熱機(jī)軋制Q460系列薄鋼板性能穩(wěn)定性工藝優(yōu)化實(shí)踐

胡智慧，韓德川

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

Q460屬于低合金高強(qiáng)鋼系列，是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入少量的Mn、Si以及微量的Nb、V、Ti、Al等合金元素而發(fā)展起來的一類工程結(jié)構(gòu)用鋼。隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高層建筑、跨海橋梁、深海采油平臺及水電站等大型或超大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和設(shè)備制造大型化的發(fā)展，超薄規(guī)格鋼板的需求量越來越大。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼能滿足工程上各種結(jié)構(gòu)（如大型橋梁、壓力容器及船舶等）承載大的要求，同時(shí)又要求減輕自重，提高可靠性，以及節(jié)約材料和資源的等訴求。隨著社會的發(fā)展，高強(qiáng)度低成本輕量化將是設(shè)計(jì)潮流，在社會生活中的應(yīng)用將越來越廣泛，并將逐步體現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢。本文通過對Si、Nb、V等微合金化調(diào)整，以及熱機(jī)軋制工藝控制，論述薄規(guī)格Q460系列鋼板性能穩(wěn)定性控制、改善板形質(zhì)量、提高成品合格率的工藝條件。

目前，某廠生產(chǎn)的Q460系列鋼板，采用中碳微合金化熱機(jī)軋制，對于薄鋼板來講，板形控制和性能穩(wěn)定性一直是制約交貨速度的關(guān)鍵因素。為了保證軋制成品合格率，滿足快速優(yōu)質(zhì)交貨，特根據(jù)現(xiàn)有成分和工藝條件，對薄規(guī)格Q460系列鋼板的生產(chǎn)進(jìn)行細(xì)微修改和優(yōu)化。

2 化學(xué)成分和工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

某廠采用的為中碳微合金化鋼板，具體化學(xué)成分見表1。

表1 中碳微合金化鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

采用以上成分軋制≤16mm厚度鋼板，出現(xiàn)了屈服強(qiáng)度偏低、抗拉強(qiáng)度超要求上限或伸長率低等性能不合格等現(xiàn)象，并且由于采用TMCP控軋控冷工藝，部分鋼板快冷之后板形質(zhì)量較差，熱矯和冷矯等均無法有效矯直，成品合格率較低，極大地制約了交貨速度。

通過對長期的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)鋼板力學(xué)性能與開軋溫度、終軋溫度，以及快冷后的返紅溫度之間存在一定的關(guān)系，如圖1、圖2所示。

圖1 屈服強(qiáng)度與開軋、終軋和返紅溫度的擬合值

圖2 抗拉強(qiáng)度與開軋、終軋和返紅溫度的擬合值

3 軋制工藝條件對鋼板性能的影響

采用2250m m×260m m斷面坯料，軋制8～16mm等厚度規(guī)格，軋制總長度約60m，為了解精軋軋制工藝條件對鋼板性能的影響，針對以上經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做了如下2組對照，見表2。

表2 精軋軋制工藝條件

試驗(yàn)對照組1：出爐溫度1180℃，在爐時(shí)間3～3.5h，精軋開軋960～970℃。

試驗(yàn)對照組2：出爐溫度1200℃，在爐時(shí)間3～3.5h，精軋開軋920～930℃。

兩組對照組力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)對照組的力學(xué)性能檢測值

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，兩組坯料在不同開軋溫度下，軋制后取頭部和尾部試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，對照組1頭部和尾部力學(xué)性能檢測均不合格；對照組2頭部和尾部物理性能檢測合格，但裕量不高。另外，因?qū)φ战M出爐溫度較低，終軋過程溫降較大，尾部終軋溫度與頭部相差40℃左右，所以導(dǎo)致頭尾性能差異也較大，而試驗(yàn)對照組2出爐溫度較高，鋼板頭部與尾部終軋溫度溫差較小，力學(xué)性能差異也較小。選取力學(xué)性能檢測差異大的試驗(yàn)對照組2的頭部與試驗(yàn)對照組1的尾部進(jìn)行金相組織檢測，如圖3所示。

從圖3可看出，試驗(yàn)對照組1頭部晶粒較試驗(yàn)對照組2尾部晶粒細(xì)小，但頭部和尾部晶粒大小的均勻性都較差，存在一定的混晶，這是導(dǎo)致力學(xué)性能較差的原因。

圖3 兩組試驗(yàn)組頭部和尾部金相組織

根據(jù)細(xì)晶強(qiáng)化理論，細(xì)化晶粒是唯一能提高塑性和韌性的機(jī)理。由于相鄰晶粒取向不同，滑移至晶界時(shí)位錯(cuò)被阻擋并在晶界前形成塞積，而塞積位錯(cuò)應(yīng)力場的強(qiáng)度與塞積位錯(cuò)的數(shù)目及外加應(yīng)力大小相關(guān)，且塞積位錯(cuò)的數(shù)目又與晶粒尺寸有關(guān)，晶粒尺寸越大，位錯(cuò)數(shù)目就越多，所以達(dá)到相同強(qiáng)度的應(yīng)力場時(shí)，細(xì)小晶粒中塞積位錯(cuò)數(shù)目少，所需的外加切應(yīng)力就大，這便是細(xì)晶粒的強(qiáng)化作用[1]。

