Q355D低合金高強度鋼的試制開發

李 月，韓蕾蕾，歐陽崢容

（山鋼股份萊蕪分公司 技術中心，山東 萊蕪271105）

1 前言

低合金高強度結構鋼以其強度高、自重輕、低溫沖擊韌性好、施工周期短、抗震性能好的特點而被廣泛應用于海洋平臺、船舶、高層建筑、橋梁、石油、壓力容器、工程機械和天然氣輸送管線等各種工業領域。2019年2月1日起正式實施GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》修訂項目替代GB/T 1591—2008版老標準。GB/T 1591—2018標準中，用Q355系列牌號替代原來的Q345系列牌號；同時，新標準體系下Q355系列產品的交貨狀態、成分要求、力學性能指標、試驗方法和檢驗規則較老標準中Q345系列產品有顯著變動。因此合理制定GB/T 1591—2018新標準下Q355系列產品的成分、工藝，并根據生產試制情況進行優化是非常必要的。

2 工業試制情況

針對新標準中Q355C、D級150 mm規格以上的產品低溫沖擊韌性提高7 J的情況，結合用戶實際使用情況，通過合理的微合金化工藝，添加少量的Cr、Ni、V、Nb、Ti微合金化元素，使Q355D產品具有優良的綜合性能。采用的工藝流程：配料（鐵水預處理）→50 t電爐→LF精煉+VD真空脫氣處理→連鑄（電磁攪拌）→熱送/緩冷→軋制成材。

2.1 成分設計

設計的鋼中化學成分如表1所示。在現代低合金高強度鋼中，添加少量的Cr、Ni、V、Nb、Ti微合金化元素，進而形成碳氮化物，基于晶粒細化和析出強化原理使鋼強韌化［1-4］。由于合金元素的加入，可以一定程度提高性能，這樣就可適當降低碳的含量，因此成分設計采用低碳鋼。Mn元素可以提高鋼的強度和硬度，消除或削弱硫的不良影響；具有脫氧脫硫的作用，使鋼發揮鍛造性和可塑性，含量多時可以降低淬火溫度，增加鋼的硬化深度，明顯提高鋼的淬透性。添加Cr元素可以在鋼中形成穩定而硬的碳化物，具有抗蝕性，能顯著提高強度硬度的同時降低塑性和韌性，并能夠大大提高鋼的淬透性，使工件淬火和回火后的組織變得均勻化。Ni元素也是提高鋼材韌性最有效的合金元素，其韌化的機理是使材料基體本身在低溫下易于交叉滑移，從而提高韌性。V元素可以細化組織晶粒，提高強度和韌性，還可以無限固溶到鐵中，阻止晶粒的生長，提高淬火溫度，改善硬化能力［5］。在低合金鋼中，S和P被看作是有害元素，S增加鋼的熱脆性，P增加鋼的冷脆性，因此要嚴格控制鋼中S、P等有害元素的含量，控制其對鋼性能的影響。

表1 Q355化學成分（質量分數） %

2.2 冶煉、連鑄及軋制工藝

采用50 tUHP電爐冶煉，鐵水兌入量提高至40%以上，入爐鐵水溫度≮1 250℃，且入爐原材料要嚴格控制，如廢鋼中不得混入油污、雜質、水、密閉容器、爆炸物、有色金屬等，銅含量≯0.20%。鐵合金及合金線技術條件均執行相應的標準，鐵合金塊度在10～50 mm、水分≤0.5%。

電爐冶煉過程造好泡沫渣、均勻脫碳，減少吸氮，保證前期脫磷效果，廢鋼熔清，溫度T≥1 540℃。取樣全分析，終點成分嚴格控制：C≥0.06%，P≤0.020%，其他殘余元素含量符合技術標準要求。出鋼溫度1 620～1 680℃，出鋼過程隨鋼流加鋁塊1.0～2.0 kg/t鋼，渣量15～20 kg/t鋼，鋼包合金化時按照規定配入合金調整。出完鋼后，鋼包繼續吹氬，吹氬壓力0.20～0.40 MPa，吹氬流量10～30 NL/min。電爐出鋼過程嚴禁下渣，下渣爐次必須扒除氧化渣。

