艾伯纳工业炉（太仓）有限公司
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一、研究背景
高端制造和重大工程对绿色低碳高端特殊钢线材提出了迫切需求。特殊钢线材是高端制造和重大工程必不可少的关键基础材料。“双碳 ”背景下对超高强度钢、免热处理钢等绿色低碳高端特殊钢线材提出了迫切需求。国内现有线材普遍采用风冷技术，存在冷却能力不足、合金消耗多、性能难以突破极限等问题，个别产线在线水浴技术存在冷却不均等问题，均无法稳定生产高端特殊钢线材。离线铅/盐浴热处理技术工序复杂、CO2 排放高、环境污染严重。而在线盐浴热处理 技术具有流程简约高效、温度控制稳定和 CO2 排放少等特点，但技术复杂、开发难度大，目前全球范围只有日本新日铁公司开发了相关技术和装备，并对外严格封锁，牢牢控制着超高强桥梁缆索、帘线和预应力绞线等高端线材市场。因此，开发具有自主知识产权的线材在线等温热处理技术和装备，是实现我国高端特殊钢线材绿色低碳稳定生产的必由之路。
二、总体研究思路与技术路线
青岛特钢于2015年立项实施在线盐浴等温热处理技术与装备研究项目，通过“先离线、后在线 ”的方式，自主开发了具有自主知识产权的特殊钢线材在线盐浴等温热处理技术，自主设计集成了国内首套装备，开发出三大类高端特殊钢制造技术和系列产品，如图1所示。
图 1 项目总体研究思路与技术路线
三、主要创新成果
创新点一：开发了宽温域、高稳定特殊钢线材在线等温热处理技术。针对现有技术控温能力不足、产品受限的问题，构建了抗瞬时热冲击、耐反复热交换的宽温域、高稳定熔盐体系，研发了盐浴高强度换热和合金减量化设计技术，实现了盐浴温度波动≤±2℃ 、高端特殊钢线材显微组织柔性控制和降本提质。
研发了适用于线材在线等温热处理复杂工况 的熔盐体系 。熔盐熔点 83-220℃ , 分解温度 535-625℃ , 通过了抗1000次大温差冷热冲击和耐1200h恒高温热稳定试验，长期安全稳定使用温度范围150-580℃。
表 1 盐浴热处理熔盐系列基础物理参数
线材吐丝后直接进入盐浴，通过调整盐浴温度即可获得细片层珠光体（索氏 体）、贝氏体、马氏体组织。QM 产线可用于高碳钢索氏体等温淬火热处理、中低碳钢贝氏体等温淬火热处理和淬火热处理。
图 2 QM 典型热处理工艺示意图及对应组织形貌
通过流场设计维持盐浴在高产量、大热量工况下的温度稳定性。得益于盐槽内部盐液的剧烈流动和加热冷却装置的灵敏反应，生产过程中盐液温度可稳定在设定温度±2℃以内。
图 3 QM 产线盐浴过程熔盐温度波动控制
由于高碳钢珠光体相变速度极快，产生了大量相变热而使线材风冷时温度升高出现“返温 ”现象，从而导致产生较多先共析网状渗碳体、游离铁素体等异常组织。QM 工艺则具有冷速快、相变返温影响极小、等温时间长的优点，得到均匀的索氏体组织。
图 4 QM 与风冷工艺相变曲线示意图
YL82经QM处理后，较风冷工艺最高强度提升100MPa，断面收缩率提升5-10%。
图5 QM盐浴温度对YL82B 线材拉伸力学性能的影响
以典型产品桥梁缆索为例，QM 工艺可免除客户铅浴处理实现 2100MPa 级超 高强度产品直接制造成钢丝，如表 2 所示。
表 2 传统风冷与QM 工艺流程及其线材深加工工艺对比
创新点二：自主设计、集成了国内首套线材在线等温热处理装备。基于宽温域、高稳定在线等温热处理技术，集成余热回收技术、烟气/清洗水处理环保技术，建成了具备20万吨/年生产能力的产线，实现了热轧线材余热资源回收利用、 烟气无害化、盐/水循环使用和绿色低碳稳定生产。
主设备实现了对数百吨级盐浴淬火槽可根据不同生产效率、淬火工艺，对盐槽内部加热、冷却系统进行自动化控制，保证盐浴温度波动在±2℃以内。
图 6 QM 产线结构图
