歐標S355J2+N特厚結構鋼板的開發(fā)與生產

尹世友

（山鋼股份濟南分公司寬厚板廠，山東濟南 250101）

生產技術

歐標S355J2+N特厚結構鋼板的開發(fā)與生產

尹世友

（山鋼股份濟南分公司寬厚板廠，山東濟南 250101）

采用連鑄坯真空焊接復合軋制技術，通過成分、加熱、軋制及熱處理工藝設計，以及高溫低速大壓下工藝、軋后鋼板緩冷、正火處理等手段，成功研發(fā)了150～200 mm歐標S355J2+N特厚結構鋼板，其批量生產特厚鋼板的各項性能優(yōu)良，內部質量良好，各性能優(yōu)于歐標EN 10025-2:2004各項要求，滿足了用戶的需求。

S355J2+N鋼；特厚板；連鑄坯真空焊接；復合軋制；力學性能

1 前言

隨著全球經(jīng)濟發(fā)展、裝備制造大型化，特厚板鋼材品種的需求旺盛，主要應用于重型機械制造、設備基座、大型焊接鋼結構、建筑、橋梁等領域。低合金高強結構特厚鋼板需求多，如Q345系列、歐標S355J2系列等，其制造標準和質量要求嚴格，產品附加值高。目前國內已建成多條裝備先進的寬厚板生產線，具備研發(fā)附加值高的大單重特厚鋼板能力［1-3］。本研究采用連鑄坯真空焊接復合軋制技術，通過成分、加熱、軋制及熱處理工藝設計，成功研發(fā)150～200 mm S355J2+N歐標特厚結構鋼板，滿足歐標EN 10025-2：2004各項要求，產品性能優(yōu)良。

2 工藝方案

2.1 標準要求

S355J2+N為歐標低合金高強度結構鋼板，其成分和性能執(zhí)行EN 10025-2標準的各項要求。150～200 mm厚S355J2+N鋼板的化學成分、力學性能標準要求見表1、表2。

表1 150～200 mm厚S355J2+N鋼板化學成分要求%

2.2 工藝路線

KR鐵水脫硫→轉爐冶煉→CAS處理→LF精煉→RH真空處理→CCM→連鑄坯緩冷→連鑄坯真空焊接復合→車底爐加熱→除鱗→粗軋→精軋→ACC弱冷→堆垛緩冷→車底爐正火→定尺切割→超聲波探傷→性能檢驗→噴號→合格品入庫。

2.3 連鑄坯真空焊接復合工藝技術

真空電子束焊接（EBW）技術是一種先進、成熟的高能束焊接技術，是在高真空條件下用高能量密度的電子束轟擊焊件接頭處的金屬，使其快速熔融，然后迅速冷卻來達到焊接的目的。連鑄坯真空焊接復合工藝技術是濟鋼研發(fā)并工程化應用的國內特厚鋼生產新工藝，將EBW技術引入應用到制備特厚板用大厚度板坯生產實踐，解決了特厚板生產所需的大厚度坯料，生產工藝流程見圖1。

圖1 連鑄坯真空焊接復合工藝流程

3 特厚板研發(fā)

3.1 成分設計

為保證150～200 mm S355J2+N特厚鋼板的性能滿足標準要求，并考慮特厚鋼板厚度效應，成分設計添加適量的C、Mn以保證鋼板的強度。C作為影響焊接性能的重要元素，含量不宜超過0.20%。采用微合金化技術，通過添加Nb、V、Ti元素，與碳氮元素交互作用，在鋼中形成碳化物、氮化物、碳氮化物，這些化合物在高溫加熱時溶解，低溫下析出并以第二相的方式分布于基體，可有效阻止晶粒的長大，提高鋼板的各項綜合性能［4］。此外，鋼中的S、P、O、N、H等有害元素及各種非金屬夾雜物會降低鋼板的塑性、韌性以及強度，冶煉時采用潔凈鋼冶煉技術，進一步降低鋼中有害元素和夾雜物含量。具體成分設計見表3。

