降低Q345B鋼生產(chǎn)成本的工藝探索

供稿|杜洪志，王亞芬，王亞東/ DU Hong-zhi， WANG Ya-fen， WANG Ya-dong

降低Q345B鋼生產(chǎn)成本的工藝探索

供稿|杜洪志1，王亞芬2，王亞東2/ DU Hong-zhi1， WANG Ya-fen2， WANG Ya-dong2

內(nèi)容導讀

本鋼低合金高強度Q345B鋼應用廣泛，而原料成本較高，熱軋卷成品價格卻較低，在保障質(zhì)量的前提下，降低其制造成本尤為重要。通過對本鋼Q345B鋼降Mn加Ti工藝與傳統(tǒng)的高Mn工藝的產(chǎn)品性能進行對比分析，并借助金相顯微鏡、TEM投射電鏡和能譜儀等對兩種不同方案生產(chǎn)的Q345B鋼進行了微觀形貌觀察和第二相粒子定性分析。結果表明，降Mn加Ti后，Q345B鋼中晶粒明顯細化，且存在大量納米級的立方形Ti（C，N）析出物；抗拉強度、屈服強度亦有所提高，延伸率略有下降，但力學性能整體穩(wěn)定性提高，完全滿足標準要求，且成本明顯降低。

面對鋼鐵市場的嚴峻形勢，如何降低成本是擺在鋼鐵企業(yè)面前的重要課題。本鋼生產(chǎn)的低合金高強度Q345B鋼雖然廣泛應用于建筑、運輸?shù)阮I域，但是原料成本高、熱軋卷成品價格低，造成了微利潤甚至負利潤的局面。因此在保證Q345B質(zhì)量完全符合用戶要求的前提下，降低其制造成本尤為重要。

本鋼傳統(tǒng)工藝中Q345B化學成分中的Mn質(zhì)量分數(shù)在1.2%左右，合金成本較高，如果將Nb、Ti等微合金化技術應用于低碳結構用鋼Q345B的生產(chǎn)，有望達到降本增效的目的?？紤]到Nb價格較貴，鈦鐵相對較為便宜，通過調(diào)整Q345B的化學成分，降低其中的Mn含量，添加微量的Ti，并采用合理的控軋控冷工藝，運用細晶強化和析出強化的手段進行控制。不僅使生產(chǎn)出的 Q345B 各項理化指標，而且在符合低合金高強度結構鋼的技術標準及使用要求的同時，成功地達到了降低Q345B的生產(chǎn)成本［1-3］的目的。

實驗方法

實驗原料為本鋼生產(chǎn)的兩種不同成分的Q345B連鑄坯：高Mn連鑄坯（方案一）和降Mn加Ti連鑄坯（方案二）。其化學成分見表1。方案二與方案一相比，Mn 質(zhì)量分數(shù)由1.15%～1.50%大幅下降至0.30%～0.45%，同時添加了0.04%～0.05%的Ti元素，其他元素含量保持原 Q345B 鋼的設計。

工藝流程為：鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉→連鑄→加熱→軋制→控制冷卻→卷取→機能檢驗→包裝繳庫→發(fā)貨。兩種成分設計的Q345B鋼，熱軋工藝進行調(diào)整，加熱溫度從1200℃提升至1250℃，終軋溫度為840℃，卷取溫度為570℃，卷取溫度較方案一降低20℃。

根據(jù)本鋼生產(chǎn)實際，分別選取了熱軋厚度規(guī)格為6.0～9.9 mm的兩組方案生產(chǎn)的鋼板為樣本，對其力學性能、金相組織等進行比對分析。力學性能來自于生產(chǎn)檢驗，在鋼板表面、厚度的1/4處和心部分別取樣，制備成金相樣品進行光學顯微鏡觀察。采用透射電鏡觀察析出相形貌、尺寸及分布。

表1　Q345B化學成分（質(zhì)量分數(shù)）

結果分析

性能數(shù)據(jù)分析

選取了不同成分的Q345B連鑄坯經(jīng)過控軋控冷后的鋼板各300個樣本，進行力學性能比對分析，見表2。根據(jù)分析數(shù)據(jù)可知，方案二的屈服強度均值為440 MPa，比方案一屈服強度393 MPa提高了47 MPa。方案二的抗拉強度均值540 MPa比方案一的抗拉強度均值525 MPa提高了15 MPa。而且方案二的延伸率27%比方案一的29%略微降低。并且對三個力學性能指標正態(tài)分布圖的分析可知，方案二的標準差均比方案一低，方案二所生產(chǎn)Q345B的各項性能分布更集中，穩(wěn)定性也較好。

Q345B鋼微觀組織分析

分別取方案一與方案二不同成分的Q345B某批次鋼板經(jīng)進行微觀形貌觀察，距離板厚不同位置的組織形貌分別如圖1和圖2所示。兩種方案Q345B鋼的基體組織均為鐵素體+珠光體+貝氏體，鋼板上下表面的晶粒尺寸最細小，心部的晶粒較粗大，晶粒度分別為10級和11.8級，帶狀組織分別為1級和0.5級，方案二中有微量的貝氏體組織，降Mn加Ti后的組織明顯得到細化，尤其是板厚中部鐵素體晶粒呈等軸狀均勻分布，帶狀組織也明顯減少。

表2　Q345B 力學性能

%

圖1　方案一Q345B熱軋板板厚不同部位組織形貌圖：（a）表層；（b）1/4處；（c）1/2處；（d）3/4處

第二相粒子分析

加Ti降Mn（方案二）的Q345B鋼板的TEM二次粒子相以及對應位置的EDS譜圖如圖3所示。經(jīng)EDS分析結果可知，圖3（a）黑色立方形為TiC粒子，約90 nm。且TEM觀察發(fā)現(xiàn)方案二實驗鋼中存在大量納米級的立方形及少量塊狀的析出物，尺寸約為70～150 nm，主要為C元素、N元素與Ti元素形成的TiC、TiN或者包心狀的Ti（C，N）化合物。

