天鋼Z向鋼鋼板的研制與開發(fā)

王佩鑫，劉　浩，李仕力（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300301）

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天鋼Z向鋼鋼板的研制與開發(fā)

王佩鑫，劉浩，李仕力
（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300301）

[摘要]介紹了Q345B-Z35鋼板的研發(fā)和試制情況。結(jié)果表明，經(jīng)過嚴(yán)格控制冶煉過程中MnS夾雜和H含量、連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量以及軋鋼階段鋼板晶粒度等，所生產(chǎn)出的Z向鋼鋼板內(nèi)部組織均勻，晶粒細(xì)小，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合國(guó)標(biāo)要求，其Z向斷面收縮率平均達(dá)到60%，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

[關(guān)鍵詞]Z向性能；抗層狀撕裂；壓下量；斷面收縮率

修回日期：2015-04-06

1　引言

近年，隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，要求Z向性能的鋼板被越來越廣泛地應(yīng)用。與此同時(shí)，大型船舶、橋梁、起重設(shè)備、海洋石油平臺(tái)的制造也愈來愈傾向于使用高性能、大厚度的抗層狀撕裂鋼板。因此Z向性能作為附加要求越來越多地受到用戶推廣應(yīng)用，有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

Z向鋼，又稱“抗層狀撕裂鋼”，即對(duì)鋼板厚度方向有一定的韌性要求。在焊接連接的鋼構(gòu)中，當(dāng)鋼板受到厚度方向拉力時(shí)，為了避免焊接過程中產(chǎn)生層狀撕裂，因此要使用抗層狀撕裂的鋼材。抗層狀撕裂鋼不是指某一具體鋼種，而是在某一種結(jié)構(gòu)鋼（稱為母級(jí)鋼）的基礎(chǔ)上，經(jīng)過特殊冶煉及軋制的鋼材，其含硫量為一般鋼材的1/5以下。鋼板厚度方向上受力性能稱為Z向性能，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中以鋼板厚度方向拉伸斷面收縮率Z%作為Z向性能的衡量。天津鋼鐵集團(tuán)有限公司在Q345B的基礎(chǔ)上進(jìn)行了Z向鋼鋼板開發(fā)，以滿足公司擴(kuò)大品種的需求。

2　工藝設(shè)計(jì)

2.1技術(shù)要求

GB/T 5313中對(duì)各個(gè)等級(jí)Z向鋼的化學(xué)成分和性能指標(biāo)都有著明確的規(guī)定。化學(xué)成分方面，要求Z15、Z25、Z35級(jí)別S含量依次不大于0.010%、0.007%及0.005%。力學(xué)性能上，以厚度方向拉伸試樣的斷面收縮率進(jìn)行判定，Z15、Z25、Z35斷面收縮率要求分別不小于15%、25%及35%。

2.2成分設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研及客戶訂單情況，用戶使用低合金結(jié)構(gòu)鋼作為鋼結(jié)構(gòu)用鋼等附加Z向性能要求較為普遍，市場(chǎng)占有量較大且經(jīng)濟(jì)價(jià)值較為可觀。因此以Q345B作為本次Z向鋼開發(fā)試驗(yàn)品種。

Z向鋼以C、Mn為主要強(qiáng)化元素，同時(shí)應(yīng)對(duì)P、S含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，特別是S的含量，標(biāo)準(zhǔn)中已有明確規(guī)定。此外還應(yīng)注意控制C、Mn、S的偏析，C的偏析會(huì)造成心部貝氏體等異常組織的生成，而S 和Mn的偏析會(huì)在鋼板心部形成片狀MnS夾雜，這些都是影響鋼板Z向性能的主要因素。

C是鋼中對(duì)強(qiáng)度影響較大的元素，隨著含C量的提高，鐵素體晶粒細(xì)化的效果就會(huì)削弱，而珠光體量的增多又會(huì)惡化材料韌性。因此，在生產(chǎn)Z向鋼時(shí)，C含量的設(shè)計(jì)要求在于既可以保證強(qiáng)度、又不過多地犧牲材料的韌性。

Mn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Mn和S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]；但是如果內(nèi)部質(zhì)量控制不好，會(huì)使MnS在心部聚集，造成基體的“割裂”，影響抗層狀撕裂性能。

