590L熱軋帶鋼的生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)

馮紹強(qiáng)，黃 斌，羅友元，李 良，竇志勇

(四川省川威釩鈦冶金科技開發(fā)有限公司，四川成都 610095)

1 引言

與普通低合金鋼相比，低碳貝氏體鋼種由于碳含量下降，在保證高強(qiáng)度的條件下，仍能保持很高的韌性，并在惡劣環(huán)境下能滿足焊接性能。其應(yīng)用范圍廣泛，可用于汽車、石油管線、大型結(jié)構(gòu)件等方面。低碳貝氏體鋼的研發(fā)符合中長(zhǎng)期鋼材品種的發(fā)展方向和目標(biāo)，對(duì)于提高鋼材產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，形成以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主導(dǎo)的板材品種研發(fā)平臺(tái)具有積極的推動(dòng)作用。

2 低碳貝氏體鋼590L的開發(fā)

2．1 微合金元素在鋼中的作用

微合金化元素Ti、Nb在鋼中的作用主要表現(xiàn)為細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。抑制奧氏體形變?cè)俳Y(jié)晶，其中TiN、Nb(CN)，它們對(duì)高溫下的晶粒生長(zhǎng)起阻礙作用。

2．2 合金設(shè)計(jì)

在充分分析V、Nb、Ti三種元素的微合金化特性基礎(chǔ)上，結(jié)合煉軋?jiān)O(shè)備實(shí)際，尤其是950層冷線較短(55米)的特點(diǎn)對(duì)低碳貝氏體鋼確定采用Nb－Ti微合金系，即Nb微合金化基礎(chǔ)上進(jìn)行微鈦處理。在成分設(shè)計(jì)上選擇了 C、Mn、Nb、Ti的最佳配合，從而在較寬的冷卻范圍內(nèi)都能形成完全的貝氏體組織。為了獲得高的強(qiáng)度，微量的Ti(～0.02%)固定鋼中的N，同時(shí)形成微細(xì)的TiN析出可以起到Nb的碳、氮化物所起的作用。

而微合金化元素Ti、Nb在鋼中的作用主要表現(xiàn)為細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。為了充分發(fā)揮低碳貝氏體組織的強(qiáng)韌化機(jī)制，在鋼種成分設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮:

①保證經(jīng)濟(jì)純凈度(S＜0.01%，P＜0.01%)，鋼中碳含量降至0.08%左右，保證高強(qiáng)度化后仍能進(jìn)行順利的加工及焊接。

②鋼中應(yīng)盡量減少合金元素的加入量，充分利用各種微合金元素復(fù)合加入技術(shù)來達(dá)到強(qiáng)化目的。鋼中的Mn起固溶強(qiáng)化作用，并進(jìn)一步阻礙先共析鐵素體的析出，加入量保持在常用的1.0% ～1.4%含量范圍內(nèi)，以保證鋼種的冷彎性能。

其低碳貝氏體鋼CW510L的化學(xué)成分控制范圍見表1。

表1 CW590L熔煉成分控制

2．3 Nb－Ti微合金鋼冶煉、連鑄技術(shù)難點(diǎn)及措施

為保證微合金化鋼的工藝性能，在冶煉、連鑄過程中主要技術(shù)難點(diǎn)是:鋼中S、P、氣體及夾雜物控制，鑄坯表面裂紋控制，防止水口結(jié)瘤等。在充分試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，控制轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉、連鑄各項(xiàng)工藝參數(shù)，優(yōu)化了工藝技術(shù)方案，以保證生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的微合金鋼。

2．3．1 鋼中S、P氣體及夾雜物控制措施

轉(zhuǎn)爐冶煉工藝重點(diǎn)為脫P(yáng)控N。轉(zhuǎn)爐出鋼溫度控制在1630～1650℃，使到精煉爐的溫度在1550～1585℃間，有利于脫P(yáng)。再通過造高堿度渣及擋渣出鋼等措施，出鋼P(yáng)控制在≤0.010%。轉(zhuǎn)爐吹煉過程中全程底吹氬氣。表2為轉(zhuǎn)爐三種底吹方式的鋼水中自由N含量。