3.2 冶煉工藝控制

特厚鋼板在生產時由于相對一般厚度鋼板的壓縮比要小，鑄坯內部缺陷不容易焊合，容易影響鋼板性能。為確保探傷合格和性能，復合制坯用坯料要求為穩(wěn)態(tài)連鑄坯，其內部質量要求按照滿足一級探傷鋼種條件生產，冶煉工藝采用潔凈鋼冶煉技術，嚴控鋼中五大有害元素P、S、N、H、O的含量。采用LF、RH雙精煉控制，RH真空脫氣時，真空處理時間在100 Pa下不少于15 min，破真空后立即進行Ca處理，對夾雜物進行改性，軟吹5 min后吊鋼。軟吹過程中防止鋼液裸露造成二次氧化。連鑄坯料下線后吊入緩冷坑內緩冷48 h以上。此外，連鑄坯吊運、倒運過程中禁止使用磁吊，防止連鑄坯存有殘磁，影響后續(xù)真空電子束焊接質量。

表3 150～200 mm厚S355J2+N鋼成分設計%

3.3 復合制坯工藝控制

復合制坯工藝是利用連鑄坯內部質量優(yōu)的特點，將連鑄坯表面切銑、清理后組合在一起，在真空室中采用真空電子束焊接技術對鑄坯周邊進行焊接密封，生產高質量大厚度坯料。連鑄坯銑床切銑后的表面質量和各尺寸控制要求滿足后序清理、組合和真空焊接要求；切銑后的連鑄坯料表面清理要求保證界面潔凈，無粉塵、鐵屑等微塵，并做好表面防護，避免二次污染。真空電子束焊接時嚴格按照操作規(guī)范，編寫焊接程序，輸入焊接參數(shù)，如：加速電壓、焊接電流、焊接速度、聚焦電流等，焊接時要達到工藝要求的真空度，確保焊后坯料內部真空度、焊縫深度達到工藝要求。軋制150～200 mm厚S355J2+N鋼板用坯料采用2支250 mm連鑄坯料復合，復合后的坯料厚度490～495 mm。

3.4 加熱工藝控制

復合坯料利用臺車式車底式爐加熱，采用分段加熱、保溫的方式，加熱曲線如圖2所示。加熱過程中應降低熱應力對復合坯料焊縫的影響；多段保溫階段目的是減小復合坯料斷面的溫差，防止坯料表面和中心溫差大及變形不均勻而對焊縫的較大影響，同時在高溫段保溫保證坯料均勻奧氏體化，坯料加熱均勻，并使一部分接觸的中心界面能夠通過高溫擴散及相變產生初步的冶金結合，為后續(xù)軋制創(chuàng)造條件；出爐前通過控制爐膛燒嘴，適當降低坯料下表面溫度來調整控制上下表面溫差，防止軋制過程鋼板出現(xiàn)上翹。鋼中添加了Nb、V、Ti等微合金元素，為保證坯料均勻奧氏體化，使微合金化元素充分溶解，確定坯料最高加熱溫度為1 250～1 280℃。

3.5 軋制工藝控制

圖2 S355J2+N復合坯料加熱曲線

復合坯料軋制時，粗軋階段采用高溫、低速、大壓下軋制工藝，開軋溫度1 050～1 150℃，中間坯厚度＞1.4倍成品厚度，并加大粗軋最后3道次的變形量，增加中心滲透，充分發(fā)揮再結晶區(qū)軋制反復完全再結晶對細化晶粒的作用，獲得均勻細小的高溫奧氏體組織，并使中心界面處金屬在再結晶過程中生成新的完整晶粒，形成牢固的冶金結合，使中心界面完全消失，形成與基體相同的組織。精軋終軋溫度控制820～880℃，在未再結晶區(qū)軋制，保證精軋變形量累積量，使奧氏體晶粒充分變形，為后續(xù)相變提供更多的形核位置，細化晶粒，獲得優(yōu)良的鋼板性能。為縮短軋后鋼板在高溫段的停留時間，采用ACC弱冷工藝，冷速3～5℃/s，出水后鋼板表面的返紅溫度＜700℃。鋼板下線后及時進行堆垛緩冷，堆冷溫度＞400℃，緩冷時間＞48 h。

3.6 熱處理工藝

150～200mm厚S355J2+N鋼板使用臺車式車底爐正火，以進一步細化均勻鋼板的晶粒組織，消除內部應力，提高鋼板綜合性能。采用經(jīng)驗公式［5］計算的S355J2+N鋼Ac3相變溫度約為840℃，設定鋼板正火保溫溫度為（890±10）℃，保溫時間1.3～1.5 min/mm；為加快正火出爐后鋼板冷卻速度，加快鋼板組織相變，鋼板出爐后采用風冷方式。

