Q390C熱軋卷板研制開發(fā)

張愛梅

（寶鋼集團八鋼公司制造管理部）

Q390鋼級是一種使用較為廣泛的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，具有焊接性、冷、熱加工性能和耐蝕性能等綜合力學(xué)性能較好的特性，其性能以最低屈服強度不低于390MPa為基本條件，隨其等級的提高，分為A、B、C、D、E五個等級，其中C級是Q390強度級使用比較廣泛的等級。低合金結(jié)構(gòu)鋼Q390C是工程中常選用的牌號，并隨著使用條件要求的提高，對材料的等級相應(yīng)提高，國內(nèi)在開發(fā)該鋼種中通常成分上采用微合金處理，在微合金的使用上以V、Al、Nb一相或多相復(fù)合金為主，在軋鋼環(huán)節(jié)以控軋控冷處理以獲得足夠的強度和韌性，降低鋼材的時效性，提高焊接性和降低焊接對強度和韌性的影響為研究方向，滿足標準和下游用戶的使用要求。近期寶雞石油鋼管公司克拉瑪依分廠，渤海裝備新疆鋼管公司對Q390C熱軋卷板有需求并用于制造熱力水管。為此，八鋼公司根據(jù)該鋼種技術(shù)性能要求,進行了研制開發(fā)，并批量軋制了390C熱軋卷板。

1 Q390C化學(xué)成分及性能要求

牌號Q390C按GB/T 3274《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼熱軋鋼板及鋼帶》執(zhí)行，Q390C低合金結(jié)構(gòu)鋼中要求有害雜質(zhì)含量較低，純潔度和化學(xué)成分均勻性較高。以規(guī)定最低屈服強度為主要特征，并具有一定的綜合力學(xué)性能和工藝性能，其化學(xué)成分要求如表1所示。熱軋后鋼板及鋼帶標準規(guī)定鋼板以熱軋態(tài)狀態(tài)交貨,其性能以GB/T1591《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》為基礎(chǔ)，力學(xué)性能及工藝性能見表2。

表1 Q390C化學(xué)成分要求%

表2 Q390C要求的力學(xué)性能及工藝性能

2 化學(xué)成分設(shè)計思路

Q390C與Q345C屬于低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼,八鋼已成功生產(chǎn)Q345C熱軋鋼卷十幾萬噸,工藝成熟，產(chǎn)品綜合合格率很高。Q390C與Q345C相比,屈服強度要求提高35MPa,抗拉強度要求提高20MPa,伸長率可以降低1%,常溫沖擊功與Q345C要求相同。但用戶為制管用途，要求下屈服強度在原標準不小于390 MPa基礎(chǔ)上將下屈服強度提高至420MPa。因此根據(jù)熱軋工藝特點,在Q345C基礎(chǔ)上提高屈服強度75 MPa，且保證塑性下降不大,必須通過微合金強化的工藝路線及調(diào)整熱軋工藝來提高力學(xué)性能。

碳是鋼中最經(jīng)濟、最基本的強化元素，通過固溶強化和析出強化的作用對提高鋼的強度有明顯的作用。錳是通過固溶強化提高鋼的強度，且錳還是擴大γ相區(qū)的元素，可降低鋼的γ→α相變溫度，有助于獲得細小的相變產(chǎn)物，可提高鋼的韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。錳含量通常不超過1.6%，否則在冷卻時，在0.10%C鋼中轉(zhuǎn)變產(chǎn)生貝氏體，而不是鐵素體-珠光體。鈮是最主要的微合金元素之一，對晶粒細化的作用十分明顯。通過熱軋過程中碳的應(yīng)變誘導(dǎo)析出阻礙形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶，經(jīng)控制軋制和控軋冷卻使精軋階段非再結(jié)晶區(qū)軋制的形變奧氏體組織在相變時獲得細小組織，以保證鋼具有高強度和高韌性。按照標準要求,為了保證最終產(chǎn)品性能,結(jié)合生產(chǎn)Q345C軋鋼生產(chǎn)工藝特點,確定了Q390C的成分設(shè)計（見表3）。

