萊鋼俄標(biāo)C245結(jié)構(gòu)鋼板的研制與開發(fā)

李 艷，倪 凱

（1山鋼股份萊蕪分公司技術(shù)中心，山東 萊蕪271105；2山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠，山東 萊蕪271104）

1 前言

C245是俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)GOST 27772—1988《建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼材》中的牌號(hào)。鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、地基費(fèi)用省、占用面積小、工業(yè)化程度高、外形美觀等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于房屋、重型廠房、橋梁、工業(yè)框架等建造。俄羅斯作為“一帶一路”沿線國(guó)家中與中國(guó)接壤的重要陸上鄰國(guó)，根據(jù)自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要提出“歐亞經(jīng)濟(jì)聯(lián)盟”，正好對(duì)接了中國(guó)的“一帶一路”戰(zhàn)略，更好地推動(dòng)了“中俄經(jīng)濟(jì)走廊”的建設(shè)，因此鋼結(jié)構(gòu)建造逐年增加，俄標(biāo)結(jié)構(gòu)鋼板需求量大幅上升。為適應(yīng)市場(chǎng)需求，通過(guò)生產(chǎn)開發(fā)實(shí)踐，萊鋼在4 300 mm寬厚板生產(chǎn)線完成了C245結(jié)構(gòu)用鋼（8～40 mm各厚度規(guī)格）產(chǎn)品的成分設(shè)計(jì)與工藝開發(fā)，形成了鋼板生產(chǎn)的規(guī)?；?，工藝的規(guī)范化，產(chǎn)品性能均勻穩(wěn)定。

2 化學(xué)成分和力學(xué)性能要求

俄標(biāo)GOST 27772—1988中對(duì)該產(chǎn)品的化學(xué)成分做了較明確的規(guī)定，具體要求見表1。

表1 C245鋼的熔煉化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

C245鋼板的力學(xué)性能要求見表2，超出標(biāo)準(zhǔn)厚度范圍（20～40 mm）的性能要求根據(jù)用戶協(xié)商確定。

表2 C245鋼的力學(xué)性能要求

3 產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

按照符合俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)、用戶使用要求并降低生產(chǎn)成本的原則進(jìn)行C245產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)。采用低C含量、低Si含量和低Mn含量，添加適量Nb、Ti等微合金元素，使鋼板軋制后具有較高的強(qiáng)度、良好的塑韌性、冷彎性以及易焊接特性。

3.2 成分確定

C是影響鋼材強(qiáng)度的最主要元素之一，主要以碳化物（Fe3C）形式存在；Mn對(duì)提高鋼板強(qiáng)度、降低鋼材脆性轉(zhuǎn)變溫度、改善沖擊韌性起著重要的作用；Si可增大鋼液的流動(dòng)性，除形成非金屬夾雜物外，還能溶于鐵素體中；P在鋼中易偏析；S易和Mn反應(yīng)生成硫化物夾雜而存在鋼中，沿著鋼板的軋制方向延伸，形成嚴(yán)重的帶狀，降低鋼的塑性、冷成型性和沖擊韌性；Nb在鋼中阻止再結(jié)晶的進(jìn)行和阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用；Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，亦能組織晶粒長(zhǎng)大，還可消除鋼中自由氮，提高鋼材的抗時(shí)效性能；Al一般作為脫氧劑加入鋼中，用于提高鋼水潔凈度［1］。根據(jù)各元素在鋼中的不同作用，且采用兩階段軋制最大限度細(xì)化晶粒。具體設(shè)計(jì)的化學(xué)成分見表3。

4 產(chǎn)品工藝開發(fā)

4.1 產(chǎn)品工藝流程

C245工程結(jié)構(gòu)鋼板的主要工藝流程為：鐵水預(yù)處理→120 t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→板坯連鑄→板坯檢驗(yàn)→加熱→高壓水除鱗→粗軋→精軋→（矯直）→鋼板標(biāo)識(shí)→冷床→剪切→標(biāo)識(shí)→堆垛入庫(kù)。

