Q345R鋼正火工藝優(yōu)化研究

王 偉，何書亮

（蕪湖市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽蕪湖 241002）

0 引言

Q345R 鋼屬低合金高強(qiáng)度鋼，是生產(chǎn)壓力容器的主要材料，廣泛應(yīng)用于儲氣罐、氣瓶、反應(yīng)器、換熱器等壓力容器的制造。這種鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的耐蝕性及良好的焊接性能和冷成型能力，在0 ℃下的沖擊功達(dá)到41 J[1，2]。

Q345R 鋼的生產(chǎn)過程主要有冶煉、模鑄、熱軋3 個過程，高質(zhì)量的Q345R 鋼板還需要進(jìn)行正火熱處理[3，4]。某壓力容器材料制造單位正火熱處理生產(chǎn)線采用輥底式熱處理爐加熱，該種熱處理爐可進(jìn)行分段控制加熱。鋼板從室溫狀態(tài)進(jìn)入爐溫750 ℃爐內(nèi)，然后分段加熱至910 ℃，進(jìn)行910 ℃正火熱處理，允許有±5 ℃偏差。Q345R 鋼正火熱處理工藝參數(shù)見表1。其中，H 為鋼板厚度，單位為mm。

根據(jù)對該材料制造單位熱處理生產(chǎn)情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，制約產(chǎn)能的主要問題是現(xiàn)有的正火工藝雖能保證產(chǎn)品合格率，但工藝能力過剩，熱處理周期較長。在保證材料組織及性能滿足要求的前提下，如果能縮短熱處理在爐時間，不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且可以節(jié)約大量能源，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

表1 Q345R 鋼正火工藝參數(shù)

1 實(shí)驗(yàn)材料

正火工藝實(shí)驗(yàn)材料取自該單位Q345R 鋼熱軋鋼板，化學(xué)成分滿足GB 713—2014 要求，如表2 所示。

表2 Q345R 鋼化學(xué)成分（質(zhì)量百分比/%）

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 保溫時間的優(yōu)化

Q345R 通常在控制軋制后進(jìn)行正火熱處理，正火前成分與組織的均勻性較好。熱處理的主要目的是細(xì)化晶粒與組織，同時利用重結(jié)晶過程消除熱軋中產(chǎn)生的某些缺陷，基本不考慮成分均勻問題，而奧氏體形核與長大過程通常很短。原正火工藝的保溫時間為（1×H）min，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)選擇（0.9×H）min 和（0.8×H）min 兩個保溫時間進(jìn)行短時保溫實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇合適的保溫時間對正火工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 大升溫速率試驗(yàn)

利用大型熱處理試驗(yàn)爐模擬大升溫速率加熱，對Q345R 鋼板在快速升溫時表面與內(nèi)部質(zhì)量、尤其是裂紋狀況進(jìn)行研究，最終對提高Q345R 升溫速率的可行性進(jìn)行判斷。重點(diǎn)研究：①大升溫速率對顯微裂紋形成的影響；②大升溫速率對熱處理組織的影響；③大升溫速率對力學(xué)性能的影響。

2.3 正火工藝試驗(yàn)過程

試樣選用38 mm 厚Q345R 熱軋態(tài)試樣。取4 塊試樣，按1～4 編號，然后按照表3 所示工藝進(jìn)行910 ℃正火熱處理試驗(yàn)。

表3 優(yōu)化前后的正火工藝

其中，1 號試樣不做正火處理，用作觀察正火前顯微組織。2號試樣按原工藝從室溫狀態(tài)進(jìn)入爐溫750 ℃熱處理爐內(nèi)，分段加熱至910 ℃進(jìn)行正火熱處理。3 號、4 號在縮短了升溫時間和保溫時間后，為獲得大升溫速率，直接進(jìn)入910 ℃熱處理爐內(nèi)進(jìn)行正火處理。

2.4 顯微組織比較

圖1 為1～4 號試樣心部顯微組織照片，圖2 為4 號試樣不同位置顯微組織照片。從圖1 可知：正火前和正火后均出現(xiàn)鐵素體-珠光體帶狀組織。從圖2 可知：4 號試樣從表面和心部各個方向（橫向、軋向、縱向）觀察均無顯微裂紋產(chǎn)生，表明試樣直接進(jìn)入910 ℃溫度場正火熱處理不會因大升溫速率而造成顯微裂紋的產(chǎn)生。

圖1 1～4 號試樣心部顯微組織

根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》測定各試樣晶粒度如表4 所示。

圖2 4 號試樣不同位置顯微組織

從表4 可知，試樣正火前，晶粒度為9 級。按3 種不同工藝正火后試樣晶粒度均為9.5 級。3 種工藝正火后鐵素體晶粒與珠光體晶團(tuán)尺寸明顯小于正火前，組織的均勻性也得到顯著改善。

表4 1～4 號試樣不同位置晶粒度

2.5 力學(xué)性能比較

按表3 所示工藝正火后，根據(jù)GB/T 228.1—2010 及GB/T 229—2007要求，在1～4 號鋼板上分別制取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和沖擊試樣，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試，在擺錘試驗(yàn)機(jī)上測定0 ℃溫度下鋼板的沖擊性能。結(jié)果如表5 所示。其中，a 是試樣厚度，mm；d 是彎心直徑，mm。

力學(xué)性能數(shù)據(jù)顯示，3 號試樣與1 號試樣相比，屈服強(qiáng)度降低了60 MPa；抗拉強(qiáng)度降低了20 MPa；斷后伸長率提高了5.5%；0 ℃沖擊性能提高了36 J；180°彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格。正火后的材料擁有良好的強(qiáng)韌性匹配。

4 號試樣和1 號試樣相比，屈服強(qiáng)度降低了65 MPa；抗拉強(qiáng)度降低了25 MPa；斷后伸長率提高了5.5%；0 ℃沖擊性能提高了30 J；180°彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格。正火后的材料擁有良好的強(qiáng)韌性匹配。

表5 Q345R 試樣力學(xué)性能

3、4 號試樣和2 號試樣相比，各項(xiàng)力學(xué)性能波動幅度很小，可以認(rèn)為2，3，4 號試樣的綜合力學(xué)性能無明顯差異。

通過試樣綜合力學(xué)性能比較可知：正火工藝優(yōu)化后，試樣各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足要求，說明優(yōu)化后的熱處理工藝完全滿足試樣的力學(xué)性能要求，其中優(yōu)化后工藝2 的熱處理在爐時間更短，生產(chǎn)效率更高。

2.6 應(yīng)用

該材料制造單位在完成熱處理生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)測試后，現(xiàn)已按照優(yōu)化后工藝2 方案生產(chǎn)38 mm 厚該規(guī)格產(chǎn)品，Q345R 鋼采用優(yōu)化后的工藝進(jìn)行910 ℃正火熱處理時，鋼板直接進(jìn)入爐溫910 ℃輥底式熱處理爐，升溫時間統(tǒng)一由（1.45×H）min 降低到（0.9×H）min，保溫時間由（1×H）min 降低到（0.8×H）min，鋼板正火后無顯微裂紋產(chǎn)生，顯微組織及各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足生產(chǎn)要求，在爐加熱時間縮短了30.6%。不僅提高了生產(chǎn)效率，而且達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的兩種正火工藝均能滿足Q345R 鋼的顯微組織及力學(xué)性能要求。

（2）按優(yōu)化后工藝2 進(jìn)行正火熱處理，Q345R 鋼在爐加熱時間縮短了30.6%，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且達(dá)到了節(jié)能減排的效果。