表3 Q390C成分設(shè)計 %

3 冶煉和熱軋工藝設(shè)計

3.1 煉鋼工藝

為有效控制鋼中硫質(zhì)量分數(shù),須嚴格控制入爐鐵水S的質(zhì)量分數(shù),要求鐵水脫硫預(yù)處理后,滿足[S]≤0.015%，溫度≥1250℃；嚴格控制轉(zhuǎn)爐再吹次數(shù)，不應(yīng)超過2次。全程吹氬；終點控制目標［C］≥0.05%，［P］≤0.015%，［S］≤0.025%，溫度 1620～1690℃；出鋼目標時間t≥4.0min，必須嚴格擋渣，轉(zhuǎn)爐出鋼后鋼包鋼水回磷量不大于0.003%；LF爐精煉：LF爐脫硫、去夾雜、鋼水成分調(diào)整、溫度調(diào)整。喂絲后保證軟吹時間≥8min。

3.2 連鑄工藝

連鑄采用全程氬氣保護澆注，保護渣和中包覆蓋劑型號根據(jù)鋼種特性由煉鋼生產(chǎn)現(xiàn)場確定；連鑄開澆第一爐中包過熱度≤45℃，連澆爐次中包TD過熱度不大于30℃，液相線溫度為1515℃；固相線溫度為1466℃。連鑄冷卻方式采用弱冷配水曲線，拉速1.30m/min；采用輕壓下技術(shù),提高鑄坯質(zhì)量。

3.3 熱軋軋制工藝

熱軋TMCP技術(shù)包括控制軋制和軋后的加速冷卻。一方面要控制加熱溫度、軋制溫度、軋制變形時的壓下量，還要在此基礎(chǔ)上控制軋制后的冷卻速率。這樣不僅僅可以獲得一些細小的鐵素體或者奧氏體晶粒，獲得更優(yōu)異的材料力學(xué)性能。為保證Nb的析出強化效果,鑄坯出爐溫度控制在1150～1210℃；終軋溫度控制在840～880℃；層流冷卻采用稀疏冷卻模式,卷取溫度控制在610～650℃，嚴格控制除鱗水壓力,確保除鱗效果。

4 試制結(jié)果分析

4.1 試制實際化學(xué)成分

統(tǒng)計了Q390C成分控制情況，各元素含量完全達到設(shè)計要求，化學(xué)成分范圍見表4。主要成分含量分布見圖1。

表4 化學(xué)成分控制范圍 %

圖1 主要成分含量控制

4.2 軋制工藝參數(shù)

根據(jù)八鋼1750熱軋機組工況條件，設(shè)計了軋制9.1mm及10.9mmQ390C的工藝參數(shù)：（1）連鑄坯均熱溫度目標設(shè)定為1170士30℃；（2）精軋終軋溫度FDT目標設(shè)定860士20℃；（3）連軋后采用稀疏冷卻,卷取溫度CT設(shè)定630士20℃。表5為現(xiàn)場實際軋制部分鋼卷工藝參數(shù)。

表5 Q390C熱軋卷實際軋制工藝參數(shù)

熱卷箱采用直通模式生產(chǎn)，精軋六機架均使用，精除鱗采用雙除鱗模式，各機架負荷分配及活套設(shè)定均由模型設(shè)定。精軋軋制力及電流情況均完全滿足設(shè)備能力要求。卷取目標溫度設(shè)定為630℃，冷卻模式為6/7，前段密集快冷，第一區(qū)不開。成品寬度精度和厚度精度控制良好，表6為部分鋼卷尺寸精度控制情況。

表6 尺寸精度控制

4.3 Q390C熱軋板卷的組織和夾雜分析

對試制厚度10.9mm Q390C熱軋板按國標GB/T10561-2005方法進行抽檢鋼中A、B、C、D類非金屬夾雜物級別檢驗，結(jié)果均小于2.0級，鋼質(zhì)純凈，滿足技術(shù)條件的要求。金相試樣按照標準方法制樣，試樣經(jīng)打磨拋光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在金相顯微鏡下觀察帶鋼微觀組織，組織為鐵素體+珠光體，晶粒度10級,金相組織照片見圖2（照片 1、2）。

