世界金属导报/2009年/2月/17日/第012版
技术专题
毛宏观
当前，相变诱发塑性(TRIP)钢的生产对钢铁生产者提出了挑战。在生产过程中面临的许多技术难题被认为是整个工业技术发展的驱动力。因此，寻求其解决方法得到了普遍关注。
TRIP钢的材料特性决定了其性能优势，例如，高强度和延展性，这适用于与汽车安全性相关的关键部件上。对于消费者来说，TRIP钢能使汽车的耐撞性增强，而车体重量并不会有较大增加。
对依据某些钢的化学成分所表现出来的相变诱发塑性性能的认识已有几十年。在60年代，用在奥氏体不锈钢对相变诱发塑性(TRIP)效应进行了研究。在室温下，相变诱发塑性作用需要稳态的奥氏体，变形时逐渐地转变成马氏体，强度增加。奥氏体的稳定性需要添加如硅或铝，这样的石墨化元素来抑制冷却时渗碳体的形成。在早期TRIP钢开发中，硅含量约1.5%。然而，高硅退火时导致形成稳定的Mn2SiO4氧化物的表面，这抑制了热镀锌能力。考虑到热浸镀锌的生产过程，后来的研究工作关注于用铝代替硅。然而，直到最近，该材料己作为实验珍品而保留。近来，市场开始了对TRIP钢的开发，并把实验室产品 转换为大规模工业生产是钢铁生产者的一项重大技术跨越。
2006年，SeverStal NA公司承担了TRIP钢种开发的项目。之前，SeverStal NA公司并没有熔炼和铸造TRIP钢的经验。由于公开发表的有关TRIP铸造性能的资料有限，而从公开领域采集信息并未成功。因此，为协调组织内部各种设备的研发，成立了冶金工艺研究小组。 将冶金工厂开发的策略成功转化成高铝TRIP板坯的生产。下文对这些策略、生产史和质量评价进行了介绍。
1. 策略
在开发过程初期，引进新钢种的正常生产可能是不适当的。这个现行生产工艺是根据质量系统进行，如TS 16949。对于新钢种的开发，该质量协议简单概括了钢种的化学要求，但并没有提出处理方法。工程师和专家商议，根据他们现有的工序经验批准了新钢种开发，随后研发了处理方法。因先前缺乏生产TRIP钢的实际经验，冶金工艺小组决定最佳方法就是在风险承担者之间经常举行技术会议。计划是根据车间熔炼和铸造情况，在实际生产之前，努力增加成功的可能性。
建立初步风险承担者会议以审查下列项目:
●TRIP钢生产背景，包括TRIP钢的基本冶金状况
●汽车工业的预期市场
●未来核心商业活动的重要性
根据判断，会议对风险承担者的工程支持，提高开发工艺小组效率和组织机构内部技术交流起着关键性作用。得出的结果是，五个方面的开发策略，关键方面是:
●生产进度计划
●炼钢和精炼
●连铸
●冶金工艺和质量材料评价
●“如果……怎办”的方案检查
在整个策略计划过程中，针对一个共同的论题：在最大限度开发知识的同时，如何将风险降至最小与保持操作资产平衡。在生产进度计划方面，讨论的主要话题是当铸造初期和末期、或中间包和钢包换包时，试验炉运转的效益和风险。虽然认识到在生产的某个阶段需要面临各种状况，
但仍要选择铸造初期策略。铸造初期会带来操作风险和问题，但是铸造初期策略的主要作用是避免遇到铸造衔接问题。
