俄標C345系列結構鋼板的軋制與開發

李 艷，麻 衡，李文強

（山東鋼鐵股份有限公司 萊蕪分公司，山東 濟南271104）

1 前 言

俄羅斯阿穆爾共青城某一加氫煉化鋼結構項目從萊鋼采購GOST 27772—1988《建筑鋼結構用鋼材》標準中的C345系列產品，針對用戶提出采用1988版本的標準要求，萊鋼技術研發人員深入研究1988 版和2015 版標準區別，并采用Nb-Ti-Ni 系合金化設計，通過潔凈鋼冶煉、控軋控冷工藝，開發了低溫沖擊韌性和冷彎性良好的8～60 mm厚度規格C345系列（包括C345-1和C345-3）結構用鋼板，并實現產品的批量化和規模化。

2 試驗材料及方法

2.1 化學成分設計

C345-1、C345-3 結構鋼板的力學性能及工藝性能見表1。為保證鋼板的強韌性、時效性、冷彎性和焊接性，其化學成分設計采取低碳中錳方案及Nb-Ti-Ni 微合金化處理［1］，同時嚴格控制鋼中P、S等有害元素含量，鋼板的化學成分見表2。

表1 C345系列鋼的力學和工藝性能要求

2.2 生產工藝控制

冶煉工況：嚴格按照C345 系列結構鋼設計成分進行冶煉，有害元素的控制目標：w（P）≤0.020%，w（S）≤0.010%，w（N）≤60×10-6，w（H）≤2.0×10-6，w（T.O）≤12×10-6。鑄坯中心偏析控制在1.5 級以下，中心疏松控制在0.5級以下。

軋制工藝：板坯加熱至1 160～1 250 ℃，采用奧氏體再結晶區和奧氏體未再結晶區兩階段軋制工藝［2］，在4 300 mm寬厚板生產線上進行熱軋。粗軋開軋溫度1 120～1 220 ℃，終軋溫度大于1 050 ℃，精軋終軋溫度小于860 ℃。熱軋后以6～9 ℃/s 的速率進行層流冷卻，冷卻后進行矯直。

2.3 性能測試

各項性能檢測均從鋼板寬度的1/4處垂直于軋制方向切取試板進行試樣加工，且均為雙倍試樣。

拉伸性能檢測：厚度≤25 mm 的鋼板采用扁平試樣，厚度＞25 mm 的鋼板采用圓柱型試樣，在型號為WAW-600D的微機控制電液伺服萬能試驗機上進行橫向拉伸試驗，測量量程為0～600 kN。

沖擊韌性檢測：厚度≥10 mm的鋼板，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。厚度＜10 mm 的鋼板，沖擊試樣尺寸為10 mm×5 mm×55 mm，沖擊缺口為U型。-40 ℃溫度下至少保持15 min后在型號為ZBC-2602的擺錘沖擊試驗機上進行橫向沖擊試驗，測量量程為0～600 J。

時效沖擊韌性檢測：試樣拉伸10%后，在250 ℃溫度下保溫1 h，并在空氣中自然冷卻，20 ℃溫度下至少保持15 min后在ZBC-2602擺錘沖擊試驗機上進行橫向U型缺口沖擊試驗。

冷彎性能檢測：厚度≥25 mm的鋼板，彎曲試樣厚度可機加工減薄至≮25 mm，且保留一個原表面；厚度＜25 mm 的鋼板，彎曲試樣厚度為原厚度，寬度均為20～50 mm。在型號為SBW-3000的連續彎曲試驗機進行180°橫向彎曲試驗，測量量程為0～180°。肉眼觀察彎曲后試樣表面是否有裂紋。

3 試驗結果及分析

3.1 顯微組織

熱軋后，在12 mm 厚度C345-1 鋼板上切取全厚度試樣，應用砂紙逐級打磨和機械拋光后，采用4%的硝酸酒精溶液進行侵蝕，通過光學顯微鏡對試樣不同厚度處的顯微組織進行觀察分析，如圖1所示。C345-1鋼板的基體組織為鐵素體+珠光體，心部晶粒較為均勻細小，基本在8.0～8.5 級，帶狀組織在1.5～2.0 級。夾雜物以Ds 類為主，等級在1.0～1.5級，夾雜物總和均在3級以下，說明鋼質純凈度較好，均達到預期組織形態。

