鈦微合金化抗低溫沖擊H型鋼Q345E的開發(fā)

張學(xué)民，趙圣功

（山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠，山東萊蕪 271104）

生產(chǎn)技術(shù)

鈦微合金化抗低溫沖擊H型鋼Q345E的開發(fā)

張學(xué)民，趙圣功

（山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠，山東萊蕪 271104）

山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠原采用鈮鎳硼微合金化生產(chǎn)抗低溫沖擊H型鋼Q345E，但產(chǎn)品沖擊性能波動大、合格率低、效益差。為此，對原生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化調(diào)整，采用低碳鈦微合金化，使用鈍化鎂粒脫硫，鋁錳鐵、鋁粒脫氧，連鑄保護澆注，調(diào)整軋鋼工藝并加強各工序控制，開發(fā)的產(chǎn)品-20℃沖擊功120～160 J/cm2，-45℃沖擊功70～100 J/cm2，產(chǎn)品成材合格率85%以上，噸鋼降低成本300元以上。

H型鋼；Q345E；鈦微合金化；低溫沖擊韌性；成本

1 前言

Q345E低合金高強度抗低溫沖擊H型鋼廣泛應(yīng)用于海洋石油鉆井平臺結(jié)構(gòu)架，其低溫沖擊韌性要求較為嚴格。萊鋼一直采用鈮鎳硼微合金化生產(chǎn)，其沖擊性能波動幅度較大，產(chǎn)品合格率較低，經(jīng)濟效益并不可觀。為此，改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，嘗試低碳鈮鈦合金化，并對脫氧工藝進行了優(yōu)化調(diào)整。開發(fā)產(chǎn)品實物質(zhì)量檢驗，-20℃、-45℃低溫沖擊性能較好，夾雜物及晶粒度控制水平也有明顯的改善，生產(chǎn)成本大幅度降低，為以后批量生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量提升打下了基礎(chǔ)。

2 鈦微合金化開發(fā)工藝

萊鋼原采用鈮鎳硼微合金化工藝生產(chǎn)Q345E H型鋼，其屈服強度（＞345 MPa）、抗拉強度（470～630 MPa）均符合要求，但沖擊性能波動較大，大部分試樣檢測-45℃沖擊功在40 J/cm2以下，不滿足要求（要求＞40 J/cm2），成品合格率不足60%。硫化物夾雜評級1.5～2.0級，球狀氧化物夾雜評級1.5～2.0級，組織基本為鐵素體＋珠光體，存在少量不均勻魏氏體組織勻，平均晶粒度僅有7.5級，部分試樣帶狀組織明顯。

為此，進行工藝調(diào)整，采用低碳、鈮鈦合金化開發(fā)生產(chǎn)Q345E H型鋼。工藝流程：鐵水預(yù)處理（純鎂粒脫硫）→600 t混鐵爐→60 t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐→60 t LF精煉爐→三機三流矩形坯連鑄機。

2.1 成分設(shè)計

1）調(diào)整C、Mn含量。鋼的C含量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊韌性降低。為進一步穩(wěn)定Q345E的低溫沖擊性能，適當降低C含量，調(diào)整為0.07%～0.10%；并適度提高Mn含量，保證屈服及抗拉性能，Mn含量為1.45%～1.55%。

2）合理的Ti含量。Ti在鋼中的析出物TiN、TiC和Ti（C、N）等能夠阻止加熱及軋制過程中奧氏體晶粒長大，同時抑制形變奧氏體晶粒的回復(fù)和再結(jié)晶，而奧氏體中的形變帶、未回復(fù)的亞結(jié)構(gòu)邊界，可進一步促進鐵素體晶粒的細化，可以起到細化組織和晶粒的作用，從而提高鋼的強度和沖擊韌性［1］。Ti與S的親和力強于Mn與S的親和力，隨Ti含量增加，鋼中Ti4C2S2化合物逐漸增多并取代MnS夾雜，即Ti的加入奪取了MnS中的S，與之形成更為穩(wěn)定的Ti4C2S2，可減少MnS的析出，鋼中的長條狀MnS夾雜物因Ti4C2S2的形成而減少。球狀Ti4C2S2硬度高，在高溫熱軋時不變形，可改善鋼的沖擊韌性［2］。Ti加入量過多，易形成粗大的Ti（C、N）夾雜物，對鋼的韌性不利。本試驗控制Ti在0.012%～0.020%，既控制晶粒度，減少鋼中夾雜，又對沖擊韌性有一定貢獻。

