380mm特厚低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的研發(fā)

康文舉

（南陽(yáng)漢冶特鋼有限公司鋼鐵研究所，河南 南陽(yáng)474500）

大單重特厚鋼板的用途非常廣泛，主要用于船艦、鍋爐、壓力容器、加壓器、蒸汽發(fā)生器、化學(xué)反應(yīng)合成塔、重油高溫高壓脫硫裝置、水電渦輪的部件及橋梁、機(jī)器機(jī)座、兵器、模具、裝甲及建筑構(gòu)件等方面。傳統(tǒng)的高強(qiáng)度特厚鋼板生產(chǎn)工藝是電渣重熔加鍛造加工而成，生產(chǎn)成本相對(duì)較高［1-2］。本文主要研究在添加微量合金元素V、Nb、Ti、Ni的條件下，采用先進(jìn)的冶煉工藝、合適的錠模澆注，以軋代鍛及后續(xù)的熱處理，成功研制出厚度達(dá)380mm保性能、保探傷、低成本的Q460C特厚鋼板，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外特厚高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板的空缺。

1 工藝路線

鐵水KR脫硫—100t轉(zhuǎn)爐—LF精煉—VD真空脫氣—模鑄澆注—鋼錠脫模—鋼錠加熱—除鱗—3800mm軋機(jī)軋制—緩冷—表面檢查—精整—熱處理—探傷—性能檢測(cè)—入庫(kù)。

2 工藝開(kāi)發(fā)重點(diǎn)

2.1 Q460C標(biāo)準(zhǔn)要求

Q460C鋼種為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其成分及性能按GB/T 1591-2008執(zhí)行。其中，保性能Q460C鋼種在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中極限厚度為150mm，其力學(xué)性能要求見(jiàn)表1。此次開(kāi)發(fā)的380mm厚Q460C的力學(xué)性能需達(dá)到150mm厚Q460C性能標(biāo)準(zhǔn)。

表1 150mm厚Q460C機(jī)械力學(xué)性能要求

2.2 工藝設(shè)計(jì)

鋼板化學(xué)成分設(shè)計(jì)方面，為保證鋼板的低溫沖擊韌性，嚴(yán)格控制鋼中碳含量，減少脆性相的析出，并采用添加Nb、V、Ti、Ni等細(xì)化晶粒元素，確保鋼板強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。應(yīng)用的強(qiáng)化機(jī)理為組織強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。

為獲得較好地內(nèi)部質(zhì)量，確保特厚板三級(jí)探傷要求，必須把鋼水的純凈度控制以及鋼板堆冷作為重點(diǎn)。鋼水純凈度方面，主要控制鋼水中硫、氧及有害氣體含量，其中脫硫采取鐵水預(yù)脫硫工藝，確保入爐鐵水S含量≤0.005%；LF精煉過(guò)程強(qiáng)化造白渣進(jìn)行二次脫硫。脫氧方面，嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C%含量、強(qiáng)化擋渣出鋼，提高鋼水純凈度；另外充分利用LF精煉爐，采用高溫、高堿度、大渣量低氧化鐵造渣工藝進(jìn)一步脫氧，最后通過(guò)VD真空狀態(tài)下延長(zhǎng)保壓時(shí)間充分脫氣。成品鋼板堆垛緩冷可以消除鋼板由于快速冷卻產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時(shí)可以降低鋼板中氫的含量。鋼板堆垛緩冷之前的溫度應(yīng)高于400℃［3］，鋼板下線后堆冷96h。

澆注方面采用48t鑄錠澆注，鑄錠大頭980mm厚，小頭830mm厚，軋制380mm厚鋼板，確保壓縮比≥2.0。鋼錠完全透燒，并采用AR一次軋完。開(kāi)軋溫度控制在1000～1120℃之間，采用高溫低速大壓下軋制，加大軋制力的滲透，道次壓下量不小于45mm，終軋溫度＜950℃，軋制完畢不過(guò)ACC。熱處理保溫溫度為910±10℃，保溫時(shí)間為2min/mm，確保鋼板完全透燒，鋼板出爐后采用風(fēng)冷至室溫。

3 380mm厚Q460C研發(fā)方案

3.1 成分設(shè)計(jì)