有害元素的控制：為了保證鋼板的抗層狀撕裂性能，必須嚴(yán)格控制鋼中的有害元素，對(duì)于Z向性能來說，P、S都是有害元素，鋼中P、S含量直接影響到鋼板的塑性和韌性。

按照上述思路，進(jìn)行的化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　Q345B-Z35成品化學(xué)成分　/%

2.3生產(chǎn)工藝流程

在中厚板生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，考慮Z向鋼的特殊要求，制定Z向鋼鋼板生產(chǎn)工藝流程為：

鐵水寅轉(zhuǎn)爐寅LF/VD精煉寅連鑄寅板坯堆冷寅板坯加熱寅高壓水除鱗寅粗軋寅精軋寅ACC冷卻寅矯直寅鋼板堆冷寅在線探傷寅剪切寅（正火）寅檢驗(yàn)、標(biāo)識(shí)寅入庫(kù)。

2.4工藝控制關(guān)鍵點(diǎn)

為保證良好的Z向性能，應(yīng)著重控制以下幾個(gè)方面。

2.4.1 MnS夾雜物控制

MnS是鋼中最常見的夾雜物之一，它對(duì)鋼的塑性和韌性有著顯著影響。MnS夾雜是鋼在脫氧過程中由一定含量的錳與硫化合生成的，MnS夾雜極易引起鋼板的層狀撕裂[1]。

硫化物夾雜的控制措施主要有兩點(diǎn)：在冶煉過程中保證鋼水中較低的S含量，從而減少M(fèi)nS夾雜的數(shù)量；在精煉過程中進(jìn)行有效的鈣處理，使已經(jīng)生成的MnS夾雜轉(zhuǎn)變成球狀硫化物，減弱對(duì)厚度方向韌性的影響。

2.4.2鋼中H含量的控制

層狀撕裂的主要原因在于夾雜物的分布和應(yīng)力狀態(tài)，而氫是促使啟裂和誘發(fā)的因素。當(dāng)含H較少時(shí)，對(duì)層狀撕裂的影響不大，但當(dāng)H含量較多時(shí)，就會(huì)聚集在夾雜物的間隙處，使該部啟裂并擴(kuò)展，從而使夾雜物與基體金屬脫開[1]。

鋼中的H主要是廢鋼表面的鐵銹、泥沙，造渣材料吸附的水分以及鋼包、中間包中氣體等在冶煉及連鑄過程中進(jìn)入鋼液的。因此應(yīng)在轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉以及連鑄過程中注意H的控制；同時(shí)連鑄坯以及軋后鋼板要及時(shí)下線進(jìn)行堆冷，使固溶在鋼中的H擴(kuò)散出去。

2.4.3鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的控制

鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，如心部偏析、中間裂紋等對(duì)鋼板的Z向性能都有著明顯的影響。由于偏析的存在，使得鋼板內(nèi)部應(yīng)力分布不均，在受到外力作用時(shí)，極易在偏析處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而造成斷裂，使得鋼板的Z向斷面收縮率顯著降低；而鑄坯中較為嚴(yán)重的中間裂紋，在軋制過程中很難焊合，因此在受到厚度方向作用力時(shí)，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展并導(dǎo)致斷裂，造成鋼板的Z向性能明顯降低。

因此在連鑄過程中應(yīng)通過控制較低的過熱度，采用凝固末端動(dòng)態(tài)輕壓下及電磁攪拌等技術(shù)，弱冷制度以及穩(wěn)定拉速等措施減輕鑄坯中心偏析，提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

2.4.4晶粒度控制

研究表明，即使含雜質(zhì)極少的Z向鋼，如果存在脆性的粗晶組織，鋼板厚度方向斷面收縮率也會(huì)急劇下降。因此在軋制過程中應(yīng)采取以下手段控制晶粒度：鑄坯要有足夠的加熱和均熱時(shí)間，要燒勻燒透，但應(yīng)避免加熱時(shí)間過長(zhǎng)以及加熱溫度過高，防止晶粒過分長(zhǎng)大；粗軋階段為避免粗大晶粒的出現(xiàn)，采取低速大壓下的措施，在破碎晶粒的同時(shí)盡可能地改善鑄坯心部缺陷；中間坯厚度保證累積壓下率不小于60%；采用TMCP軋制技術(shù)，保證鋼板的終軋溫度及返紅溫度。

