高速发展的中国高强度钢——高强钢的生产

中国标准《低合金高强度结构钢》GB/T 1591-2018和《建筑结构用钢板》GB/T 19879-2015对热轧结构钢产品有相关规定，包括从普通强度的结构钢板材产品到淬火和回火状态下的高强度结构钢产品的技术要求及交货条件。通常情况下，如果没有具体的交货状态，则交货状态由制造商决定。与普通强度的钢板（屈服强度小于350MPa）相比，高强度钢材的生产过程有如下不同：(i) 化学成分；(ii) 高温轧制及冷却条件。与其他钢材一样，(i)和(ii)的组合决定了钢 材最终的微观结构，并由此决定力学性能。一般来说，与普通强度钢相比，高强度钢材的生产过程需添加额外的合金元素，更加严格的控制方法，以及严格控制至冷却温度后才能进行热处理或回火工艺。

从本质上讲，高强度钢材的微观晶粒往往更微细，由于高强度钢材是在较低的温度下生产，其内部将产生更多位错，导致硬度增加（强度提高）。因此，通常需要增加热处理或回火工艺来软化微观结构，以确保在强度不降低太多的前提下提高钢材延性。

图A.1为用于生产高强度钢板材的几种加工路径示意图。下文将描述不同加工路径所带来的性能差异，以及在选择钢材牌号时应考虑的一些关键工艺和合金元素。

路线A和B包含了大多数高强钢板材产品生产的起点：热机械轧制（TM）。这是一种特殊的轧制方法，通过控制产品最终形状的热变形工艺来提高钢材的力学性能。传统的轧制方法用于As-Rolled (AR)或Normalized (N)路线，其中板材基本上只先进行外部形状的初加工，在完全再结晶的奥氏体阶段完成轧制；与此不同的是，热机械轧制侧重于细化钢材的微观结构，细化晶粒尺寸。由高温下奥氏体结构相变得到的细颗粒铁素体晶粒，不仅可以获得更高的强度，还可以改善低温冲击韧性。这里必须认识到，细化晶粒是唯一能够同时提高强度和改善韧性的冶金机制。其他方法虽然同样可以提高强度，但会使其他性能变差，如韧性或焊接性能降低。

为了能够采用热机械轧制来生产高强钢板材或其他产品，必须添加一些合金元素，常见的如有铌（Nb）、钒（V）和钛（Ti）等微合金元素，添加量都很低，合金含量从0.01%到0.1%。热机械轧制时一般添加铌元素，合金含量为0.015%至0.04%。铌是非常重要的微合金化元素之一，是控制轧制钢材的首选元素。因为它能够在轧制过程中延缓奥氏体的再结晶，且作用温度与板材轧制温度相兼容。这一冶金过程至关重要，因为它允许应变积累，并且由于纳米级铌沉淀物的形成，每次轧制都有可能从奥氏体结构中相变产生更大的铁素体晶核。上述过程被称为热机械轧制，有时也被称为 "切断 "奥氏体结构，从而在相变过程中，产生了更多更细的铁素体晶粒，钢材的强度和韧性都得以提高。

铌元素的额外优势是可以允许减小钢材的其他元素含量，特别是减少碳元素含量。这一点非常重要，因为含碳量较低的钢材在相同或更高的屈服强度和抗拉强度下表现出较好的韧性、沿厚度方向性能和焊接性能。因此，在某些情况下，使用碳含量更低的微合金化热机械轧制板相对正火轧制板更有优势，因为后者在同等强度下的碳含量会高很多。

