特厚鋼板厚度方向組織性能變化規(guī)律的研究

趙英杰

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司　技術(shù)中心，山東　萊蕪271104）

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特厚鋼板厚度方向組織性能變化規(guī)律的研究

趙英杰

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東萊蕪271104）

摘要：利用300 mm連鑄坯在工業(yè)生產(chǎn)條件下生產(chǎn)130 mm厚度規(guī)格抗層狀撕裂特厚板，對(duì)鋼板熱軋態(tài)及正火態(tài)厚度不同位置取樣進(jìn)行了組織性能分析。結(jié)果表明：鋼板熱軋態(tài)及正火態(tài)厚度方向從表層到心部晶粒漸顯粗化，綜合力學(xué)性能亦呈降低趨勢(shì)。利用連鑄坯生產(chǎn)高性能特厚鋼板時(shí)，在提高連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的同時(shí)，盡可能增大改善厚度方向變形均勻性的板坯的有效壓縮比。

關(guān)鍵詞：特厚鋼板；厚度方向；組織；力學(xué)性能

1　前　言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，超高層、大跨度鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)項(xiàng)目不斷增加，能源、交通、建筑、造船、機(jī)械制造等行業(yè)用厚板、特厚板需求量越來(lái)越大［1-3］。目前在特厚板生產(chǎn)企業(yè)中，采用連鑄坯生產(chǎn)特厚板的比例越來(lái)越大［4］。隨著連鑄坯生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，盡管連鑄坯質(zhì)量有了明顯提高，并且連鑄坯斷面尺寸也有了較大程度的拓寬，但因軋制過(guò)程板坯厚度方向不均勻的變形和較大的冷卻速度差別，導(dǎo)致鋼板厚度方向的不同部位出現(xiàn)組織差異，進(jìn)而造成其厚度方向性能波動(dòng)，故生產(chǎn)難度較大。通過(guò)對(duì)連鑄坯所產(chǎn)特厚鋼板厚度方向不同位置處的組織性能差別進(jìn)行定量系統(tǒng)分析，可明確特厚板厚度方向不同位置處的不均勻變形帶來(lái)的組織性能變化規(guī)律，以指導(dǎo)在有限壓縮比條件下熱軋工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到有限變形量在板坯厚度方向的合理分配，提高所產(chǎn)特厚板的綜合性能。

本研究利用300 mm厚度規(guī)格連鑄坯在工業(yè)生產(chǎn)條件下生產(chǎn)130 mm厚度規(guī)格抗層狀撕裂特厚板，并對(duì)熱軋態(tài)及正火態(tài)鋼板厚度不同位置的組織性能進(jìn)行分析，探討其變化規(guī)律，以期對(duì)用連鑄坯生產(chǎn)高性能特厚鋼板的工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)。

2　試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用連鑄坯橫斷面尺寸為300 mm×1 800 mm，其合金成分如表1所示。

試驗(yàn)用連鑄坯采用TMCP+正火工藝在工業(yè)生產(chǎn)條件下進(jìn)行130 mm×2 000 mm特厚鋼板的試制。加熱溫度1 200℃，均熱時(shí)間≮1 h；粗軋階段：展寬軋制后采用道次壓下率逐道次遞增的熱變形規(guī)程，并保證最大道次變形量不低于15%；精軋階段：保證鋼板板形良好的前提下適當(dāng)增加道次變形量；水冷階段：終軋后立即水冷，冷速5～10℃/s，終冷溫度≤500℃；正火熱處理：加熱溫度840～880℃，保溫時(shí)間≥20 min，空冷。

表1　試驗(yàn)用連鑄坯化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

按照GB/T 2975中取樣位置及試樣制備要求，在熱軋態(tài)及正火態(tài)試制鋼板上截取近表面、1/4厚度處及1/2厚度處橫向拉伸試樣及縱向沖擊試樣，按照GB/T 5313要求制備Z向拉伸試樣，并分別按照GB/ T228、GB/T 232和GB/T 5313試驗(yàn)方法進(jìn)行拉伸、沖擊和Z向拉伸試驗(yàn)。同時(shí)在鋼板寬度1/4處截取全厚度金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下對(duì)試制鋼板不同厚度位置處的微觀組織進(jìn)行觀察。