圖2　方案二Q345B熱軋板板厚不同部位組織形貌圖：（a）表層；（b）1/4處；（c）1/2處；（d）3/4處

圖3　降Mn加Ti的Q345B鋼板第二相粒子析出物TEM形貌及能譜圖

討論

對比兩個方案Q345B鋼的金相組織圖1和圖2可以看出，降Mn加Ti的Q345B鋼晶粒明顯細化，帶狀組織減少，且板厚1/2處無偏析。從表2的性能分析上看方案二的屈服強度、抗拉強度較方案一明顯提高，而且穩(wěn)定性也較好，延伸率雖略有降低，但穩(wěn)定性要好于方案一。方案二鋼中Mn含量比方案一降低了約0.85%～1.2%，性能卻依然滿足標準要求。這是源于微合金元素Ti與鋼中的C元素或N元素形成TiC、TiN或Ti（C，N）粒子（圖4），細化晶粒以及沉淀強化的效果。不同的含Ti第二相（TiN、TiC）對應的析出階段、析出順序及其對性能的影響機理也不同。

實驗數(shù)據(jù)表明，含Ti第二相的析出過程可分為如下階段：1）連鑄及冷卻階段，發(fā)生TiN的液/固相析出及Ti4C2S2的固相析出，但尺寸較大，不能阻止奧氏體晶粒長大，也起不到沉淀強化作用。但是除了大顆粒TiN外，在TEM照片中還觀察到在幾十納米的小尺寸TiN（固態(tài)析出），由于其尺寸細小又具備非常優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，可以顯著釘扎晶界遷移，提高對晶粒長大的抵抗力，從而在均熱階段有效抑制奧氏體晶粒長大［4］。2）連軋階段，Ti元素的影響主要為固熔Ti以及形變誘導析出的TiC粒子對形變奧氏體再結晶的抑制作用。固熔Ti與位錯及晶界（亞晶界）交互作用，使溶質(zhì)原子多偏聚在位錯及晶界（亞晶界）處，其對位錯的滑移和晶界的遷移起了阻礙作用。同樣通過應變誘導析出的TiC粒子，由于其尺寸細小，對位錯及晶界的遷移會產(chǎn)生顯著的釘扎作用，從而使再結晶受阻。一旦形變奧氏體的再結晶過程被阻止，繼續(xù)形變使得奧氏體晶粒扁平化，同時位錯密度顯著增加，這些都有利于相變后鐵素體晶粒尺寸的細化。3）對于層冷與卷取階段，Ti主要與C形成TiC粒子，以相間析出或鐵素體中過飽和析出形式進行，由于析出溫度較低，因此形成的TiC粒子多為彌散、細小的納米級析出物，其析出強化效果顯著，因而鋼材強度顯著提高［5-6］。

結束語

降Mn加Ti后的Q345B鋼各方面性能均滿足國家標準，也符合客戶生產(chǎn)實際要求，而且為本鋼帶了實際生產(chǎn)效益，按當月合金價格核算，噸鋼合金成本降低了22元，本鋼Q345B年產(chǎn)量約為70萬t，每年可降低成本1540萬元，效益可觀，而且還有進一步提升的空間。Ti質(zhì)量分數(shù)為0.040%～0.055%，力學性能遠高于標準，在滿足客戶要求的前提下，優(yōu)化成分設計與軋制工藝，可繼續(xù)降低生產(chǎn)成本。

1） 降Mn加Ti的Q345B鋼與傳統(tǒng)的高Mn鋼相比，屈服強度、抗拉強度提高，延伸率雖略有降低，但穩(wěn)定性較好。

2） 降Mn加Ti的Q345B鋼的基體組織為鐵素體+珠光體+微量貝氏體，晶粒明顯細化，帶狀組織減少，且板厚中部無偏析。

3） Ti與C、N元素結合形成納米級細小的含Ti第二相粒子，通過細晶強化和析出強化等可以改善Q345B的力學性能。

4） 通過調(diào)整Q345B的化學成分，降低其中的Mn含量、添加微量的Ti，采用合理的控軋控冷工藝，生產(chǎn)出的Q345B鋼板各項理化指標滿足國標要求，并降低了生產(chǎn)成本。

攝影 劉冬青

［1］ 張曉剛. 近年來低合金高強度鋼的進展. 鋼鐵，2011，46（11）：1

［2］ 謝利群，毛新平，霍向東. Ti對鋼的組織性能的影響. 冶金叢刊，2005（1）：1

［3］ 劉文慶，朱曉勇，鐘柳明，等 . 微合金鋼中第二相臨界轉變尺寸的研究. 金屬學報，2011，47（8）：1094

［4］ 雍岐龍，馬鳴圖，吳寶榕. 微合金鋼—物理和力學. 北京：機械工業(yè)出版社，1989：62

［5］ 毛新平. 薄板坯連鑄連軋微合金化技術. 北京：冶金工業(yè)出版社，2008：100

［6］ 王長軍，雍岐龍，孫新軍，等. Ti和Mn含量對CSP工藝Ti微合金鋼析出特征與強化機理的影響. 金屬學報，2011，47（12）：1541

Exploration of Reducing Production Cost of Q345B

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.12

杜洪志（1979—），男，工程師，從事熱軋板研究，工作于本鋼鋼鐵集團制造部冶金技術處，E-mail：dhz110002@sina.com。

1. 本溪鋼鐵集團制造部，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼板材股份有限公司產(chǎn)品研究院，遼寧 本溪 117000