代表性研究成果简介(一) 新一代钢铁材料研究与开发
1.背景和意义
钢铁材料是国民经济的重要基础材料，在国民经济的发展过程中起着举足轻重的作用。近年来我国钢铁工业的生产规模不断扩大，钢铁材料的消费量也在不断增加。钢铁工业的快速发展带来了资源、能源消耗过大，环境污染严重等问题，同时我国钢铁产业低档次、低附加值产品所占的比例还很大。所以，对传统的钢铁材料采用有效的加工工艺，大幅度提高其性能，延长使用寿命，有效地提高资源的利用率和回收率，不仅是钢铁材料研究领域的热点，而且也是我国钢铁工业发展的战略之一。
世界主要钢铁生产大国如日本、韩国、欧盟等也非常重视新一代钢铁材料的研究开发，纷纷斥巨资立项研究。我国于1998年启动了国家973计划项目" 新一代钢铁材料的重大基础研究" ，开展结构钢晶粒细化及控制技术基础理论方面的研究工作；2001年启动国家十五863计划项目"500MPa碳素钢先进工业化制造技术" 课题，课题以简单成分系的C-Mn钢为对象，开发扁平材和长型材屈服强度300-500MPa级低成本高性能结构钢先进的冶金生产工艺。
在国家973计划“新一代钢铁材料轧制过程中组织细化的基础研究”和863计划“500MPa碳素钢先进工业化制造技术”项目的支持下，轧制技术及连轧自动化国家重点实验室对新一代钢铁材料的微观组织控制与制造技术进行了大量的研究工作，以量大面广的C－Mn钢为对象，通过轧制及冷却过程的工艺控制，精确控制钢材的微观组织，在不添加或少添加贵重合金元素的条件下大幅度提高钢材的综合性能，从而达到节约资源、提高资源利用率和回收率、减轻环境压力的目的。
2. 主要研究内容
1）低碳钢轧制过程组织控制理论研究
晶粒超细化是提高材料强度和韧性的最有效的方法之一。根据固态相变理论，本项目对低碳钢变形过程及变形后冷却过程的组织变化规律进行了系统的研究。动态再结晶的研究结果表明，当应变速率超过10s-1时，变形过程很难发生动态再结晶。这为低碳钢轧制过程中的能量累积提供了可能。在变形后静态软化过程的研究中，与前人只从温度轴上研究的做法不同，把时间轴也作为一个重要因素加以考虑，从温度和时间两个方面系统考察了变形后静态软化过程的规律，确定了低碳钢实现奥氏体未再结晶控制轧制的参数范围。研究工作从理论上确定了低碳钢获得及利用高形变能工艺窗口及超级钢晶粒超细化的机制。
2）新一代钢铁材料产品开发
在超级钢产品的研究开发中，存在如下问题制约着超级钢的工业生产和推广应用：一是单纯依靠晶粒细化进行强化时，材料的加工硬化能力变差，屈强比过高，这样在对冷成形性要求较高，或者对屈强比有严格要求的建筑结构等使用条件下，单纯依靠晶粒超细化进行强化的结构钢常常不能满足要求；二是低温大变形的轧制方法在实际生产过程中会带来生产节奏减慢、轧制力超限、轧辊磨损严重以及故障率提高等问题；三是在厚度规格较大的细晶粒中厚板的生产过程中，厚度方向会出现组织性能不均匀性，从而影响产品的工程应用。
针对上述问题，本实验室提出了晶粒适度细化与复合强化的技术思路，发明了C-Mn钢组织控制新技术和在现有轧机上生产细晶粒钢材的制造方法与生产工艺，在对钢材成分、生产线主体设备等条件基本不变的前提下，通过对轧制制度与冷却路径的控制来改善钢材组织性能，使成分简单的产品晶粒尺寸细化到3－5微米，屈服强度提高到400－520MPa，产品同时具有优良的焊接性能和成形性能。
热连轧、中厚板和棒线材是结构钢的三种主要生产线。本项研究成果针对三种不同生产线的工艺特点分别确定了低成本高性能热轧带钢、中厚板和棒线材微观组织控制及生产技术。对于热轧带钢，发明了低成本高性能热轧带钢生产技术。利用机架间冷却控制终轧温度比常规低50－120℃，加大轧后冷却速度和冷却强度，控制相变组织，得到在细晶铁素体基体上分布有均匀适量贝氏体的热轧带钢。该方法避免了轧件进入精轧机组前待温及轧制力超限等问题，实现了细晶粒钢带材大批量稳定生产。
对于中厚板，发明了具有均匀组织性能的厚规格钢板的生产技术，采用铌钛复合添加总量小于0.03%的化学成分，充分利用部分再结晶区、未再结晶区的残余应变累积效应，有效地控制α相变形核速度和析出物的钉扎效果，抑制晶粒长大，获得厚度方向具有良好组织均匀性的板材，其屈服强度达到460MPa。对厚度小于50mm的厚板，轧件中部与表面的晶粒尺寸差小于2微米。
对于棒线材，发明了超快速冷却装置和高温精轧-控制冷却的轧制技术，解决了低温轧制生产率低、产品强屈比低以及穿水冷却钢筋淬火层问题，可利用普通碳素钢轧制HRB335和HRB400螺纹钢筋，也可以利用20MnSi轧制HRB400钢筋，不使用任何微合金元素，节约资源，极大地降低了生产成本。
3） 配套工艺技术研究
