CN103649347A - 生产退火钢的设备和生产所述退火钢的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于生产退火钢的设备以及由此生产出的退火钢。

Description

生产退火钢的设备和生产所述退火钢的工艺
技术领域
本发明涉及生产退火钢的设备和生产这种退火钢的工艺。
背景技术
目前绝大多数钢厂的生产工艺都专注于高产量。高产量有助于保持低的成本价格，这对于商业产品例如钢而言非常重要。但是，专注于低成本这存在着重大的缺点。高容量生产线工艺不灵活并且不适于采用与这些商业产品不同的工艺条件来生产高附加值小众产品。对高产量的要求可能在退火循环上施加了严格的边界条件。因此，新的高强度钢(HSS)产品需要采用严格的限制条件来设计，从而总要有折衷。难以在这些生产线上实现小批量生产，并且为了制造许多不同的产品而不得不只能通过调整化学工艺来实现。这导致为了目前生产以及正在开发的不同的高强度钢而要使用大量各种化学工艺。
虽然合金设计是产品开发者可用的最强大工具，但是由订货规范和内部可制造性要求所施加的限制条件(例如可焊接性、可镀锌性、表面状况、轧机负载等)对单独通过合金化来进一步改善现有产品设置了严重的阻碍。另外，当与在传统高容量生产线上可实现的退火进度中的相对严格变化一起时，对化学工艺的这些相同限制条件还会为下一代极高强度、高韧性钢的最有希望的冶金战略的商业化带来艰难阻碍。简言之，当前的高强度钢发展正到达合金添加的容许限值，并且在不借助在当前生产实践和能力的背景环境下不可接受地高的合金含量的情况会不能实现下一代更高级的高强度钢。
当前HSS钢种往往在具有每年几十万吨产量的传统热浸镀(HDG)生产线上生产。高级HSS(AHSS)带以这样相对较低的量(大约每年达几万吨)生产，使得为了充分利用这些生产线的产量而必须适应包括AHSS和普通HSS/低碳钢的产品组合。AHSS为多相钢，它含有其数量足以产生出独特机械性能的多个相——例如马氏体、贝氏体和残留奥氏体。与传统高强度钢相比，AHSS表现出更高的强度值或者高强度与良好成型性的优异组合(Bleck&Phiu-on,HSLA Steels2005,Sanya(China))。这不可避免地要求那些专用于HSS生产的生产线的经设计退火产量是在针对生产出高度变化产品组合的宽范围要求上的折衷。为了用次优且不灵活的工艺来交付订货规格，设计者被迫在化学工艺方面作更多努力。从冶金角度来看，传统HDG生产线对于生产真正优化的AHSS基体存在有几个关键的技术障碍，这些技术障碍对于高产量生产线属性以及热浸镀生产工艺本身来说都是固有的：
1)低冷却能力/滞留冷却：当前生产线采用了相对较慢的冷却，并且该冷却在所有情况下都在过老化/锌浴温度滞留。
2)固定的过老化持续时间：当前生产线全部存在具有延长的过老化或锌浴暂停形式的冷却滞留。
3)固定的过老化温度：在传统生产线中，过老化温度实际上由锌浴温度施加。
4)受限的顶部温度：在传统生产线中，最大顶部温度会受到安装和/或生产线速度要求的限制。
通常，大量相对简单的产品对于金属工业中的大规模生产设施的经济操作而言是关键的。
EP0688884-A1披露了这种用于对金属带材进行退火和热浸镀的大规模生产设施，该生产设施结合有感应炉，该感应炉能够利用包括感应加热至峰值温度的加热区域、均热区域（z2）以及它门之间的冷却区域(Z1)而使得在热循环开始时产生初始温度峰值以加速再结晶化。
随着对低量生产小众产品的需求日益增长，需要能够经济地生产这些小批量产品的更加灵活的生产线。当前还不能获得这种灵活的生产线。
发明概述
本发明的目的在于提供用于生产退火钢的设备，该设备能够以更简单的化学工艺生产高强度钢。
本发明的目的还在于提供用于生产退火钢的设备，它允许以相对较低的成本进行小批量生产。
本发明的目的还在于提供用于采用所述设备生产退火钢的工艺。
本发明的目的还在于提供在主退火循环之后的工艺，该工艺提供施用额外局部热处理的选择。
通过用于生产退火钢的设备来实现以上目的中的一个或更多个，该设备包括：
a.用于将钢带材料开卷的开卷器；
b.加热区域，包括：