4 產品性能分析

4.1 力學性能

根據(jù)批量生產鋼板檢驗的屈服強度、抗拉強度、伸長率、沖擊等性能，進行了直方圖分析（見圖3）。從圖3中可以看出，150～200 mm厚S355J2+N鋼板的力學性能指標全部滿足歐標EN 10025～2：2004標準要求，產品的各項性能指標穩(wěn)定，波動較小，產品性能優(yōu)良。

4.2 金相組織

為觀察特厚板微觀組織特點，選取一批正火后200 mm厚S355J2+N鋼板進行了不同厚度位置的金相檢驗，圖4為不同厚度位置金相組織。鋼板組織均為鐵素體+珠光體，上下表面組織晶粒相對細?。ㄒ妶D4a、圖4e）；鋼板厚度1/2結合面處形成了均勻一致的晶粒組織，在結合界面處沒有觀察到明顯分界及組織上的差別，無接合痕跡，與基體相比沒有差別（見圖4c）；鋼板厚度1/4處、3/4處為原始連鑄坯中心位置，有帶狀組織（見圖4b、圖4d），這與原始鑄坯的中心偏析有關。

圖3 批量生產150～200 mm厚S355J2+N鋼板性能數(shù)據(jù)分析

圖4 200mm厚S355J2+N鋼板不同位置金相組織×200

4.3 Z向性能

為檢驗鋼板抗層狀撕裂性能，同時驗證鋼板中心結合強度，選取不同厚度5批鋼板取樣，檢驗Z向力學性能，結果見表4。試驗結果表明特厚板抗層狀撕裂的能力較強，鋼板厚度中心位置結合強度高，試驗結果滿足EN 10164標準中Z35級別要求。

表4 150～200 mm厚S355J2+N鋼板Z向性能

5 結論

采用連鑄坯真空焊接復合軋制技術，通過成分、加熱、軋制及熱處理工藝設計，山鋼股份濟南分公司寬厚板廠成功研發(fā)了150～200 mm S355J2+N歐標特厚結構鋼板，批量生產的特厚鋼板各項性能指標穩(wěn)定，波動小，完全滿足歐標EN 10025～2：2004各項要求，產品性能優(yōu)良。鋼板厚度中心結合面處形成了均勻一致的晶粒組織，無接合痕跡，與基體沒有差別，同時特厚板抗層狀撕裂能力強，鋼板厚度中心位置結合強度高，鋼板滿足EN 10164標準中Z35級別要求。

采用連鑄坯真空焊接復合軋制技術，可以制備生產150～200 mm厚S355J2+N特厚鋼板用大厚度坯料，其特厚板產品性能穩(wěn)定，提高了特厚板生產的厚度范圍，并可以滿足抗層狀撕裂等不同用戶的特殊需求。

［1］許少普，崔冠軍，吳彥，等.250 mm超厚低合金高強度Q345D鋼板的研制［J］.鋼鐵研究，2010，38（5）：59-62.

［2］崔風平，孫瑋，趙乾,等.我國極厚鋼板生產制造技術的發(fā)展［J］.山東冶金，2013，35（1）：1-6.

［3］劉熙章.厚鋼板坯料生產制備方法的研究［J］.寬厚板，2009，15（3）：40-43.

［4］鄭香增.抗層狀撕裂厚鋼板的研制開發(fā)［J］.山東冶金，2008，30（2）：39-41.

［5］黃春峰.鋼的力學性能及熱處理工藝經(jīng)驗公式［J］.金屬熱處理，1998（4）：12-17.

Development and Production of European Standard S355J2+N Extra Thick Steel Plates

YIN Shiyou
（The Heavy Plate Plant of Jinan Branch of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The designed steel compositions,heating,rolling and heat treatment processes of 150-200 mm European Standard S355J2+ N extra thick plates by“welding continuous casting slabs and rolling-bonding”technology was introduced in the paper.The extra thick plates were successfully developed by rolling with high temperature-low speed-large reduction,stacking cooling,normalizing treatment.The plates have good mechanical property,as well as have good interior quality.The quality of the plates was better than the demands of EN 10025-2:2004 Standard and satisfied the requirements of consumers.

S355J2+N steel;extra thick plate;continuous casting slab vacuum welding;rolling-bonding;mechanical property

TG335.5+1

A

1004-4620（2017）02-0001-03

2016-12-01

尹世友，男，1982年生，2008年畢業(yè)于東北大學鋼鐵冶金專業(yè)，碩士?，F(xiàn)為山鋼股份濟南分公司寬厚板廠工程師，從事鋼鐵冶金及軋鋼工藝技術工作。