3　試制鋼板的組織性能分析

3.1鋼板熱軋態(tài)組織性能

熱軋態(tài)鋼板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可看出：鋼板熱軋態(tài)厚度方向的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及沖擊功從表面到心部均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，鋼板心部的綜合力學(xué)性能最差。

表2　試制鋼板熱軋態(tài)厚度不同位置力學(xué)性能

鋼板厚度不同位置力學(xué)性能的差異源于其對(duì)應(yīng)厚度位置處金相組織的不同。圖1、圖2分別為熱軋態(tài)鋼板厚度方向近表面、1/4處和1/2處的金相組織及掃描電鏡形貌。鋼板熱軋態(tài)組織均為鐵素體＋珠光體，但組成相比例及晶粒度呈現(xiàn)不均勻分布：從表層到中心鐵素體的數(shù)量不斷增加，1/4處鐵素體含量與中心處差別不大，其體積分?jǐn)?shù)比表層高10%～20%；沿厚度方向從表層到心部鐵素體晶粒逐漸粗化，約相差3級(jí)晶粒度。

圖1　熱軋態(tài)鋼板厚度不同位置金相組織

3.2鋼板正火態(tài)組織性能

試制鋼板正火后的綜合力學(xué)性能如表3所示，可看出：正火態(tài)鋼板厚度方向力學(xué)性能變化規(guī)律與熱軋態(tài)一致，即鋼板厚度方向的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及沖擊功從表面到心部均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，Z向性能從Z25級(jí)別提高到Z35級(jí)別。正火處理過(guò)程中發(fā)生了奧氏體的形核、長(zhǎng)大、固溶體的溶解和均勻的過(guò)程，減弱了控軋形成的形變強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化及沉淀析出強(qiáng)化對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)以及對(duì)韌性和延伸性能的不利影響，同時(shí)正火后的晶粒細(xì)化和組織均勻化對(duì)改善鋼板的韌性、延伸性能和Z向性能有利［5］。

表3　試制鋼板正火態(tài)厚度不同位置力學(xué)性能

圖3　鋼板正火態(tài)厚度不同位置金相組織

圖4　鋼板正火態(tài)厚度不同位置掃描電鏡形貌

試制鋼板全厚度范圍內(nèi)鐵素體含量有所增加，且更趨均勻，并以表層增加幅度為最大。該變化與正火保溫后的冷速與熱軋后水冷冷速的差異有關(guān)。正火保溫后空冷冷速低于水冷冷速，因此表層形成了更多的鐵素體組織；正火后試制鋼板雖然依然呈現(xiàn)從表層到心部晶粒逐漸增大的趨勢(shì)，但整個(gè)厚度范圍內(nèi)晶粒已更細(xì)化均勻，表層的晶粒度正火前后變化不大，1/4厚度處和心部的晶粒明顯細(xì)化。正是組織的變化帶來(lái)了其綜合力學(xué)性能的改變。

同時(shí)，鑒于熱軋態(tài)組織的遺傳性，試制鋼板正火處理后厚度方向從表層到心部的組織性能與熱軋態(tài)一致，即鋼板厚度方向的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及沖擊功從表面到心部均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)

3.3改進(jìn)組織性能差異的措施

緣于其自身從外到內(nèi)的凝固方式，連鑄坯內(nèi)部不可避免地存在中心偏析、中心疏松等冶金缺陷，而熱軋過(guò)程則是利用充分變形過(guò)程中的焊合、破碎、再結(jié)晶等機(jī)制以改善并細(xì)化其組織，進(jìn)而保證鋼板的最終性能［6-8］。連鑄坯在軋制變形過(guò)程中，其厚度方向的變形量分配規(guī)律為：從表面向心部呈指數(shù)遞減。板坯熱變形過(guò)程中，變形始于板坯表面，變形量較小時(shí)變形集中在板坯表面；隨著變形量的增大，變形才會(huì)逐漸向心部推進(jìn)滲透。加之板坯心部的偏析疏松等冶金缺陷較多，因此鋼板厚度方向性能以心部為最差。利用連鑄坯生產(chǎn)高性能特厚鋼板時(shí)，應(yīng)科學(xué)地利用有限的變形量，在軋制過(guò)程中合理分配道次壓下率，在裝備和工藝條件允許的條件下，適當(dāng)增加道次壓下率，實(shí)現(xiàn)壓縮比的最大化，提高鋼板的綜合性能。

