破坏和延迟断裂问题使用环境日益苛刻（工业大气、工业废水、海水等相关装备的环境腐蚀现象日益严重），对耐腐蚀性能提出了更高需求加工制造的自动化和高效率化需要特钢具有良好的加工性能，如热变形性能、切削性能、冷弯性能、焊接性能等，易于加工制造案例Sanyo的夹杂物评估技术从高洁净钢到超高洁净钢Thelargestinclusionsobservedineachofthirtysampleswitha100mm2testareaConventionalhighcleanlinesssteel(oxygencontent:5ppm)Premiumcleanlinesssteel(oxygencontent:5ppm)不锈钢中氮含量不断提高氮合金化不锈钢（1Cr22Mn15N）02004006008001000120000.20.40.60.811.2strength,MPanitrogencontent,%RmRp0.2大同特殊钢公司高均匀度模具钢大同特殊钢公司非調質鋼技术神户制钢气阀弹簧钢市场占有率逐年提高Sandvik公司蒸汽发生器用换热器管起落架用超高强度钢公称横截面积cm2方向RmMPaRp0.2MPaA%AKJ/cm2645纵向186015153049645—920横向1860151530291860151525294340300MAF1410A100超高强度钢发展0102030405060708050010001500200025003000totalelongation,%ultimatetensilestrength,MPaCr-Mo-(Ni)300MAF1410A10045CrNi2MoVReq.高品质基础件用特殊钢齿轮钢1200MPa-1600MPa1500MPa-11000MPa螺栓钢12.9KISCC30MPam1/216.9KISCC30MPam1/2弹簧钢1800MPa-10.3b2000MPa-10.5b轴承钢L10106[O]10-15ppmL10109[O]5ppmGST技术提高耐延迟断裂性能晶界G+组织S+陷阱控制T—MoV合金化+工艺GSTtechnologytoimprovedelayedfracture010203040506070809080010001200140016001800KISCC,MPam1/2Yieldstrength,MPa42CrMo-HuiWJ42CrMo-V-HuiWJ42CrMo-Ti-HuiWJ300M-LiRS42CrMo-LiRS0.4C-lowalloysteel(4340,H11,300M)-GerberichADF1ADF1-Lab.IST技术提高抗疲劳性能FatiguelimitimprovedbyIST（夹杂I+组织S+陷阱控制T—CrNiMoV合金化+工艺）20030040050060070080090010005001000150020002500Fatiguelimit,MPaRm,MPaconventionalADVANS2000S性能提高的潜力以硬度提高为例Theprecipitationofcarbontemperedat150℃temperedat165℃极端马氏体组织EAF-VIM43400100200300400500600700800900120014001600180020002200HVRm,MPaASB基体ASB组织形貌ASB组织形貌ASB断口形貌高分辨原子像ASB的组织形态超细组织衍射斑点100nm需要关注钢的发展5005008001600200040060080010001200400600800140017000100020003000400050006000铁素体钢奥氏体钢贝氏体钢马氏体钢珠光体钢Rm,MPaindustrialtargetpotential纯铁111方向的实测抗拉强度为13.1GPa，（S.S.Brenner,J.Appl.Phys.,27(1956),854.）高强度、耐腐蚀耐高温、抗低温性能的极限化发展成本的持续降低质量的稳定性控制……特殊钢怎么办大家的关注应用领域•高铁动车转向架用车轮、车轴、轴承等•大飞机用起落架、结构件、主轴等•火电机组用钢•核电机组用钢•新能源用钢•军工用钢•……•机器制造用钢•汽车用钢•海洋开发用钢•……关于特殊钢清晰的•各钢类的发展方向•钢材质量发展目标•国内外对标企业•先进的生产工艺模糊的•有竞争力的产品•企业形态•工艺流程技术发展•品质的发展方向•与用户的关系•历史、文化、科技发展评估案例•石钢的SBQ棒材（专业化）•兴澄特钢的SBQ棒线材（专业化）•美国TIMLEN的轴承钢与轴承（零部件）•方大特钢的弹簧钢与弹簧（零部件）•久立特材的不锈钢管材•新兴铸管的铸铁管（零部件）•江苏兴化不锈钢（产业集群）•……特殊钢行业特点•钢种和钢材品种多•质量要求多元化•生产工艺流程多样化（复杂化）•钢材生产与零件制造的关系密切解决措施之一现有国内企业合作特钢企业模具钢汽车钢重新关注合金化技术•碳、氮合金化的再认识•锰、硼低成本合金化的再认识•其它合金化，如微合金化等强化应用•在线热处理技术•与零件制造相结合•……特殊钢多样化提供了更多的发展空间