针对这些问题，对炼钢和精炼开发的策略有，例如合金选择、钢包耐火材料、处理方法、残余含量、炉渣控制和出钢状态。由于对TRIP现象、铸造板坯表面和内部结构质量的潜在作用，残余含量是一个关键的问题。控制残余含量要采用几种方法将熔融金属脱硫目标降到0.002%。将1号清洁处理器组件用于控制转炉废料，额外的好处是减少潜在的残存元素含量。因钢包脱硫的不确定性，大量的铝添加剂对炉渣硫容量产生影响，所以这两个措施被认为是控制硫含量的关键方法。炉渣化学成分的不确定性还影响钢包和钢包耐火材料的选择。通常，钢包耐火材料的磨损是在高温下受炉渣化学成分和时间的影响而发生。试验前，无法轻易地预测和量化这两个因素。因此，选择钢包要求具有比较新的内衬(少于5炉)并在使用中能旋转的钢包。一般来说，使用切碎的铝或锥形铝可实现铝镇静钢的脱氧。对于试验炉，要选择带缺口的试样作为炼钢时使用的主要脱氧剂，并根据原料纯度来决定。制钢
关于处理方法的讨论，主要集中在以下方面:
●在哪里最适合制作所需要的大量合金添加剂
ts2●合金添加剂的效果，特别是铝
●实现与大量合金添加剂均匀化的关系
s11348对于高合金钢种选择的处理方法是普通的BOF-LRF法。然后经过RH精炼炉。虽然RH真空脱气法提供良好的循环条件(研究表明超过80 t/min)，但仍然提出冶炼合金的原则，逐渐地探讨化学技术要求。部分原因是提供了进行工艺测量和对变化的铝含量进行取样的机会，还与操作者的“经验法则”关系，与铝添加剂和有效钢包温度有关。此时，还不清楚如何最合适地转换高铝TRIP 钢炉。在“如果…怎办”的方案检查时将进一步研究处理策略。
铸造TRIP钢的计划集中于以下实际问题，如:
●铸造设置，锥度和冷却模式的选择
●推荐的铸造速率和倾斜速率
通过正确选择上述操作参数，在一定程度上控制铸造性能。就TRIP钢来说，在公共领域中的有限信息和非正式讨论表明，铸造高铝基TRIP钢的操作流程不太容易。采用的主要策略是，假设TRIP800化学成分按类似的性能铸成包晶钢。利用公式，.通过评价目标化学成分来做出决定，以预测合金元素对包晶反应的影响。引用的公式列出铝对碳当量的影响，碳当量为+0 05，即铝为1.0%时，碳当量的分布是0.05。对于试验TRIP800化学-成分，预测的碳当量超过0.2%，这样高于包晶范围。然而，当提出铝
的引用碳当量参数是负值时矛盾就出现了。当这个参数假定是0.05时，预测的碳当量被认为在包晶范围内。遗憾地是，关于铝含量范围不能确定。研究提出铸造高铝基TRIP钢的问题和作为包晶钢材料的可能性，仍要假定为包晶钢后确定。为了支持这个方法，选择了最适中的有效冷却模式，铸造速度范围限制到0.76～1.15 m/min。
为铸造高铝TRIP钢而选择结晶器保护渣的要求，与其它钢种的经验基本相同。影响结晶器保护渣性能所鉴定的3个主要特性是黏度、熔化温度和结晶度。据报道，铸造TRIP钢的困难是，在液态熔剂和导致重大成分变化的钢成分之间存在大量反应。因此，在铸造TRIP钢的同时，考虑到变化的结晶器保护渣特性和性能。虽然最初希望“无反应性”结晶器保护渣，这对于试验是有用的，然而适合的替代物无法及时商业化。
最后策略是选择一台铸造机。SeverStal NA 公司有2台连铸机，一台2流Mannesmann Demag-Hitachi Zosen装置和一台单流SMS-Concast装置。最后选择了这个单流连铸机，因为它提供高压水喷雾冷却，增加了矫直点。表1为其功能说明。
在整个策略开发阶段中，冶金工艺小组负责主办技术会议，提供全面的冶金支持。冶金支持包括从公共领域采集的传播信息、确定取样要求、制定方案，把工厂建议整理成标准操作规程和以后的试验评价。
在一系列非正式FMEA式，对非标准处理事件进行了讨论。工厂提出的一些情况包括:
●铝含量比最初二次脱氧增加后期望的还要低怎么办?
●测量的氢太高怎么办txue
●钢包不能自由打开怎么办
●铸造期间“粘结”警报触发怎么办
●试验在铸造中间异常中断怎么办?
