120-150 mm Q390ME特厚板的研制

滕 達， 邱保文,2

(1.南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇 南京 210035； 2.高端鋼鐵材料江蘇省重點實驗室， 江蘇 南京 210035)

引 言

高強高韌性的特厚板應用越來越廣泛[1-2]。隨著強度的提高，特厚板的微觀組織由鐵素體加珠光體向貝氏體和(或)馬氏體轉化，其中尤以貝氏體和針狀鐵素體組織引人關注。低碳貝氏體和針狀鐵素體因其高強韌匹配，在鋼板的組織設計中越來越得到重視[3-6]。

因連鑄坯厚度限制，100 mm以上特厚鋼板心部變形小，晶粒粗大，低溫韌性難以保證。單純添加貴重合金元素Ni、Cu等來韌化基體，成本將難以承受。在各類產品標準中，對特厚板心部性能，尤其是沖擊性能一般不做要求。但是在復雜受力條件下，心部低溫韌性不足將帶來嚴重的安全隱患，威脅到結構的穩定性和安全性[7]。

本文主要針對GB/T 1591-2018中>100-120 mmQ390ME特厚板以針狀鐵素體組織調控性能，在低合金化基礎上獲得了保心部性能的節約型高強特厚板，并將厚度提高到150 mm，為國家標準的更新、相關品種規格擴展提供了堅實基礎。

1 特厚板成分設計

1.1 Q390ME的標準要求

在GB1591-2018中，對熱機械軋制Q390ME鋼的熔煉分析化學成分要求如表1所示。

表1 Q390M化學成分要求/%

同時，Q390ME的碳當量CEV和焊接裂紋敏感性指數Pcm應符合表2的規定。

表2 熱機械軋制或熱機械軋制加回火狀態交貨Q390M的CEV和Pcm

這里CEV(%)=w(C)+w(Mn)/6+w(Cr+Mo+V)/5+w(Ni+Cu)/15，Pcm(%)=w(C)+w(Si)/30+w(Mn)/20+w(Cu)/20+w(Ni)/60+w(Mo)/15+w(V)/10+5w(B)。

Q390M的拉伸性能應符合表3的規定。沖擊性能應符合表4的規定。

表3 熱機械軋制或熱機械軋制加回火狀態交貨Q390M的拉伸性能a

表4 夏比(V型缺口)沖擊試驗的溫度和沖擊吸收能量

1.2 Q390ME特厚板的化學成分設計

實踐說明，采用鐵素體加珠光體組織設計，對于100 mm以上特厚板，強度隨板厚增加，下降太快，容易導致強度不合。采用珠光體強化，需要珠光體組織占主導，并且大量珠光體的存在嚴重損害低溫沖擊性能，E級質量得不到保證。將珠光體替換成高強度貝氏體或者針狀鐵素體組織，在強化基體，提高強度的同時，也降低碳當量CEV，避免了珠光體對低溫沖擊的不利影響。基于這種思路的特厚板化學成分設計如表5所示。

表5 >100 mm Q390ME設計化學成分/%

2 特厚板工藝設計

2.1 工藝路線

結合南京鋼鐵股份有限公司一煉鋼廠和5 m產線的特點，采用工藝路線如下：鐵水預脫硫—150 t轉爐—LF精煉—RH真空脫氣—連鑄—鑄坯加熱—除鱗— 5000 mm軋機軋制—ACC—堆冷—表面檢查—精整—探傷—性能檢測—入庫。

2.2 冶煉工藝

入轉爐前鐵水經噴鎂粉脫硫，保證w(Si)≤0.005%；轉爐冶煉終點w(C)≥0.04%，出鋼w(P)≤0.020%，保證冶煉終點C-P -T協調出鋼；LF精煉的脫氧劑采取電石、鋁線、硅錳鐵粉脫氧，確保白渣保持時間≥15 min。