i.加热步骤，其包括第一加热单元和第二加热单元，所述第一加热单元包括辐射管燃烧器或感应炉，用于将钢带加热到400℃至600℃之间的温度，所述第二加热单元包括一个或更多个横向感应炉，用于将钢带进一步加热到500℃至大约1000℃之间的退火温度；
ii.均热步骤，用于将钢带均热至多120秒；
iii.冷却步骤，其包括缓速冷却区域、快速冷却区域和第三冷却区域，其中，所述缓速冷却区域用于将所述钢带从所述退火温度冷却至快速冷却开始温度，并且其中，所述快速冷却区域用于将所述钢带从所述快速冷却开始温度快速冷却至大约300℃的冷却停止温度，并且其中，所述第三冷却区域用于将所述钢带从所述第二冷却停止温度冷却至在室温与100℃之间的温度；
c.可选的再加热区域；
d.可选的特制退火区域，用于对所述钢带的纵向方向上的一个或更多个区域进行局部热处理；
e.最终冷却区域；
f.可选的涂覆区域；
g.用于卷绕经退火的带材的卷绕器。
从属权利要求中给出了优选的实施方案。
根据本发明的设备能够开发和生产(相对地)产量低、价值高的产品，而不是价值低、产量高的产品。高度灵活的连续退火和镀锌生产线是非常有用的，因为它能够用更简单的化学工艺生产AHSS和UHSS钢，并且有机会以相对低的(运行)成本进行小批量生产。根据本发明的设备能够通过灵活的热处理并因此造成钢带长度上的不同属性来生产AHSS和UHSS钢。
传统生产线对于连续处理钢带的限制在于，在钢带的整个宽度上统一地进行加热和冷却。这样做的一个原因是实现统一的机械性能。然而通常会出现的情况是，因其制造(诸如例如可弯曲性之类的可成形性)或因其应用(例如用于能量吸收的高强度)而需要在产品不同部位处实现不同的机械性能。通过在主退火循环之后进行不同的热处理循环或后热处理可以实现不同的机械性能。因此还优选的是，不仅要结合对生产线温度/时间分布的灵活性，而且还要允许可选地利用与钢带纵向方向平行的多个热处理区域来实现对热处理钢带的空间灵活性。在热处理方面的差异可以为在包括深度淬火的主退火循环之后的过老化或回火温度差异。根据本发明的设备能够通过热处理的空间灵活性并因此造成钢带宽度上的不同性能来生产AHSS和UHSS钢。特制退火区域中的随后局部热处理生产出特制退火钢带(TAS)。
根据本发明的设备提供了以下新处理能力：
1).高顶部温度以能够实现完全奥氏体化；
2).迅速淬火至包括低温(Ms以下)在内的温度范围；
3).再加热至过老化恒温线；
4).控制过老化温度和持续时间；
5).利用特制退火区域的额外后热处理或者具有不同温度-时间循环的与钢带长度平行的热处理区域的选择。
具体地说，在许多情况下UHSS基体要求完全奥氏体化(高顶部温度)，然后迅速冷却至低淬火温度，再经常在大致高于淬火温度的温度下保持恒温。
对于DP钢或其它这种局部马氏体钢种而言需要的是快速淬火能力，以便形成马氏体。这降低或消除了对添加合金化元素以抑制不期望的相变并确保足够的淬硬性的需要。而且，添加可淬硬性元素例如C、Mn、Cr和Mo在成本以及应用性能尤其是可焊接性方面影响显著。
在HSS家族内，过老化要求变化广泛。对于双相钢而言，期望的是将锌浴暂停/过老化的持续时间最小化。相反，对于TRIP或TRIP辅助钢而言，须要进行受控的过老化以确保所期望的奥氏体稳定程度以及所期望的机械性能。该设备适应这些变化要求。
在DP和TRIP辅助钢的情况下，对基体性能的优化使得能够主动控制过老化温度，并且所采用的温度可以高于或低于锌锅（zinc pot）的温度。
该设备的独特特征在于能够应用几乎无穷种类的退火曲线，并且能够在不同产品的生产之间迅速切换。这两种属性能够通过利用特定技术而实现，所述特定技术允许炉加热和冷却区段的灵活性以及整个炉的低热潜伏期。
该生产线的加热区域包括加热步骤、均热步骤和冷却步骤。加热步骤包括将产品加热至中间温度的第一加热区段。该第一加热部区段之后为第二加热区段，该第二加热区段能够根据要求将材料加热至大约1000℃或更低的温度。中间温度优选为400至600℃之间，更有选地在450至550℃之间。合适的中间温度大约为500℃。
第一加热区段优选地包括辐射管炉(RTF)。或者可以采用感应炉，但是RTF总体上在这些相对低的温度下在宽度上提供更统一的温度分布。
