低成本低錳鈦微合金化結構鋼的開發

袁婷婷

(山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276800 )

在鋼鐵行業供過于求的市場形勢下，產能過剩問題突出，隨著近期原料市場價格上漲，鋼材利潤空間不斷被壓縮，低成本戰略依然是企業取勝的重要途徑。在保證質量的前提下，對量大面廣的結構鋼開展低成本制造技術研發，對鋼鐵企業成本下降有重要意義。根據以往經驗，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到2級，且心部偏析嚴重，尤其是MnS夾雜物較多。本文通過研究降低Mn、微鈦合金技術以降低成本、保證質量，提高企業的市場競爭力。

1 Q345B成分設計

鈦的化學性質較活潑，易與鋼中的O、S、N等雜質元素結合形成尺寸較大的化合物，因此鋼中O、S、N質量分數的波動會造成化學成分的波動，最終導致產品性能波動，因此需對O、S、N進行分析。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。根據實際煉鋼冶煉水平，[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，設定[Ti]≥0.040%。但Ti過量也存在問題，液相中析出的TiN一般為微米級，而固相中析出的TiN為100 nm左右，TiN的尺寸與鋼中鈦質量分數有關，鈦質量分數越高，析出TiN粒子越大。由于尺寸較大，液相析出的TiN既不能細化奧氏體晶粒，也無沉淀強化作用[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，同時由于Ti對N的固定，奧氏體中的N相對少些，也會增大C在奧氏體中的溶解度。由于TiN/TiC的作用奧氏體晶粒相對細小，故冷卻時C擴散也不會形成尺寸較大的珠光體，對鋼板的沖擊及延伸影響不大，因此C選擇國標允許的上限。

錳對含鈦微合金鋼性能的影響主要體現在對奧氏體形變誘導TiC析出的抑制作用，從而使更多細小的TiC在隨后的軋制及冷卻過程中析出，沉淀強化效果更好。研究表明，隨著鋼中錳質量分數的增高，TiC的析出動力學曲線向右移動，析出過程被延緩。錳可以降低γ→α相變點溫度，能提高轉變后鐵素體中碳質量分數，使更多的TiC在鐵素體中析出，該析出會占用大量的游離碳原子，使Fe3C析出數量顯著降低。考慮到Mn 在0.80%左右時沖擊性能最好，同時考慮成本因素，現將Mn控制到0.75%～0.9%。綜合考慮，Q345B鋼的成分設計見表1所示。

表1 Q345B化學成分(%)

2 生產工藝

為了使鋼板獲得均勻細小的晶粒組織，提高鋼板的綜合性能，根據Ti的碳氮化物固溶析出規律，設定合理的溫度制度、變形制度和冷卻制度對產品的組織性能至關重要。

2.1 工藝路線

KR鐵水預處理→轉爐冶煉→脫氧合金化→CAS精煉→LF爐精煉→(VD/RH)→連鑄機→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→入庫。

2.2 成分控制

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

2.3 加熱

高溫液態形成的TiN顆粒為后續冷卻過程中的TiC析出提供了形核點，從而使得優先形成的TiN析出物粗化，得到Ti(C，N)復合析出物。該析出物強烈阻礙奧氏體晶粒長大，故較高的加熱溫度也不會使奧氏體晶粒急速長大。但加熱溫度過高，會使原始奧氏體晶粒過分長大，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程TiC的析出量，導致鋼強度的下降。設計鋼坯加熱時間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)應變誘導析出阻礙奧氏體晶粒長大，獲得再結晶細晶強化的效果。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晶區的累積壓下量，為下一步鐵素體相變提供更多的晶核。精軋溫度設計為820～840 ℃，設計冷速6～12 ℃/s，終冷溫度650～720 ℃， 使TiC充分、均勻析出，提高基體強度。

3 試驗結果及分析

此產線生產的普通Q345B屈服強度富余量一般在20 MPa左右，性能有波動。采用低錳鈦微合金化技術后，試驗結果表明性能比較穩定，且屈服強度富裕量在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。普通Q345B力學性能見表2，低錳微鈦合金化Q345B鋼力學性能見表3。

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

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

表2 普通Q345B力學性能

表3 試驗鋼力學性能

圖1 試驗鋼金相組織 圖2 試驗鋼掃描電鏡圖像

4 合金成本分析

原合金計劃FeMn68Si18 錳硅合金22 kg/t，采用低錳微鈦設計后：FeMn68高碳錳鐵12.3 kg/t，同時增加FeSi75-C硅鐵1.9 kg/t，增加FeTi30-B鈦鐵2.3 kg/t(收得率按67%計算)。按照目前合金價格FeMn68Si18錳硅合金6759元/噸、FeTi30-B鈦鐵12053元/噸計算，噸鋼降成本29.2元。

5 結論

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

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