该车间考虑到对除了生产环境以外的长时间争论的潜在操作问题，并成为开发策略的一个主要部分。
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2. 生产史
最初TRIP钢是在2006年-9月进行生产的。在策略开发阶段选择的处理方法为：转炉-钢包精炼RH-连铸
流程。作为炼钢操作，TRIP钢是典型的中碳钢，钢包添加剂局限于高碳锰、脱氧用的
铝缺口试样，铝酸钙和补充的熔剂调节剂。关键过程参数，如表2所示。
炼钢后，要通过钢包精炼设备(LRF)来进行处理。搅拌使这炉钢均匀，使用高碳锰铁中锰和碳含量来调整这炉钢，再加热到RH炉处理所需要的温度。在RH炉处理前，添加5200pound铝。10min后，取
金属试样。分析表明从0.016～0.47正规化铝中加进合金成分。在这个阶段铝的回收低于期望值(67%与期望的96%相比)。而且不加铝时测量温度为:1649℃，1656℃和1644℃，计算表明温度损失会更多。在会议期间已经考虑到铝回收较低。因此，试验时遇到这个情况，操作者只是按照讨论的策略，加入几种少量合金添加剂，然后是大量的合金添加剂。增进整个LRF-RH 处理过程中的铝含量。
加铝后，为保证均匀性，继续进行RH的循环处理，并考虑到要取重复的化学试样。遗憾的
是在这个阶段，测量的炉温过热38℃。为了冷却，加入少量高碳锰铁。取得2个再加热试样。然后，在RH炉停留约90min后运送到连铸机。
除了化学试样和温度探测器的测量值外，为得到氢含量和氧活度，对LRF-RH中的处理过程进行了监测。从高氢标准来看，与氢含量有关的是板坯质量问题，导致在板坯宽面上产生“拉链”缺陷。尽管高水平冶炼合金，测得氢含量为1.7～2.2 ppm。炼钢生产者努力提高生产率，基于传感器的决定变得更重要。为了利用这个机会继续进行高铝TRIP基钢的作业，使用Ceolx探测器测量了氧活度。虽然预测的含量较分析的含量低很多，但显示了测量的氧活度和预测的铝含量。
像预计的那样，在SeverStal NA的单流连铸机上对高铝TRIP钢的钢进行浇注。要按照标准的铸造程序进行。初期铸造，包括钢包自由开启，中间包浇铸，铸流打开，结晶器保护渣熔化，夹送辊启动。标准作业铸造期间需要人工推入保护渣，一旦达到稳定条件，连通自动加料机。在铸造初期到稳定铸造
期间，选择低拉速。
当“粘结”警报系统检测到潜在的粘结情况时，若铸造仍在进行中，由于粘结警报，控制系统触发降低拉速。同样地，当该系统检测到潜在粘结不存在时，则马上恢复原来的拉速。在研发期间，提出由于粘结警报造成拉速突然降低的问题，对结晶器保护渣消耗量有影响。根据工厂建议，决定断开粘结警报信号反应的控制系统，考虑的操作参数包括结晶器热踪迹、结晶器液面控制和结晶器保护渣性能。
在没有铸造异常现象情况下，按计划，拉速在铸造过程中逐渐地增加。拉速保持在30ipm、35ipm、40ipm，最后为45ipm。观察结晶器保护渣的性能，没有重大的突变。在铸造期间没有发现堵塞。生产了11块板坯，总铸造重量为245 t。在铸造末期，认为2块板坯(第7和第8块板坯)的质量合格。根据目测，它们被热装到带钢热轧机进行快速轧制。生产的板坯堆放冷却，并对其质量进一步评价。利用SeverStal NA 2号连铸设备生产的首批高铝TRIP基板见图1所示。
3.质量评价
铸造后，要进行一系列的质量评价。材料评价检验了内部铸造组织和洁净度、板坯表面质量和处理的适应性。为以35ipm、40ipm和45ipm铸造的材料进行了硫印，在板坯横向和纵向取向进行了检查。硫印显示了在试验中使用的机器和铸造条件下，没有有害的中心偏析、大量的非金属簇和内部裂纹。高铝TRIP基钢板坯的硫印典型额定值为()～1。
高铝TRIP基钢种的产品开发实质是对钢洁净度的评价。对中间包浇注口、铸态板坯和热轧带材进行夹杂物分析。堵塞形成后，经扫描电子显微技术X射线分析表明，堵塞形成的主要组分是锰和铝。
为高铝TRIP基钢开发了板坯表面异常的浓度图表。通常观察到的板坯表面中的异常性是纵向凹坑(“沟”)和纵向宽面裂纹。表面裂纹只有在第一和第二块板坯上才能看得见，而在所有板坯上，从某种程度上仍可观察到凹坑。图2为铸造初期板坯的表面状态。
当高铝板坯并排地摆开检验时，这些凹坑主要集中在宽面中心。通过进一步分析中，确认了密度和位置。可观察到纵向裂纹在沟凹坑的谷中。最大裂纹大约是6inch长，但这些裂纹一般是1～2inch。裂纹深度为4～7mm。利用一个“V”型缺口的裂纹来确定裂纹深度。对沟凹坑进行测量，深达4mm，宽70mm。
