低成本厚規(guī)格耐候鋼Q355NHD的生產(chǎn)實(shí)踐

夏志升 王新志 張振申 王中岐

( 安陽鋼鐵股份有限公司 )

低成本厚規(guī)格耐候鋼Q355NHD的生產(chǎn)實(shí)踐

夏志升 王新志 張振申 王中岐

( 安陽鋼鐵股份有限公司 )

介紹了厚規(guī)格耐候鋼Q355NHD的生產(chǎn)工藝，成分體系上采用提碳去鈮代替常規(guī)的低碳加鈮成分體系，生產(chǎn)工藝上采用了合適的冶煉和軋制工藝，生產(chǎn)的產(chǎn)品性能優(yōu)異。試驗(yàn)結(jié)果表明：Q355NHD組織為典型的F+P，晶粒度在9級(jí)左右；屈服強(qiáng)度在370 MPa以上，抗拉強(qiáng)度在540 MPa以上，伸長(zhǎng)在26%以上；-20 ℃沖擊功在170 J以上，整體工藝力學(xué)性能良好，完全滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。通過成本核算，低成本成分體系相對(duì)傳統(tǒng)低碳加鈮成分體系耐候鋼成本降低約40 元/t，說明該產(chǎn)品具有較低的成本優(yōu)勢(shì)。

厚規(guī)格 耐候鋼 Q355NHD

0 前言

耐腐蝕鋼是指通過添加銅、磷、鉻、鎳等耐腐蝕合金元素，使其在大氣中或者其他介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性能的合金鋼，耐腐蝕鋼的耐腐蝕性能為普通碳素鋼的2～8倍，并且使用時(shí)間越長(zhǎng)，耐蝕作用越明顯。耐腐蝕鋼除具有良好的耐腐蝕性外，還具有優(yōu)良的力學(xué)、焊接等使用性能。耐腐蝕鋼因其良好的耐腐蝕性，在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于集裝箱、橋梁、鐵路車輛、汽車、鍋爐、煙草、電力、建筑和海洋工程等行業(yè)[1]。

在耐候鋼標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4171-2008中，為保證耐候鋼的耐蝕性和焊接性能，限制了碳的加入量，Q355NH系列鋼碳的上限為0.16%。又因當(dāng)碳含量在0.09%～ 0.15%區(qū)域?qū)儆阼F-碳的包晶反應(yīng)區(qū)間，此區(qū)間發(fā)生包晶反應(yīng)，鑄坯出現(xiàn)裂紋的概率極高，因此，生產(chǎn)廠生產(chǎn)耐候鋼采用避開碳的包晶反應(yīng)區(qū)間的設(shè)計(jì)理念，采用低碳的化學(xué)成分體系；但對(duì)于厚規(guī)格耐候鋼(厚度大于30 mm)會(huì)產(chǎn)生一定的弊端，采用低碳成分，為保證鋼板所需要的強(qiáng)度，需要加入大量的強(qiáng)化性合金元素，這就大大增加了鋼的合金成本。筆者采用了提高碳含量去鈮成分體系，充分利用高性價(jià)比的碳錳合金的強(qiáng)化作用，并添加適量的耐蝕性元素，進(jìn)行了低成本的耐候鋼生產(chǎn)試驗(yàn)研究。

1 產(chǎn)品技術(shù)要求及成分設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品技術(shù)要求

依據(jù)耐候鋼標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4171-2008，Q355NHD成分要求見表1，其力學(xué)性能和工藝性能要求見表2。

表1 Q355NHD化學(xué)成分要求

表2 Q355NHD力學(xué)性能和工藝性能要求

1.2 成分設(shè)計(jì)

根據(jù)Q355NHD的產(chǎn)品技術(shù)要求，其化學(xué)成分設(shè)計(jì)依據(jù)如下：

1)C、Mn合金含量。為保證此鋼板具有較好的焊接性能，需要選擇較低的碳，同時(shí)碳作為強(qiáng)化性元素，太低會(huì)提高生產(chǎn)成本，且本產(chǎn)品為厚規(guī)格產(chǎn)品，滿足強(qiáng)度指標(biāo)的難度更大，因此選擇碳和錳的加入量為靠近標(biāo)準(zhǔn)上限。

