歐標(biāo)S355J0熱軋H型鋼研制開發(fā)

郭秀輝 方金林 谷鳳波 鄧存善

(萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司)

0 前言

近幾年中國(guó)香港地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工已廣泛應(yīng)用歐洲標(biāo)準(zhǔn)S355系列熱軋H型鋼產(chǎn)品。隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)開始大量承接歐洲和東南亞地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目大多采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的鋼材，加上一些歐洲公司在我國(guó)建設(shè)的海外工程項(xiàng)目要求使用歐標(biāo)鋼材，使得歐標(biāo)低合金結(jié)構(gòu)鋼的使用越來(lái)越多，在一定程度上提高了國(guó)內(nèi)對(duì)歐標(biāo)H型鋼的需求［1］。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，萊鋼完成了歐標(biāo)S355J0熱軋H型鋼的成分設(shè)計(jì)與工藝開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了S355J0熱軋H型鋼的批量生產(chǎn)，從而滿足了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需要。

1 S355J0技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分的具體要求見表1。

表1 化學(xué)成分要求wt.%

碳當(dāng)量CEV(%)值的計(jì)算如下：

1.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能要求應(yīng)符合歐標(biāo)EN10025-2：2004，具體見表2。

表2 力學(xué)性能要求

2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

對(duì)S355J0的成分設(shè)計(jì)應(yīng)本著符合歐標(biāo)EN10025-2：2004，滿足性能要求并降低生產(chǎn)成本的原則。S355J0低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼對(duì)強(qiáng)度和低溫(0℃)沖擊韌性有較高的要求。為保證H型鋼的沖擊韌性指標(biāo)，設(shè)計(jì)微合金化工藝，在保證鋼材各項(xiàng)力學(xué)性能和焊接性能的前提下，充分發(fā)揮碳、硅、錳的強(qiáng)化作用。采用降C，Nb微合金化，降低P、S含量的技術(shù)路線來(lái)生產(chǎn)。

2.1 低碳、高錳

碳是鋼中對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大的元素，但為了保證鋼擁有良好的低溫韌性和焊接性能需要降低C含量。錳在鋼中部分與鐵互溶，形成固溶體(鐵素體或奧氏體)，部分和鐵、碳化合形成滲碳體，能夠強(qiáng)化鐵素體和細(xì)化珠光體。同時(shí)，由于錳和硫具有較大的親和力，能促使鋼中的硫形成熔點(diǎn)比FeS高的MnS，避免FeS在晶界析出，降低熱脆性，提高熱加工性能［2］。

2.2 Nb 微合金化

通過(guò)Nb微合金化來(lái)提高強(qiáng)度彌補(bǔ)鋼中降碳所損失的強(qiáng)度。Nb是強(qiáng)的碳氮化合物形成元素且不易氧化，在鋼中鈮與碳、氮形成碳化物、氮化物或碳氮化物產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用，可以明顯提高鋼的強(qiáng)度并能提高鋼的沖擊韌性。由于H型鋼的低溫沖擊試樣從距翼緣端部1/3位置切取，而試制規(guī)格翼緣厚度較厚，為25 mm，精軋開始前，中間坯翼緣厚度92 mm，在精軋階段的累計(jì)壓下量只有72.83%，而軋制溫度偏高，為確保其低溫沖擊韌性，采用Nb微合金化工藝，再匹配以適宜的壓下規(guī)程，利用Nb的細(xì)晶強(qiáng)化作用來(lái)確保低溫沖擊性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 降低硫、磷含量

對(duì)于絕大多數(shù)鋼來(lái)說(shuō)，S，P都是有害元素，［P］主要影響鋼的塑性，［S］主要影響鋼的沖擊韌性和韌-脆轉(zhuǎn)換溫度，另外，鋼中硫化物夾雜對(duì)鋼材不同方向的性能也會(huì)產(chǎn)生重要影響。

綜合以上分析，根據(jù)S355J0的特點(diǎn)，結(jié)合萊鋼實(shí)際情況，其化學(xué)成分設(shè)計(jì)見表3。

表3 S355J0設(shè)計(jì)化學(xué)成分wt.%

3 產(chǎn)品開發(fā)

3.1 工藝流程

主要生產(chǎn)工藝流程為：轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→異形坯連鑄→加熱→高壓水除鱗→BD開坯軋制→TM精軋→精整→入庫(kù)。

3.2 技術(shù)控制要點(diǎn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求制定各生產(chǎn)工序的控制要點(diǎn)，從冶煉、連鑄到軋制進(jìn)行關(guān)鍵工藝參數(shù)的研究制定，并做到精細(xì)化操作。

3.2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉

鋼水純凈度對(duì)H型鋼的韌性特別是低溫沖擊韌性有很大影響，是冶煉控制的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)爐冶煉控制的重點(diǎn)是確保低的P、S含量，合理控制終點(diǎn)碳含量，防止鋼水氧化性過(guò)強(qiáng)。采用高拉碳一次補(bǔ)吹法控制終點(diǎn)C、P、S含量，同時(shí)控制好鋼水溫度，采用硅錳、高錳、鈮鐵進(jìn)行合金化，采用硅鈣鋇脫氧，擋渣出鋼，有利于鋼水中夾雜物去除。