RH真空脫氣，在5 mBar真空度下脫氣時間≥15min；連鑄保持過熱度8-30 ℃，液位、拉速、冷卻水量保持穩定，鑄坯厚度為320 mm。

2.3 鑄坯加熱

鑄坯加熱溫度1100-1200 ℃，保溫時間40 min，總加熱時間按0.8-1.5 min/mm計算。

2.4 軋制工藝

采用兩階段軋制，一階段軋制溫度≥1000 ℃，二階段軋制工藝如表6所示。

表6 特厚板二階段軋制工藝

2.5 控冷工藝

采用強控冷，冷卻水量>10000 m3/h。返紅溫度低于320 ℃。

2.6 堆垛緩冷

控冷后直接堆冷，時間≥96 h。降低因快速冷卻產生的殘余應力，同時也降低鋼板心部氫的含量，改善鋼板探傷缺陷。

3 特厚板金相組織

取全厚度金相樣，觀察鋼板厚度1/4、1/2處金相，如圖1和圖2所示。

在圖1和圖2中可以發現大量雜亂無章、出現不規則形態、難以辨認的組織，也無法清晰觀察到滲碳體，屬于無碳化物貝氏體。

圖1 120 mm特厚試制板微觀組織

圖2 150 mm特厚試制板微觀組織

對于無碳化物貝氏體，大量冶金界人士稱之為“針狀鐵素體”[8-10]。針狀鐵素體的一個重要特點，是其伴生的碳化物形態遠不如貝氏體組織那么規整，而且數量很小，以致難以鑒別出滲碳體的存在。用光學金相顯微鏡觀察，針狀鐵素體組織是雜亂無章的，難以辨認結合試制板化學成分和金相特征，本文采用針狀鐵素體表征試制板中的貝氏體。

從圖1和圖2可以知道，在板厚1/4處，針狀鐵素體的含量約2/3，超過了鐵素體，成為主控組織；在板厚1/2處，針狀鐵素體的含量下降到約1/3，鐵素體組織增多，超過針狀鐵素體，成為主控組織，但其晶粒尺寸并不均勻，對低溫韌性不利，相對板厚1/4處，提高了韌脆轉變溫度。

4 特厚板力學性能

120 mm和150 mm厚Q390ME試制板的力學性能如表7和表8所示。

表7 特厚試制板實物拉伸性能

表8 特厚試制板實物沖擊性能

通過表7和表8可以知道120-150 mm厚試制板拉伸性能合格，Z向性能達到Z35級。從板厚1/4和1/2處低溫沖擊吸收能量來看，-40 ℃具有優秀的表現，-50 ℃依然合格。相對地，120 mm厚試制板比150 mm厚試制板的各項性能要好。

通過合金成分的合理設計和最佳控軋工藝參量的選擇，利用軋制過程中的晶粒細化、相變和位錯強化、固溶強化、沉淀強化、亞晶強化等機制，能夠獲得性能優良的120-150 mm厚Q390ME特厚板。尤其是針狀鐵素體在光學金相顯微鏡下觀察不象貝氏體組織那樣，不存在明顯的原始奧氏體晶界網絡，避免了大角晶界所存在的沉淀物或夾雜偏析造成的脆性，從本質上賦予針狀鐵素體鋼比貝氏體鋼有較高的沖擊斷裂功和較低的脆性轉變溫度[11-12]。

5 結束語

采用合理的化學成分設計，在較低碳含量時，配合中等Mn含量設計，加上Cr、Ni、Mo、Cu改變過冷奧氏體轉變動力學特征，在變形配合下，促進針狀鐵素體的形成，取代珠光體，在強度提高和低溫韌性改善方面可以同時兼顧。

150 mm厚Q390特厚板性經針狀鐵素體組織調控后性能優異，E級質量有充分的保障。GB/T 1591中Q390ME 規格能夠擴大到150 mm，同時在國家標準中對心部性能做出限制，對中國特厚板高質量發展可以起到引領作用。