SPA-H強度偏低分析與研究

摘 要：對SPA-H工藝過程進行跟蹤，結合金相組織及非金屬夾雜物分析強度不穩定的原因。研究分析表明，SPA-H強度偏低主要集中在連鑄開澆和熱換爐次，因保護澆鑄不當，造成板坯成分N含量偏高，有效Ti含量降低，導致鋼種強度偏低。

關鍵詞：強度；氮；耐候鋼；有效鈦

ANALYSIS AND RESEARCH ON THE LOW STRENGTH OF SPA-H

Bu He Li Aibin Qu Xiaojian Huang Richeng

（Guangxi Shenglong Metallurgical Co.， Ltd. Fangchenggang 538000，China）

Abstract：This article analyzes the reasons for the instability of SPA-H strength by tracking the process， metallographic structure， and non-metallic inclusions. The research analysis of SPA-H shows that the low strength is mainly due to the continuous casting and heat exchange furnace. Improper protective casting results in a higher N content in the slab composition and a decrease in effective Ti content， leading to a lower strength of the steel grade.

Key words： strength; nitrogen; SPA-H; effective titanium

0 前 言

耐海洋性氣候腐蝕鋼板（以下簡稱“耐候鋼”）是制造集裝箱的主要材料，其中熱軋SPA-H鋼板因具有良好的耐蝕性而成為集裝箱制造業用量最多的鋼種之一[1]。為了降低耐候鋼的成本，各企業開發低鎳系列耐候鋼，使用合金價格相對便宜的Ti來提高強度[2-4]。

低成本SPA-H開發前期，同厚度規格性能波動較大，影響下游客戶加工的穩定性，實施窄成分控制后偶爾有性能偏低現象。通過全工藝回查發現SPA-H強度與厚度規格、爐次之間有著較強關聯性，厚度越薄強度越高，同爐次成分N越高強度越低。本文通過化學成分、性能檢測及金相組織確定影響SPA-H性能的影響因素，結合理論分析N、Ti含量對強度影響，在實際生產采取有效控氮措施[5-7]，從而穩定性能，提升產品質量。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗材料為工業生產的不同爐次3塊厚度4.0 mm的SPA-H鋼板，將其切割成4 mm×

400 mm×400 mm規格，分別記為1號、2號和3號樣，用于化學成分分析和性能檢測。

化學成分如表1所示。從表1中可以看出，1號樣為開澆爐次第一塊板坯軋制的帶鋼，其鋼板氧氮分析的N含量0.006 8%高于中包取樣的N含量；2號樣為熱換爐次第一塊板坯軋制的帶鋼，其鋼板分析的N含量0.008 3%也高于中包取樣的N含量；3號樣為正常連澆生產爐次，其成分N和O控制正常。

1.2 金相分析

檢測顯微組織并評定夾雜物和晶粒度級別，金相檢測結果如表3和圖1～圖6，晶粒度比正常低0.5級～0.7級，1、2號樣B類夾雜分別為2.5s和2.0，夾雜物尺寸較大。

2 結果分析

微合金鋼的強化作用主要有兩種方式：一是碳氮化物阻礙晶粒長大的細晶強化；二是細小碳氮化物的析出強化[8]。

2.1 細晶強化理論值計算

在含Ti的微合金鋼中，Ti的析出物隨溫度降低析出的順序為TiN、TiS、Ti4C2S2、TiC，析出物尺寸隨溫度降低而減小，TiN屬于高溫析出物，在煉鋼和連鑄過程中析出，正常其多數析出尺寸50～500 nm，少數析出微米級TiN，對鋼無析出強化作用[9]。但有足夠體積分數且平均尺寸足夠小的TiN在再加熱過程中能有效抑制奧氏體晶粒長大，起到細晶強化作用。從兩卷性能偏低的金相結果看，其平均晶粒度比同工藝平均晶粒度低，且鋼中微米級TiN夾雜數量較多。

表4為通過Hall-Petch公式[10]（式1）計算細晶強化增量的結果，計算結果表明，兩卷性能偏低細晶強化增量分別比正常低19 MPa和11 MPa。當鋼中Ti/N大于3.42時，鋼中TiN粒子顯著粗化，N含量增高增加了TiN體積分數，Ostwald熟化速率系數增大，TiN粒子平均尺寸增大，減弱了細小TiN在板坯再加熱過程中細晶強化的作用。