第二区段优选地包括一个或更多个但是优选为至少两个感应加热区段，以便使得该生产线具有其加热灵活性。大多数钢种受益于在500℃至750℃-800℃之间的温度范围中的初始快速加热。这优选地在第一加热部分中基本温度加热至500℃之后通过快速横向磁通(TFX)感应炉来实现。通过第二TFX感应炉可以获得850至1000℃之间的顶部温度。由于一些材料(奥氏体钢)的顺磁性能，所以需要横向感应。第二TFX感应炉用于从800℃最终加热至大约1000℃。所有含铁材料在该温度范围中变为顺磁性，因此需要进行横向加热。因RTF装置自身中的宽泛热积累以及采用RTF可实现的较低整体加热速度造成的循环温度中的大的热潜伏期，RTF不能用于加热至顶部温度。这将在在退火循环之间迅速切换方面对设备的灵活性带来不利影响。
加热步骤之后为均热步骤，这步骤与数种材料相关。它能够根据生产线速度在给定温度下将材料均热一定时期段。优选的最大均热时间大约为120秒，更优选为60秒。
均热之后，材料将在冷却步骤中优选地通过三个相继的冷却区段冷却，这三个相继的冷却区段是：慢速冷却区段；之后为快速冷却区段；并最后为第三冷却区段，其将在进入再加热区域之前需要将材料冷却至大约100℃温度时启动。
除灵活的加热之外还需要灵活的冷却，以便能够在制造出包含有奥氏体、铁素体和马氏体的混合体的特定微观结构的过程中进行最大控制。在均热部分之后的冷却部分包括一个或更多个冷却区段以在均热之后实现对钢带的冷却。在实施例中，该冷却部分包括慢速冷却区段、快速冷却区段和第三冷却区段。慢速冷却区段用来将钢带从均热温度冷却至快速冷却开始温度，该温度通常刚好高于奥氏体开始变换时的温度(Ar3)。在快速冷却区段中，钢带从刚好高于Ar3的温度被冷却至大约300℃的温度。第三冷却区段将进一步将钢带冷却至比没有发生任何进一步变换的温度更低的温度，即，大约100℃。快速冷却区段和第三冷却区段可以是单独的区段，或者是能够控制冷却停止温度和冷却速度的一个整合区段。
在再加热区域中，钢带将经受过老化步骤或退火步骤。为了以快速灵活的方式达到过老化温度，安装了另一个感应炉。炉的再加热区域可以用作过老化区段，或者可选地，它可以用于进行统一或局部热处理。后面的局部热处理产生出特制退火钢带(TAS)。在TAS材料中，可以根据对该部分的特定要求来设计机械性能。这在需要更高可成形性的部位处可以通过对生产线中的钢带进行局部热处理来实现，其通常造成钢带宽度上的所期望机械性能变化。该TAS选择将能够生产的产品为已经涂覆或未经涂覆的HSS带卷，其具有与轧制方向平行的一个或更多个区域。这些区域优选至少50mm宽。经TAS处理的区域的性能将取决于所施加的温度循环，但从总体上将导致增强(局部)的可成形性，这有助于将HSS/UHSS用于复杂部分几何形状。在过老化、统一退火或TAS处理之后，在钢带离开保护性氛围之前将在第四冷却区段中被冷却至大约150℃至250℃之间。最终，钢带将在第五冷却区段中被空气冷却至大约50℃至100℃。优选的是，第四冷却区段优选地采用HNx将钢带冷却至大约150℃至250℃之间，优选为大约200℃和/或第五冷却部分优选通过利用空气冷却将钢带冷却至大约50℃至100℃，优选为大约80℃。
由于纵向磁通感应(LFX)所提供的灵活性，优选地借助于该纵向磁通感应进行再加热至优选350℃至450℃之间的过老化温度。由于相关钢在过老化温度下都是磁性的，因此不需要使用TFX炉，虽然它可以取代LFX来使用。对于特制退火区域而言，由于所涉及的优选在750至850℃之间的温度涉及顺磁性材料，因此需要TFX单元。过老化时间取决于生产线速度和炉长度，但总体上优选地被局限于180秒。
通过在电解涂覆部分中通过电解涂覆来执行镀锌。选择电镀锌代替热浸镀锌。这样做是为了能够使得退火过程与镀锌过程完全无关，并且能够即使在生产线速度与普通HDG生产线相比低的情况下也实现优异的涂覆质量。紧接在电解涂覆部分之前优选地采用活化/酸洗和/或清洁区段。这使得与表面相关的问题减至最低，并且使得能够采用更多种合金化元素。
优选的是，退火和涂覆步骤是分离的，从而能够满足涂覆要求(例如生产线速度和钢带温度)，却不会导致发展基体微观结构或者施加严厉的合金化限制。除了这些优点之外，进一步明显的优点在于，当前用来生产大量一致商品的高产量生产线免于生产这些困难的小众产品。