工藝調(diào)整后的鈦微合金化Q345E鋼設(shè)計化學(xué)成分及原工藝控制成分見表1。

表1 Q345E設(shè)計成分及原工藝成分控制標準（質(zhì)量分數(shù)）%

2.2 主要工藝控制措施

2.2.1鐵水預(yù)處理

鐵水使用鈍化顆粒鎂脫S，脫S后回S由原來的0.005%降至0.002%以下，入轉(zhuǎn)爐鐵水S穩(wěn)定在0.015%以內(nèi)。鐵水渣厚低于30 mm，為后道工序去S減輕了負擔，同時避免了LF精煉工序脫S產(chǎn)生大量硫化物夾雜。

2.2.2轉(zhuǎn)爐冶煉

1）冶煉過程強化過程渣及堿度控制，提高去P率。終點壓槍時間適度延長，提高終點C的均勻性，終點C≯0.05%，P≯0.015%。

2）出鋼過程采用低碳硅錳（C含量≤0.02%，增C量基本不用考慮）、鈮鐵合金化，采用鋁錳鐵脫氧，杜絕使用硅質(zhì)脫氧劑（避免產(chǎn)生大量硅酸鹽夾雜），確保LF精煉進站鋼水溶解［O］≤20×10-6。鋁錳鐵化學(xué)成分見表2。

表2 鋁錳鐵化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

3）出鋼過程對轉(zhuǎn)爐渣進行改質(zhì)，以降低鋼包頂渣的（FeO）含量和鋼水含氧量，并提高鋼水脫S率，因Q345E對C的要求較嚴格，選用Al基鋼包頂渣改質(zhì)劑（避免增C），設(shè)計的改質(zhì)劑組成成分見表3。

表3 改質(zhì)劑成分配比%

2.2.3LF精煉

冶煉全過程保持好頂渣的埋弧條件，合理調(diào)整氬氣流量，確保良好的渣鋼反應(yīng)界面；采用漂加碳化鈣、鋁粒進行擴散脫氧，黃白泡沫渣保持時間≥15 min；采用小批量、多批次造渣工藝，促進頂渣迅速熔化及均勻脫氧。

鑒于Ti元素化學(xué)性質(zhì)極為活潑，易與鋼水中的O、N等發(fā)生反應(yīng)，因此選擇在LF精煉工序進行Ti微合金化。合金化時機選擇在精煉后期，鋼水脫氧完全時采用喂鈦鐵線的方式進行合金化。為穩(wěn)定Ti元素的收得率，Ti合金化前需要滿足以下條件：頂渣為黃白泡沫渣，保持時間＞10 min；鋼水溶解［O］≤5×10-6，［S］≤0.008%；鋼中［Als］＞0.015%。

2.2.4澆注工藝

采用連鑄澆注過程鋼水在線吹氬工藝，延長軟吹時間，促進夾雜物上浮排除；穩(wěn)定控制結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面，水口插入深度控制在80 mm以上，避免卷渣；二冷采用弱冷制度，冷卻水流量降低5%～10%，提高鑄坯質(zhì)量。

2.2.5軋制工藝

對軋制制度進行優(yōu)化，加熱溫度控制在1 280～1 300℃，加熱時間不少于180 min，避免時間過長造成奧氏體粗大。初軋溫度為1 150～1 200℃，進精軋前稍作停留，經(jīng)開坯軋機往復(fù)軋制7道次。在粗軋高溫再結(jié)晶區(qū)軋制階段，為避免晶粒過分粗大，道次壓下率應(yīng)控制在15%～20%，最大道次壓下率不宜超過30%。熱鋸切頭后送往萬能連軋機組。萬能連軋機組開軋溫度不低于970℃，終軋溫度控制在850～900℃，提高精軋軋后冷卻水冷卻強度，以抑制魏氏體組織及帶狀組織的形成。