LF精煉中要隨時調渣，保證爐渣堿度（R）≥3.0，以確保鋼渣能夠吸附夾雜物，造白渣加強脫硫操作。當爐渣變白時停電，喂入鋁線1.0～2.5 m/t鋼，精煉過程保持白渣。大氬氣流量100～600 NL/min充分攪拌2 min后，測溫，取1次樣全分析。取樣后，根據脫氧情況向渣面補加適量碳化硅等脫氧劑，保持白渣，根據內控要求調整C、Si、Mn等成分含量，補加合金，配碳，吹氬氣流量≤600 NL/min攪拌后，測溫，取二次樣，適當補加碳化硅。白渣保持時間＞20 min，溫度達到出鋼要求時停電，控制鋼中全鋁含量并根據鋼種要求喂入Ca線，吹氬氣流量40～80 NL/min，吹氬2～3 min后，測溫出鋼。

LF精煉后入VD真空精煉脫氣前控制渣量，接通氬氣，根據鋼水液面波動情況調整氬氣流量，同時測溫。VD抽真空后真空度＜67 Pa，保持時間≥12 min。VD處理后，取樣全分析作為熔煉成品分析結果，軟吹氬時間≥15 min，軟吹氬時以渣面微動不裸露鋼液為宜。

為了保證鋼水凈化、減少鑄坯夾雜物含量及連鑄坯內部質量［6］，連鑄工序采用無氧化全保護澆鑄，爐次中包采用低過熱度按20～30℃目標控制，以防鋼水在連鑄傳遞過程中發生二次氧化。在澆鑄過程中，需要控制好合適的中間包液面，并且保持中間包液面的穩定，中間包液面≮700 mm；保證穩定的拉速和流量，配備合適的結晶器保護渣，中包覆蓋劑與碳化稻殼配合使用，結晶器液面波動≤±2 mm，保證夾雜物上浮吸附被去除。

軋制前要認真檢查軋輥、導衛、輥道等，避免損傷鋼材表面。要保證鋼坯加熱均勻，又要防止脫碳和粘爐。軋制過程中，要加強過程控制，密切注意各道次的料型情況，防止出現劃傷、折疊、耳子等缺陷。加強對軋制節奏的控制，終軋溫度大型成材為930～1 030℃，中型成材為900～1 000℃，小型成材為950～1 050℃。鋼坯加熱制度如表2所示。

表2 加熱制度

3 實物質量

GB/T 1591—2018新標準Q355D低合金高強度鋼主要規格為Φ60 mm，統計40爐次Q355D的成分及物理性能控制情況如下。

3.1 化學成分

產品實際化學成分如表3所示，爐次成分均滿足技術協議要求，成分均勻性控制良好。

表3 Q355D熔煉成分檢測結果（質量分數） %

3.2 低倍組織

鋼材的橫截面酸浸低倍組織試片上沒有目視可見的縮孔、氣泡、裂紋、翻皮、白點、晶間裂紋等影響使用的缺陷。檢驗結果為一般疏松0.5～1級，中心疏松1級，偏析0.5～1級，不存在一般點狀偏析和邊緣點狀偏析。

3.3 力學性能

GB/T 1591—2018新標準Q355D低合金高強度鋼的主要力學性能指標如表4所示。產品實物質量抽檢Q355系列低合金高強度鋼結果表明，屈服強度、抗拉強度、伸長率、沖擊功試驗結果都能滿足相應標準要求，性能合格率100%。

表4 Φ60 mm規格Q355D鋼力學性能

4 結語

通過添加少量的Cr、Ni、V、Nb、Ti微合金化元素，根據新標準GB/T 1591—2018生產的Q355D低合金高強度鋼，其屈服強度、抗拉強度、伸長率、沖擊功等力學性能均滿足新標準要求，目前已實現批量生產。