钢铁共性技术协同创新中心
工艺与装备研发平台
-运行周期工作总结
编者按：“钢铁共性技术协同创新中心”自年10月通过国家获批认定至今，运行已满4年。中心工艺与装备研发平台面向国家重大战略需求，面向经济社会主战场，面向世界科技发展前沿，围绕钢铁行业关键共性工艺与装备技术领域，根据既定的平台顶层设计总体发展架构，结合行业发展需求，在选矿、冶炼、连铸、热轧、短流程、冷轧及智能制造等领域，明确重大任务，汇聚创新资源，协同创新，开发出系列创新工艺及装备，助推钢铁行业资源节约、环境友好、高品质钢铁产品的开发生产，圆满完成了既定的任务和指标。针对工艺与装备研发平台建设成效和最新研发成果，本报特组织相关报道，以飨读者。
本文介绍了全轧制高品质复合板制备的主要技术进展。针对常规轧制复合法制备复合板过程中存在的界面易氧化、结合强度低等问题以及结合界面调控机理这一难点，东北大学RAL全轧制真空复合（VRC）团队通过对同质特厚复合钢板以及异质金属复合板制备工艺以及界面微观组织、界面产物、元素互扩散、力学性能等多个方面的内容进行了详细的理论研究，形成了全流程的生产工艺与制备技术，并推广应用到国内大型钢企。结果表明，采用全轧制真空复合技术生产的复合板兼具优异的力学性能和低成本特点，同时生产过程绿色、高效、环保，在满足使用性能的同时大幅降低了环境成本，创造了更大的经济效益和社会效益。VRC技术必将成为我国未来复合板制备的主流生产技术。
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前言
随着我国基础设施建设项目的增加，对设备大型化和安全性要求的不断提高，在高层建筑、大型水电、风电及核电装备、军工、模具等领域，如舰船甲板、大型水电站闸门、风电基座、海洋石油平台、核电站核反应堆外壳、大规格模具等重型装备对特厚钢板的市场需求量越来越大，国内外市场上特厚板处于供不应求的状态，产品附加值很高。然而，目前国内的特厚板生产主要采用连铸坯轧制法、电渣重熔法和铸锭法，但都存在一定的缺点，例如：连铸法制备的特厚板由于受到压缩比的限制使得钢板的厚度受到严重限制；电渣重熔法制备特厚板的成本高昂，通常只适用于特钢制备；铸锭法则存在生产效率低、成材率低且容易存在心部偏析、质量不稳定等问题。
而在城市输水、海洋工程、煤炭和石油化工等诸多领域，由于普遍存在严重的化学和电化学腐蚀问题，这极大地缩短了金属管道、构件和容器等的使用寿命，同时也增加了其使用和维护的成本。由于包括各种不锈钢、镍基合金和钛的强耐蚀性金属复材和钢基材所共同构成的双金属复合板兼具优异的耐蚀性、高强度和低成本特点，因而使双金属板具有极为广阔的应用前景。目前，双金属复合板主要采用爆炸复合法和轧制复合法来进行生产。爆炸复合法存在严重的环境污染和安全问题，同时还存在界面结合不均匀和各类凝固缺陷等问题，因而严重制约了其推广应用，有被逐渐淘汰的趋势。
基于此，全轧制复合技术应运而生，该技术目前在国外应用十分广泛，轧制得到的复合板具有良好的板形、高生产效率、低污染、低能耗等特点，尤其可以生产宽幅和特厚的复合板。然而，热轧过程中界面氧化难以避免，很容易削弱复合板的界面结合强度。因此，目前亟需一种有效的复合技术来改善异质金属复合板的质量。
为了制备高品质金属复合板，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（简称RAL）于年在国内率先开展了全轧制真空复合技术（VRC）的研究和开发工作。全轧制真空复合技术（VRC）是一种基于传统热轧复合技术和真空电子束焊接封装技术的一种新型轧制复合技术。日本JFE于年公开报道了VRC的研发工作进展，采用真空电子束封装制坯获得了高真空的界面，改善了界面性能，制备出了厚度超过mm的Q、Q级别的同质高性能特厚复合钢板。此外，采用TMCP和super-OLAC技术同时保证了基材的强韧性和复材的耐蚀性，JFE现已量产幅宽4m的镍基合金、纯钛、L不锈钢、双相不锈钢与管线钢和Cr-Mo容器钢的复合板，但是相关的工艺装备细节报道较少。