感应加热在AHSS钢板加热和增强性能中的应用

该项目旨在推动与用电感应加热技术替代钢铁制造的燃烧加热相关的技术研发，以实现可持续的钢铁生产。本文研究了模拟感应退火与传统连续退火对第三代先进高强度钢板微观组织发展和力学性能的影响。项目成果旨在帮助行业，特别是汽车原始设备制造商的钢材供应商，在保持或提高产品性能的同时实现工艺能耗和减少排放，从而促进钢铁行业加热工艺的脱碳，向电气化和低碳燃料能源过渡。

项目目标

这项工作的目标是：(1)探索感应加热取代传统燃气连续退火炉的可行性，同时通过应用基础材料工程原理提高先进高强度钢板的性能；(2)通过研究、教育和工业现场参与提高学生对先进钢铁物理冶金和可持续制造技术的兴趣。

项目详细信息

背景与意义

钢铁工业脱碳的一个重要途径是加热炉的电气化，包括连续退火线加热/均热阶段，其中用于工艺加热的大部分能源来自化石燃料（即通过燃烧天然气）。[1]值得注意的是，对于包括钢材表面硬化和回火工艺在内的各种热处理，感应加热是一种相对发达的技术，但目前的感应加热技术尚未用于需要相对高温加热的大规模、连续加热或热机加工的技术上来，与传统的燃气炉相比，通过感应加热可以缩短加热和均热时间，这将有利于节省能源和减少排放，并增强某些微观结构的性能。[2]然而，较短的感应加热时间也可能导致加热过程中的热梯度问题和最终产品的微观结构不均匀。近几十年来，全球范围内广泛的研究活动导致了新钢材产品的开发，例如用于汽车上的先进高强度钢（AHSS）。在实施感应加热技术以完全取代传统炉的工艺，钢铁生产商面临的挑战是为各个钢种牌号确定和优化有前途的工艺路线，以使其与感应加热技术更加兼容。因此，本研究旨在解决以下问题：

•研究问题#1：与传统连续退火微结构相比，哪些感应加热条件会导致具有同等或增强性能的微结构？

•研究问题#2：什么是“工业相关”的感应加热参数和相关循环，可以节能地取代目前基于燃气炉的连续退火实践？

开会及车间

项目团队举行了开球会和几次会议，以设计实验和活动，所有团队成员达成共识，包括参与的教师、学生和工业现场导师（米国钢铁公司、Fluxtrol和Cleveland-Cliffs公司）。该团队还参加了2024年3月的ASPPRC半年度会议，学生们在会上展示了他们的研究成果，并收到了钢铁生产商和用户公司的反馈。这种互动为学生提供了进一步完善和改进当前研究的见解和指导，例如，在实验活动和工业相关的工艺设计方面。

该团队与科罗拉多矿业学院先进材料分会（CSMMAC）以及ASPPRC的研究生合作，组织了一个由学生主导的研讨会，讨论用电感应加热技术替代钢铁制造中的加热过程，以实现可持续的钢铁加工的机会。来自钢铁行业的主题专家（Cleveland-Cliffs的Malavikha Rajivmoorthy和Eliseo Hernandez Duran以及美国钢铁公司的Matthew McCosby）应邀参加了本次研讨会。他们介绍了“与连续退火炉（CAL）相关的当前工业退火实践”，并就“连续退火炉电气化”的可用选项和现实限制给出了他们的观点。参与的研究生/本科生还进行了小组讨论，主要围绕两个主题：

•过渡到可持续的钢铁制造技术（如感应加热）可以带来哪些好处？可能会产生哪些就业机会？

•目前有哪些技术挑战阻碍了感应加热在钢铁加工中的广泛采用？为了促进钢铁制造的电气化，需要哪些主要的研发领域？

采用感应加热技术进行可持续钢铁加工的主要好处包括使用绿色电力，实现更高的热效率，减少加工时间和对空间的需求，以及产品的机械性能潜在改进。讨论还强调了合金开发和感应加热在各种钢种产品中的应用中原始材料显微组织的重要性。表面质量控制主题包括快速加热对减少氧化铁皮和选择性氧化的影响，重新优化加热气氛条件的必要性，以及温度测量方面的挑战。操作方面的考虑因素包括在相对较高的温度下磁导率的损失、不同的热处理窗口、局部加热问题、与传统技术的成本比较以及感应加热设备的维护。劳动力发展被认为是至关重要的，需要物理冶金和电气化加热技术方面的专门知识，强调跨学科知识。

从ASPPRC会议和学生主导的研讨会中获得的反馈被应用于本研究的实验设计中，特别是为传统的连续退火和感应退火设计“工业相关”的热循环。

研究活动

在工业合作伙伴的指导下，项目团队确定了两种用于汽车应用的AHSS合金成分。浦项制铁提供中锰（3~5wt. %）钢，即第三代AHSS牌号，专为淬火和碳分配（Q&P）应用而设计。加入额外的合金元素，特别是Si和CR，以抑制渗碳体和贝氏体的形成。详细的成分是有专利的。采用光学显微镜（LOM）和扫描电镜（SEM）研究了合金冷轧（接收）时的显微组织。图2显示了具有代表性的SEM显微图，显示了在冷轧状态下可能包含变形珠光体和马氏体的复杂显微组织。利用膨胀法确定每种合金与升温速率相关的临界转变温度，即A_c1，A_c3, M_s，然后利用这些温度设计合适的热循环，用于模拟感应和常规连续退火。

