东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室在螺纹钢领域取得突破性研究进展

在王国栋院士的指导下，东北大学轧制技术及自动化国家重点实验室（RAL）本征细晶粒钢研究团队在学术骨干王超博士的带领下，对热轧钢材本征细晶粒钢的形成原理与机理进行了基础研究。在解决第二相粒子演变规律、诱发相变形形核机理等科学难题的基础上，将实验室研究与工业试制相结合，突破了成分-冶炼-轧制-冷却全过程组织与性能调控核心技术，成功实现了本征细晶粒钢工艺技术在钢筋产品领域的量产应用，取得了突破性的研究进展。该研究充分利用了氧/硫/氮化物粒子的第二相诱发细晶粒效应，发挥了细晶粒强化机制，减少了大量的微合金元素添加，降低了合金成本与生产难度，形成了稳定的工业生产技术。目前，本征细晶粒钢技术已应用于12~36mm HRB400E级抗震钢筋的工业化生产，组织性能良好，降本效果显著。基于本项研究的相关工艺技术创新，已申请国家发明专利5项、国际专利4项，形成了一套工业化的工艺技术，可为企业提供一揽子系统解决方案。

螺纹钢是建筑用钢领域中规模最大、应用最广泛的钢种。对于钢铁行业来说，螺纹钢产品的生产相对简单，应尽可能采用简单的配料和工艺，以获得高质量的产品。2018年，我国对螺纹钢实施了新的国家标准GB/T 1499.2-2018，加强了对产品金相组织的要求。为了满足国标的要求，各螺纹钢生产企业进一步加强了钒或铌微合金化技术的使用，这不仅增加了生产成本，还导致宝贵的合金资源的大量消耗。针对新国标提出的组织性能规范要求，特别是对大规格产品，亟待进行工艺技术创新，实现高质量螺纹钢的经济化、绿色化生产。在机理研究方面，王超博士通过对冶炼、凝固和轧制过程中氧/硫/氮化物析出过程的热力学分析，明确了细小第二相粒子弥散分布的控制机理，研究了不同热变形条件下奥氏体粗化规律与组织转变行为，分析了氧/硫/氮化物诱导细晶相的变形核机制，明确了第二相粒子与组织演变的相互作用机制，为工艺技术开发提供了理论支撑。在基础研究成果工业转化实践方面，通过对螺纹钢工业生产过程中夹杂物演变规律进行系统抽样分析，探索氧、氮等元素最佳含量范围及其控制方法，研究钛等元素的吸收速度及其影响因素，确定氧/硫/氮化物形成元素最佳添加方式，探索150t转炉条件下成分与生产节奏的控制要领，重点解决快节奏下工序间匹配、连铸平稳运行，以及单线轧制、分条轧制条件下工艺参数对性能的影响。

经过多轮工业性试验，解决了不同生产线遇到的实际问题，打通了冶炼、连铸、轧制全流程。在多轮千吨级连铸试验中，生产工艺稳定，产品性能优异，建立了成熟稳定的工业生产工艺方案。通过本征细晶粒钢技术实施，HRB400E螺纹钢筋在非控轧控冷条件下降低了微合金消耗，晶粒尺寸较常规含钒钢筋细化1.5个级别以上。在此基础上，结合不同标准规范进一步调整优化成分和工艺，开发了Ti系、Ti-RE系、Ti-Cr系、Nb-Ti系、V-Ti系、Ca-Mg系、Ti-Ca系等不同成分体系和工艺特点的系列螺纹钢产品。

▲常规钒氮微合金钢棒组织

▲本质细晶粒钢组织

其实，王超从博士阶段就开始进行本征细晶粒钢相关的基础研究，重点研究第二相粒子诱导组织细化机理与过程。本征细晶粒钢的研究主要针对大规格、大断面或厚规格热轧钢材全断面组织均匀性控制的重大需求，拟采用相对合理的成分设计和工艺控制方法，实现钢材断面组织的细化，提高钢铁材料的综合强韧性。博士期间，王超蹲在实验熔炼设备旁数年，潜心研究，将理论分析与实验研究相结合，深入研究各种脱氧元素的析出规律和组织细化机理。他还深入钢铁企业生产现场，注重基础研究成果与工业实践的结合。主要开展的研究内容包括：为解决高能焊丝用钢、热轧管/型材/棒线材等钢铁材料基体组织或焊接热影响区的均匀细化问题，在钢中引入弥散分布的高热稳定性第二相粒子，包括氧/硫/钛、钙、镁、锆、硼、稀土等元素的氮化物，在加热、变形和冷却过程中钉扎晶界、诱导晶界/晶内相变形核，获得均匀细晶粒相变组织，提高材料的综合强韧性。针对螺纹钢实际生产需求，RAL本征细晶粒钢研究团队突出基础研究在产学研创新链中的理论支撑作用，灵活有效利用弥散第二相诱导细晶粒强化机理，通过基础研究突破推动工艺技术创新进步，为螺纹钢高质量生产提供创新思路和技术路线。同时，相关研究突破对实现其他钢铁材料本征细晶粒生产也有重要借鉴价值，对我国钢铁行业高质量钢铁材料研发生产具有重要意义。（来源：东北大学有色技术平台）

▲ 氧硫化物诱发的细晶粒铁素体相变形核