圖2 Q390C熱軋卷金相組織

4.4 軋制Q390C力學(xué)性能結(jié)果和分析

4.4.1 Q390C熱軋卷板的拉伸性能及各向異性

為了檢測試制Q390C熱軋卷板的各向異性，對試制的Q390C熱軋卷板取樣，分別進行了橫向、縱向、45方向的力學(xué)拉伸。檢驗結(jié)果如表7所示。結(jié)果表明，三個方向均表現(xiàn)出高的強度，橫向的強度最高，而縱向和45度方向強度相當(dāng)。各向異性特征不是特別明顯。

表7 Q390C不同方向的力學(xué)性能 MPa

表8 試制Q390C的系列溫度夏比沖擊試驗結(jié)果（J）

4.4.2 Q390C系列溫度夏比沖擊性能及各向異性

為檢驗試制的Q390C熱軋卷板沖擊性能的各向異性，對試制的Q390C熱軋卷板取樣，分別進行了橫向、縱向、45方向的系列溫度夏比沖擊試驗。檢驗結(jié)果如表8所示，系列溫度轉(zhuǎn)變曲線結(jié)果見圖3。

圖3 不同溫度下沖擊功

夏比沖擊的結(jié)果表明，試制Q390C熱軋卷的具有較好的低溫沖擊韌性，縱向-40 C的夏比沖擊功可滿足標準要求。從試驗結(jié)果看在該成分體系和組織控制良好的基礎(chǔ)上，可滿足E級鋼級的沖擊試驗要求。與同規(guī)格Q390D、Q390E可采取相同的成分設(shè)計和熱軋工藝即可實現(xiàn)生產(chǎn)。圖4顯示不同溫度下的沖擊斷口形貌。斷口在-40 C溫度下出現(xiàn)脆性斷口。

圖4 縱向試樣不同而溫度下沖擊試樣斷口形貌圖

5 批量生產(chǎn)實績

1750熱軋機組生產(chǎn)的9.1mm及10.9mmQ390C熱軋卷常規(guī)性能檢驗結(jié)果見表9。性能及彎曲試驗全部合格?？梢钥闯雠寇堉频腝390C熱軋板卷熱軋很好地滿足了GB/1591中對力學(xué)性能的要求,性能能力分析見圖5。

表9 批量生產(chǎn)Q390C力學(xué)性能

圖5 熱軋板卷性能能力分析

批量生產(chǎn)的Q390C熱軋板卷鋼板供用戶使用，制作用于熱力管網(wǎng)的管道，（圖6）表面和規(guī)格尺寸精度控制良好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，得到用戶的認可。

圖6 制管用的Q390C熱卷

6 結(jié)論

（1）研制開發(fā)的Q390C熱軋卷板具備優(yōu)良的微觀組織及穩(wěn)定的力學(xué)性能，其力學(xué)性能和工藝性能均滿足國家標準和用戶特殊要求。表明Q390C熱軋卷板的成分設(shè)計、工藝流程合理，制造的熱力水管尺寸精度高、質(zhì)量穩(wěn)定、綜合成材率高。

（2）試制生產(chǎn)的Q390C熱軋卷板，組織為均勻的鐵素體+珠光體,晶粒細小，夾雜物級別較低。

（3）Q390C熱軋卷板強度存在各向異性，橫向強度相對較高，-40℃以上夏比沖擊功各向異性不明顯。并具有較好的低溫沖擊韌性，縱向-40 C的夏比沖擊功可滿足標準要求。從試驗結(jié)果看在該成分體系和組織控制良好的基礎(chǔ)上，可滿足E級鋼級的沖擊試驗要求。

Q390C熱軋卷板得到用戶的認可，該產(chǎn)品的成功開發(fā)對八鋼公司的產(chǎn)品拓展以及經(jīng)濟效益提升有顯著意義。