路线 A 和路线 B 的起始轧制方法相同，但在轧制变形的最后阶段有所不同。一般来说，中厚板钢的轧制可分为以下几个关键阶段：(i)定尺，通过交叉轧制使初始板坯达到预定的板带宽度；(ii)粗轧，通过反复的再结晶过程将内部奥氏体微观结构分解；(iii)精轧，继续轧制使钢板达到预设厚度。与前两个阶段类似，精轧阶段主要在高温奥氏体微观结构阶段进行（即高于 Ar3 温度，也就是奥氏体开始相变为铁素体的温度）。然而，在某些应用中，也可以在奥氏体和铁素体两相区域进行轧制。这将会产生混合结构，包括转化后的等轴晶粒和亚晶粒，从而进一步提高了强度和韧性。这种类型的微观结构可能很难控制，需要确保板厚方向上的均匀性能，因此没有被广泛采用。因此，路线 A 和路线 B的主要区别在于，前者是高于 Ar3 温度下完成轧制，即处于完全奥氏体状态，而后者是在低于 Ar3 温度下完成轧制，部分已经进入铁素体相。在这两种路线下，轧制后的钢板都是在空气中冷却到室温。

钢板的制造，无论采用何种路径，都是从在熔炉中被重新加热到预定温度的钢坯开始。对于普通强度钢，钢坯的温度主要是考虑在轧制过程中易于变形而设定。当然，温度越高，轧制就越容易，对轧机的要求就越低（负荷和扭矩较低）。然而，这需要综合考虑加热钢坯的燃料和时间成本以及将钢坯轧制到预设厚度所需的时间等因素。板材越薄，轧制时间就越长。此外，因钢厂设备不同，一些老旧的轧钢厂可能对每一次轧制的变形量有所限制，而且对初始钢坯的尺寸要求也可能不同。

随着钢板厚度的增加，尺寸限制逐渐成为关键控制因素。一般来说，大多数中厚板轧机要求初始钢坯厚度应至少是最终板材厚度的三倍。例如，50mm的板材对应的初始钢坯厚度应该至少是150mm。然而，在实际轧制中，初始钢坯应更厚一些，因为在轧制之前需要预先进行交叉轧制使初始钢坯达到预定的板带宽度，这一操作会减小钢坯厚度。此外，为保证沿厚度方向的性能以及较好的低温韧性，建议在初始阶段（粗轧道次）应尽可能增加绝对压下量，因为这将增加钢坯及板材中心处的累积应变。这类操作有时被称为高形状因子轧制，并被证明对板材的力学性能是有益的。

由于热机械轧制钢是微合金化的，最终板材的温度非常重要，以确保所需的微合金化元素的溶解。这对铌元素来说是特别重要的，因为它的溶解温度范围与炼钢炉子的操作温度有很大关系。对于钒微合金化钢，溶解温度较低，因此所有的微合金添加物在典型的板坯再加热温度下将处于溶液中。对于钒微合金钢，钒的溶解温度较低，因此在一般的板坯再加热温度下，微合金添加物都可以被溶解。

路线C实际上是路线A和B的延续，再加上轧制后的水冷却阶段。水冷却通常被称为 "加速冷却（ACC）"，有时以这种方式生产的板材也被称为TMCP板材（热机械控制过程），但这个术语也经常用来描述热机械轧制的板材。

当板材完成轧制后，使用加压水从板材的顶部和底部进行控制冷却。水是由板材顶部和底部的喷嘴集束单元喷出冷却，或者是使板材穿过专门的加速水冷却单元，从而使控制冷却率更高。冷却速度都是根据板材的合金含量、厚度和力学性能来具体确定并控制的。值得注意的是，路线C并不是将板材冷却至室温，而是冷却至Ar3和Ms之间的温度。（Ms是指低于此温度时，马氏体结构将从任意未转化奥氏体相中形成；它通常低于500ºC，但取决于组织类型）

通过控制冷却工艺，特别是在热机械轧制之后采用控制冷却，可以得到如下好处：(i) 与在空气冷却的板材相比，可以从奥氏体中相变出更细的铁素体晶粒，从而提高强度，改善韧性；(ii) 产生其他低温相变的组织结构，如细小的珠光体和贝氏体，有助于提高强度；(iii) 通过从铌或钒的微合金中形成纳米级的沉淀物，产生额外的强度；(iv) 减少内部带状组织的存在，即铁素体和珠光体的交替层，从而减少片状撕裂的风险；（v）允许更低的碳含量，改善焊接性和韧性。