3　試制過程控制

本次試制共生產(chǎn)Q345B-Z35兩爐，編號(hào)為1-1、1-2；軋制鋼板厚度規(guī)格為30、40、50 mm。

3.1轉(zhuǎn)爐冶煉

首先對(duì)原料進(jìn)行精選，減少鋼中外來夾雜和氣體的帶入。

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制：[C]逸0.08%，[P]臆0.015%；加強(qiáng)容易引起凝固偏析S元素的控制，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)S控制在0.025%以下：嚴(yán)格控制下渣量小于50 mm。

3.2精煉

鋼水進(jìn)站進(jìn)行底吹A(chǔ)r攪拌，精煉過程中，注意確保埋弧良好，保證石灰、電石、碳化硅等造渣材料及硅錳、錳鐵等合金材料的干燥，減少精煉過程中H的帶入。采用全程控鋁，保證[Als]大于0.015%，達(dá)到快速造白渣、快速脫S并獲得純凈鋼水的目的；采用鈣處理技術(shù)，有效控制硫化物夾雜的形貌，使片層狀?yuàn)A雜變形為顆粒狀?yuàn)A雜，使其對(duì)鋼板厚度方向連續(xù)性的破壞最小化。鋼液采用VD進(jìn)行真空處理，目標(biāo)P臆0.015%，S臆0.005%，N臆50伊10-6，O臆20伊10-6，H臆2伊10-6。

全程采用保護(hù)澆注，并盡可能保持拉速穩(wěn)定。使用專用保護(hù)渣，防止吸氫及鋼水的二次氧化，目標(biāo)使鋼中[N]、[O]增量小于10伊10-6；中包過熱度控制在10耀20益；為保證鑄坯最后的凝固收縮質(zhì)量，減輕中心偏析，采用凝固末端動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)。

3.4加熱

鋼坯的加熱要有足夠的溫度和時(shí)間來達(dá)到均勻組織及微合金充分固溶的目的，同時(shí)為了防止奧氏體晶粒的過分長(zhǎng)大，加熱溫度也不應(yīng)過高。考慮到本次試驗(yàn)鋼種，確定加熱溫度為1 100~1 160益，加熱時(shí)間3~4 h，隨著坯料厚度的不同而變化。

3.5軋制

為保證細(xì)小的晶粒度以及較輕的帶狀組織等，采用TMCP軋制工藝，再結(jié)晶區(qū)軋制采用高溫大壓下的軋制工藝可使奧氏體再結(jié)晶完全[3]，有利于晶粒的細(xì)化。考慮到奧氏體臨界變形量，要求除展寬道次外的前兩個(gè)縱軋道次壓下率逸15%，道次軋制速度臆1.2 m/s。

未再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，奧氏體晶粒僅延伸拉長(zhǎng)，而不發(fā)生再結(jié)晶，因表面和內(nèi)部在軋制時(shí)的變形不均，會(huì)造成晶粒的大小不一，適當(dāng)提高后續(xù)道次的壓下率，可以減少表面和心部變形的差異[3]。因此要求精軋階段的累積壓下率逸60%。同時(shí)要求較低的終軋溫度增加形核點(diǎn)，使晶粒達(dá)到細(xì)化，考慮到軋機(jī)能力等限制，將終軋溫度定為800~830益。

3.6 ACC加速冷卻

較大的過冷度可以使析出物彌散細(xì)??；對(duì)鐵素體-珠光體組織而言，可以細(xì)化晶粒，增加鐵素體形核率，既提高了鋼的強(qiáng)度，又可以改善鋼的韌性和塑性[4]。冷卻速度越大，所得晶粒越細(xì)、晶界越多，阻止裂紋發(fā)展能力越強(qiáng)，從而使強(qiáng)韌性提高；但是，當(dāng)冷卻速度過大時(shí)，增大了貝氏體轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，而我們傾向于獲得細(xì)密的珠光體組織，又要避免因過冷產(chǎn)生貝氏體組織，故設(shè)定軋后冷速為6~10益/s，終冷溫度為650~670益。