鋼板化學(xué)成分設(shè)計(jì)方面，適當(dāng)控制鋼水中碳含量，并采用添加Nb、V、Ti、Ni等細(xì)化晶粒元素，確保鋼板的綜合性能達(dá)標(biāo)，具體的成分控制如表2所示。

表2 特厚Q460C成分設(shè)計(jì)

3.2 冶煉工藝

3.2.1 鐵水要求

①保證入爐鐵水條件：［S］≤0.005%，［P］＜0.080%；

②要求扒渣徹底，保證渣層厚度＜20mm；

③要求入爐鐵水溫度＞1 270℃。

3.2.2 轉(zhuǎn)爐

①嚴(yán)格按照鐵水成分、溫度合理搭配鐵水、廢鋼比；

②入爐廢鋼全部采用邊角料且干燥無(wú)油污；

③保證轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)C≥0.06%，出鋼P(yáng)≤0.018%，保證冶煉終點(diǎn)C～T～P協(xié)調(diào)出鋼；

④點(diǎn)吹次數(shù)不得大于2次，避免出鋼過(guò)程下渣。

3.2.3 LF精煉

①脫氧劑采取電石、鋁線、鋁粒、硅鐵粉脫氧為主；

②一加熱結(jié)束確保爐渣黃白，二加熱初確保爐渣變白；

③成渣后白渣保持時(shí)間≥15min。

3.2.4 VD真空脫氣

①當(dāng)真空度達(dá)到67Pa后，保壓時(shí)間≥20min；

②真空保壓階段盡可能調(diào)大氬氣量充分脫氣；破真空后調(diào)小氬氣量軟吹＞5min（以鋼液面不裸露為主）；

③離站溫度以鋼水澆注溫度控制在：液相線溫度+（20±5）℃為主。

3.2.5 模鑄澆注

3.2.5.1 澆注工藝

錠型48t鑄速本體（min）12～20帽口（min）4～8動(dòng)車時(shí)間（h）≥1.5脫帽時(shí)間（h）≥6脫錠時(shí)間（h）≥9澆鑄△T（℃）20±5

3.2.5.2 澆注過(guò)程技術(shù)要求

①澆注到帽口1/3位置時(shí)，向每個(gè)錠模內(nèi)添加40kg碳化稻殼；

②澆注完畢后，先用氧管將帽口內(nèi)的碳化稻殼鋪平后，再向每個(gè)錠模內(nèi)均勻加蓋絕熱板，然后再向每個(gè)錠內(nèi)添加40～80kg的碳化稻殼，并用氧管均勻鋪平；

③澆注完畢60min內(nèi)，要對(duì)每支錠及時(shí)補(bǔ)加40kg以上的碳化稻殼保證帽口部位不見(jiàn)紅；同時(shí)要求在注畢1-2h內(nèi)，向每個(gè)錠模內(nèi)補(bǔ)加40～80kg的碳化稻殼以確保帽口保溫效果。

3.3 加熱

①鋼錠裝爐后，燜鋼2h，最高加熱溫度≤1 300℃；

②加熱過(guò)程中注意升溫速度，1 000℃以下時(shí)升溫速度≤100℃/h，≥1 000℃升溫速度不限；

③保證鋼錠均勻燒透，嚴(yán)禁鋼錠過(guò)熱、過(guò)燒。

3.4 軋制

①適當(dāng)使用四輥高壓水，除凈氧化鐵皮，保證表面質(zhì)量良好；

②采用AR熱軋不晾鋼直接軋完。開(kāi)軋溫度控制在1 000～1 120℃之間，鋼錠先縱軋消除錐度，待軋長(zhǎng)至3 400～3 600時(shí)開(kāi)始留尾展寬；

③保證終軋溫度＜950℃。

3.5 堆冷工藝

采用高溫堆冷工藝可有效避免因快速冷卻產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時(shí)可大大降低鋼板中氫的含量，改善鋼板探傷缺陷。堆冷溫度≥450℃，堆冷時(shí)間≥96h。

3.6 熱處理工藝

因軋制鋼板厚度為380mm，為確保鋼板板形，軋制后不采用ACC層流冷卻，采用熱處理工藝細(xì)化晶粒、消除帶狀組織，改善鋼板綜合力學(xué)性能。鋼板采用正火+風(fēng)冷熱處理工藝，正火溫度為Ar3+（30～50℃）［4］，保溫時(shí)間為2min/mm，鋼板出爐后放涼鋼臺(tái)架上風(fēng)冷至室溫。