与轧制阶段一样，温度控制和整个板材沿宽度、长度和厚度方向的温度均匀性很重要，因为这对冶金性能有非常大的影响。当采用水冷工艺时，温度控制将变得更加关键，必须考虑沿板各个方面的温度梯度，从板的前端（头）到后端（尾），以及从表面到内部（核心）。如果不采用正确的冷却速度，那么很可能产生不希望出现的微观结构，导致沿板各方向的力学性能不一致，甚至平整度不佳。对于达到一定厚度的板材，初始变形可以在板材厂通过热处理来矫直，但不是所有的板材厂都有矫直设备。然而，这并不能解决力学性能不均匀的问题。此外，热矫直会产生残余应力，但这些残余应力在构件制造过程中可能并不明显。因此，如前所述，工程师必须了解板材是如何轧制和冷却的。 大多数中厚板厂可以通过热机械控制过程（TM+ACC）途径生产从Q355到Q460强度等级的中厚板。然而，并不是所有的钢厂都有能力生产更厚（更重）、强度更高的板材。

路线D与路线C类似，在热机械轧制后采用更快速度冷却，并在低于Ms温度下直接淬火，然后在第二热处理步骤中回火来实现。通过这种途径生产的板材也被称为 "调质钢"或 "QT"钢。直接通过热机械轧制的优点是形成了精细的马氏体结构，与通过传统途径生产的调质钢相比，可以进行回火，从而提高了冲击性能。一般情况下，在满足-20 ºC冲击功限值的提前下可以制造出高达Q960甚至Q1100的高强度钢材。然而，应该注意的是，由于设备的限制，实际上只有有限的中厚板生产商能够采用路线D，因为它要求淬火装置与轧机结合在一起。在这种情况下，板材的实际厚度将直接受淬火能力的限制，因此对于强度较高的厚板，必须采用传统的调质钢路线。

路线E为生产高强度调质钢时采取的传统工艺，即在完全奥氏体状态下轧制板材，无需进行任何热机械轧制处理，然后空冷至室温。板材可能仍然含有一些微合金元素，因为需要这些元素来微观组织相变，从而得到预期的力学性能。

淬火后，板材在辊底炉中进行热处理，回到完全奥氏体再结晶状态，然后快速水淬至室温，形成由马氏体和低温贝氏体组成的较硬的微观结构。然而，由于这些结构的延性较差，本质上是脆性的，钢板要在另一个辊底炉中进行二次低温热处理，通常在600ºC附近，根据钢的合金含量、钢板厚度和力学性能要求，进行一段时间的热处理。例如，一个给定的钢板可以通过回火来生产出相同化学成分下的不同产品，以获得600至1000MPa的屈服强度钢材。这都是通过回火过程中改变微观结构实现的。因此，了解回火过程中形成的各种微观结构对力学性能的影响，对材料的优化设计和工业应用都很重要。通常情况下，回火使马氏体板条变粗，降低位错密度，并使碳化物沉淀物增长，包括那些由铌和钒微合金形成的碳化物。

总的来说，淬火和回火实现了极其精细和均匀的微观结构，其特点是强度高和延性好。例如，这种方法被用来制造满足-60ºC冲击功限值的厚度达150mm的Q500钢板，满足-40ºC冲击功限值的厚度达100mm的Q690钢板，甚至厚度高达50mm的Q1100钢板。 近年来，一些世界领先的中厚板轧机的功能有了显著提高，特别是铸造和轧制更厚的初始钢坯的能力。这为生产更厚的板材提供了可能，这些板材具有更好的低温韧性和更高的强度。此外，随着直接淬火设备的升级安装，有更多的中厚板制造厂能够生产种类更多的调质钢板材。

生产过程——高强钢管

高强钢空心型材以冷成型状态（按照GB/T 6725冷弯型钢通用技术要求）供应，强度最高可达Q750。它们在热成型状态下（按照GB/T 8162）的供应产品较少，强度最高可达Q460。