东北大学VRC团队经过多年深入研究，在全轧制复合板制备领域积累了雄厚的研究实力和技术储备，并先后将VRC技术成功转化应用到了济钢、鞍钢、南钢、番禺珠江钢管和文丰钢铁等国内大型企业，另外宝钢、舞钢和兴澄特钢采用的也是东北大学RAL的专有技术。基于该技术，东北大学RAL在年与济钢共同申报的“连铸坯真空叠轧生产特厚钢板技术开发”项目获得了冶金科技进步二等奖。与此同时，东北大学RAL还承担了一系列真空制坯轧制复合领域的国家项目，年承担了国家项目“宽幅特厚不锈钢复合板的真空热轧复合技术”，年承担了国家重点项目“海洋平台用高锰高强韧中厚板及“钛/钢”复合板研究与生产技术开发”。此外，东北大学RAL还承担了多项省部级科研项目，使得其在国内真空轧制复合技术领域的研究实力独树一帜。
东北大学VRC团队旨在通过金属的全轧制复合工艺研究，开发出高品质全轧制真空复合板制备的关键技术和装备，转化到国内大型钢铁企业，通过对复合界面结合机理的深入研究，制备开发出高性能的Q低合金钢以及中碳钢特厚板、L奥氏体不锈钢/管线钢复合板、镍基合金/管线钢复合板和钛/钢复合板等，尤其是钛/钢复合板的开发引领了国内外全轧制复合技术的潮流前沿，实现高品质复合板的工业化应用。
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基础研究
VRC技术的具体原理是：首先将待复合的基材和复材进行表面处理，以完全露出新鲜金属；然后根据使用需求，即采用双层复合或三层复合的方式，将基材和复材进行叠合；接着在真空室内的高真空环境下，进行电子束或搅拌摩擦焊接的封装制坯，使复合界面始终处于高真空环境下，避免界面的氧化和氮化；最后通过进行加热和TMCP轧制过程实现界面的优异冶金结合，制备工艺流程如图1所示。对于异质金属复合板通常还需要采用轧后热处理去除复合界面的残余应力；通过矫直来改善复合板的板形；最后通过等离子束的切割和分离获得耐蚀合金复合板，制备工艺流程如图2所示。VRC是获得高品质特厚板和异种金属复合板的关键技术，因此开发VRC技术和装备具有重要意义。
针对Q和45中碳钢特厚复合板、L奥氏体不锈钢/高品质管线钢复合板、镍基合金/管线钢复合板和钛/钢复合板的界面复合机理进行了理论研究，对影响复合板界面结合的重要因素进行了深入的分析研究，以探索复合界面产物的形成规律。
Q低合金钢和45中碳钢复合板界面的微观组织如图3所示。从界面可以看出，两种金属实现了完美的结合，在高温、大变形的轧制作用下，界面发生了充分的元素扩散以及动态再结晶过程，获得了优异的冶金结合界面。
研究不同表面处理方式下（钢丝刷、酸洗、砂带打磨）的L不锈钢/X65管线钢复合界面微观组织，发现复合界面夹杂物在加热保温过程中已经形成，在随后的轧制过程中，被碾碎后的氧化物弥散分布在界面，其成分并没有发生改变。在℃保温时，由于不同金属氧化物的吉布斯自由能有所差别，因而导致了金属元素与氧的结合有一定顺序，即选择性氧化现象。不锈钢、管线钢中的元素与氧亲和力顺序依次为Al、Ti、Si、Mn、Cr、Fe、Ni，其中Al元素会被优先氧化，其次是Ti、Si、Mn，最后是Cr、Fe和Ni。由于Al、Ti为杂质元素，含量非常少，率先被消耗完，生成微量氧化物。随后，氧与Si、Mn等元素发生反应，生成Si、Mn氧化物。提高表面质量可促进复合界面的元素扩散，减少界面夹杂物的产生，提高界面结合强度。
界面元素的扩散行为会影响基材和复材的性能，Cr、Ni、C、P、Si元素在界面处互扩散会降低不锈钢的耐蚀性能。中间层合金的添加会影响界面元素的扩散规律，添加Ni中间层后，L不锈钢与X65管线钢实现了优异的冶金结合，界面结合强度得到较大提高。同时Ni中间层抑制了X65基层中P元素向L不锈钢扩散，减轻了L不锈钢侧P元素的偏聚，改善了不锈钢晶间腐蚀。
通过对钛/钢复合界面的原位反应进行调控，如图4所示。在钛/钢复合界面获得了较为明显的TiC层，这是由于界面化合物中TiC的自由能最小，将最先形成；同时，TiC产生可以抑制Ti-Fe脆性化合物的形成，有利于提高复合板的力学性能。