图1项目团队成员使用Gleeble-3500热械模拟实验机优化热处理策略和条件(a)。团队成员对优化微观结构的钢试样进行拉伸试验(b)

图2  中锰（3wt.%）钢冷态显微组织的扫描电子显微照片

通过模拟常规退火和感应退火两种不同的工艺路线制备了连续退火组织。首先，常规循环是基于特定于两种中锰钢的常见连续退火实践设计的。在本案例中，Q&P工艺被选为第三代AHSS的参考热循环工艺。其次，根据工业合作者的指导，用通用电感设计选择“工业上可行”的感应退火周期。在这里，我们的工业导师和合作者（米国钢铁公司，Fluxtrol公司，Cleveland-Cliffs公司和Fives Group）根据他们在工业感应实践和传统连续退火线（CAL）方面的技术专长，对这一工艺设计提供了重要的反馈。图3显示了研究中使用的两个具有代表性的热循环：常规退火和感应退火。请注意，快速感应退火可以缩短工艺时间，如图3所示。利用这些热循环进行了膨胀测量实验。

图3对3wt.% Mn钢进行常规(a)和感应(b) Q&P退火模拟的热循环。请注意，根据膨胀试验的结果，对5wt.% Mn钢的工艺参数进行了调整

用磁化饱和法和扫描电镜对膨胀法制备的热处理AHSS试样的微观结构进行了表征。图4a显示了用磁化饱和法测量的残余奥氏体体积分数与两种中锰钢在Q&P工艺处理后淬火温度（TQ）的关系。在两种合金条件下，在T_Qmax时，最终组织中残余奥氏体的体积分数达到最大值，低于T_Qmax，奥氏体体积分数量随着T_Q的增加而增加。在T_Qmax以上，随着T_Q的增加，最终淬火前奥氏体的稳定性降低，导致二次马氏体的体积分数增加。这些结果与先前研究中锰钢Q&P响应的报告一致。[3,4]有趣的是，与传统的Q&P相比，经过模拟感应退火的Q&P后的显微组织显示出更高比例的残余奥氏体。这些结果突出了快速感应加热在稳定残余奥氏体方面的好处。需要进一步的研究来解释澄清快速热处理后残余奥氏体组分增加的原因。通常报道，由于较短的热处理时间，组织细化有助于稳定残余奥氏体。此外，在较短时间的热处理过程中，由于渗碳体溶解不完全导致的富碳区域可能有助于保留奥氏体的稳定。图4c中的箭头突出了排列的特征和颗粒相，这些特征和颗粒相可能是未溶解的渗碳体或部分转化为残余奥氏体的区域。如图4b所示，这些特征在常规的Q&P处理的微观结构中没有观察到，因为常规的循环有较长的奥氏体化时间，以实现渗碳体的几乎完全溶解。图4a显示，随着Mn含量从3wt.%增加到5wt.%，残余奥氏体分数增加，这与Mn作为奥氏体稳定剂的作用是一致的。与最大残余奥氏体分数T_{Q max}相对应的温度也降低了，部分原因是Mn的加入降低了马氏体的起始温度。

图4  测量了两种分别含3wt.%和5wt.%Mn的中锰钢在Q&P处理后的淬火温度对残余奥氏体分数的依赖关系。(a)常规Q&P和(b)模拟感应退火Q&P后组织的SEM显微图。(a)中的组织是在840℃淬火45秒，然后淬火至180℃，在300℃温度下碳分配90秒，进行奥氏体化处理。(b)经880℃奥氏体化8秒，淬火至180℃，300℃温度下碳分配处理90秒得到。这两种条件都与最大残余奥氏体分数条件有关

图5显示了3wt.% Mn合金经过常规Q&P和模拟感应退火后的典型拉伸曲线。两种工艺路线都产生了相当的拉伸性能，表现出超过2GPa的超高拉伸强度和中等到高的延展性。值得注意的是，与传统的Q&P条件相比，感应加热退火条件下的奥氏体含量略高，这使得总伸长率略有提高，抗拉强度略有降低。通过确定感应加热条件，这些结果直接解决了研究问题#1，与传统的连续退火微观组织相比，感应加热条件导致的微观组织具有等效或增强的性能。

图5  通过沿轧制方向的单轴拉伸试验获得了3wt.%Mn钢的两个具有代表性的组织的工程应力-应变曲线。常规的Q&P条件是：在840℃下奥氏体化45秒，淬火至140℃，在300℃温度下碳分配90秒。感应退火模拟条件为在880℃下淬火8秒奥氏体化，然后进行相同的淬火和碳分配步骤

在Fluxtrol和米国钢铁公司工业导师的支持下，项目团队确定了工业相关的感应加热参数，并使用ELTA 7.0软件进行感应退火的计算模拟，包括多级带材加热，以评估能源效率和功率需求。场景1的计算结果表明，在假设全纵向磁通线圈设计和马氏体启动组织的情况下，在居里点温度下电效率超过95%；然而，在居里点温度以上，根据特定的温度和电流/频率组合，效率显著下降到84.0%（原文是840%，估计笔误。）。相反，当横向磁通线圈在居里点温度（场景2）以上使用时，电效率达到97~98%，在更高的温度范围内显示出显著的效率优势。这些发现通过确定工业相关的感应参数和加热循环，可以有效地取代传统的连续退火实践，直接解决了研究问题#2。详细的结果和相关的感应加热参数目前正在记录和准备出版。

（信息来源：唐杰民冶金40年）