優(yōu)化改善H型鋼的橫向沖擊韌性的研究

江乾坤

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司型鋼廠， 山東 濟南 271104）

材料的強度、韌性等屬性都離不開材料的化學成分以及制造工藝的影響。冶金行業(yè)在很長一段時間中都在對鋼鐵的設(shè)計、開發(fā)做出不斷的努力，對于鋼鐵的各種微觀性能也早就非常熟悉，并且已經(jīng)從里面總結(jié)出了很多的改善材料韌性的方法。在這些方法中最為突出的便是微合金化以及控制軋制技術(shù)，這兩種方法對鋼鐵材料的韌性提高效果最為明顯，當然應用也最為廣泛。在海洋石油開采的過程中，需要一個比較大的開采結(jié)構(gòu)，而且對構(gòu)造此結(jié)構(gòu)的要求較高，需要選用剛度較大的材料。而且這個結(jié)構(gòu)需要在海洋中長期使用，所以難免會受到海水、海風的影響以及海上冰塊或者是一些其他漂浮物的撞擊作用。另外如果海上發(fā)生地震的話，還會受到地震的影響。所以對于海上石油開采材料的選擇要選用強度足夠大的、韌性足夠強的材料，而當前應用最多的就是H型鋼。在海上石油開采材料選擇H型鋼后，為了提高H型鋼的橫向沖擊韌性，采用了一系列的工藝，例如微合金成分分析、冶煉工藝優(yōu)化、軋制控制等。通過這些工藝對H型鋼的優(yōu)化，使得H型鋼能夠滿足海洋石油平臺的需求。本文主要就是對石油在海洋上開采所采用的材料——H型鋼的優(yōu)化性進行研究。

1 對H型鋼的技術(shù)要求以及生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

為了滿足海洋開采的環(huán)境，對于H型鋼的一些性能提出了非常苛刻的要求，例如低向恒溫、高的橫向韌性等，具體如下：要達到-20℃的低溫橫向，對H型鋼中含有的硫、碳、氧等雜質(zhì)含量做出要求；縱向沖擊力大于34 J；具有良好的焊接性，即H型鋼內(nèi)的碳含量要低于0.4%[1]。

1.1 對于H型鋼的成分要求

對于H型鋼的具體成分要求見表1。

表1 化學成分要求 %

1.2 對于H型鋼的機械性能要求

H型鋼機械性能需要滿足的要求見表2。

表2 機械性能要求

1.3 當前的生產(chǎn)現(xiàn)狀

在目前海洋用H型鋼一般為H300×300，這種對于-20℃橫向沖擊韌性有點問題，沖擊功的數(shù)值較小，達不到要求。目前的實驗數(shù)據(jù)表明，當前H型鋼的橫向沖擊力僅僅能夠達到20 J左右，距離要求的34 J還有很大的差距。

2 對出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因進行分析

2.1 通過實驗進行檢測

選擇一個H型鋼進行金相組織分析，即使用濃度為4%的硝酸酒精進行作用，可以發(fā)現(xiàn)其金相組織為鐵素體和珠光體，晶粒比較細而且晶粒度也比較高，但是其帶狀組織比較嚴重。

2.2 對實驗結(jié)果進行分析

由大量的實踐以及理論分析可以知道，對晶粒進行細化是唯一能夠?qū)饘俚膹姸纫约绊g性加以改善的方法。此種H型鋼的晶粒度能夠達到10級左右，按照理論分析應該具有很高的韌性，但是實驗結(jié)果卻表明其韌性不高。究其根本原因為，在H型鋼中存在著嚴重的帶狀組織，對于H型鋼的橫向沖擊韌性有著很大的影響。金屬材料中的帶狀組織會對金屬原有的性能產(chǎn)生影響，尤其是對于金屬的橫向韌性以及橫向塑型的影響最為明顯。如果金屬的帶狀組織嚴重的話，會使得金屬的橫向韌性大幅度降低，從而引起加熱時的形變量增加，使得金屬的各向異性表現(xiàn)得更加明顯。所以在改善海洋用的H型鋼的橫向韌性的時候，最重要的就是減小金屬帶狀組織的嚴重程度。