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关键技术
东北大学RAL的VRC产线具有完全的自主知识产权，现已建成多条产线，汇聚了双枪高效电子束焊、快速焊接定位装夹系统、高速表面铣削装备以及复合界面电磁分离等独有技术。截至目前，东北大学RAL在VRC技术领域已获7项国家发明专利授权，2项处于公开审查阶段，并且掌握了一系列的异种金属复合板的工艺生产诀窍，对真空复合轧制技术享有完全的自主知识产权。
此外，东北大学VRC团队在真空电子束焊接封装的基础上，成功开发出真空搅拌摩擦焊接封装复合坯技术。该技术主要用于采用真空电子束无法进行焊接封装的高合金钢，譬如广泛用于石化领域高温反应釜中的高合金Cr-Mo临氢容器用钢/不锈钢复合板。这些高合金钢由于具有极高的碳当量，采用熔化焊接技术无法进行连接，即使采用预热和缓冷等手段也很难进行连接。搅拌摩擦焊接作为一种固相连接技术，具有较低的焊接热输入和焊后冷却速度，因而可对这些高合金钢进行焊接。目前该技术已获得发明专利授权。随着该技术的投入使用，同时结合真空电子束焊接封装，最终可以实现对不同碳当量的合金钢复合板品种开发的全面覆盖。
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实验研究
针对全轧制真空复合技术的各项工艺技术环节，分析影响复合板结合的各项影响因素，从表面处理、焊接封装、热轧及轧后热处理等工艺条件进行实验研究，确定了合适的实验工艺，为工业制备复合板提供了必要的理论支持。
通过对L奥氏体不锈钢/高品质管线钢复合板控轧控冷工艺的研究发现，结果如图5所示，当压下率为80%时，界面结合强度达到MPa，随压下率增大，晶粒尺寸被明显细化，增加了阻碍位错运动
的晶界数量，从而材料强度和硬度更高；采用控冷的冷却工艺，如图6所示，组织主要为细小的针状铁素体、粒状贝氏体和少量多边形铁素体组织，力学性能较空冷时显著提高，抗拉强度与屈服强度分别为MPa和MPa；同时，通过轧后控冷工艺可加速复合板的冷却速率，减少不锈钢在敏化温度的停留时间，以减轻L不锈钢晶间腐蚀。
由于X65钢和合金的热变形抗力相差较大，对镍基合金/管线钢耐蚀复合板（单板轧制）的基层和复层厚度测量，发现基层的厚度比预期的薄，而复层的厚度比预期的要厚，这种变形抗力的差异在高温热轧时体现的尤为明显，具体表现为基材与复材在轧制过程中，变形抗力大的金属变形程度小，反之变形抗力小的金属变形程度大。采用对称轧制时，由于中间的两层合金也进行了高真空电子束焊，在轧制变形时，处于最外侧的X65钢会通过焊缝对合金进行拉扯，处于中间的合金也会通过焊缝进行彼此间的拉扯（发生协调变形），使得合金的两侧都会处于受拉的状态，这与单板轧制时的单边受拉扯有很大的不同，故此，合金被X65钢拉扯变形，在一定程度上使合金的变形变得相对容易，使得变形程度增加，基本可以达到与轧后复合板实际压下率相等的程度。
对称轧制时合金的变形程度大于单板轧制时的变形程度，原奥氏体晶粒被压扁拉长，合金的动态再结晶程度会大于单板轧制。轧制时的动态再结晶较少，主要是在道次之间发生了静态再结晶，晶粒得到细化，第一阶段轧制完成之后，对称轧制产生的位错累积、缠结程度会大于单板轧制，即对称轧制为待温过程的静态再结晶提供了更多的动力，在待温阶段，对称轧制合金的温降比单板轧制时的温降要慢，其静态再结晶的持续时间要比单板轧制时的长，等轴奥氏体晶粒之间会形成新的等轴奥氏体晶粒，晶粒尺寸会得到细化。同时，通过实验发现，采用对称轧制复合界面的结合强度高于单板轧制时的结合强度。
对比加入铌夹层后的钛/钢复合板在不同加热温度下的复合界面组织，三种加热温度下的复合界面均实现了良好的冶金结合，图7为不同加热温度下复合界面的金相和电子探针形貌照片。从图中可以看出，在℃和℃时，铌夹层可以有效地抑制金属Ti和Fe相互结合，并无明显的缺陷形成。在℃时，铌夹层与Ti的接触区域形成了暗影，主要是由于Ti和Nb元素的相互扩散导致。
