薄規格Q355D鋼板低溫沖擊不合格分析及成分優化

秦 軍,王 勇,陳曉山

(新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部 )

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、焊接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、壓力容器、工程機械和天然氣輸送管線等領域。低合金中厚板產品是八鋼公司生產的主導產品。14～20mm薄規格Q355D低合金高強度鋼板材在生產過程中存在性能不穩定的情況,主要表現為沖擊不合格。通過采用金相分析等方法,對造成低溫沖擊不合格的原因進行了分析并提出了改進措施。

1 Q355D生產流程及主要技術指標

生產流程:鐵水→轉爐冶煉→ LF 爐精煉→板坯連鑄→加熱爐加熱→軋制

煉鋼生產主要工藝控制:

(1) 轉爐出鋼后鋼水條件S ≤0.030%,P≤0.018%;

(2)LF 精煉采用鈣處理,加精煉渣,吹氬精煉方式;

(3)連鑄采用全程保護澆鑄。

其中,連鑄機半徑為9m,平均工作拉速為0.84m/min,鑄坯斷面為 250mm×1800mm。

熱軋態14～20mmQ355D鋼板執行 GB/T 15191-2018,主要成分要求及力學性能要求見表1。

表1 熱軋態 14～20mmQ355D鋼板主要成分及力學性能要求(GB/T1591-2018)

2 沖擊不合格 Q355D 低合金的檢測

隨機選擇5批典型沖擊不合的14～20mm的Q355D,其沖擊功統計見表 2,從表2可見,三個低溫沖擊值在13～221J波動,雖然總體均值達96.5J,但單個低溫沖擊值未滿足34J的要求,可見鋼材低溫韌性波動較大。為查找原因,對出現低溫沖擊不合格的 Q355D 鋼中厚板進行取樣分析。

表2 熱軋態14～20mmQ355D鋼板異常批次沖擊功統計

(1)化學成分檢測。磨制試樣,用 SPECRTOLAB M9 型光電直讀光譜儀對鋼板化學成分進行檢測。

低溫沖擊不合的 Q355D 鋼中厚板的化學成分分析見表3,均符合標準GB/T1591-2018要求。

表3 14～20mm熱軋態Q355D鋼板異常批次鋼中化學成分 %

(2)金相分析。在樣品缺陷部位分別截取金相試樣磨制、拋光,在 GX51 金相顯微上進行金相分析。

3 Q355D沖擊不合格試樣的組織分析

3.1 金相組織檢驗

從沖擊不合批次中隨機抽取2批進行金相組織。從檢測結果表4可以看出,金相組織正常,晶粒度8.0級尚可,但是帶狀組織級別偏高,達 3.5級。

表4 14～20mm熱軋態Q355D鋼板沖擊異常批次金相組織

3.2 非金屬夾雜物檢驗

從非金屬夾雜物檢驗結果表5看,A類、B類夾雜物≤ 1.0級,C類夾雜物未檢出,D類夾雜物≤1.5級,非金屬夾雜物控制較好,不是沖擊異常的主要原因。

表5 14～20mm熱軋態Q355D鋼板沖擊異常批次非金屬夾雜物檢驗

3.3 分析結論

在普通碳素鋼和低合金鋼中,常見的帶狀組織是指沿軋制方向形成的,鐵素體帶和珠光體帶相互堆疊而成的組織形態[1],在原因追溯中發現了較高級別的帶狀組織。根據有關文獻[2],板帶軋制過程中產生的帶狀組織雖然對強度性能沒有重要影響,但是對塑性有負面影響,特別是對沖擊韌性有重要影響。這與原因追溯的結果符合。

對于帶狀組織,通常除了由成分偏析導致的帶狀組織外,還有可能混有由于夾雜物偏析導致的帶狀組織。在實踐中發現,如中心部份出現白色帶狀組織,則條帶里肯定會分布有較多的夾雜物。中心偏析帶經腐蝕后呈黑色一般以成分偏析為主,如呈白色則以夾雜物偏析為主[4]。金相照片3和6中顯示的中心偏析帶呈黑色顯示以成分偏析為主,這與非金屬夾雜物檢驗結果相一致。

通過以上分析,最終判定:成分偏析導致帶狀組織級別偏高是造成低溫沖擊不合的主要原因。

4 改進措施及效果

從表3可以看出,Nb成分為鋼種痕跡量,原Q355D成分設計屬C-Mn鋼。實踐表明,普通CMn鋼 中C/Mn偏析是引起帶狀組織的主要因素[3]。

鑒于薄規格14mmQ355D在制作沖擊試樣時,其心部位置與鋼板位置基本重合,故控制成分偏析重點為降低中心偏析。中心偏析是宏觀偏析,往往與中心疏松相伴存在,降低了鋼的韌性和耐蝕性。雖然不少文獻提出從后道軋制工藝上采取靜態相變溫度附近終軋、降低 精軋開軋溫度、增加未再結晶區總變形量等軋鋼工藝優化的手段減輕板材的帶狀組織[5]。筆者認為這種方法治標不治本,而且縮小了軋制工藝窗口區間,增大了軋機負荷和生產難度,在現場實行難度大。因此,解決思路為對原生產成分進行優化。

根據現場經驗,Q355D鋼化學成分中0.01%C貢獻約10MPa強度,0.01%Mn貢獻約1MPa,0.010%Nb貢獻約20MPa。考慮到Nb含量超過0.020%時會增加板坯角裂風險。結合生產成本分析,綜合評估后,采取了適量添加Nb,同時優化C、Mn含量,即添加0.015%Nb,降低0.015%C、0.30%Mn, 預計強度波動不大。改進前后的內控成分對比見表6所示,改進前后的性能對比見表7所示。

表6 優化前后14～20mm熱軋態Q355D成分對比

表7 優化前后14～20mmQ355D性能對比

從表6、表7可以看出,成分優化后合金成本雖然上升25元/t鋼,但改進后Q355D的強度下降了約5MPa,延伸率略有上升,沖擊功均值由原來的96J提高到137J,增加了 42.7%,低溫沖擊合格率由原來的83.6%提高到97.2%,減少廢次降損失68元/t,總體經濟效益43元/t,達到了預期的效果。

5 結束語

對14～20mmQ355D低溫沖擊不合格的組織檢驗分析表明,成分偏析導致帶狀組織級別偏高是造成薄規格Q355D低溫沖擊不合格要原因。

為解決Q355D低溫沖擊不合格的問題,根據八鋼現場工藝控制特點及實踐經驗,對C-Mn鋼的原成分進行優化:采用適量添加Nb,同時降低C、Mn成分含量。雖然合金成本略有上升,但成分優化后增強鋼板低溫沖擊韌性,提高低溫沖擊合格率,強度基本不變,延伸率上升,廢次降損失降低,總體經濟效益為正值,達到了預期效果。