閩東是福建省寧德市的俗稱，歷史悠久,文化積淀豐厚且獨(dú)具特色。習(xí)近平總書記曾在《閩東之光--閩東文化建設(shè)隨想》一文中指出：“一定要把握閩東的閃光之處：畬族文化是一個(gè)閃光點(diǎn)；閩東是老區(qū)，有長(zhǎng)期的斗爭(zhēng)歷程，也是一個(gè)閃光點(diǎn)；閩東人民現(xiàn)在正在抓緊機(jī)遇，脫貧致富，這又是一個(gè)閃光點(diǎn)；閩東的山海交融，風(fēng)景獨(dú)特，這也是一個(gè)閃光點(diǎn)?！盵3]他還提出可以從文化建設(shè)的角度，讓人們好好認(rèn)識(shí)一下閩東文化的閃光點(diǎn)。

4　成品檢測(cè)分析結(jié)果

4.1化學(xué)成分

表2為熔煉成分和成品鋼板成分的對(duì)比，從對(duì)比中可看出，板坯成分均勻性好，Mn、S等元素?zé)o明顯偏析。

4.2氣體含量

取板坯試樣進(jìn)行氣體分析，其中O含量控制在18伊10-6~20伊10-6，N含量在46伊10-6~49伊10-6，H含量在2伊10-6左右。各氣體含量均控制在要求范圍內(nèi)，但均偏上線，因此后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步精細(xì)化操作，以控制在中線左右為宜。

4.3力學(xué)性能

表2　Q345B-Z35成品化學(xué)成分

由表3可知，鋼板試樣力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且具有一定的富余量，厚度方向斷面收縮率在50% ~68%之間，完全符合國(guó)標(biāo)中Z35要求，且不同規(guī)格平均值都在60%左右，均勻性較好。

表3　力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

4.4金相組織分析

在50 mm厚鋼板板寬1/4處的厚度方向上表面及中心處取樣進(jìn)行了較全面的金相組織分析，其金相組織如圖1所示。

由圖1可見，鋼板組織構(gòu)成基本是均勻的，為P+F組織。但相對(duì)而言，由于厚度方向上應(yīng)變及冷卻速度有差異，厚規(guī)格鋼板的溫度分布是不均勻的，鋼板中心部晶粒級(jí)別較低，平均晶粒尺寸較大，晶粒度為9級(jí)；表面的晶粒平均尺寸較細(xì)，晶粒度為10級(jí)。中心處未見明顯的偏析及帶狀組織，內(nèi)部質(zhì)量控制較好。

5　結(jié)論

圖1　試樣金相組織形貌

通過對(duì)Z向鋼的性能要求研究，確定了控制MnS夾雜、控制H含量、控制鑄坯內(nèi)部質(zhì)量以及控制晶粒度的工藝控制關(guān)鍵點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上依據(jù)再結(jié)晶和相變理論以及TMCP工藝技術(shù)，制定了粗軋采用大壓下，精軋低溫軋制以及軋后ACC冷卻的工藝路線。

研制開發(fā)出的Z向鋼鋼板，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的要求，性能均勻穩(wěn)定，其中Z向性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，產(chǎn)品得到用戶認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)

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Research and Developm entofSteelPlatewith Good Z-direction PropertiesW ANG Pei-xin,LIU Haoand LIShi-li

(Technology CenterofTianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractThe paper introduces the developmentprocess and trialproduction of Q345B-Z35 steel plate.Resultsshowed thatthrough strictly controlling MnS inclusion,hydrogen contentand the internal quality ofcontinuouscastbilletin smelting processand the grain size ofsteelplate atrolling process, the produced steelplate with good Z-direction propertiespresented uniform internalstructure and fine grain with allproperty indicesmeeting therequirementsby nationalstandard and Z-direction reduction ofareaup to60% on average,reachingan advanced leveldomestically.

Key wordsZ-direction property;lamellartearingresistant;rollingreduction;reduction ofarea

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.001

作者簡(jiǎn)介：王佩鑫（1986—），男，天津人，本科，工程師，主要從事中厚板品種研發(fā)工作。