由表2可看出，采用全程吹氮和氮?dú)遄詣?dòng)切換的方式，鋼中［N］波動(dòng)較大，采用全程底吹氬，并在吹煉后期加大底吹氬攪拌強(qiáng)度，鋼中［N］能維持在小于60 ppm的水平，避免了［N］大的波動(dòng)。

表2 三種底吹方式鋼中自由N含量

由于轉(zhuǎn)爐脫S的能力不強(qiáng)，因此在生產(chǎn)中，脫S任務(wù)更多的放在KR鐵水預(yù)處理脫硫站和LF精煉爐。實(shí)際LF爐渣成分見表3。

表3 LF終渣成分

從表3可以看出，爐渣堿度在3.0左右，渣中(FeO+MnO)很低，渣中脫硫率都在50%以上，說明LF爐渣堿度比較合適，流動(dòng)性較好，完全能滿足脫硫的需要。

由于LF精煉爐處理后，鋼中仍有較少的Al2O3夾雜成串簇狀，必須進(jìn)行鈣處理，使之變性生成低熔點(diǎn)的球狀的鋁酸鈣，易于上浮排除。為了保證Ca處理效果，要求Ca處理前，鋼中自由［O］≤5.0 ppm，保證鋼水脫氧徹底，使大量的Ca充分用于使夾雜物變性而非用于脫氧，提高Ca的收得率。喂線量依據(jù)鈣鋁比Ca/Al=0.10～0.15的原則加入，保證主要生成產(chǎn)物是鈣鋁酸鹽夾雜(12CaO·7Al2O3)。

2．3．2 鑄坯裂紋控制措施

鋼的熱延展性受成分的影響強(qiáng)烈，加鈮可使延展槽變深、變寬，使之向高低溫區(qū)域伸展，典型結(jié)果見圖1［1］。鋼的延展率隨微合金元素的碳、氮化物的沉積百分率提高而降低，且溶解溫度越高，延展性恢復(fù)的溫度也越高。在沉積的體積百分率一定的情況下，與不含鈮鋼相比CW590 L鋼的延展性要低得多，且Nb比V更不易溶解于奧氏體中，因此CW590L鋼的延展槽更寬。鑄坯裂紋敏感性較高，在鑄坯表面易產(chǎn)生邊部橫向裂紋，在軋制中板材邊部出現(xiàn)“V”字形邊裂。

圖1 鈮對(duì)鋼的熱延展性影響

在生產(chǎn)中主要采取了以下措施來保證鑄坯質(zhì)量:

(1)整個(gè)連鑄工藝采用全程保護(hù)澆注，結(jié)晶器液面自動(dòng)控制。

(2)采用低振幅、高振頻的振動(dòng)參數(shù)，可以減輕鑄坯振痕程度，減小橫裂的產(chǎn)生幾率。我公司澆此類鋼采用的振動(dòng)參數(shù)為f=100+35 V，f—振頻 c/min ，v—拉速 m/min。振幅，h=3.5 mm。典型拉速1.20 m/min左右。

(3)設(shè)計(jì)新的保護(hù)渣。

我們?cè)谶B鑄保護(hù)渣的設(shè)計(jì)上，為達(dá)到良好的絕熱、隔離、吸附夾雜、潤(rùn)滑和傳熱功能，結(jié)合微合金鋼連鑄裂紋敏感性和包晶區(qū)特性，對(duì)保護(hù)渣粘度、凝固溫度、結(jié)晶溫度和表面張力等參數(shù)提出了嚴(yán)格規(guī)定。在微合金鋼的實(shí)際生產(chǎn)中，保護(hù)渣很好地適應(yīng)了鋼種需求。表4為Nb－Ti微合金鋼的保護(hù)渣主要性能指標(biāo)。

表4 低碳貝氏體鋼CW590L的保護(hù)渣主要性能指標(biāo)

(4)一冷弱冷

由于該類鋼種的裂紋敏感性較大，冷卻要最大限度地避免由于強(qiáng)度過大導(dǎo)致的冷卻不均最終導(dǎo)致熱應(yīng)力過大而產(chǎn)生表面裂紋。我們通過減少水量將結(jié)晶器進(jìn)出水溫差由7～8℃增加到9～10℃，降低了一冷強(qiáng)度，提高冷卻的均勻性。