Nb在鋼中的作用就是提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的。一般鋼中wNb≤0.05% ，當(dāng)wNb＞0.05%時(shí)，Nb對強(qiáng)韌化的貢獻(xiàn)將不再明顯，因此微量的Nb足可使鋼得到極好的綜合性能。因?yàn)樵诘蚇b濃度下，鋼的屈服強(qiáng)度增長較快，并且和濃度成正比，所以當(dāng)wNb＞0.03%時(shí)，強(qiáng)化效果就開始降低。有研究表明 ，當(dāng)wNb＞0.06%時(shí)，多余的Nb對鋼將不再有強(qiáng)化作用[2]。

根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，可知該鋼的未再結(jié)晶溫度約為890℃，而在保證軋制的安全穩(wěn)定以及軋機(jī)的軋制力扭矩的限制條件下，實(shí)際生產(chǎn)≤16mm規(guī)格鋼板時(shí)，開軋溫度一般應(yīng)≥930℃，甚至軋制更薄、更寬規(guī)格或者增加成品長度軋制時(shí)，開軋溫度還要提高，才能保證軋制安全穩(wěn)定。

為了解決開軋溫度與理論上未再結(jié)晶溫度重疊，導(dǎo)致軋制時(shí)產(chǎn)生混晶或晶粒大小不均勻的問題，故對化學(xué)成分又進(jìn)行了調(diào)整，見表4。

表4 調(diào)整后鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

調(diào)整后，計(jì)算的再結(jié)晶溫度由原成分的890℃，提升到成分調(diào)整后的970℃，這樣對于現(xiàn)場的生產(chǎn)控制帶來了極大的便利。為確定調(diào)整后的性能，同樣也做了如下2組試驗(yàn)對照，具體見表5。

表5 調(diào)整后精軋軋制工藝條件

試驗(yàn)對照組3：出爐溫度1200℃，在爐時(shí)間3～3.5h，精軋開軋溫度960～970℃，返紅溫度630～670℃。

試驗(yàn)對照組4：出爐溫度1200℃，在爐時(shí)間3～3.5h，精軋開軋溫度960～970℃，控軋不采用ACC（快速冷卻系統(tǒng)）快速冷卻。

兩組對照組力學(xué)性能檢測結(jié)果見表6。

表6 調(diào)整后試驗(yàn)對照組的力學(xué)性能檢測結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，兩組坯料在相同開軋溫度下（滿足現(xiàn)場實(shí)際軋制溫度需要），軋制后取頭部和尾部試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，均滿足國標(biāo)要求，并且裕量較多。相對化學(xué)成分調(diào)整前出現(xiàn)屈服強(qiáng)度和伸長率低、抗拉強(qiáng)度超上限的情況，調(diào)整后鋼板的力學(xué)性能得到極大的提升。另外，還分別對以上2組試樣進(jìn)行金相組織檢測，結(jié)果如圖4所示。

圖4 調(diào)整后兩組試驗(yàn)頭部金相組織

兩組對照組的不同板形，反映出兩組鋼板組織應(yīng)力不同。組織應(yīng)力又稱相變應(yīng)力，如鋼從L→α→γ→P轉(zhuǎn)變時(shí)，體積會收縮或膨脹，特別是鋼板表面存在較大溫差時(shí)，組織轉(zhuǎn)變不可能同時(shí)進(jìn)行和完成，就會使鋼板內(nèi)外部產(chǎn)生不均勻的變形，從而產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)力，即組織應(yīng)力[3]。

根據(jù)金相組織顯示可知，調(diào)整化學(xué)成分后，由于未再結(jié)晶溫度窗口上移，與實(shí)際現(xiàn)場開軋溫度沒有重疊區(qū)間，通過充分的再結(jié)晶回復(fù)過程，晶粒較為細(xì)小均勻，晶粒度評級為10.5～12級，試驗(yàn)對照組3通過ACC快冷工藝的析出物等帶狀組織也更為細(xì)小。試驗(yàn)對照組4為控軋不通過ACC快冷工藝，軋制板形控制極好，基本無板形不良品產(chǎn)生，極大地提高了生產(chǎn)組織效率和成品合格率。力學(xué)性能及金相組織檢測顯示，試驗(yàn)對照組3結(jié)果優(yōu)于試驗(yàn)對照組4，主要表現(xiàn)在試驗(yàn)對照組3的平均晶粒大小比試驗(yàn)對照組4更均勻細(xì)小。分析原因可能是終軋溫度過高，未通過ACC快速冷卻（試驗(yàn)對照組4）工藝，因晶?；貜?fù)長大而導(dǎo)致的，但均符合預(yù)期指標(biāo)，滿足生產(chǎn)要求。

通過以上的試驗(yàn)對照，選取最優(yōu)的化學(xué)成分設(shè)計(jì)和軋制工藝，經(jīng)過長時(shí)間的生產(chǎn)驗(yàn)證，證實(shí)Q460系列薄鋼板性能穩(wěn)定性的工藝優(yōu)化較為成功。

4 結(jié)束語

1）對于薄鋼板軋制，要根據(jù)實(shí)際軋制工藝條件，選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分，避免因在未再結(jié)晶區(qū)軋制而導(dǎo)致晶粒大小不均勻或混晶的發(fā)生，從而影響力學(xué)性能。

2）通過適當(dāng)提高出爐溫度，或控制好軋制節(jié)奏，保證縮小頭部和尾部終軋溫度的差異，可將頭部和尾部力學(xué)性能差異控制到較低的波動區(qū)間。

3）通過工藝調(diào)整，16mm以下鋼板性能穩(wěn)定性較高，且解決了因ACC快速冷卻而導(dǎo)致的鋼板不平度問題。