低成本低錳鈦微合金化結(jié)構(gòu)鋼的開(kāi)發(fā)

袁婷婷

(山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照 276800 )

在鋼鐵行業(yè)供過(guò)于求的市場(chǎng)形勢(shì)下，產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題突出，隨著近期原料市場(chǎng)價(jià)格上漲，鋼材利潤(rùn)空間不斷被壓縮，低成本戰(zhàn)略依然是企業(yè)取勝的重要途徑。在保證質(zhì)量的前提下，對(duì)量大面廣的結(jié)構(gòu)鋼開(kāi)展低成本制造技術(shù)研發(fā)，對(duì)鋼鐵企業(yè)成本下降有重要意義。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，如果將Q345B鋼中的Nb、V、Ti等合金全部去掉，鋼將失去微合金化作用，厚度方向組織性能差異巨大，表面與心部的晶粒度差異能達(dá)到2級(jí)，且心部偏析嚴(yán)重，尤其是MnS夾雜物較多。本文通過(guò)研究降低Mn、微鈦合金技術(shù)以降低成本、保證質(zhì)量，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 Q345B成分設(shè)計(jì)

鈦的化學(xué)性質(zhì)較活潑，易與鋼中的O、S、N等雜質(zhì)元素結(jié)合形成尺寸較大的化合物，因此鋼中O、S、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的波動(dòng)會(huì)造成化學(xué)成分的波動(dòng)，最終導(dǎo)致產(chǎn)品性能波動(dòng)，因此需對(duì)O、S、N進(jìn)行分析。有效Ti的公式如下：w(Ti)有效=w(Ti)全 -3.4w(N)-3w(S)[1]，氮、硫含量越低，則有效鈦含量越高。根據(jù)實(shí)際煉鋼冶煉水平，[N]可控制在0.007%以下，[S]可控制在0.010%以下，保證[Als]≥0.015%即保證脫氧效果。為保證有足夠的有效Ti，設(shè)定[Ti]≥0.040%。但Ti過(guò)量也存在問(wèn)題，液相中析出的TiN一般為微米級(jí)，而固相中析出的TiN為100 nm左右，TiN的尺寸與鋼中鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，析出TiN粒子越大。由于尺寸較大，液相析出的TiN既不能細(xì)化奧氏體晶粒，也無(wú)沉淀強(qiáng)化作用[2]。因此Ti含量控制在0.040%～0.050%之間。

提高C的含量可以增加TiC的含量，同時(shí)由于Ti對(duì)N的固定，奧氏體中的N相對(duì)少些，也會(huì)增大C在奧氏體中的溶解度。由于TiN/TiC的作用奧氏體晶粒相對(duì)細(xì)小，故冷卻時(shí)C擴(kuò)散也不會(huì)形成尺寸較大的珠光體，對(duì)鋼板的沖擊及延伸影響不大，因此C選擇國(guó)標(biāo)允許的上限。

錳對(duì)含鈦微合金鋼性能的影響主要體現(xiàn)在對(duì)奧氏體形變誘導(dǎo)TiC析出的抑制作用，從而使更多細(xì)小的TiC在隨后的軋制及冷卻過(guò)程中析出，沉淀強(qiáng)化效果更好。研究表明，隨著鋼中錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高，TiC的析出動(dòng)力學(xué)曲線向右移動(dòng)，析出過(guò)程被延緩。錳可以降低γ→α相變點(diǎn)溫度，能提高轉(zhuǎn)變后鐵素體中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使更多的TiC在鐵素體中析出，該析出會(huì)占用大量的游離碳原子，使Fe3C析出數(shù)量顯著降低?？紤]到Mn 在0.80%左右時(shí)沖擊性能最好，同時(shí)考慮成本因素，現(xiàn)將Mn控制到0.75%～0.9%。綜合考慮，Q345B鋼的成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表1所示。

表1 Q345B化學(xué)成分(%)

2 生產(chǎn)工藝

為了使鋼板獲得均勻細(xì)小的晶粒組織，提高鋼板的綜合性能，根據(jù)Ti的碳氮化物固溶析出規(guī)律，設(shè)定合理的溫度制度、變形制度和冷卻制度對(duì)產(chǎn)品的組織性能至關(guān)重要。

2.1 工藝路線

KR鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→脫氧合金化→CAS精煉→LF爐精煉→(VD/RH)→連鑄機(jī)→鑄坯紅送→加熱→控制軋制→控制冷卻→矯直→自然冷卻→切割→取樣→檢查→噴號(hào)→入庫(kù)。