根据第二方面，在使用根据本发明的设备的工艺中也体现了本发明。
根据第三方面，在使用根据本发明的设备或工艺生产的退火钢中也体现了本发明。
具体实施方式
借助于非限制性示例，在图1中示出了根据本发明的设备的示意图。
在图1中，附图标记如下表示：
1.钢带材料
2.加热区域
3.入口区域
4.用于加热步骤的辐射管炉区段
5.用于均热步骤的TFX区段
6.用于冷却步骤的冷却区段
7.LFX再加热区域
8.过老化或TAS区域
9.最终冷却区域
10.涂覆区域
11.出口区域
12.开卷器
13.卷绕器
入口区域例如可以包括清洁装置、干燥装置、缓冲机构(例如活套塔)中的一个或更多个。出口区域例如可以包括表面检查、涂油装置、切割装置或缓存机构中的一个或更多个。
以非限定实施例的方式，借助于图2至图6示出了根据图1所示设备的灵活性，其中，图2中示出了针对600MPa AHSS的热曲线，其包括铁素体、贝氏体、马氏体和残留奥氏体。图3示出了用于恢复退火钢的曲线，图4用于包括贝氏体铁素体和马氏体的钢，并且图5用于回火马氏体。
图2：采用在500℃-750℃温度范围内的快速加热速度，因为通进加热变换范围中的快速加热是有利的，这会影响亚临界奥氏体的尺寸和分布，并又因此影响在最终微观结构中的第二相的尺寸和分布。在RTF炉之后，材料被加热至大约750℃的温度。随后，钢带经过第二次快速加热至在通常处于780℃-850℃范围中的亚临界温度下的均热区段。在均热大约30秒之后，钢带首先被慢速冷却，然后快速冷却至大约420℃的过老化温度。该温度被选择用于促进贝氏体形成，从而导致碳富集在奥氏体中，并由此在最终微观结构中保持亚稳奥氏体。马氏体在最终冷却中形成，之后冷却至室温。允许在200℃或更低温度下进行最终淬火中断。
图3：在600℃-700℃下进行10-60秒的热处理，其中加热和冷却速度对于引起经冷轧的高强度钢中的复原而言没有严格限制，以便允许在牺牲一定加工硬化的情况下提高延展性能。
图4：在RTF炉之后，材料被加热至大约750℃，并且在第二次快速加热之后，钢带将具有大于Ac3的温度。在大约850℃下均热大约30秒期间实现完全奥氏体化之后，钢带被缓慢冷却，但是温度将在缓慢冷却区段的终点保持高于700℃。快速冷却将使得钢带温度降低至小于400℃。在过老化区段中，奥氏体实质上完全分解成贝氏体，从而在最终冷却中将不会形成任何马氏体。
图5：材料首先必须在根据C和Mn含量而定的温度下（但通常高于820℃）完全奥氏体化，之后以至少80℃/秒的速度相对快速地冷却至低于至少200℃的温度，从而完全变换成马氏体。通过持续10-60秒再加热至大约400℃-500℃可以实现轻度回火以改善可弯曲性和扩孔性。通过持续30-60秒再加热至600℃-750℃可以实现更高的温度或者更长的回火以在牺牲一定强度的情况下改善可成形性。回火的加热和冷却速度没有严格限制。
图6：在亚临界区域中将钢带加热并奥氏体化，这意味着均热温度处于830℃-860℃的范围中。亚临界铁素体的体积分数受该顶部温度控制，这又决定了奥氏体在冷却之前的可硬化性。在均热之后，钢带被慢速冷却至大约700℃，并且随后钢带经过快速冷却区段以达到接近Ms(大约350℃)的温度。对于该产品而言，第三冷却区段对于将钢带冷却至大约250℃而言是重要的。中度冷却速度在这个区段中是足够的，因为在该温度范围中的马氏体形成不取决于时间，而简单地受低于Ms的过冷却控制。冷却之后，通过感应将钢带加热以在350℃-450℃的温度下进入过老化区段。在大约70秒的恒温期间，(1)将所形成的马氏体回火，(2)奥氏体由于碳再分配（carbon partitioning）而变得更加稳定，并且(3)可以形成一些没有碳化物的贝氏体，这也使得奥氏体稳定。对于该产品而言，其目的在于形成非常稳定的奥氏体，这意味着在最终冷却中将不会形成任何马氏体。

Claims (15)

1.一种用于生产退火钢的设备，包括：
a.用于将钢带材料开卷的开卷器；
b.加热区域，包括：