(5)二冷弱冷

從弱冷的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了新的二冷水模型，將比水量在普鋼的基礎(chǔ)上作較大的降低。表5列出了CW590L鋼與Q235鋼的二冷水模型對(duì)比情況。典型斷面及典型拉速下，降低二冷比水量，從而在矯直處使鑄坯特別是角部避開了“脆性口袋區(qū)”。表6為不同拉速下CW590L鋼與Q235在鑄坯矯直處溫度對(duì)比。

表5 CW590L鋼與Q235鋼二冷水冷模型對(duì)比Q=k(a+b×v)，k=0.006

表6 不同拉速下CW590L鋼與Q235在鑄坯矯直處溫度對(duì)比

(6)微鈦處理

鈦是強(qiáng)的固氮元素，利用0.02%左右鈦就可固定鋼中60×10－6以下的氮，在板坯連鑄時(shí)可在晶界形成高溫穩(wěn)定的TiN析出相，由于TiN析出溫度較高，顆粒較大，奧氏體熱延性不會(huì)降低;另一方面，由于微鈦固N(yùn)，使固溶析出Nb完全或絕大多數(shù)為碳化物的形式，從而可以改善鋼的熱塑性，使鋼的“脆性口袋區(qū)”變窄。因此生產(chǎn)中采用了微鈦處理來防止鑄坯橫裂紋的產(chǎn)生。微量Ti對(duì)含Nb、V鋼熱塑性的影響見圖2。

通過以上對(duì)冶煉、連鑄工藝參數(shù)的有效控制，保證了過熱度、拉速與冷卻強(qiáng)度的匹配，鑄坯質(zhì)量良好，未見表面裂紋、角裂紋、中間裂紋等缺陷。其直接效果表現(xiàn)為帶鋼表面未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，帶鋼表面質(zhì)量完全合格。

2．4 低碳貝氏體鋼軋制的技術(shù)難點(diǎn)及措施

圖2 微量Ti對(duì)含Nb、V鋼熱塑性的改善

由于熱軋?jiān)线B鑄板坯設(shè)計(jì)厚度為150 mm，軋制壓縮比較小，常規(guī)軋制工藝很難滿足微合金鋼力學(xué)、工藝性能，外加層流冷卻線較短(55 m左右)，對(duì)此課題組對(duì)加熱制度、過程溫度控制、壓下制度、終軋溫度控制、冷卻方式及卷取溫度控制等工藝技術(shù)參數(shù)進(jìn)行修定，以保證生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的貝氏體鋼。

2．4．1 低碳貝氏體鋼590L加熱制度

板坯的加熱質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能。CW590L是典型的微合金鋼，提高加熱溫度有利于鈮的碳氮化物更多的固溶到奧氏體中，并在隨后的軋制過程中軋后冷卻析出。另外較小的晶粒尺寸也有利于使鋼的強(qiáng)度和韌性同時(shí)得到提高。因此，板坯加熱要保證其中Nb的充分溶解。

由于CW590L相對(duì)于低碳鋼種來說易產(chǎn)生鑄坯中心偏析，導(dǎo)致成品帶狀組織嚴(yán)重，為消除這種影響，要求在加熱時(shí)能夠完全或部分消除中心偏析。所以應(yīng)盡可能提高加熱溫度，延長(zhǎng)鑄坯在爐時(shí)間，特別是高溫區(qū)停留時(shí)間;但同時(shí)要防止過高的加熱溫度導(dǎo)致奧氏體粗大不均，甚至產(chǎn)生異常組織。因此，需要確定合理的加熱制度。試制過程中，確定加熱時(shí)間在120～130 min，加熱溫度在1240～1270℃(如表7)。

表7 CW590L鋼坯再加熱工藝/℃

鈮的碳氮化物和Al的氮化物均可以在不太高的溫度即完全固溶于奧氏體，TiN的穩(wěn)定性相當(dāng)髙，其溶解溫度高于1400℃，在一般加熱條件下，它很難固溶于奧氏體中。根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)和多次的試制經(jīng)驗(yàn)，我們確定CW590L最高加熱溫度≤1280℃，選定加熱溫度為1270℃。

