Q345R容器鋼伸長率低原因分析及改進措施探討*

王文斌 王志國 張雷 曹巍 曾強國

(安陽鋼鐵股份有限公司)

Q345R容器鋼伸長率低原因分析及改進措施探討*

王文斌 王志國 張雷 曹巍 曾強國

(安陽鋼鐵股份有限公司)

針對低合金容器板伸長率偏低問題，通過對鋼材的組織、成分進行檢測分析和生產(chǎn)工藝監(jiān)督等手段進行原因查找。結(jié)果表明在影響Q345R伸長率的眾多因素中，鑄坯中心存在C、Mn、S元素偏析、中心疏松，MnS塑性夾雜尺寸較大且分布集中等內(nèi)部質(zhì)量缺陷是導(dǎo)致鋼板伸長率低的直接原因。并結(jié)合生產(chǎn)實際情況，通過引入電磁攪拌、凝固末端輕壓下，軋制環(huán)節(jié)精確控制等手段加以改進。

低合金容器板 伸長率 檢測分析 生產(chǎn)工藝

0 前言

隨著鍋爐、容器行業(yè)的迅猛發(fā)展，壓力容器用鋼板的市場需求量不斷增加，Q345R低合金壓力容器用鋼憑借自身良好的力學(xué)性能和工藝性能贏得了大量市場，是目前我國用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板。然而，在生產(chǎn)過程中低合金壓力容器板偶爾也會出現(xiàn)伸長性能偏低的現(xiàn)象，導(dǎo)致廢品和改判量增加，影響到經(jīng)濟效益。針對低合金壓力容器板伸長率偏低這一問題，筆者結(jié)合Q345R的生產(chǎn)實際情況，通過采用低倍檢驗、金相分析、工藝監(jiān)督等手段，對壓力容器板伸長率偏低的原因進行了全面的分析和研究。

1 工藝路線

試驗鋼坯選自100 t轉(zhuǎn)爐和150 t轉(zhuǎn)爐，其生產(chǎn)工藝路線為:

100t轉(zhuǎn)爐—LF—連鑄—中板軋機。

150t轉(zhuǎn)爐—LF(VD)—連鑄—中板軋機。

1.1 Q345R 成分控制

Q345R低合金壓力容器用鋼化學(xué)成分控制要求見表1。

表1 試樣鋼的化學(xué)成分 wt%

1.2 力學(xué)性能要求

控制標準(16 mm～36 mm):Rel≧335 N/mm2，Rm/510 N/mm2～630 N/mm2，A% ≧ 21，0 ℃夏比(V型缺口)沖擊功≧38 J，180°彎曲試驗d=3a，冷彎良好，試樣外表面無肉眼可見裂紋。

1.3 工藝參數(shù)

在現(xiàn)場條件下，選取5爐鋼進行生產(chǎn)跟蹤，并對軋制工藝參數(shù)和力學(xué)性能情況進行追蹤和記錄，詳見表2、表3。

表2 軋制工藝參數(shù)