首次实现了热轧钢材余热资源的高效回收。以高碳珠光体钢产品为例，QM产线连续生产条件下年产高品质3.5MPa中压蒸汽 2.06万吨。计算轧后冷却工序的CO2排放量，风冷工艺约为 41kg/t钢，QM 工艺为-16kg/t钢，而离线盐浴工序的CO2排放量为447kg/t钢。利用硝酸盐及其分解氧化物极易溶于水的特点设计了烟气无害化处理设备，实现了烟气处理后颗粒物浓度不高于 10mg/m³ , 氮氧化物不高于100mg/m³。利用硝酸盐在水中溶解度随温度变化大的特点，通过三效蒸发的方式，将QM处理后线材清洗水中溶解的硝酸盐提取出来，实现盐和水的 循环使用。
创新点三：开发出超高强高碳珠光体钢、中碳贝氏体非调质钢和免退火低碳 合金钢等三大类高端特殊钢制造技术和系列线材产品。
基于QM工艺的技术特点，并结合桥梁缆索的生产工艺特点和性能要求，设计了桥梁缆索用超高强高碳珠光体钢线材。显微组织主要为均匀的索氏体组织，索氏体片层间距为60~90nm。与斯太尔摩风冷工艺相比，QM 工艺的线材具有组织更细小均匀、强度更高以及通条性能更均匀等优势。
图 7 QM 处理 2 100 MPa 桥索用钢显微组织
QM盘条抗拉强度最高达1620MPa，平均值为1595MPa，同时平均断面收缩率大于30%，具有超高强度和高塑性的特点。相同规格下QM线材抗拉强度较传统风冷产品提升10%~15%，断面收缩率提高40%~50%，且波动更小。
图 8 QM 与传统风冷工艺生产的 2 100 MPa 级桥索钢盘条力学性能
盘条经拉拔、镀锌铝和稳定化处理后获得的桥梁缆索镀锌铝钢丝的抗拉强度达到2135MPa，扭转次数18~25次，且断口平齐，完全符合。7mm 系列2100MPa级桥梁缆索钢丝的各项指标要求。
图 9 桥梁缆索镀锌铝钢丝拉伸曲线和扭转断口
针对紧固件高强轻量和绿色低碳的发展方向，基于QM工艺特点，通过贝氏体组织设计，实现了高韧塑性8.8级非调质紧固件用钢无贵重合金化和减小冷变形量的绿色开发和应用。由于QM技术可以精准控制线材的冷却速度和相变温度，使其根据强度要求获得相应的贝氏体组织，从而大大降低了对合金元素的依赖。
图 10 QM 工艺贝氏体非调钢 SEM 组织
相同工艺条件下，仅改变轧后冷却方式，QM工艺处理的盘条与传统风冷工 艺处理的相比，抗拉强度提升了24%~30%，拉拔量由32%降低到25%就可获得更高强度的钢丝。母材和拉拔后精丝具有优异的塑性，母材、精丝和模拟热处理后断面收缩率均不低于60%，满足1/6冷顶锻要求。
与传统铁素体型、铁素体+马氏体双相钢非调钢相比，在取消Nb、V、Ti 微 合金元素添加情况下，QM工艺通过获得贝氏体组织实现性能大幅度优化，如图。
图 11 非调质钢力学性能对比
高强度合金焊丝因合金元素的加入，奥氏体稳定性大幅提高，使用传统工艺 很难实现免退火拉拔。在其他工艺条件相同的情况下，传统风冷工艺线材显微组 织以铁素体为主，在铁素体基体上分布着少量珠光体、块状马氏体和贝氏体。焊丝钢线材经QM处理后的典型显微组织为铁素体基体上均匀分布着尺寸细小的贝氏体和马氏体。
图 12 不同工艺下焊接用钢盘条的显微组织
传统风冷工艺线材由5.5mm拉拔至3.6mm即出现断裂；QM工艺线材则能够直接拉拔至1.23mm并在镀铜后继续拉拔至1.20mm 得到成品焊丝，未发生断丝。QM工艺生产的高强度特焊盘条虽然抗拉强度提高，但变形能力更高，可实现免退火拉拔加工。
图 13 不同工艺焊接用钢免退火拉拔后的显微组织
四、推广应用情况
项目申请专利30件，其中授权发明专利4件、实用新型专利17件，主持制定团体标准2项，参与制定国际标准、行业标准、铁路标准各1项。中国钢铁工 业协会组织的科技成果评价认为，该项成果达到国际领先水平。近3年累计生产高端特殊钢线材11.28万吨。以超高强桥梁缆索为例，全流程吨钢CO2减排504kg。产品已供法尔胜、宝泽龙、贝卡尔特、江苏兴达、韩国现代等二十余家线材深加 工企业使用，应用于15 座大跨度桥梁（世界最大跨度三塔两主跨斜拉桥巢马大桥、世界最大跨度全离岸海中悬索桥伶仃洋大桥等）、雄商高速铁路等重大工程， 和汽车、高铁机车等高端制造领域。QM 系列新产品可应用于大跨度桥梁、高速铁路等重大工程，汽车、海洋装备、军工装备等高端制造。
图 14 QM 产品典型应用领域
2024-04-02
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