2．4．2 帶鋼軋制以及冷卻控制

壓下制度制定原則:滿足Nb－Ti微合金鋼對(duì)控軋的要求，充分發(fā)揮微合金元素的析出強(qiáng)化作用;在設(shè)備能力允許的情況下盡量提高壓下率?？刂瓶倝合铝亢偷来螇合铝浚栽黾有巫儙Ш托巫冋T導(dǎo)析出效果。此階段總變形量大一些對(duì)提高板材性能有益，但末道次壓下量不能太大，這樣有利于提高帶鋼的板型質(zhì)量。

2．4．2．1 粗軋控制

軋制過程實(shí)行控制軋制，粗軋階段采用大壓下軋制以獲得均勻的奧氏體晶粒組織。粗軋過程中，板坯在1040℃以上軋制(初步推算此鋼的再結(jié)晶溫度為960℃甚至更高，如圖3)，根據(jù)成品厚度變化，在奧氏體區(qū)發(fā)生大變形和再結(jié)晶可以有效細(xì)化晶粒，減輕帶狀組織，對(duì)于在α相變前形成合適的畸變結(jié)構(gòu)也很重要。其次，為了生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼卷，要盡量控制鈮的析出，以使α相變前的鋼板中留有大量溶解的Nb原子。其中板坯中大尺寸晶粒產(chǎn)生的不良影響要通過粗軋過程的晶粒細(xì)化得到改善。因此過高的軋制溫度導(dǎo)致應(yīng)力累計(jì)的損失，促進(jìn)了晶粒長(zhǎng)大，所以過高的軋制溫度也不利于晶粒的細(xì)化。相反，軋制溫度過低，變形組織不利于發(fā)生再結(jié)晶，將會(huì)留下很多的回復(fù)結(jié)構(gòu)。

圖3 CW590L再結(jié)晶溫度示意圖

2．4．2．2 精軋控制

在適當(dāng)增加中間坯厚度基礎(chǔ)上，通過增加精軋段壓縮比來達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。使用熱卷箱對(duì)中間坯進(jìn)行保溫和均熱，以減少中間坯頭尾的溫度差，使成品長(zhǎng)度方向的力學(xué)性能保持在較小的波動(dòng)范圍內(nèi)。適當(dāng)提高精軋負(fù)荷，特別是增加機(jī)架F6、F7的負(fù)荷，F(xiàn)7(終軋)的變形量達(dá)到了13%以上。

2．4．2．3 終軋及層流冷卻控制

終軋溫度直接影響到板材的組織和性能，隨終軋溫度的降低，鐵素體晶粒細(xì)化。考慮到后續(xù)提高冷卻速度能夠減輕甚至消除帶狀組織，可以適當(dāng)提高終軋溫度。卷取溫度對(duì)組織和性能都有較大影響。由于CW590L要求強(qiáng)度較高，同時(shí)為消除帶狀組織和提高低溫沖擊韌性，適宜采用較低的卷取溫度(如表8)。在軋后的相轉(zhuǎn)變過程中，快速冷卻抑制碳氮化物在奧氏體中析出，促使其在軋后卷取時(shí)析出，有助于細(xì)小沉淀相在鐵素體中析出，從而起到細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化作用，使鐵素體晶粒最終細(xì)化。冷卻速率加大可減輕鋼中帶狀組織，有利于鋼的韌性，但卷取溫度也不能過低，以免形成較多貝氏體組織，影響鋼的強(qiáng)韌性匹配。根據(jù)微合金鋼的力學(xué)、工藝性能要求選擇適當(dāng)?shù)木砣囟龋玫綕M意的顯微組織，達(dá)到強(qiáng)韌性的良好匹配。

表8 CW590L終軋溫度、卷取溫度和層流冷卻控制

3 顯微組織

3．1 顯微組織控制

鋼材的顯微組織決定性能，根據(jù)CW590L鋼性能的要求，控制組織為F+P或F+P+B，其中B為針狀鐵素體或粒狀貝氏體。在鋼中常見顯微組織缺陷是帶狀組織。主要通過以下措施減輕帶狀組織:①成分控制措施:帶狀組織形成的根本原因是合金元素的枝晶偏析。一方面合金元素的濃度變化影響碳的均勻分布，從而改變了局部奧氏體—鐵素體的相變Ar3溫度;另一方面合金元素本身也降低(如Mn、Cr)或提高(如Si)相變Ar3溫度。因此在成分上調(diào)整鋼中Si/Mn比，減弱鋼中偏析對(duì)Ar3溫度的影響，減輕帶狀組織。②冷卻工藝措施:適當(dāng)加大層流冷卻速率，使Ar3過冷到較低的溫度，提高相變速度，以減輕帶狀組織。