3.2.2 精煉脫氧與成分控制

全程底吹氬攪拌，根據(jù)爐渣的粘度、顏色及泡沫化程度，用硅鈣鋇、碳化硅、碳化鈣等調(diào)整爐渣，出站前頂渣應(yīng)達(dá)到白渣或黃白渣。通過(guò)成分微調(diào)，確保終點(diǎn)成分準(zhǔn)確控制。

3.2.3 連鑄

連鑄大包長(zhǎng)水口澆注，加密封圈，敞開澆注。采用BB12-ZT保護(hù)渣。拉速控制在0.70 m/min～1.2 m/min。

3.2.4 軋制工藝

所用坯料為異形坯，斷面尺寸為BB1，產(chǎn)品截面尺寸見表4。

1)加熱制度。加熱溫度主要取決于微合金元素的溶解度和奧氏體晶粒粗化溫度。加熱過(guò)程要求較高的溫度和足夠的時(shí)間以溶解碳化物及均勻組織。一般坯料加熱溫度略高于按歐文公式計(jì)算的Nb(C，N)完全溶解溫度，該溫度取決于NbC的溶解積。Mn對(duì)Nb固溶的Wagner相互作用參數(shù)較大，而S355J0的Mn含量達(dá)到1.47%，因此必須考慮Mn對(duì)NbC在奧氏體固溶度公式的影響，綜上所述，Nb的碳化物的固溶度由以下公式表示［3］：

表4 截面尺寸 mm

將S355J0的化學(xué)成分C、Mn、Nb含量分別代入公式(2)，成分按設(shè)計(jì)化學(xué)成分中限計(jì)算，可以得到NbC的完全固溶溫度為1171℃。由此可知，當(dāng)鋼中Nb含量為0.015% ～0.025%時(shí)，其均熱溫度控制在1150℃～1180℃即可滿足NbC的固溶析出要求。為了讓Nb的化合物溶解充分，亦考慮到晶粒的長(zhǎng)大及實(shí)際軋制過(guò)程中的軋機(jī)負(fù)荷，將加熱時(shí)間定為3 h～3.5 h，并適當(dāng)提高異形坯加熱制度，試驗(yàn)加熱制度見表5。

表5 S355J0加熱制度

2)軋制制度。粗軋采用BD軋機(jī)軋制，經(jīng)BD軋機(jī)往復(fù)軋制7個(gè)道次。精軋采用TM軋機(jī)軋制，采用5道次可逆軋制。由于H型鋼軋制變形復(fù)雜，軋機(jī)實(shí)際負(fù)荷有限，因此設(shè)定粗軋開軋溫度不低于1150℃，終軋溫度控制在1040℃以上。精軋開軋溫度不低于960℃，終軋溫度控制在830℃ ～850℃。根據(jù)成品規(guī)格選擇合適的壓下規(guī)程進(jìn)行軋制。軋制在軋機(jī)負(fù)荷允許并保證成品尺寸合格的前提下，盡量加大3、4道次的壓下量，以充分發(fā)揮Nb的細(xì)晶強(qiáng)化作用。

4 試制結(jié)果及分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求及各生產(chǎn)工序的控制要點(diǎn)進(jìn)行了S355J0熱軋H型鋼的生產(chǎn)試制。熔煉成分得到了較好控制，全部符合標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，鑄坯表面質(zhì)量良好，屈服強(qiáng)度平均在410 MPa以上，抗拉強(qiáng)度平均在520 MPa以上，斷后伸長(zhǎng)率在22%以上，0℃縱向沖擊功在80J以上，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。具體熔煉成分、力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表6和表7。

表6 S355J0熔煉成分wt%

表7 S355J0力學(xué)性能

金相組織主要為鐵素體+珠光體，輕微帶狀組織，平均晶粒度為7.5～8級(jí)。沖擊試樣斷口呈韌窩狀，鋼材韌性較好。金相組織及掃描電鏡分析如圖1、圖2所示。

圖1 金相顯微組織100×

圖2 沖擊斷口SEM形貌

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明Nb微合金化工藝及合理的軋制制度保證了S355J0熱軋H型鋼的低溫沖擊及力學(xué)性能穩(wěn)定性。

通過(guò)制訂合理的成分設(shè)計(jì)、冶煉、連鑄以及軋制工藝參數(shù)，成功試制歐標(biāo)S355J0熱軋H型鋼，并實(shí)現(xiàn)了歐標(biāo)S355J0熱軋H型鋼的批量化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］ 杜士青，洪永昌，孫希慶.歐標(biāo)低合金結(jié)構(gòu)鋼粗晶熱影響區(qū)組織和韌性的熱模擬研究［J］.熱處理，2010，25(2)：35-41.

［2］ C.F.Cooper，J.A.Kitchener.The foaming of molten silicates［J］.Journal of the iron and steel linstitute，1959，193：48-55.

［3］ 雍崎龍.鋼鐵材料中的第二相(第三章)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006：28-30.