Qs=Q0+KyD-1/2" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：Qs為屈服強度；Q0為單晶屈服強度；Ky為晶界對強度影響系數，取17.4 N/mm-3/2；D為平均晶粒尺寸。

2.2 析出強化理論值計算

在Ti與N結合完后，剩余Ti在低溫下大多數以TiC形式析出，TiC主要在鐵素體中以相間析出或鐵素體中過飽和析出形式大量析出，由于析出的溫度較低，析出的TiC尺寸細小[11]。根據沉淀強化理論[10]，析出強化增量可用式（2）計算，可見析出強化隨粒子的尺寸減小和粒子體積分數增加而增加。因此析出的納米級TiC顆粒可大幅提高鋼的強度。

0.538Gbf1/2 v" " " " " "X

Qppt=—————ln（——）" " " " " " " " " " " " " " "（2）

X" " " " " " " " " 2b

式中：X為析出物直徑，mm；fv為析出物所占體積分數，%；G為剪切模量，GPa；b為柏氏矢量，nm。

SPA-H鋼種Ti含量要求在0.035%～0.045%，1號樣和2號樣性能偏低Ti含量分別為0.033%和0.034%，Ti含量偏低。Ti和N結合比例為Ti（TiN）=

3.42N（TiN），在N含量較高的情況下，通過計算有效Ti計算值均小于0.01%（表5），有效Ti含量明顯比正常卷低。

圖7為2022上半年SPA-H有效Ti含量和屈服強度關系圖，線性擬合得出0.01%有效Ti屈服強度增加49.74 MPa。按照0.01%有效Ti析出強化增加49.74 MPa計算，性能偏低卷析出強化比正常卷少62 MPa。

表6為實際屈服強度差值和細晶強化、析出強化計算強度差值比較，計算結果和實際差值在10 MPa以內，符合實際強度表現。

根據以上成分、金相和強度計算結果分析，造成SPA-H性能偏低的原因主要有兩方面：一是鋼中形成大量的微米級TiN，減弱了細小TiN細化晶粒作用；二是由于多數Ti與N結合成TiN，導致納米級TiC析出量大幅減少，減弱TiC析出強化作用。

3 結 論

1）SPA-H強度偏低原因分析為N含量偏高導致晶粒尺寸增加，非金屬夾雜物數量增多，有效Ti減少，析出強化減弱，導致SPA-H強度偏低。

2）通過理論計算SPA-H強度降低值與實際強度相對應，每0.01%有效Ti屈服強度增加49.74 MPa。

3）為保證SPA-H性能穩定，對中包取樣成分N高出65 ppm的爐次軋制厚度小于3.0 mm規格，以保證性能滿足標準。

參考文獻

[1] 陳江風，周學俊，黃峰，等.合金元素對SPA-H耐候鋼顯微組織和低溫沖擊韌性的影響[J].機械工程材料，2015，39（7）：48-52.

[2] 余作朋.低鎳集裝箱板板坯連鑄的生產優化實踐[J].山西冶金，2023，46（1）：151-153.

[3] 李宗強，朱超云，鄧深，等.集裝箱板SPA—H研發實踐[J].柳鋼科技，2011（1）：19-24.

[4] 李連盈，張向東，趙志宇.耐候鋼SPA-H的冶煉及連鑄工藝優化[J].河北冶金，2013，000（001）：42-43.

[5] 張槐，陳天明，ZhangHuai，等.鋼中氮含量控制的研究及探討[J].四川冶金，2009，31（1）：7-11.

[6] 李勇.煉鋼過程中鋼水氮含量控制[J].鋼鐵，2010（10）：52-56.

[7] 吳寶國，董元篪，周云，等.氮的溶解度及預處理過程脫氮的實驗研究[J].工程科學學報，2004，26（2）：125-129.

[8] 李云龍.中錳鋼不同TMCP工藝下的析出行為研究[D].沈陽：東北大學，2014.

[9] 馬婭娜.熱軋超低碳鈦低合金汽車板的組織與性能控制[D].沈陽：東北大學，2014.

[10] 唐荻，武會賓.高品質熱軋板帶鋼理論基礎及品種開發[M].北京：冶金工業出版社，2016.

[11] 趙保華.鈦對含鈮微合金化鋼組織結構及性能的影響[D].武漢：武漢科技大學，2013.