热加工和冷成型的高强钢型材的最初生产路线基本相同，即为管状制造而设计的高强钢带材以分切卷的形式提供。卷曲的带钢被解卷到储能器中，并对边缘进行铣削以准备焊接。然后，带材通过一系列成型辊轴形成钢管，并在接缝处被焊接。焊接过程可以采取电阻焊（ERW），其中包括低、中、高频率的焊接技术，或使用埋弧焊（SAW）中的消耗性电极进行焊接。所有的焊接过程都应是连续的。 在大多数中空型材的生产中，最常见的焊接工艺是通过高频焊接（HFI）（通常≥70 kHz）的电阻焊，其优势主要体现在，由于高频焊接工艺固有的高焊接速度，可以实现高生产率。高速率意味着高的加热和冷却速率。这种高速热循环有利于贝氏体结构的形成，而不是马氏体结构，并会提升其机械加工性能。带材的宽度取决于管子的直径，并且有非常严格的公差。纵向带材的边缘被电加热并压在一起以实现结合。

一旦钢管成型，需要通过另一组辊轴冷成型为最终形状（即冷成型），或者采用热处理（即通过将管子加热到860ºC左右），然后轧制所需的最终形状并控制冷却（即热成型）。在一些设施中，钢管没有被热处理到正火温度，而是采用 "温热"成型；但传统做法是正火，即在正火温度范围内（奥氏体状态下）对钢管进行加工或热处理。请注意，纵向焊缝可以在焊接后进行退火和控制冷却（水冷或空冷），如果是热加工，则需在最终形状形成之前进行整体退火。

由于这一步热处理，高强钢热加工的空型管材必须保持与最初的高强钢板材相同的强度和韧性性能。由于钢材被完全奥氏体化，最初的细晶粒组织将变得更粗，从而导致力学性能下降。因此，所提供的高强钢钢带中应有含量更高的微合金元素，如铌，钒，钼、铬甚至镍以达到更高的强度。微合金元素与钼元素的适当组合可在550℃至650℃的温度范围内保持强度不降低，从而提高耐火性。对于现代高强钢热加工型材来说，主要的挑战不一定在于强度，而是在低温下的韧性性能，特别是在较高的强度和较厚的板厚。

近年来，一些世界领先的型材制造厂的技术水平有了明显的提高，特别是在更大的壁厚上加工更高强度的带材的能力。此外，一些石油和天然气无缝钢管生产商的生产能力提高，也意味着更多的强度高、低温韧性优良且壁厚更厚的无缝管材逐渐开始应用。

生产过程——高强钢长材

与高强钢板材一样，高强钢长材产品（即用于梁和柱的热轧开口型材）的生产路线一般会遵循图A.1中的路线A、C和D。此外，由于轧制板材与长材的轧制设备不同，后者也可以采用传统的轧制程序，如路线E的第一部分，所有的热轧都是在完全奥氏体状态下进行的，并空冷或水冷到室温。

与高强钢板材一样，高强钢长材产品的生产与低强度钢产品有所不同：(i)化学成分；(ii)热轧和后续冷却的条件。与其他钢材一样，(i)和(ii)的组合决定了钢材最终的微观结构，并由此决定力学性能。一般来说，为了达到更高的强度，需要添加特定的合金元素，并在轧制过程中采取更严格的控制措施，以及严格控制至冷却温度后才能进行回火步骤（QST）。与高强钢板材不同的是，长材产品一般不经过进一步的热处理过程。此外，它们的加工时间更短，从而生产线的生产率更高。这意味着，与板材轧制不同，长材产品不能被搁置以允许温度自然下降，以便进行热机械轧制。 板材轧制和长材轧制的一个关键区别是，前者的起始原料是连续浇铸的板坯，而后者则是方坯或梁坯。坯料是方形或矩形截面的铸件，通常为220×220mm至750×850mm，主要用于制造H型钢、I型钢和其他型材。中型和重型H型钢通常由连续铸造的梁坯轧制而成，梁坯呈近似于狗骨形状的铸件，尺寸从250 x 200 x 80 mm到1150 x 490 x 130 mm。

近年来，一些世界领先的长材生产商的技术水平有了显著提高。特别是铸造和轧制更重工件的能力，以及回火工艺（QST）的提升，这意味着可以生产更重（更厚）的梁构件，其具有良好的低温韧性和可焊性，可以在强度更高前提下降低碳含量。

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