圖1 C345-1鋼板的光學顯微金相組織

利用sigma500 掃描電鏡進行微觀組織觀察分析，如圖2 所示。從圖2 可以明顯地看出，鋼板表面、1/4 厚度位置和芯部的珠光體組織主要以片狀形態存在于基體中，且鋼板厚度方向組織均勻，這為具有較好的強韌性提供了有利保證。

圖2 C345-1鋼板厚度方向掃描電鏡顯微組織

3.2 力學性能

對8、10、20、40、60 mm 幾種典型厚度規格的C345-1和C345-3鋼板進行拉伸試驗，結果表明：屈服強度≥400 MPa，抗拉強度≥500 MPa，斷后伸長率≥25.0%，鋼板力學性能良好，不僅具有較高強度，而且斷后伸長率較好，各厚度規格鋼板性能穩定、均勻。

3.3 沖擊韌性

影響鋼材沖擊韌性的因素有材料的化學成分、熱處理狀態、冶煉方法、內在缺陷、加工工藝及環境溫度［3］。對8、10、20、40、60 mm 幾種典型厚度規格的C345-1 和C345-3 鋼板進行沖擊試驗，結果表明：鋼板-40 ℃U 型沖擊韌性良好，沖擊韌性單值和均值都在200 J/cm2以上，甚至有的達到300 J/cm2以上，完全滿足用戶在低溫寒冷環境中的使用要求。將12 mm 厚度C345-1 鋼板分別在0 ℃（V 型）、-20 ℃（V 型）、-40 ℃（V 型）、-60 ℃（V 型）、-20 ℃（U 型）、-40 ℃（U 型）進行沖擊試驗，試驗結果見圖3。可見，試樣的沖擊韌性值隨溫度的降低呈下降趨勢，其韌脆轉變溫度約為-60 ℃。相同溫度下，試樣U 型沖擊韌性值高于V型沖擊韌性值。

圖3 12 mm厚C345-1鋼各溫度下沖擊韌性

3.4 時效沖擊韌性

時效的目的是消除工件的內應力，穩定組織和尺寸，改善機械性能等［4］。采用人工時效方式：試樣拉伸10%后，在250 ℃溫度下保溫1 h，并在空氣中自然冷卻。時效后在室溫（20 ℃）下進行U 型沖擊試驗，結果表明：時效后的沖擊韌性較好，時效單值和均值都在160 J/cm2以上，但與未時效的沖擊韌性相比，沖擊韌性值有一定的降低。

3.5 冷彎性能

鋼材的冷彎性能指標用試件在常溫下能承受的彎曲程度表示。彎曲程度則通過試件被彎曲的角度和彎心直徑對試件的厚度的比值來區分。試件采用的彎曲角度越大，彎心直徑對試件厚度的比值越小，表示對冷彎性能的要求越高。冷彎試驗試件的彎曲處會產生不均勻塑性變形，能在一定程度上揭示鋼材是否存在內部組織的不均勻、內應力、夾雜物、未熔合和微裂紋等缺陷［5］。因此，冷彎性能可反映鋼材的冶煉質量和焊接質量。幾種典型規格的C345-1 和C345-3 鋼板冷彎性能結果全部合格，表明鋼板的冶煉質量較好。

4 結 論

4.1 根據俄羅斯標準和用戶對結構用鋼的性能要求，在C-Mn鋼的基礎上應用Nb-Ti-Ni微合金化設計了C345-1、C345-3鋼板的化學成分，形成了一整套采用控軋控冷生產較高強度、具有良好低溫韌性、時效性、冷彎性的低合金結構鋼的控制理論和工藝技術。

4.2 C345-1、C345-3 結構鋼的組織主要為鐵素體和片狀珠光體。8～60 mm 厚鋼板板形良好，冷彎性能合格，鋼板具有較好的時效沖擊性，組織和性能在厚度方向上分布均勻。

4.3 不同規格C345系列鋼板的研制成功表明，利用較低的合金元素配合相應軋制工藝能夠生產出性能優良的工程結構用鋼板，實現了工業化批量生產，填補了萊鋼俄羅斯標準GOST 27772產品的空白。