表3 C245鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

4.2 工藝開發(fā)

根據(jù)化學(xué)成分設(shè)計(jì)，結(jié)合萊鋼設(shè)備水平進(jìn)行關(guān)鍵工序的工藝研究與確定，確定各工序重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)。

4.2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉

轉(zhuǎn)爐采用頂?shù)讖?fù)吹冶煉技術(shù)，精確控制槍位和加料時(shí)機(jī)，在一定時(shí)間內(nèi)加完渣料，采用單渣工藝冶煉，終渣堿度控制在3.0～4.0。重點(diǎn)是確保低的P、S含量，合理控制終點(diǎn)碳含量，防止鋼水氧化性過(guò)強(qiáng)。生產(chǎn)中鋼水成分控制在要求范圍內(nèi)，為確保鋼材最終性能創(chuàng)造良好條件。

4.2.2精 煉

鋼水進(jìn)站進(jìn)行底吹氬，精煉期間造黃白渣或白渣，采用鋁粒、碳化硅、碳化鈣調(diào)渣，終渣堿度盡量控制在2.5以上。同時(shí)喂適量鋁線，并根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整，使鋁含量均達(dá)到規(guī)定要求。為保證鋼質(zhì)純凈，軟吹時(shí)間≮12 min，以保證脫氧產(chǎn)物充分上浮。嚴(yán)格控制精煉時(shí)間≮42 min。

4.2.3連 鑄

連鑄采用全保護(hù)澆注，中間包采用覆蓋劑結(jié)合碳化稻殼覆蓋、加蓋保護(hù)，使鋼水與空氣隔絕，避免二次氧化，適當(dāng)控制中間包鋼水溫度，澆注過(guò)程保持拉速穩(wěn)定。嚴(yán)格控制結(jié)晶器振動(dòng)及二冷區(qū)水量，結(jié)晶器的冷卻水量采用弱冷，有利于獲得良好的鑄坯內(nèi)部和表面質(zhì)量。

4.2.4軋 制

1）加熱工藝。加熱溫度決定著奧氏體的晶粒度和合金元素的固溶程度，并直接影響鋼板的最終性能。加熱過(guò)程要求較高的溫度和足夠的時(shí)間以溶解碳化物及均勻組織。通常在加熱普通性能要求的低合金鋼時(shí)，為降低形變阻力和彌補(bǔ)工序間的溫度降低，確?？刂栖堉频男Ч?，最高加熱溫度在1 220～1 270℃［2］。鋼坯在步進(jìn)梁式加熱爐內(nèi)加熱，加熱過(guò)程中，奧氏體晶粒在1 000～1 050℃開始粗化。根據(jù)鋼種特點(diǎn)，結(jié)合鑄坯厚度、加熱生產(chǎn)條件和軋制節(jié)奏控制情況，基于經(jīng)驗(yàn)研究［3］并按成分范圍中限計(jì)算，且考慮到晶粒的長(zhǎng)大，確定了板坯加熱溫度≯1 250℃，板坯均熱時(shí)間≮40 min。

2）軋制工藝。軋制工藝采用熱軋方式，根據(jù)產(chǎn)品厚度和寬度不同進(jìn)行選取。軋制分為兩個(gè)階段：①I階段（粗軋）軋制。I階段的軋制過(guò)程屬于奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制，為了使奧氏體晶粒能夠充分細(xì)化，嚴(yán)格控制粗軋展寬后縱軋道次的壓下率，采用單道次大變形量軋制，保證至少有3個(gè)道次壓下率≮15%，同時(shí)保證粗軋的結(jié)束溫度處于完全再結(jié)晶區(qū)，不能進(jìn)入部分再結(jié)晶區(qū)，以避免產(chǎn)生混晶組織。②Ⅱ階段（精軋）軋制。Ⅱ階段軋制在奧氏體的未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行，軋制溫度應(yīng)低于奧氏體的再結(jié)晶溫度。不發(fā)生再結(jié)晶的溫度范圍一般控制在Tnr～Ar3區(qū)間，其溫度的變化取決于鋼的化學(xué)成分和變形量的大?。?］，因此，Ⅱ階段的開軋溫度應(yīng)在1 100℃以下。嚴(yán)格控制精軋階段的累積變形量≮50%，可使奧氏體晶粒充分破碎細(xì)化，有助于細(xì)化晶粒，提高鋼板的強(qiáng)韌性指標(biāo)。