2)耐蝕性元素。為提高耐蝕性，除C、Si、Mn、P、S五大合金元素外，需要加入一定量的Cr、Cu、Ni等耐蝕性元素。Cu對(duì)提高鋼板的耐蝕性能有利，因Cu起到活化陰極的作用，促使鋼陽極發(fā)生鈍化，因而減緩腐蝕；同時(shí)Cu可以在鋼表面形成一層富銅層，在鋼的表面腐蝕層與銅的富集層之間形成緊密的氧化銅中間層，形成致密、完整的雙層結(jié)構(gòu)的銹層，阻礙腐蝕介質(zhì)進(jìn)一步腐蝕鋼板內(nèi)部[2]。Cr能在鋼板表面形成致密的氧化膜提高鋼的鈍化能力，Cr、Cu復(fù)合加入，耐蝕效果更佳。另外，由于Cu、是低熔點(diǎn)元素，且極易在晶界偏聚，形成微裂紋，為減輕其影響程度，加入一定量的Ni合金，因?yàn)镹i和Cu形成高熔點(diǎn)的Cu-Ni復(fù)合相，一般Ni的加入量為Cu加入量的1/2～1/3。

2 生產(chǎn)裝備及工藝

2.1 主要生產(chǎn)裝備

1) 150 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐。采用頂?shù)讖?fù)吹，擁有副槍及動(dòng)靜態(tài)模型等可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐鋼水在線檢測(cè)和控制。爐后設(shè)有吹氬站，可對(duì)鋼水進(jìn)行底吹氬攪拌、喂線，這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用使得鋼水成分、潔凈度控制水平大大提高。

2)LF精煉。150 t鋼包精煉爐具有電弧加熱、造渣、吹氬攪拌、合金化和鋼中夾雜物的變性處理等功能，可保證鋼水成份、溫度及夾雜物的有效控制。

3)3250 mm超寬板坯連鑄機(jī)。擁有動(dòng)態(tài)配水、動(dòng)態(tài)軟壓下、漏鋼預(yù)報(bào)、液面自動(dòng)控制等先進(jìn)的工藝技術(shù)，可生產(chǎn)斷面150 mm×(1600～3250 )mm，保證鑄坯質(zhì)量良好。

4)3500 mm爐卷軋機(jī)。3500 mm爐卷軋機(jī)的軋制壓力高達(dá)70000 kN，軋后配有層流冷卻，可調(diào)整冷卻速率，最高冷卻速率達(dá)到25 ℃/s，可滿足在軋制工藝上使用TMCP工藝的需要。

2.2 生產(chǎn)工藝

采用的工藝流程：鐵水預(yù)處理—150 t轉(zhuǎn)爐—LF精煉—3250 mm超寬板坯連鑄機(jī)—3500 mm爐卷軋機(jī)。具體各工序的主要控制要求如下。

2.2.1 冶煉連鑄工藝

1) 轉(zhuǎn)爐。在鐵水硫大于0.040%需要進(jìn)行鐵水預(yù)脫硫處理，保證轉(zhuǎn)爐入爐鐵水成分和溫度。轉(zhuǎn)爐冶煉采用中低碳鋼冶煉模式，控制轉(zhuǎn)爐終渣堿度在3.0以上，終點(diǎn)溫度不低于1620 ℃，終點(diǎn)[C]小于0.08%出鋼。使用鋁鐵脫氧，硅錳和硅鐵合金化，Cr一次配加完成，吸收率按95%計(jì)算， LF不再配加鉻鐵，鎳板和銅板隨廢鋼一起加入，吸收率按100%計(jì)算。

2)LF精煉。主要目的是控制夾雜物和脫硫，精煉過程中要求白渣保持時(shí)間大于20 min，弱攪拌時(shí)間控制在8 min以上，弱攪拌流量控制在噸鋼0.8 Nl/min-2.5 Nl/min，白渣形成后，取鋼水樣做全分析，微調(diào)成分和溫度。

3)連鑄。由于該鋼種的碳含量是屬于包晶鋼范圍，鑄坯容易產(chǎn)生表面裂紋、偏析、氣隙等缺陷，另外加入的低熔點(diǎn)合金含量較高，鑄坯缺陷發(fā)生的概率將更高。在連鑄時(shí)，連鑄保護(hù)渣采用包晶鋼專用保護(hù)渣，且采用弱冷配水，按合適的比水量控制，拉速控制在0.8 m/min～1.2 m/min，實(shí)施點(diǎn)拉速控制，保證了鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量。