2.2 成分控制

保持鐵水100%進(jìn)行KR脫硫處理，保證低S，目標(biāo)0.003%以下；吹煉過(guò)程早化渣，轉(zhuǎn)爐底吹全程吹氬，不吹氮?dú)?；在精煉過(guò)程中控制好過(guò)程溫度及出站溫度，用鋁充分脫氧后再加入鈦鐵；鋼包出精煉位后進(jìn)行鈣處理，同時(shí)必須保證軟吹氬時(shí)間大于20 min，確保合金成分均勻；連鑄控制過(guò)熱度10～20 ℃，穩(wěn)定拉速，保持液面穩(wěn)定，全程氬氣保護(hù)澆鑄，防止二次氧化及增氮，二冷區(qū)配水采用弱冷模式。

2.3 加熱

高溫液態(tài)形成的TiN顆粒為后續(xù)冷卻過(guò)程中的TiC析出提供了形核點(diǎn)，從而使得優(yōu)先形成的TiN析出物粗化，得到Ti(C，N)復(fù)合析出物。該析出物強(qiáng)烈阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，故較高的加熱溫度也不會(huì)使奧氏體晶粒急速長(zhǎng)大。但加熱溫度過(guò)高，會(huì)使原始奧氏體晶粒過(guò)分長(zhǎng)大，造成最終鐵素體晶粒的粗大。若加熱溫度偏低，則TiC不能完全溶解，將減少軋制后冷卻過(guò)程TiC的析出量，導(dǎo)致鋼強(qiáng)度的下降。設(shè)計(jì)鋼坯加熱時(shí)間8～10 min/cm，出爐溫度控制在1100～1180 ℃，以保證Ti的充分固溶。

2.4 軋制及水冷溫度

開(kāi)軋溫度采用高溫低速大壓下工藝，加大道次變形量，使部分鈦以Ti(C，N)應(yīng)變誘導(dǎo)析出阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，獲得再結(jié)晶細(xì)晶強(qiáng)化的效果。中間坯按照2.5～4倍成品厚度控制，以提高精軋階段未再結(jié)晶區(qū)的累積壓下量，為下一步鐵素體相變提供更多的晶核。精軋溫度設(shè)計(jì)為820～840 ℃，設(shè)計(jì)冷速6～12 ℃/s，終冷溫度650～720 ℃， 使TiC充分、均勻析出，提高基體強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

此產(chǎn)線生產(chǎn)的普通Q345B屈服強(qiáng)度富余量一般在20 MPa左右，性能有波動(dòng)。采用低錳鈦微合金化技術(shù)后，試驗(yàn)結(jié)果表明性能比較穩(wěn)定，且屈服強(qiáng)度富裕量在40 MPa以上，延伸率富余量也基本都在5%以上，沖擊均值大部分在150 J以上，板型全部一次合格入庫(kù)。普通Q345B力學(xué)性能見(jiàn)表2，低錳微鈦合金化Q345B鋼力學(xué)性能見(jiàn)表3。

從試驗(yàn)鋼金相組織(見(jiàn)圖1)可見(jiàn)，組織類型為多邊形鐵素體+珠光體，晶粒度為10級(jí)，晶粒細(xì)小均勻，輕微帶狀組織。與普通Q345B組織相比，晶粒度細(xì)約2級(jí)，帶狀組織較輕。

從試驗(yàn)鋼掃描電鏡(見(jiàn)圖2)可見(jiàn)，鐵素體中可見(jiàn)尺寸較小彌散分布TiC，TiC顆粒直徑基本都在5～50 nm，這是基體強(qiáng)度高的主要原因。并且發(fā)現(xiàn)Ti的硫化物，也呈球狀存在。

表2 普通Q345B力學(xué)性能

表3 試驗(yàn)鋼力學(xué)性能

圖1 試驗(yàn)鋼金相組織 圖2 試驗(yàn)鋼掃描電鏡圖像

4 合金成本分析

原合金計(jì)劃FeMn68Si18 錳硅合金22 kg/t，采用低錳微鈦設(shè)計(jì)后：FeMn68高碳錳鐵12.3 kg/t，同時(shí)增加FeSi75-C硅鐵1.9 kg/t，增加FeTi30-B鈦鐵2.3 kg/t(收得率按67%計(jì)算)。按照目前合金價(jià)格FeMn68Si18錳硅合金6759元/噸、FeTi30-B鈦鐵12053元/噸計(jì)算，噸鋼降成本29.2元。

5 結(jié)論

(1)低錳微鈦Q345B較普通Q345B綜合性能好，組織晶粒度細(xì)2級(jí)左右，鋼板各向異性好。

(2)低錳微鈦合金化技術(shù)措施不僅適用于Q345B鋼板，還可以延伸到其他鋼種，以降低成本，改善鋼板內(nèi)部組織，提升產(chǎn)品質(zhì)量。