表3 試樣力學(xué)性能

2 檢驗結(jié)果

2.1 板材低倍檢驗

將試樣放入1∶1的鹽酸水溶液中，在80℃熱浸30 min，取出后用清水沖洗、吹干表面。如圖1所示。

圖1 試樣酸洗后照片

從圖1中可以看出，試樣斷口處的頸縮不是很明顯，斷口周圍有開裂和分層現(xiàn)象。其中，中心分層(編號1#、4#、5#)較為常見，是鋼板伸長率不合格普遍存在的缺陷形式，另一種是整個斷面呈現(xiàn)出的分層(編號2#、3#)，其斷口顏色大多為亮白色或淺灰色。從試樣側(cè)面中心線及附近可以看到明顯的裂紋和疏松，只有距離鋼板上下表面約1/4厚度范圍內(nèi)存在致密組織，這也反映出鑄坯本身的疏松情況。試樣在拉伸過程中要經(jīng)歷彈性變形、塑性變形和斷裂三個過程，依照滑移理論解釋斷口分層原因:金屬材料塑性變形主要以滑移方式進行，具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)的鐵素體在滑移時沿著密度最大的晶面和晶向上進行，而珠光體是由鐵素體片層和滲碳體片層組成，由于組織結(jié)構(gòu)的不同，珠光體塑性變形時的滑移方式必然與鐵素體不同。正是基于這種內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)差異，導(dǎo)致鐵素體與珠光體的塑性變形具有不同時性，宏觀上便呈現(xiàn)出這種參差不齊的層狀斷口(編號2#、3#)，也就是說帶狀組織級別越高，各條帶寬度越寬，這種分層越明顯。同樣道理可以解釋鋼板中心分層(編號1#、4#、5#):鋼板心部聚集大量馬氏體等硬組織相，與基體組織之間形成的顯著差異，是鋼板拉伸試驗時產(chǎn)生中心分層的重要原因。

2.2 微觀組織分析

依據(jù)GB/T13299－91《鋼的顯微組織評定》，GB/T6394－2002《金屬平均晶粒度測定》，利用金相顯微鏡在放大100倍條件下，測定試樣鋼的帶狀組織及晶粒度情況見表4。編號1#～5#試樣鋼中心組織對應(yīng)如圖2所示。

表4 組織情況對比

圖2 1#～5#試樣鋼中心金相組織

由圖2中心組織圖像可以看出，試樣鋼均存在中心偏析，心部有馬氏體、貝氏體等硬相組織。圖2(a)硬組織上伴有MnS塑性夾雜，存在魏氏組織。圖2(b)中可以清晰地看到一條白亮色偏析帶，且有輕微裂紋。經(jīng)分析該偏析帶主要由貝氏體組成。通常情況下，這種組織的產(chǎn)生主要由C、Mn元素的偏析造成。雖然鋼板心部與其它位置相比冷卻速率最為緩慢，但由于C、Mn元素的偏析，增加了鋼板心部的淬透性，導(dǎo)致中心偏析帶組織為貝氏體，而基體組織為鐵素體+珠光體。圖2(c)中鐵素體晶粒大小不均勻，有混晶現(xiàn)象。中心硬組織上伴有長條狀MnS塑性夾雜。MnS的存在一定程度上破壞了基體連續(xù)性，易形成裂紋源。MnS夾雜的產(chǎn)生，同樣是由于鋼在連鑄過程中，S、Mn元素在心部偏聚形成的。圖2(d)、(e)中帶狀組織非常明顯，從表中可以看出帶狀級別較高。帶狀組織的形成首先從凝固過中程枝晶偏析開始，由于枝間部分和枝干部分各元素含量不同，兩者之間的Ar3溫度也就不同，導(dǎo)致先共析鐵素體析出具有不同時性。在連鑄坯加熱過程中，由于碳的擴散速度快，奧氏體化時碳能優(yōu)先達到相對均勻，但Mn、Si等元素是不容易均勻化的，并且在一定程度上仍保持著枝晶偏析引起的帶狀偏析.鋼在軋制冷卻時，伴隨先共析鐵素體的析出，碳將不斷向Ar3溫度低的條帶擴散，并在其中富集，最后在達到共析溫度時，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。因此，帶狀組織就是這些元素引起的各帶內(nèi)Ar3點溫度不同導(dǎo)致的［1］。

鋼板拉伸斷口掃描電鏡分析顯示［2］，斷口分層位置處具有較深、較寬的溝槽。溝槽附近厚度方向上存在微觀裂紋或孔洞，距溝槽越遠，孔洞或裂紋尺寸越小。溝槽兩側(cè)的組織主要為鐵素體和滲碳體片層相間分布的珠光體、馬氏體以及少量貝氏體。溝槽沿著珠光體、貝氏體以及馬氏體等組織擴展，且經(jīng)過珠光體時與內(nèi)部的片層分布方向呈一定角度。這從微觀上描述了裂紋的形成路徑，也說明斷口中心分層處組織與圖2中心組織相吻合的事實。