鑄坯低倍觀察結(jié)果，中心偏析B類1級(jí)，中心疏松1級(jí)，其它缺陷未見；鑄坯表面質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)，鑄坯表面質(zhì)量良好，表面出現(xiàn)裂紋的概率較低，在2.0%以內(nèi)。

2.2.2 熱軋工藝

1)加熱工藝。該鋼種由于Cu含量較高，容易產(chǎn)生熱脆，所以加熱時(shí)采取高溫快燒的加熱工藝，加熱爐微正壓控制且爐內(nèi)氣氛采用還原性氣氛。又因該鋼種加入一定量的Ni合金，鋼坯極易由于溫度波動(dòng)或加熱時(shí)間過長(zhǎng)，造成板坯表面質(zhì)量缺陷和表面粘性氧化鐵皮除鱗不凈，因此要避免各段爐溫波動(dòng)和板坯在爐時(shí)間過長(zhǎng)，加熱時(shí)間一般控制在3 h以內(nèi)，加熱溫度控制1200 ℃～1250 ℃。

2)軋制工藝。由于該鋼種板坯表面的氧化鐵皮粘性較大，容易造成除鱗不盡，軋制時(shí)要保證除鱗水的壓力。軋制工藝采用再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段控制軋制工藝。板坯開軋溫度為1060 ℃左右，再結(jié)晶區(qū)軋制溫度控制在1000 ℃以上，通過軋制道次間的反復(fù)再結(jié)晶，充分細(xì)化奧氏體組織。再結(jié)晶區(qū)軋制完成后，中間坯采用空冷待溫。未再結(jié)晶區(qū)軋制在950 ℃以下，通過未再結(jié)晶區(qū)內(nèi)的變形，增加相變形核位置，要保證未再結(jié)晶區(qū)累積變形量大于50%。終軋溫度在850 ℃以下，結(jié)合理論常識(shí)，終軋溫度較高時(shí)，則奧氏體在高溫下容易回復(fù)，儲(chǔ)存能降低，相變驅(qū)動(dòng)力減小，使得相變后鐵素體晶粒粗大；終軋溫度低時(shí)，終軋溫度盡可能接近Ar3相變溫度時(shí)，使軋制過程產(chǎn)生的變形帶、位錯(cuò)和晶粒壓扁保持至相變以后，使得相變后的晶粒細(xì)化。

3) 冷卻工藝。該鋼種Cr的加入量在0.5%以上，碳含量在0.15%左右，按照碳當(dāng)量計(jì)算公式計(jì)算該成分體系的碳當(dāng)量在0.5%左右，相比低碳系列，碳當(dāng)量要高，碳當(dāng)量計(jì)算公式如式(1)所示。

Cev= C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

(1)

Cr為提高鋼板淬透性元素，對(duì)于本鋼種碳當(dāng)量高，如果冷卻速率過大容易出現(xiàn)貝氏體硬相組織，惡化韌性。因此，該鋼種的冷卻速率要適當(dāng)，以防止相變后出現(xiàn)貝氏體硬相組織，實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐終冷溫度控制在680 ℃以上。

3 結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分

低成本Q355NHD大生產(chǎn)試驗(yàn)的化學(xué)成分見表3，低碳系列Q355NHD的化學(xué)成分見表4。

表3 低成本Q355NHD的化學(xué)成分

表4 低碳系列Q355NHD的化學(xué)成分

由表3可知，實(shí)際生產(chǎn)中C的含量接近標(biāo)準(zhǔn)要求的0.16%的上限，能夠最大發(fā)揮C的強(qiáng)化作用效果，減少其他強(qiáng)化性合金的加入量；另外也提高M(jìn)n的加入量，更好的發(fā)揮Mn的固溶強(qiáng)化效果，因?yàn)橄鄬?duì)其他強(qiáng)化性合金元素，錳合金相對(duì)較便宜；同時(shí)本成分體系中未加Nb，Nb屬于較昂貴的合金。

對(duì)比表3和表4可知，低成本Q355NHD成分體系中由于提高了碳含量的加入量，未添加昂貴的鈮合金。對(duì)比兩成分體系，低成本體系碳含量提高0.09%，錳含量提高了0.15%，未添加鈮，通過合金成本計(jì)算，低成本成分體系較低碳成分體系合金成本降低約40元/t。