3 H型鋼中帶狀組織形成的原理

帶狀組織其實是在鋼制作的過程中形成的一種枝晶偏析。這種現(xiàn)象是軋鋼材料的一種缺憾，尤其會出現(xiàn)在熱軋低碳鋼中，主要是由鐵素體晶粒與珠光體晶粒組成的一個平行的、成層狀分布、形同條帶的帶狀物，可在顯微鏡下觀測到，所以被稱為帶狀組織。帶狀組織被認為主要是由錳、硅等其他合金的元素偏析造成的影響，一般認為錳的偏析作用更強。在凝固的枝晶組織中，錳的含量分布并不均勻，一般是枝間含量最高，枝干含量最低。通過熱軋這一過程，能夠把凝固枝晶組織進行破碎、延伸以及拉長，但是由于錳沒有完全被消除所以在最后會形成帶狀組織。而H型鋼的軋制時間短、溫度也不高，所以經(jīng)常性地會形成帶狀組織。而帶狀組織的產(chǎn)生則會對H型鋼的橫向韌性等性質(zhì)產(chǎn)生影響。

4 對帶狀組織的優(yōu)化工藝

通過上面帶狀組織形成原理分析，可以發(fā)現(xiàn)，如果要對鋼結(jié)構(gòu)中的帶狀組織進行消除或減輕，就需要對鋼材在進行熱軋之前的雜質(zhì)進行消除，例如枝晶偏析、硫化物的夾雜等。主要的優(yōu)化工藝可以根據(jù)實際情況的不同進行選擇，大概有以下幾種[2]。

4.1 煉鋼工藝

1）對于鋼材料中的硫元素需要進行嚴格的控制，不得超過0.008%，并且對于鋼材料中的硫化物進行處理。一般來說，在鋼材料中硫化物最多出現(xiàn)的形式就是硫化錳，硫化錳會在凝固的時候以晶體的形狀析出，在熱軋的時候就會被軋成帶狀，使得鋼材料的性能發(fā)生改變。如果利用鈣來去除硫化錳的存在，那么處理后硫化錳不會形成帶狀，自然也就不會對鋼材料的性能有影響。但是如果原始鋼材料中的硫含量要大于0.008%的時候，千萬不能夠使用鈣對它進行處理，因為含量過高的硫和鈣反應不僅不能夠消除帶狀組織，反而會產(chǎn)生有害物質(zhì)。因為當鋼材料中鈣比硫的數(shù)量少的時候，不僅不能控制硫化物的形態(tài)，還會產(chǎn)生更多的夾雜物并且產(chǎn)生有害物質(zhì)。所以在對鋼材料中的硫化物進行處理的時候，首先要對鋼材料中的硫的含量進行檢測，根據(jù)不同的硫含量的范圍來選擇不同去除硫化物的方式。

2）進行低過熱度澆注。通過低過熱度的澆注方法能夠有效改善偏析的現(xiàn)象，而且還能夠提高細化晶率。根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)表明，鋼材中形成的帶狀組織的大小和澆注的溫度有一定的聯(lián)系，如果澆注的溫度越高那么帶狀組織的范圍也越大。所以為了減少帶狀組織的范圍，可以利用低溫澆注的方式。低火熱度澆注主要方式是把溫度控制在20℃以下，和原過熱度相比下調(diào)10℃左右。

3）控制二冷水區(qū)的冷卻水的量。過大的二冷水區(qū)量會造成鋼鐵表面溫度低，而橫截面的溫差比較大，有助于柱狀晶體的生長，從而導致帶狀組織擴大。所以需要對二冷水區(qū)的冷卻水的量進行一定的控制，來達到阻止帶狀組織擴大的目的。實驗已經(jīng)證實了這種方法具有可靠性。

4.2 加熱制度

通過適當提高對鋼材的加熱溫度或者適當延長加熱時間的方式能夠?qū)罱M織中含有的雜質(zhì)、殘余礦物質(zhì)的分散起到一定的作用。這種方法對于澆注過程中碳原子的分散有著一定的作用，但對于硅、錳等合金金屬來說不起太大的作用。所以，不管是采用較高的溫度還是采用較長的時間都無法完全消除掉帶狀組織，只能夠減少。而且值得注意的是加熱時間不能太長，因為如果加熱時間太長的話，很容易造成氧化燒損增多等問題。根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)表明，把溫度控制在1260℃到1280℃最為適宜。

4.3 軋制溫度控制

對于軋制的溫度進行控制，使奧氏體在沒有結(jié)晶的時候就被拉長、壓扁，能夠有效地減小帶狀組織的產(chǎn)生。除此之外，還能夠有效地達到細化晶粒、增大晶界面積的作用。通過實驗以及理論的大量分析，認為把軋制溫度控制在950℃以下，終態(tài)溫度控制在830℃左右最合適。按照實驗所得的最佳溫度進行軋制，能夠有效增強H型鋼的橫向韌性。