发明了适用于在现有轧机上生产细晶粒高性能钢材的配套工艺技术和操作方法，包括变精度快速辊缝设定方法，高精度板形、板厚控制技术等。上述发明解决了中厚板轧机过去采用电液联合摆辊缝等待时间长的问题、轧制过程中快速预测轧件厚度问题等难题，为细晶粒高性能钢材组织性能的控制提供了辅助手段，能够在轧件强度级别提高、变形抗力增加的情况下，保证轧件的组织性能与产品的尺寸精度等质量指标符合要求，满足细晶粒高性能钢材投入大批量生产的条件。
4）推广应用情况
超级钢带钢生产技术已经在本钢、鞍钢、宝钢、攀钢、包钢等实现工业化生产，超级钢中厚板在酒钢、湘钢、临钢等实现工业化生产，超级钢棒材在江西萍乡钢厂、甘肃酒泉钢厂、福建三明钢厂、山东石横钢厂等获得大面积的推广应用，取得了巨大的经济效益和良好的社会效益。
3. 主要科技创新贡献
1）提出适度细晶化的学术思想
没有追随当时流行的做法，一味追求晶粒细化的极限（日本：< 1μm）。在分析我国炼钢轧钢现场条件、进行理论计算和大量实验室研究基础上，提出晶粒适度细化的学术思想，以此为指导开发出超级钢原型钢。解决了晶粒过细带来屈强比过高、塑性恶化、焊接困难等老大难问题；发现晶粒细化的适宜尺寸范围： 板带钢3－5微米，棒线材6－10微米；晶粒适度细化可以在当前工业条件下实现。
2）提出超级钢组织控制思路
－利用现代轧制过程的连续大变形，得到细晶、硬化的奥氏体，为后续相变做好组织准备；
－利用快速冷却对硬化奥氏体的相变进行控制，在较低的温度下卷取，得到细小、均匀的铁素体或者铁素体＋贝氏体组织；
－把轧后冷却的控制作为关注的重点，容易在现有的轧制工艺、设备条件下实施，应用于指导超级钢开发的工业实验和工业生产，取得成功。
3）提出复合强化的技术路线
－提出细晶强化和相变强化结合的复合强化技术路线；
－通过细晶强化来提高屈服强度；通过相变强化提高抗拉强度；
－使超级钢获得了理想的屈强比指标，板材、棒线材的综合性能满足使用要求。
4. 主要影响
本项研究成果在低成本高性能结构钢组织控制与产品开发、低碳钢轧制过程中组织演变与控制理论、结构钢强韧化理论与控制技术等方面取得了大量的创新性研究成果，这些研究成果对于我国钢铁企业轧制技术的发展与钢材品种的升级换代、相关制造业的技术进步、材料学科与相关的冶金与自动控制学科的发展、冶金过程物理模拟技术及相关材料实验技术的发展产生了积极的影响和重要的推动作用。
1）以细化晶粒、复合强化、不用或少用合金元素为主要特征的高性能、低成本、低能耗、环境友好的超级钢生产技术，可以为钢铁企业带来巨大的经济效益，因而受到广大冶金企业的广泛欢迎。所以广大钢铁企业对于为了生产低成本高性能结构钢需要进行的技术改造怀有空前的积极性，因而有效地促进了钢铁企业的技术进步，在提升和改造钢铁产业方面做出了重要贡献。以中厚板和棒线材厂为例，原来我国的中厚板和棒线材厂轧机能力和轧后冷却能力普遍不足，在接受了低成本高性能化的思想之后，无论是新建的生产线还是对现有的生产线进行的技术改造，均把低成本高性能结构钢的生产考虑在建设方案或改造方案之中，而且把超级钢列入企业的产品大纲，如首钢、济钢、华菱湘潭钢厂、三明钢厂、萍乡钢厂等。对于带钢厂来说，虽然不需要进行较大的设备改造，但有关厂家在超级钢生产过程中工艺参数的控制及相应的管理工作方面进行了大量的工作，有的还将低成本高性能结构钢的思想应用于其它品种的轧制生产上。
2）汽车工业、石油管线、建筑业等采用低成本的低成本高性能结构钢可以有效地降低制造成本，促进了相关产业的发展。除此之外，本项研究成果在采用低成本高性能结构钢进行结构减重以降低钢材用量方面取得重要突破，超级钢车轮钢在龙口车轮厂成功应用，节省钢材用量20%以上，结构减重20%以上。这一重要成果向有关制造业、建筑业展示了结构减重、大幅度节省钢材用量、降低成本的美好前景，因而受到这些企业的广泛欢迎，有力地促进了这些产业的技术进步。
3） 研究工作极大地促进了材料学科的发展，课题在材料成型过程组织演变及控制、形变诱导相变、再结晶理论、强化机制与材料综合性能之间的关系等方面的研究成果丰富了金属固态相变、钢的控轧控冷、钢材组织性能学等理论。超级钢冶炼、轧制生产过程的工艺技术开发还促进了相关炼钢、轧制过程自动化等学科的发展。
研究成果“低碳铁素体/珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术”获2004年国家科技进步一等奖，“提高C-Mn钢综合性能的微观组织控制与制造技术”获2007年国家技术发明二等奖。超级钢理论研究及产品开发作为国家973计划和863计划的标志性成果在学术界产生了广泛的影响，多家新闻媒体给予了充分的报道。科技日报2003年在一篇专栏文章中指出：“超级钢对我国钢材品种更新换代将产生重要影响，作为里程碑式的标志载入钢铁产品开发的史册”。