通過這些措施，將微合金鋼帶狀組織控制在3級(jí)以下。

3．2 金相檢驗(yàn)結(jié)果

從成品大梁鋼CW590L隨機(jī)抽樣8爐進(jìn)金相報(bào)告看，晶粒均較細(xì)，部分組織中針狀鐵素體和粒狀貝氏體稍多，整個(gè)截面均有較多的針狀鐵素體和貝氏體組織。從邊緣組織情況來看，均有一邊緣組織晶粒較細(xì)，晶界有退化珠光體和碳化物分布。圖4、5為典型CW590L的顯微組織照片。

圖4 CW590L組織機(jī)械拋光4%硝酸酒精浸蝕500

圖5 電鏡觀察低碳貝氏體鋼CW590L的組織金相照片(微小的顆粒為析出物)

從圖4可以看出，試驗(yàn)樣晶粒較細(xì)，針狀鐵素體和粒狀貝氏體量較多。

從圖5通過電鏡觀察和取樣進(jìn)行化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)大量的析出物主要是鈮的碳氮化物和鈦的氮化物。從電鏡上觀測(cè)以及分析來看，細(xì)小的析出物主要為Nb和Ti的碳氮化物。至于產(chǎn)生如此細(xì)小析出物的原因初步分析主要是生產(chǎn)這種微合金鋼時(shí)加熱溫度過高所致。從理論上計(jì)算:NbC全固溶溫度:T=7510/［2.96－Log(0.017 ×0.09)］=1300K=1027℃，Nb(NC)較NbC的溶解溫度稍高。從上面可以看出，由于大梁鋼CW590L鋼的［Ti］/［N］接近理想配比，又由于加熱溫度較高，固溶量較多，在軋制和冷卻過程中有較多的Nb(NC)、TiN 析出，且 Nb(NC)、TiN 熟化長(zhǎng)大較慢，質(zhì)點(diǎn)較細(xì)，在電鏡下可以看到其質(zhì)點(diǎn)。由于Ti的活性較高，更易與N結(jié)合，TiN溶解度更低，能先一步析出，所以出現(xiàn)如此較多的析出物。這也是生產(chǎn)的CW590L力學(xué)性能較高的原因。

3．3 綜合性能檢測(cè)情況

生產(chǎn)的低碳貝氏體鋼CW590L力學(xué)、工藝性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)及用戶要求，且有較大的富余量。表9列出了生產(chǎn)的CW590L鋼的力學(xué)性能及工藝性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

從表9可見，與國(guó)內(nèi)大梁鋼企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度平均值超過下限55 MPa;抗拉強(qiáng)度平均值超下限55 MPa;平均延伸率為27%;冷彎(d=1a)全部合格且綜合性能波動(dòng)小，成品全部滿足CW590L綜合性能要求。

表9 汽車大梁鋼CW590L力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)表(厚度均為6．5 mm)

4 結(jié)論

(1)低碳貝氏體鋼CW590L主要采用控軋控冷工藝進(jìn)行生產(chǎn)，此生產(chǎn)工藝充分細(xì)化了這類貝氏體鋼的組織及充分發(fā)揮了Nb、Ti等合金元素的作用，達(dá)到較好的強(qiáng)韌化效果;

(2)生產(chǎn)過程中解決了貝氏體鋼的冶煉、軋制及組織各種問題，力學(xué)、工藝性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)及用戶的要求;

(3)較好地掌握了貝氏體鋼CW590L的生產(chǎn)及質(zhì)量控制技術(shù)，現(xiàn)已經(jīng)具備批量生產(chǎn)能力。

［1］ 王占云．控制軋制與控制冷卻［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1995．

［2］ 賀信萊，尚成嘉，等．高性能低碳貝氏體鋼［M］．冶金工業(yè)出版社，2008．