Q460C中厚鋼板控軋控冷工藝開發

趙虎，宋維兆，朱豪，向華

（新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠）

1 前言

Q460C鋼板主要用于制造煤礦液壓支架、刮板輸送機等工程機械。礦用機械的制造工藝和使用環境特殊，要求鋼板有較高的強度、塑性和低溫韌性，以及良好的焊接性能和低的缺口敏感性。隨著TMCP技術日益成熟，“水是最廉價的合金元素”這一觀點已被普遍接受，低合金高強鋼的合金減量化的低成本生產成為現實[1]。Q460C鋼板的生產工藝由最初的高碳高合金的調質或控制軋制，逐步向低碳微合金化的控軋控冷工藝方向發展。

八鋼公司在120t轉爐和4200/3500mm中厚板產線生產厚度16～30mmQ460C鋼板時，最初采用控制軋制工藝生產，添加了較多的Nb、V、Ti等合金元素，依然存在強度余量不足。過高的碳含量在提高鋼板強度的同時，容易引起延伸率、低溫韌性、焊接性能等指標變差。為了提高Q460C鋼板的綜合性能，并降低生產成本，開展了控軋控冷工藝和組織性能的試驗研究，通過工藝制度的優化，生產出了合格的Q460C鋼板，并實現批量生產。

2 Q460C鋼板的工藝開發

2.1 化學成分和性能要求

國標GB／T1591--2008所規定的力學性能如表1所示，化學成分如表2所示。

表1 Q460C鋼板國標力學性能指標

表2 Q460C國標化學成分 wt，%

2.2 工藝設計的依據

相關研究及生產完成表明[2-4]，熱軋態屈服強度390MPa鋼板，利用ACC控冷工藝，組織為鐵素體+珠光體時強度可升高30～50MPa，組織為貝氏體+鐵素體或貝氏體時強度可提高100MPa以上，可以達到Q460C鋼板性能要求，在不增加合金成分的基礎上，可以實現鋼種升級。采用C-Mn-Nb成分體系、兩階段控軋及軋后快速冷卻工藝生產，鋼板組織為表層細晶或貝氏體，化學成分、精軋累計壓下量、終軋溫度、冷卻溫度等參數是影響鋼板組織性能的主要因素。結合八鋼公司低合金結構鋼板的生產經驗[5-6]，在C-Mn-Nb成分系Q345基礎上，通過成分調整和工藝優化，開發生產厚度16～30mmQ460C鋼板。薄規格軋后空冷溫降大于厚規格，為保證開冷溫度，需要提高終軋溫度，控軋效果減弱。16mm鋼板的屈服強度下線比厚規格高20MPa，需要按厚度分檔設計不同的化學成分和工藝參數。

2.3 Q460C產品的工藝設計

2.3.1 工藝流程

Q460C鋼板采用120t轉爐冶煉的厚度250mm板坯，在4200/3500mm中厚板生產線軋制。工藝路線：鐵水預脫硫—120t轉爐冶煉—LF精煉—RH精煉—板坯連鑄—加熱—高壓水除鱗—4200mm粗軋機軋制—3500mm精軋機軋制—ACC冷卻—矯直—剪切—取樣—檢驗—入庫。

2.3.2 化學成分設計

Q460C鋼板采用C—Mn—Nb成分系，化學成分設計以獲得鐵素體/貝氏體為主線，綜合考慮焊接性能，并適量添加有利于提高控軋控冷效果的合金元素。降低C含量并控制碳當量可改善鋼板的塑性和焊接性能。增加Mn含量有促進鋼貝氏體化的作用，可以降低Ar3溫度，同時Mn通過多種機制有效地提高鋼的強度。適量添加Nb—V—Ti復合微合金化，通過合理工藝控制可有效細化晶粒、增強析出強化作用，Nb還能抑制加熱過程中晶粒長大和提高奧氏體再結晶溫度。此外，煉鋼過程中，采用潔凈鋼冶煉技術和鈣處理，嚴格控制鋼中的S、P、O含量及夾雜物形態，有助于提高沖擊韌性。

厚度25～30mmQ460C化學成分見表3，碳當量0.36%～0.41%，抗裂紋敏感系數0.20%～0.26%。厚度16～20mm在該成分基礎上，Nb、V含量有所增加，以強化控制控冷效果。

表3 25～30mmQ460C化學成分 wt，%

2.3.3 軋制工藝參數設計

根據表3的化學成分，控軋態鋼板的屈服強度為380～410MPa，抗拉強度 510～570MPa。需要通過控軋控冷工藝將屈服強度提高100MPa以上，才能達到Q460C鋼板的國標要求。采用二階段控制軋制及軋后ACC快速冷卻工藝生產。主要工藝參數：加熱溫度1200～1260℃，加熱時間大于210分鐘；粗軋結束溫度大于980℃，中間坯厚度2.5～3.5倍成品厚度，道次壓下率8%～15%；精軋階段，16mm開軋溫度940℃，其余厚度規格均在900℃以下，終軋溫度小于830℃，道次壓下率10%～15%；鋼板終冷溫度570～620℃，返紅溫度 600～660℃，冷卻速度 5～13℃/s。

表4 Q460C鋼板軋制工藝參數

表5 Q460C鋼板性能檢驗結果

2.4 產品性能檢測

2.4.1 軋制實績與性能

控軋控冷參數統計見表4，力學性能結果見表5。冷彎和沖擊全部合格。與軋態相比，屈服提高118MPa，抗拉提高65MPa，延伸降低7%，性能檢驗合格率96.3%。不同鋼板的性能離散度較大，16mm屈服強度合格率偏低，25mm和30mm延伸合格率偏低。