表3 南陽(yáng)漢冶特鋼380mm厚Q460C鋼板實(shí)際成分控制

4 試制結(jié)果分析

4.1 成分控制分析

380mm厚Q460C實(shí)際成分見(jiàn)表3，為保證良好的綜合性能，控制碳當(dāng)量Ceq在0.42以下。C主要與其他元素形成碳化物，起組織強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用，使鋼板強(qiáng)度增加，但碳含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致鋼中珠光體數(shù)量增加，降低鋼板的低溫沖擊韌性，成分上按0.12%～0.16%控制；Mn是細(xì)化晶粒元素之一，主要起固溶強(qiáng)化和降低相變溫度，用以提高強(qiáng)度，但Mn含量不易過(guò)高，否則對(duì)韌性和焊接性能不利，所以Mn含量控制在1.35%～1.55%范圍；Al主要起細(xì)晶強(qiáng)化作用，相比于細(xì)晶強(qiáng)化元素Nb、V、Ti、Ni，其價(jià)格比較便宜，采用模鑄澆注時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生裂紋，因此Al控制在0.045%左右；P、S含量控制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)。總之，整體成分控制穩(wěn)定，滿足380mm厚Q460C成分設(shè)計(jì)要求。

4.2 機(jī)械力學(xué)性能分析

本次共生產(chǎn)380mm厚Q460C8批，其中：屈服強(qiáng)度控制在380～400MPa，平均達(dá)到了385MPa；抗拉強(qiáng)度控制在530～560MPa，平均達(dá)到了545MPa；伸長(zhǎng)率控制在17%～25%，平均達(dá)到24%；20℃縱向沖擊功控制在101～149J，平均達(dá)到了135J，性能指標(biāo)均達(dá)到了380mmQ460C標(biāo)準(zhǔn)要求。表4為Q460C性能實(shí)物水平。

表4 南陽(yáng)漢冶特鋼380mm厚Q460C鋼性能實(shí)物水平

4.3 高倍組織

圖1（a）（b）為鋼板正火+風(fēng)冷后鋼板1/4處組織圖，顯示組織主要為F+P，晶粒度為9～10級(jí)。

4.4 結(jié)論

實(shí)踐證明：按本工藝方案生產(chǎn)的鋼板具有較好的綜合性能，鋼種冶煉過(guò)程中只需添加Nb、V、Ti、Ni等合金元素，減少鋼水冶煉成本，軋后采用正火+風(fēng)冷工藝，不進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序，縮短生產(chǎn)周期，適合大批量生產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

南陽(yáng)漢冶特鋼通過(guò)進(jìn)行合理的成分設(shè)計(jì)，合理的工藝冶煉、模鑄澆注、軋制及熱處理，成功地在100t轉(zhuǎn)爐—模鑄澆注—3800mm軋機(jī)—正火熱處理生產(chǎn)線開(kāi)發(fā)了380mm特厚Q460C鋼板，三級(jí)探傷合格率達(dá)到80%，性能初驗(yàn)合格率達(dá)到100%。該規(guī)格鋼種的開(kāi)發(fā)不僅拓寬了公司品種結(jié)構(gòu)，也滿足了工程制造行業(yè)較高要求，尤其是一些國(guó)家重點(diǎn)工程建設(shè)設(shè)備，創(chuàng)造了良好業(yè)績(jī)，為我公司增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高了產(chǎn)品市場(chǎng)占有率起到了積極的作用。

圖1

［1］王國(guó)棟，劉桐華.日本中厚板生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀［J］.軋鋼，2007（2）：1-5.

［2］代曉莉，范建文，謝瑞萍，等.Nb-Ti微合金化鋼板的工業(yè)試制［J］.軋鋼，2005（1）：11-13.

［3］李欣，黃波.中厚板生產(chǎn)中除氫工藝的合理應(yīng)用［J］.軋鋼，2005（22）：36-37.

［4］劉增沛，張建華.熱處理工藝學(xué)［M］.北京：科學(xué)普及出版社，1986，267.