另外，連鑄坯原始組織具有遺傳性，對(duì)后續(xù)軋制組織有較大的影響。連鑄坯質(zhì)量越高，其組織越致密，可降低缺陷壓合所需壓縮比。因此，亦可從連鑄坯的冶煉方面尋求高質(zhì)量連鑄坯的生產(chǎn)技術(shù)，以保障其生產(chǎn)特厚鋼板的最終性能。

4　結(jié)　論

4.1熱軋?zhí)睾皲摪逵捎诤穸确较蜃冃魏屠鋮s的不均勻性導(dǎo)致試制鋼板厚度方向從表層到心部晶粒漸顯粗化，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及沖擊功亦均沿厚度方向從表面到心部呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

4.2試制鋼板正火處理后厚度方向從表層到心部的微觀組織及力學(xué)性能的變化規(guī)律與熱軋態(tài)一致；但正火態(tài)鋼板厚度方向組織更趨均勻、細(xì)化，強(qiáng)度有所降低，伸長(zhǎng)率和沖擊功有所增加，且表層到心部的差距縮小。

4.3利用連鑄坯生產(chǎn)高性能特厚鋼板時(shí)，提高連鑄坯質(zhì)量的同時(shí)，在裝備和工藝條件允許的條件下，應(yīng)增加道次壓下率以實(shí)現(xiàn)用于改善鑄坯厚度方向變形均勻性和心部缺陷的有效壓縮比的最大化，提高所產(chǎn)特厚鋼板的綜合性能。

參考文獻(xiàn)：

［1］李文斌，曹忠孝，李陽(yáng)，等.應(yīng)用連鑄坯生產(chǎn)特厚鋼板技術(shù)［J］.軋鋼，2011，28（1）：28-31.

［2］Otani K, Hattori K, Muraoka H, etal.Development of ultraheavygauge（210 mm thick）800 N/mm2tensile strength plate steel for racks of jack-up rigs［J］.Nippon Steel Technical Report，1993，58：1-8．

［3］趙文忠，常躍峰，劉雅政.鈮微合金化寬厚鋼板的開(kāi)發(fā)［J］.寬厚板，2005，11（6）：24-29.

［4］李婧，趙德文，劉相華.變形及熱處理制度對(duì)Q420厚板組織與性能的影響［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（8）：1 105-1 110.

［5］曹立潮，余宏偉，卜勇，等.低屈強(qiáng)比特厚鋼板的控制軋制和正火工藝研究［J］］.熱加工工藝，2014，43（13）：48-51.

［6］趙志業(yè)，王國(guó)棟.現(xiàn)代塑性加工力學(xué)［M］.沈陽(yáng)：東北工學(xué)院出版社，1986：71-80．

［7］王定武.特厚鋼板制造技術(shù)的新進(jìn)展［J］.冶金管理，2009（5）：56-57．

［8］王占學(xué).塑性加工金屬學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1981：149-153．

Study on the Microstructure and Property Change in the Thickness Direction of the Ultra Heavy Plates

ZHAO Yingjie

（The Technology Center of Laiwu Iron and Steel Group Corporation, Laiwu 271104, China）

Abstract:The 130 mm ultra heavy steel plates with through-thickness characteristics was produced with 300 mm continuous casting slab under the condition of industrial production, and the analysis on the microstructure and property change at different locations in the thickness direction of as-rolled and normalized plates was carried out. The test results showed that, for as-rolled and normalized plates, the grain size gradually coarsened, and the comprehensive properties were decreased from surface to center along the thickness direction. When the ultra heavy plates with high properties was produced with continuous casting slabs, besides improving the internal quality of continuous casting slabs, the effective compression ratio improving the deformation homogeneity along the thickness direction should be increased as far as possible.

Key words:ultra heavy plate; thickness direction; microstructure; mechanical property

中圖分類號(hào)：TG335.5+1；TG142.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4620（2016）02-0036-03

收稿日期：2015-12-28

作者簡(jiǎn)介：趙英杰，男，1979年生，2003年畢業(yè)于東北林業(yè)大學(xué)木材科學(xué)與工程專業(yè)。現(xiàn)為萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心助理工程師，東北大學(xué)材料工程專業(yè)在職在讀工程碩士，從事鋼鐵材料新產(chǎn)品及工藝開(kāi)發(fā)的中試試驗(yàn)及管理工作。