2.4.2 金相組織

對鋼板拉伸試樣取金相試樣，放大500倍觀察厚度1/4和1/2處的顯微組織見圖1和圖2，力學性能見表6。1#試樣厚度1/4處組織為F+P+B，心部厚度1/2處組織以鐵素體為主，在偏析帶上有粒狀貝氏體。2#試樣厚度1/4和1/2處主要以貝氏體為主。

圖1 1#試樣金相照片

圖2 2#試樣金相照片

表6 取樣鋼板金相檢驗性能

3 分析與討論

3.1 控軋控冷溫度控制精度

根據生產結果，Q460C鋼板最佳的屈服強度和延伸率為：屈服強度480～530MPa、延伸率18%～22%，理想的組織為表層和1/4厚度為貝氏體，心部為鐵素體和珠光體。冷卻強度偏低時，組織為鐵素體和珠光體，鋼板強度偏低；冷卻強度偏高時，產生過多的貝氏體，延伸又會降低。根據公式（1）計算產生50%貝氏體需要冷卻到605℃，545℃時鋼板全厚度轉變為貝氏體。因此，終冷溫度應控制在580～610℃。

對比生產實績發現，終軋溫度、開冷溫度和終冷溫度的波動幅度達到40℃，這也是造成性能異板差較大主要原因。在軋制和冷卻過程中，待溫厚度、開軋溫度、精軋道次數、ACC集管開啟組數、水量水比、輥道速度等參數均存在波動，直接影響軋制和冷卻過程的溫度控制精度。

3.2 鋼板初驗和復驗的性能差異

在鋼板頭部圓弧切除200～300mm取樣，各鋼板的取樣部位相同。初驗性能異常時需復驗，復驗與初驗樣均在同一塊中樣上制取，通常在初驗后12小時完成復驗。統計Q460C鋼板的初復驗屈服強度和延伸率差異，如圖3和圖4所示，復驗的屈服強度降低、延伸率升高。初驗屈服強度小于460MPa時，復驗性能變化較小。隨著屈服強度升高，復驗后的屈服強度降幅和延伸率升幅均增加。初驗屈服強度大于600MPa時，復驗的屈服強度降幅可達40～50MPa，但16mm鋼板的延伸率升幅減小。

圖3 初復驗的屈服差異

圖4 初復驗的延伸率差異

控冷鋼板存在明顯的時效。屈服強度460MPa時鋼板全厚度組織均為F+P，屈服強度在500～550MPa時表層和1/4厚度存在貝氏體，屈服強度大于600MPa時全厚度均為貝氏體。鋼板的貝氏體組織含量越高，時效越明顯，而且厚鋼板的時效大于薄鋼板。

3.3 堆緩冷對性能的影響

萬德成等人的研究認為[7]，對貝氏體鋼進行250～350℃回火處理，可以獲得良好的強度和塑韌性。鋼板軋后快速下線堆緩冷，可以達到低溫回火的效果。Q460C鋼板經過ACC水冷，熱矯直機矯直后，在滾盤式冷床上空冷降溫。實測鋼板空冷溫降過程，從610～630℃降低到250℃，16mm鋼板需20分鐘，20mm鋼板需30分鐘，25mm鋼板需40分鐘，20、25和30mm鋼板具備堆緩冷條件。20mm鋼板180～230℃堆冷，25mm 和 30mm 鋼板 247～280℃堆冷，12～24小時后剪切取樣，性能檢測結果如表7。與直接剪切的性能相比，屈服強度略有降低，延伸率上升，屈服和延伸性能匹配性增強，性能離散度減小，合格率提高。

表7 堆緩冷鋼板的性能

4 生產工藝改進與優化

4.1 改進方案

表8 軋制工藝參數

Q460C鋼板生產出現的性能異常及較大的波動，主要原因是為達到強度和塑性的合理匹配，組織必須是表層貝氏體和心部鐵素體，工藝窗口較窄，控軋和控冷的溫度精度難以控制在30℃以內，再加上化學成分及其它過程參數的波動，使組織性能的穩定性降低。根據鋼板的初復驗對比和堆緩冷測試，強度越高、延伸率越低的鋼板，堆緩冷后存在明顯的強度衰減和延伸率上升，且趨于收斂。因此，提高冷卻強度，軋后200～300℃堆緩冷，有利于擴大工藝窗口，并減小性能離散度。改進后的軋制工藝參數見表8。

4.2 產品性能檢測

工藝改進后，共生產檢驗560批次，各厚度規格的試軋鋼板的性能統計見表9，性能趨于穩定，綜判合格率99.3%，性能過程控制能力指數CPK值提高，見圖5。

圖5 鋼板的過程能力指數

表9 堆緩冷鋼板的性能合格率

5 結論

（1）采用C-Mn-Nb成分體系和控軋控冷工藝生產的16～30mmQ460C鋼板，碳當量小于0.41%，改善了鋼板的焊接性能和強韌性。與原熱軋態Q460C鋼板相比，碳降低0.026%，錳降低0.10%，Nb降低0.015%，釩降低0.014%。

（2）Q460C鋼板為獲得良好的屈服和延伸性能，鋼板組織應為表層貝氏體，控軋控冷工藝的溫度波動必須控制在30℃以內。較穩定的工藝參數為：開冷溫度 740～770℃，終冷溫度 580～610℃，通過固化坯型、待溫厚度、待溫溫度等措施來提高上述參數的控制精度。

（3）實際生產中，化學成分、變形條件、溫度控制等過程參數均存在波動，會造成同板和異板的組織性能差異。通過增加ACC冷卻強度和軋后200～300℃堆緩冷，有利于擴大工藝窗口，并減小性能離散度。