i.加热步骤，该加热步骤包括：第一加热单元，该第一加热单元包括辐射管燃烧器或感应炉，用于将钢带加热至400℃至600℃之间的温度；和第二加热单元，所述第二加热单元包括一个或更多个横向感应炉，用于将钢带进一步加热至500℃至大约1000℃之间的退火温度；
ii.均热步骤，用于将钢带均热最多为120秒的时间段；
iii.冷却步骤，该冷却步骤包括缓速冷却区域、快速冷却区域和第三冷却区域，其中，所述缓速冷却区域用于将钢带从所述退火温度冷却至快速冷却开始温度，并且其中，所述快速冷却区域用于将钢带从所述快速冷却开始温度快速冷却至大约300℃的冷却停止温度，并且其中，所述第三冷却区域用于将钢带从所述第二冷却停止温度冷却至在室温与100℃之间的温度；
c.可选的再加热区域；
d.可选的特制退火区域，用于对在钢带的纵向方向上的一个或更多个区域面积进行局部热处理；
e.最终冷却区域；
f.可选的涂覆区域；
g.用于卷绕经退火的钢带材料的卷绕器。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述涂覆区域包括：
a.可选的酸洗和/或活化步骤；
b.可选的第一清洁步骤；
c.电解涂覆步骤；
d.可选的第二清洁步骤；
e.可选的干燥步骤。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述加热区域所包括的第一加热单元的辐射管燃烧器用于将钢带加热至大约500℃的温度。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述第二加热单元包括用于将钢带进一步加热至大约800℃的温度的第一横向感应炉和用于将钢带进一步加热至大约1000℃的退火温度的第二横向感应炉。
5.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述冷却步骤包括缓速冷却区域、快速冷却区域和第三冷却区域，其中所述缓速冷却区域用于将钢带从所述退火温度冷却至第一冷却停止温度，并且其中，所述快速冷却区域用于将钢带从所述第一冷却停止温度快速冷却至大约300℃的第二冷却停止温度，并且其中，所述第三冷却区域用于将钢带从所述第二冷却停止温度冷却至在室温和100℃之间的温度。
6.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，在所述快速冷却区域中的冷却速度至少为50℃/秒。
7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述再加热区域包括纵向感应炉，用于将钢带再加热至350℃至550℃之间优选为400℃至500℃之间的温度。
8.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述再加热区域包括局部加热区域，该局部加热区域包括横向感应炉，用于将钢带统一地或局部地再加热至700℃至900℃之间优选为750℃至850℃之间的温度。
9.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备包括特制退火区域，用于对钢带的纵向方向上的一个或更多个面积进行局部热处理，并且其中，所述特制退火区域优选地位于所述加热区域后面。
10.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，通过顺序地电解涂覆来对钢带进行镀锌。
11.一种利用如权利要求1至10中任一项所述的设备生产AHSS的工艺。
12.一种生产具有在钢带宽度上变化的性能的特制退火AHSS的工艺，该工艺利用如权利要求9或10所述的设备对钢带的纵向方向上的一个或更多个面积或区域进行局部热处理而实现所述变化的性能。
13.如权利要求12所述的工艺，其中，具有所期望的在钢带宽度上变化的机械性能并平行于轧制方向的区域为至少50mm宽。
14.如权利要求11至13中任一项所述的工艺，其中，钢带被顺序地电解镀锌。
15.一种利用如权利要求1至10中任一项所述的设备和/或如权利要求11至14中任一项所述的工艺生产的退火钢。
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