綜合以上分析，根據(jù)該產(chǎn)品化學(xué)成分設(shè)計(jì)，制定各厚度規(guī)格的軋制工藝，通過(guò)試軋中不斷優(yōu)化、改進(jìn)工藝，使產(chǎn)品的各性能指標(biāo)均達(dá)到了俄標(biāo)的要求，從而最終確定產(chǎn)品工藝。具體軋制參數(shù)見表4。

表4 軋制工藝參數(shù)

5 實(shí)施效果

5.1 軋制實(shí)踐

按照表4中的工藝，對(duì)C245結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行了軋制，軋制厚度規(guī)格為8～36 mm，并對(duì)部分代表規(guī)格鋼板的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表5。所有試驗(yàn)采用的試樣方向均為橫向，且均為雙倍樣檢測(cè)。從表中可以明顯看出，鋼板拉伸、沖擊、時(shí)效、彎曲性能良好，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)及用戶使用要求，說(shuō)明成分設(shè)計(jì)和工藝制定合理。

5.2 組織分析

鋼板的性能水平取決于其組織情況。對(duì)生產(chǎn)的8 mm厚度規(guī)格的C245鋼板取樣，并進(jìn)行了金相組織和SEM掃描電鏡觀察，其典型的組織照片如圖1和圖2所示。在熱軋狀態(tài)C245鋼板上切取全厚度試樣，應(yīng)用砂紙逐級(jí)打磨和機(jī)械拋光后，采用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，然后在金相顯微鏡下對(duì)試樣不同厚度處的金相組織進(jìn)行觀察分析，利用sigma500掃描電鏡進(jìn)行微觀組織觀察分析。從圖1和圖2中可以明顯地看出，鋼板的組織主要為鐵素體+珠光體，且以片狀珠光體為主，心部晶粒較為均勻細(xì)小，基本在7.5～8.0級(jí)，帶狀組織在0.5～2.0級(jí)。夾雜物以Ds類為主，等級(jí)在1.0～1.5級(jí)，夾雜物總和均在3級(jí)以下，說(shuō)明鋼質(zhì)純凈度較好。鋼板的整個(gè)厚度方向組織均勻，均達(dá)到預(yù)期組織形態(tài)。

表5 鋼板性能

圖1 8 mm厚度規(guī)格鋼板金相組織

6 結(jié)論

6.1 按照俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)和用戶對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼的力學(xué)性能要求，依據(jù)再結(jié)晶和相變理論以及兩階段軋制工藝技術(shù)，最終完成了C245化學(xué)成分和工藝設(shè)計(jì)，所生產(chǎn)的鋼板性能優(yōu)良，可滿足俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)和用戶使用的要求。

6.2 充分挖掘設(shè)備潛力，不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，成功研制開發(fā)出20～40 mm規(guī)格C245結(jié)構(gòu)鋼板整套生產(chǎn)工藝，突破了標(biāo)準(zhǔn)中厚度規(guī)格范圍的性能要求。

6.3 不同規(guī)格C245鋼板的研制成功表明，利用較低的合金元素配合相應(yīng)軋制工藝能夠生產(chǎn)出性能優(yōu)良的工程結(jié)構(gòu)用鋼板，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化批量生產(chǎn)，填補(bǔ)了萊鋼俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)GOST 27772—1988產(chǎn)品的空白。

圖2 8 mm厚度規(guī)格鋼板SEM組織