3.2 力學(xué)性能

使用該成分體系生產(chǎn)了厚度為35 mm、45 mm、50 mm的鋼材，產(chǎn)品最終的性能見表5。

表5 Q355NHD的力學(xué)性能

由表5可知，產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度在370 MPa以上，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)335 MPa的下限規(guī)定，且有一定的富余量，同時(shí)抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。批量試驗(yàn)結(jié)果表明，該產(chǎn)品的性能合格率達(dá)到100%。

3.3 金相組織

板厚方向不同位置的的金相組織如圖1所示，鋼板厚度為50 mm。

(a) 表層 (b) 板厚1/4處 (c) 芯部

圖1 Q355NHD金相組織 由圖1可見，不同位置的組織均為典型的鐵素體+珠光體，表層未見貝氏體組織，晶粒度為9級(jí)，表層組織稍細(xì)，芯部組織稍微粗大，但未發(fā)現(xiàn)異常的硬相組織。

3.4 耐蝕性能

通過對(duì)該成分體系耐蝕指數(shù)計(jì)算，并采用耐候鋼Q355NHD與低合金鋼Q345B進(jìn)行對(duì)比腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明Q355NHD具有較好的耐蝕性能，具體如下。

1)耐蝕指數(shù)。鋼材具有較好的耐蝕性能，要求耐蝕指數(shù)在6.0以上，耐蝕指數(shù)越高，耐蝕性越好。國(guó)外Legault和Leckie公布了暴露于不同大氣環(huán)境下15.5年后的低合金鋼的腐蝕情況公式，修訂后業(yè)內(nèi)公用的耐大氣腐蝕指數(shù)公式見式2。

I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-

9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)

(2)

按照式(2)對(duì)實(shí)際的成分體系計(jì)算的耐蝕指數(shù)為6.15，滿足耐候鋼耐蝕指數(shù)大于6的規(guī)定，說明該產(chǎn)品具有較好的耐蝕性能。

2)腐蝕試驗(yàn)。對(duì)Q355NHD進(jìn)行了腐蝕性試驗(yàn)，采取的試驗(yàn)方法為周浸加速腐蝕試驗(yàn)；腐蝕環(huán)境為模擬工業(yè)大氣環(huán)境，具體為濃度為0.01 mol/L的NaHSO3的溶液，PH值為4.4～4.8；采取以Q345B作為對(duì)比鋼種。通過多次試驗(yàn)計(jì)算出兩種鋼的腐蝕速率，兩種鋼的腐蝕速率見圖2。

由圖2可知，Q355NHD的腐蝕速率為Q345B的50%左右，這一指標(biāo)與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品耐蝕性能相當(dāng)。說明Q355NHD具有較好耐蝕性能，滿足耐候鋼產(chǎn)品的耐蝕性能要求。

4 結(jié)語

大生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用低成本成分體系生產(chǎn)的耐候鋼Q355NHD，綜合性能優(yōu)良，產(chǎn)品性能能夠滿足該產(chǎn)品的技術(shù)要求。另外，低成本成分體系較低碳成分體系碳含量提高了0.09%，錳含量提高了0.15%，未添加鈮，通過合金成本計(jì)算，合金成本降低約40元/t。

圖2 Q355NHD和Q345B的腐蝕速率

[1] 于千.耐候鋼發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2007,19(11):1-4.

[2] 李娜.銅在鋼中的作用綜述[J].遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011,34(2):157-161.

PLANT PRACTICE OF HEAVY WEATHER RESISTANT STEEL Q355NHD WITH LOW-COST COMPOSITION SYSTEM

Xia Zhisheng Wang Xinzhi Zhang Zhenshen Wang Zhongqi

( Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd )

This paper introduced the heavy weather resistant steel Q355NHD production process with low-cost composition system instead of low carbon and niobium, the slab quality was well by adopting proper smelting and rolling technology. The test results show that , organization were typical Ferrite and pearlite, grain size about 9 magnitude; yield strength was more than 370 MPa; tensile strength was more than 540 MPa, elongation was more than 26%; - 20 ℃ impact energy was more than 170 J, mechanical performance was good, completely met the requirements of product standards. Through the cost accounting, the cost was lower 40 yuan/t than low carbon and niobium composition system, so that the product has lower cost advantage.

heavy plate weather resistant steel Q355NHD

?升，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；

2015-9-17