用火焰清理法来评价表面处理的适应性。利用火焰清理高铝钢板坯，甚至在寒冷的冬季，不会引起更多的裂纹发生。有火焰清理的单焊道足以清除所有裂纹，除了最深的沟和裂纹。
更深的沟要用第二焊道来清除。在第二个通用焊道后要用局部逐点火焰清理，清除沟中的先前裂纹。火焰清理操作者提出，高铝TRIP基钢火焰清理类似于中高碳钢。在SeverStal公司，为了达到火焰清理目的，中高碳钢等同于SAEl020～1035类钢种。
板坯修整还显出一系列的小横向裂纹，密度向着第三块板坯末端的方向降低。在火焰清理前并没有观察到这些现象，还注意到裂纹只在顶部宽面上。建议该材料除了碳含量可能有包晶类性质。轧制材料的后续检查发现，确实没有识别出可能与横向或纵向板坯裂纹有关的表面缺陷。
在脱机切坯机上进行一系列初步试验表明，对TRIP钢切片是有可能的。按2、4和6inch深度从板坯边缘进行切割。然后把切割的试样放在地上进行检查。染渗透试验没有显示任何边缘裂纹，建议在试验条件下对TRIP钢化学成分切片。为了进一步研究切片性能，从板坯的任一窄面边缘切下5和10inch。再次检查切片的窄面边缘，并没有显示任何切割引起的裂纹。这个材料随后通过带钢热轧机轧成2.6mm厚度。酸洗后检查没有任何与切片操作有关的缺陷。
高铝连铸板坯的化学偏析情况还未知。通过板坯厚度，取得了一系列在变拉速条件下的试样。然后使用标准的Leco和OES技术分析这些试样，以便获得大范围的元素，包括碳、锰、磷和硫元素。在分析设备的精确度范围内，不测量中心偏析。
4.讨论
SeverStal NA公司生产高铝钢板坯的最初尝试在工程目标方面是成功的，实现了大规模生产需要的一些技术跨越。
通过RH装置，为熔化大量添加剂，需要进一步研究处理方法。观察到的不稳定铝回收有3个失效机理：铝的氧化、合金熔化缓慢和流体流动循环差，而后2个机理结合，使钢包化学均化作用变慢。在RH处理的最初阶段，铝添加剂的氧化产生了大量氧化铝。然而，钢铸造性能和洁净度分析表明，对钢质量方面没有影响。显然，通过RH装置处理促进了氧化铝与钢分离。众所周知延长通过RH装置的循环时间，会提高钢的洁净度。除了钢洁净度外，从处理后检查RH连通管来看，氧化铝的分离也很明显。大量的铝添加剂同样地影响了炉渣化学成分；CaO/Al2O3比率是0.55～0.60。钢包渣中低C/A比例，表明未观察到耐火材料侵蚀；当比例小于0.8时，可观察耐火材料的变化。以后需要关注的是，如何回收更多的铝。
处理高铝TRIP基钢的时间增加，需要开发精确度更高的传感器，这个传感器能够预测超过0.1%的精确值。该试验确认在当前配置中Celox探测器不能预测高水平的精确铝含量。检查原数据，探测传感器的显示值揭示铝和氧之间的经验关系式，并在将来可能用于Celox探测器对大于0.1%的铝含量进行探测。
在铸造以前，生产高铝钢的技术难题主要与处理时间有关。更加困难的技术难题是与连铸有关的那些技术难题。试验确定高铝TRIP基钢的铸造类似于包晶钢，由于这个试验结果使这个假定生效。包晶推算公式的精确度需要进一步提高。虽然选择的操作参数适合于包晶钢，但是质量评价显示生产的板坯可能需要清除表面裂纹。
在策略计划期间，需要使用“反应性”结晶器保护渣。在铸造时对熔融结晶器保护渣化学成分的变化进行测量。
要说明过渡板坯的表面状况，研究了变化的结晶器保护渣性能对表面质量的影响和结晶器保护渣性能与表面质量的相互关系。当铸造进行时，结晶器保护渣结晶温度降低，让结晶器保护渣凝固沿着结晶器移动，远离弯月面。同样地，当铸造进行时，熔融结晶器保护渣的氧化铝含量增加，而增加氧化铝会促进高结晶含量。增加结晶含量和让凝固远离弯月面作为防止连续铸造板坯中产生纵向表面缺陷的对策。开发商业“无反应性”结晶器保护渣对大规模生产连铸高铝钢板坯是主要技术难题之一。
5.结论
在2006年，SeverStal NA公司承担了开发一系列高铝TRIP基钢的项目。以前，SeverStal NA 公司没有解决生产高铝钢种问题的实际经验。因此，组成了一个冶金工艺小组来调整组织机构内部各种设备之间的开发。
太阳能沼气池在试验期间的开发策略有助于生产高铝钢板坯。在工程目标方面，SeverStal NA公司生产TRIP 钢的初步尝试是成功的。以拉速45ipm获得了稳态浇铸。确定高铝钢板坯可以进行火焰清理和切片，且不会产生表面裂纹。
该试验还强调了需要克服的技术难题，高铝TRIP钢的生产才能发展到大规模生产。在铸造前，要减少处理时间，而且保证钢的洁净度。要求开发一种精度度为0.1%以上测量铝含量的传感
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