3 原因分析

1)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量差，MnS夾雜含量高、中心偏析、中心疏松嚴重，是造成鋼板伸長率低的首要因素。疏松是鋼液凝固收縮產(chǎn)生的小空隙。偏析是由于凝固過程中的選擇結(jié)晶導(dǎo)致凝固后鑄坯成分的不均勻現(xiàn)象。鋼水在凝固初期，溫度梯度大，鋼液冷卻速度快，表面形成細小的等軸晶區(qū);凝固末期，由于選分結(jié)晶作用，最后凝固的鋼液，必然含有較多雜質(zhì)，尤其是鋼中的易偏析元素S、P都聚集在此。再者鋼液溫度降低，鋼液變粘，加上雜質(zhì)元素偏聚，使固液兩相區(qū)的鋼液變的更粘稠，補縮無法進行。另外，凝固過程中氣體不是均勻分布在鋼坯各個部位，而是偏聚在鋼中的薄弱環(huán)節(jié)。如在偏析、疏松處聚集;凝固后期，鋼中 O、S元素濃度明顯升高，并與Si、Mn發(fā)生反應(yīng)，生成 SiO2，MnO 及 MnS等夾雜物殘留在鋼坯中［3］，綜合作用影響鋼材力學(xué)性能。

2)鋼坯加熱與軋制環(huán)節(jié)控制不理想。有研究表明，當鋼坯再加熱不充分時，容易在心部形成合金元素偏析，這種偏析不僅能促進帶狀組織形成，也會使局部奧氏體穩(wěn)定程度增加，導(dǎo)致相變時產(chǎn)生魏氏組織［4］。另一方面，當變形過程不能充分滲透時，鋼板心部仍存在尺寸較大的未充分再結(jié)晶細化的奧氏體晶粒，最終形成魏氏組織。由于微觀組織的不均勻和魏氏組織的存在，當有外加載荷作用時，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼板塑性降低。

3)機加工試樣形狀不符合規(guī)定標準，導(dǎo)致拉伸試驗機鉗口夾持力方向與試樣軸線偏離，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩等，也對拉伸試驗結(jié)果產(chǎn)生一定偏差。

4 改進措施探討

鋼板伸長率低主要原因有中心偏析、疏松、非金屬夾雜等。結(jié)合生產(chǎn)特點，提出以下改進措施:

1)調(diào)整成分，適當降低Mn含量，按標準下線控制。針對Mn含量的降低，可通過優(yōu)化控軋工藝，精確操作等手段來彌補其減少量對鋼板性能的影響。提高鋼水純凈度，減少外來雜質(zhì)對鋼水的影響。降低鋼中S含量，加強鐵水深脫硫，提高脫硫穩(wěn)定率。

2)控制低過熱度的澆鑄，以減少柱狀晶帶寬度，采用電磁攪拌，凝固末端輕壓下技術(shù)等，來減輕中心偏析。選擇合適的拉坯速度，二冷區(qū)采取弱冷卻制度和電磁攪拌技術(shù)，阻止柱狀晶生長，以減少中心疏松，改善鑄坯致密度。其中，凝固末端輕壓下技術(shù)對減少中心偏析和疏松很有效，是一種很常見和成功的技術(shù)。不少文獻報導(dǎo)了將輕壓下技術(shù)與其它改善偏析的手段聯(lián)合使用的情況。如輕壓下與結(jié)晶器電磁攪拌，輕壓下與二冷區(qū)電磁攪拌等［5］，多種手段綜合應(yīng)用的效果更好。

3)執(zhí)行合理的加熱制度，防止鋼的原始晶粒過分長大。可以使鋼坯在具有較細化的奧氏體晶粒的溫度下進行軋制，進而使基體組織得到細化。該鋼種含有微量元素Nb，選擇合理的溫度制度，可以控制Nb(C、N)元素的適量析出，即能增加強化作用，又能保證鋼的韌、塑性。

