150
100 50 0 1900 铁素体钢 奥氏体钢 1940 1980 2020
建筑设施用钢 • 建筑高层化和大型化 • 耐火和抗震 • 高强度、高韧性、低 屈强比、耐中温
汽车用钢 • 轻量化 • 碰撞安全性 • 高强度、塑性、成形 性能、焊接性能
能源装备用钢 • 能源转换高效率 • 耐高温650℃、高 运行安全性 • 长寿命、高持久强度
项目提出了M3 组织调控目标
packet packet packet
packet
packet
packet
packet
M3
packet
M3组织调控原理示意图
•
[C] 板 条 铁素体
原奥氏体晶粒
•
•
板 条 块
铁素体
残余奥氏体 马氏体/贝氏体 板条束/板条块/ 板条
• •
[C] 残余奥氏体
•
合金固溶和析出
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
洁净度
夹杂物控制
北京科技大学 王新华课题
试验炉次热轧板中夹杂物评级报告
非金属夹杂物 炉次 钢板试样 硫化物(A) 细系 粗系 氧化铝类(B) 细系 粗系 硅酸盐类(C) 细系 粗系 球状氧化物(D) 细系 粗系
一
1150290242060T1 1150290241040T1 1140315642010T1
一般矿泉水～4元/公斤
价格：高性能钢材 高端矿泉水
高性能钢材：6000（特殊 钢） ～30000（不锈钢）元/吨
法国依云矿泉水～20元/公斤
钢材何去何从？
高性能钢的主要特征
高质量 高性能
力学性能
环境友好
低成本
窄化学成分 强度和韧性 高纯净度 生产/加工/应 服役性能 生产/加工/应 用过程中 高均匀度 疲劳 / 延迟断 用过程中 裂 / 腐 蚀 / 蠕 稳定和经济地 组织控制 成本低 变 回收利用 高尺寸精度 工艺性能 高表面质量 冷热加工
• 转（电）炉—连（模）铸—热轧—热处理—钢板
• 三步法冶炼—连铸—热连轧—冷连轧—不锈钢薄板 • 电（转）炉—精炼—连铸—连轧—精整热处理—棒 线材 • 特冶—模铸—快锻—径锻—热处理—粗加工—锻材 • 电炉—精炼—连铸—轧管—精整热处理—钢管
价格：普通钢材 一般矿泉水
普通钢材：3600（钢筋） ～ 5000（冷板）元/吨
80 70 60 50 40 30 20 10 0 500 total elongation, %
Cr-Mo-(Ni) 300M AF1410 A100 45CrNi2MoV Req.
1000 1500 2000 2500 ultimate tensile strength, MPa
3000
均匀度
关键是调控相变中合金元素扩散 carbon diffusion in steel
0.20%C
0.54%C
中锰钢相变中的锰扩散
12
Mn concentration (%)
9 6 3 0 575 Austenite Ferrite
600 625 650 675 700 O T, Annealing temperature ( C)
三
1150290342060T1 1150290341040T1
Inclusions control
Conventional process
The new process
Sanyo的夹杂物评估技术 从高洁净钢到超高洁净钢
The largest inclusions observed in each of thirty samples with a 100mm2 test area Conventional high cleanliness steel (oxygen content: 5 ppm) Premium cleanliness steel (oxygen content: 5 ppm)
大同特殊钢公司高均匀度模具钢
高品质基础件用特殊钢
齿轮钢 螺栓钢
1200MPa
-1600MPa 12.9 KISCC30MPam1/2 1800MPa -10.3b
1500MPa
-11000MPa 16.9 KISCC30MPam1/2 2000MPa -10.5b
弹簧钢 轴承钢
• 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
• 高性能钢品种的应用技术研发
需要关注的共性问题
• 洁净度 • 均匀度
– 模具钢等向性 – 齿轮钢带状组织、淬透性带宽
• 产品质量稳定性和一致性 • 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、关键钢材品种的特征 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
不锈钢中氮含量不断提高
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
高性能钢的关键技术
• 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
• 高性能钢的轧制（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
0
800
钢铁材料是除水泥外最大量的结构材料 也是最大量的功能材料（硅钢）
250000
主要结构材料的产量，万吨 200000 150000 100000 50000 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 水泥 106400 123500 135000 138800 163000 186800 206300 218400 粗钢 34940 41880 48900 50026 56784 62670 68300 71650 塑料 2500 2802 3302 3713 4479 5830 5474 5781 十种有色金属 1631 1917 2360 2519 2681 3152 3438 3691
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
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
40
10 GDP Crude Steel 粗钢产量， Mt 1000 1200 200 400 600
0
1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
钢是经济发展的材料基础
（夹杂I+组织S+陷阱控制T—CrNiMoV合金化+工艺）
1000 900 Fatigue limit, MPa 800 700
Fatigue limit improved by IST
conventional
ADVANS 2000S
IST技术提高抗疲劳性能
600
500 400 300 200 500
高性能钢铁材料发展 及对材料测试技术需求
钢铁研究总院 中国金属学会特殊钢分会 董 瀚 2013年11月7日 北京
我们为什么需要高性能钢？
世界上每两吨钢中有一吨产自大陆
1800
1600 粗钢产量，百万吨 1400 1200 1000 世界其它 中国
800
600 400 200 0
年度
GDP，万亿元 20 30 50 60
1000
1500
Rm, MPa
2000
2500
组织调控
The precipitation of carbon
tempered at 150℃
tempered at 165℃
极端马氏体组织 EAF-VIM 4340
900 800 700 600 HV 500 400 300 200 100 0 1200 1400 1600 Rm, MPa 1800 2000 2200 ASB 基体
材料：人类文明标志
材料文明 石器时代 大量应用的大致时间 2,000,000BC 12,000BC 3,000BC 从1,000BC至今? 1945AC 1968AC 1950
陶器时代
青铜时代 铁器时代 核材料? 硅材料?

多种材料并存?
我国钢铁工业发展的 约束条件
气候变化
矿产资源
水资源
能源 15% comsumed in steel sector
高强度化是钢的发展主题
珠光体钢
马氏体钢 贝氏体钢 1600 800 800
2000
1000 800
1200
1400
1700
奥氏体钢
铁素体钢 0
500 600 600
500 400400 1000 2000 3000 Rm, MPa 4000
industrial target potential 5000 6000
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
高性能钢的组织调控理论与技术基础研究 国家科技部973计划项目
600℃一万小时持久强度，MPa 建筑用钢屈服强度，MPa 1000 800 600 400 200 0 Q235 Q345 Q420 Q460 Q590 Q690 Q780 Q980 250 200