钛/钢复合板作为较为难复合的异种金属复合板，其界面元素扩散行为一直成为很多科研工作者的研究重点。为进一步直观地分析界面元素的扩散分布情况，采用添加铌夹层的方式，对加入铌夹层后的钛/钢复合板在不同加热温度下复合界面和原始界面进行元素面扫分析，结果发现，-℃时，钛/钢复合界面的Fe和Ti元素扩散可被铌夹层有效隔绝。然而，随着加热温度升高到℃时，Nb夹层与Ti发生相互扩散，形成互扩散区域。经过WDS测定，此区域含有Nb（40.12-41.69at.%）、Ti（57.69-58.50at.%）和其他微量元素。在℃条件下，钛/钢复合板Ti侧断口经XRD分析，发现Nb与Ti侧界面生成了Nb-Ti化合物。
测定三种不同加热温度下（℃、℃、℃）加入铌夹层的TA2/Q钢复合板试样的剪切强度分别为.7MPa、.8MPa和.1MPa。由结果可知，随着加热温度的升高，强度略有提升，然后下降明显，这主要是由于在-℃加热时，Nb夹层可以有效地隔绝元素扩散，抑制Ti-Fe化合物和TiC的形成，而在此时升高温度可以有效提高金属间的冶金结合，提高力学性能。但当温度升高到℃时，Nb夹层虽然能够抑制Ti和Fe元素的相互接触，抑制Ti-Fe化合物的形成，但是Nb-Ti界面却形成了Nb-Ti化合物，使得复合板剪切强度下降明显。
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中试实验/工业应用
与传统的铸铁水管相比，L奥氏体不锈钢/高强管线钢复合管具有优异的耐蚀性，可以保证水体不受到污染，同时复合管还具有较低的成本，非常适用于输水管线。最近，东北大学RAL在南钢的VRC产线上成功完成了L奥氏体不锈钢和X65管线钢的制坯、热轧、矫直、切分、表面处理、弯管、焊接成型，复合管的基材、复材和界面的各项性能均满足指标要求。界面平均剪切强度MPa，远高于国标的MPa。按ASTMA-E标准进行了复层抗晶间腐蚀能力评价，在20倍光学显微镜下发现弯曲度后样品表面无晶间龟裂和橙色橘皮，满足要求。
与传统的奥氏体不锈钢等耐蚀材料相比，镍基合金在H2S、Cl-以及碱金属等各类腐蚀环境中均表现出了优异的抗点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀能力，另外在高温、高压的腐蚀环境下也具有较好的耐蚀性。以中国-土库曼斯坦之间的抗H2S腐蚀油气输送管线需求为背景，东北大学与南钢联合对真空复合轧制合金/管线钢复合板展开了研发，并成功开发出了幅宽2m且界面强度超过MPa的镍基合金复合钢板，抗晶间腐蚀和点腐蚀能力满足国标要求，结果如图8所示。因此，合金复合钢板解决了石化领域对强耐蚀输油管线的需求。
与传统的耐蚀不锈钢相比，钛在海水中几乎不发生腐蚀，并对海洋生态无害，是一种非常理想的绿色海洋工程材料，素有“海洋金属”的美称。因而“钛/钢”复合板非常适用于海上结构设施的腐蚀防护。东北大学VRC团队在国家重大计划项目的支持下，对钛合金与低合金钢，以及纯钛与高强管线钢的复合展开研究，依托南钢的复合产线进行钛/钢复合板的中试研究，获得了幅宽3.5m、具有良好板形的钛/钢复合板，生产过程如图9所示，结果表明产品满足界面I级探伤合格，钛钢复合板的界面结合强度超过MPa。
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结语
全轧制金属复合钢板由于其兼具优异的力学性能和低成本性，以及其生产过程的绿色、高效、环保并具有优异的冶金界面结合等优点，使得全轧制复合板在国民经济以及国家安全领域具有极为广阔的应用前景。现已将VRC技术成功转化到了济钢、鞍钢、南钢、番禺珠江钢管和文丰钢铁等国内大型企业，其生产制备的低合金钢和中碳钢的特厚板、L奥氏体不锈钢/高品质管线钢复合板、镍基合金/管线钢耐蚀复合板和钛/钢复合板等高品质耐蚀复合板已得到用户的充分认可，创造了可观的经济和社会效益，VRC技术也必将成为我国未来复合板制备的主流生产技术。
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本文摘选自本报年第16期B04部分内容，若要详细了解更多相关行业和技术信息，请