4)優(yōu)化軋制工藝，調(diào)整軋制節(jié)奏，合理控制終軋和終冷溫度。通過再結(jié)晶區(qū)軋制獲得細小、均勻的奧氏體晶粒，在未再結(jié)晶區(qū)合理安排壓下規(guī)程，嚴格控制精軋開軋溫度和終軋溫度，避免兩相區(qū)軋制。在軋機能力允許的范圍內(nèi)，最大限度地利用低溫軋制來獲得應(yīng)變積累，增加奧氏體晶內(nèi)缺陷(滑移帶、位錯等)，使晶粒細化?，F(xiàn)場條件下，粗、精軋機之間輥道供待溫長度短，軋制節(jié)奏快，二階段待溫時間不足，導(dǎo)致鋼板終軋溫度偏高，使奧氏體晶粒粗大，相變后得到不良組織。可以根據(jù)Q345R的生產(chǎn)條件適當降低軋制節(jié)奏，增加二階段待溫時間，控制合理的終軋溫度和冷卻速率，便于得到理想的相變組織。以提高鋼板綜合性能。經(jīng)分析對于軋制h≥20 mm規(guī)格容器鋼板，選擇近3倍成品厚度的中間坯，二開控制在920±10℃溫度范圍內(nèi)較為理想。軋制16 mm≤h＜20 mm規(guī)格時，考慮到設(shè)備條件、降溫速率等因素，可適當提高二開溫度， 但最高不要超過950℃。

5)對于帶狀組織級別較高的鋼板，可采用軋后正火或退火+正火的熱處理方法消除和減輕帶狀組織，以提高鋼的韌、塑性。

6)加強設(shè)備點檢，加強標準化管理。加大對鋼板軋制，取、制樣，檢測等環(huán)節(jié)的監(jiān)管力度，避免人為因素產(chǎn)生的影響。

5 改進效果

經(jīng)電磁攪拌系統(tǒng)上線、軋制工藝優(yōu)化等一系列措施實施后，連鑄坯中心偏析、疏松程度顯著降低，內(nèi)部質(zhì)量得到明顯改善，Q345R容器鋼板的伸長率較以前大幅提高。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計:改進后容器板伸長率不合格比例呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢(如圖3所示)。由于伸長率指標的提升，一定程度上也帶動了其它重要指標的提高。既保證了產(chǎn)品性能的穩(wěn)定，又提高了勞動生產(chǎn)率，增加了經(jīng)濟效益。

圖3 伸長率不合格比例

6 結(jié)語

對鑄坯軋制過程及實物檢測分析發(fā)現(xiàn):影響Q345R伸長率的因素較多。其中，鑄坯中心偏析、疏松、夾雜物含量高是導(dǎo)致容器板伸長率低的直接原因。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題具有普遍性，探討連鑄、軋制等環(huán)節(jié)存在的問題與不足并加以分析和改進，為同系列產(chǎn)品的生產(chǎn)提供經(jīng)驗，對企業(yè)今后開發(fā)新產(chǎn)品、探索管理新模式具有重要意義。

［1］張愛民，陳曄，苗釗.16MnR容器鋼板帶狀組織的研究.山東冶金，2002，24(6):38 －39.

［2］陳炳張，朱伏先.A36船板用鋼拉伸試樣斷口分層的原因分析.軋鋼，2010，27(5):5 －7.

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［4］崔風(fēng)平，孫瑋，劉彥春，等.中厚板生產(chǎn)與質(zhì)量控制.北京:冶金工業(yè)出版社，2008:445.

［5］閻朝紅.凝固末端輕壓下技術(shù)在連鑄中的應(yīng)用.寶鋼技術(shù)，2001(5):51－55.

DISCUSSION ON LOW ELONGATION RATIO OF Q345R CONTAINER STEEL PLATE AND ITS IMPROVEMENT MEASURES

Wang WenBin Wang Zhiguo Zhang LeiCao WeiZeng QiangGuo
(Anyang lron and Steel Stock Co.，Ltd)

ABSTRAC Low elongation of low－alloyed container plate is checked through structure，composition examination and production supervision.Results show that the C，Mn，S central segregation，central looseness，large size MnS inclusions and centralized distribution etc internal quality defects are the main reasons.They can be improved by electro － magnetical stirring，soft reduction on solidification terminal and accurate rolling control process on the basis of actual production.

low－alloyed container plate elongation examination and analysis production process

:2011—10—19