3 產(chǎn)品實物質(zhì)量檢驗及分析

3.1 成分及性能

工藝調(diào)整后對不同斷面、不同軋制規(guī)格進行了多爐次試驗，檢測其化學(xué)成分均滿足設(shè)計要求。其中：C 0.07%～0.08%，Nb 0.029%～0.030%，Ti 0.015%～0.018%。產(chǎn)品屈服強度（370～400 MPa）及抗拉強度（480～520 MPa）均滿足標準要求，-20℃沖擊功均在120 J/cm2以上（120～160 J/cm2），-45℃沖擊功均在70 J/cm2以上（70～100 J/cm2），而且波動幅度不大。批量試驗爐次成品質(zhì)量合格率達到85%以上。

3.2 微觀組織及夾雜物

產(chǎn)品金相組織基本為鐵素體+珠光體，存在的極少量魏氏體組織分布均勻，平均晶粒度達到8.5級，明顯抑制了帶狀組織的形成，帶狀顯微組織不明顯。產(chǎn)品典型的金相組織見圖1。

圖1 Ti微合金化Q345E鋼金相組織

經(jīng)檢測，硫化物夾雜均在0.5～1.0級，鋁的氧化物夾雜最高1.5級，硅酸鹽夾雜幾乎不可見。夾雜物總體控制明顯改善。

沖擊試樣斷口掃描（見圖2）也表明，鋼中僅有極少量的硫化物及鋁的氧化物夾雜，未發(fā)現(xiàn)明顯含Ti夾雜物，基本不存在硅酸鹽夾雜。開發(fā)的工藝降低了硫化物及硅酸鹽夾雜，同時也起到了抑制大顆粒含Ti夾雜物長大的作用。鋼中未發(fā)現(xiàn)明顯的氮化鈦顆粒，氮化鈦屬高溫難固溶微粒，在加熱過程中能起到阻礙奧氏體晶粒長大的作用，在后續(xù)軋制過程中能起到釘軋奧氏體晶界、增加奧氏體晶界總面積的作用，最終細化鐵素體晶粒。

4 結(jié)語

小批量生產(chǎn)表明，采用低碳鈦微合金化工藝生產(chǎn)抗低溫沖擊H型鋼Q345E具有明顯的效果和經(jīng)濟效益，開發(fā)的生產(chǎn)工藝很好地控制了鋼中的夾雜物及晶粒度，使鈦微合金化的作用得到很好發(fā)揮，產(chǎn)品成材合格率明顯提升（85%以上），同時杜絕了鎳等貴重合金的使用，噸鋼節(jié)約成本300元以上。低碳鈦微合金化生產(chǎn)工藝的成功開發(fā)，為抗低溫沖擊H型鋼以后的批量生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量的進一步提升打下了良好的基礎(chǔ)。

圖2 Ti微合金化Q345E鋼兩個沖擊試樣的斷口形貌及夾雜物

［1］許峰云，白秉哲，方鴻生.低合金高強度鋼鈦微合金化進展［J］.金屬熱處理，2007，32（12）：92-99．

［2］劉清友，陳紅桔，張永權(quán)，等.鈦對汽車車輪用鋼組織和性能的影響［J］.鋼鐵研究學(xué)報，1994，6（1）：4-9．

Development of Low-temperatureShock Resisting H-beamQ345E Steel Microalloying by Tianium

ZHANG Xuemin,ZHAO Shenggong
（The Steelmaking Plant of Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

The Steelmaking Plant of Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.formerly adopted Nb,Ni and B microalloying to produce low-temperature shock resisting H-beam Q345E steel,but the impact property of the products had large fluctuation,low percent of pass and poor benefits.Therefore,producers optimized and adjusted the production processes,adopted low-carbon and Ti microalloying,used passivated magnesium particles desulfurization,used aluminum ferromanganese and aluminum particles deoxidation and protective casting,adjusted rolling process and strengthened the control for each procedure.The absorbed-in fracture energy of developed product at-20℃is between 120 and 160 J/cm2and at-45℃is between 70 and 100 J/cm2. The qualified rate of finished products is 85%above.The cost reduced by 300 Yuan RMB per ton.

H-beam;Q345E steel;titanium microalloying;low temperature impact toughness;cost

TG335.4

：A

：1004-4620（2014）01-0014-03

2013-12-09

張學(xué)民，男，1972年生，2012年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)冶金工程專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠技術(shù)科工程師，從事煉鋼、連鑄工藝管理工作。