新型低碳鈦微合金化Q460MC 鋼板生產(chǎn)實(shí)踐

付中原，鄭 磊

（河北普陽鋼鐵有限公司，河北056305）

0 引言

2019 年2 月1 日，在低合金鋼生產(chǎn)領(lǐng)域極為重要的標(biāo)準(zhǔn)之一，GB/T 1591-2018 正式實(shí)施，取代執(zhí)行多年的GB/T 1591-2008。新標(biāo)準(zhǔn)參照ISO 630 及EN 10025 進(jìn)行修訂，改動巨大，在600 MPa 級高強(qiáng)鋼板Q460 方面，取消了熱軋、控軋的交貨狀態(tài)，取而代之的是全新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的熱機(jī)械軋制Q460MC 鋼。新舊標(biāo)準(zhǔn)Q460 級的主要化學(xué)成份對比如表1 所示，其中對工藝設(shè)計(jì)影響最大的是C 含量的上限發(fā)生明顯改變，由08 版的≤0.20%，下調(diào)至18 版的≤0.16%，這意味著傳統(tǒng)0.16～0.20%的高碳設(shè)計(jì)思路不再適用，整個(gè)Q460 級的生產(chǎn)體系需要重新建立[1，2]。

目前，高強(qiáng)鋼市場競爭日益激烈，成本的控制變得尤為重要，特別是2018 年釩合金價(jià)格大幅上漲以來，造成長期以釩作為主要合金添加的Q460 級鋼板成本居高不下。以鋼中加入0.050%的V 進(jìn)行計(jì)算，最高時(shí)僅釩合金一項(xiàng)噸鋼增加成本就近400 元。為了品種的良性發(fā)展，普陽鋼鐵在新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之際，展開了新型低碳鈦微合金化Q460MC 的開發(fā)研究。

本文主要介紹普陽鋼鐵新型低碳鈦微合金化Q460MC 鋼的開發(fā)研究，以及Q460MC 生產(chǎn)8～30 mm 鋼板的工藝和性能特點(diǎn)。通過添加適量的鈮、鈦微合金元素，采用適合的控軋控冷工藝以及軋后堆垛緩冷控制，保證了Q460MC 各項(xiàng)性能優(yōu)異、滿足了用戶的需求。

1 低碳鈦微合金化鋼Q460MC 的研究與開發(fā)

1.1 鈦微合金化鋼的研究分析

Ti 作為鋼中主要強(qiáng)化元素具有更高的性價(jià)優(yōu)勢：一是，相比釩微合金化鋼，鈦微合金化具有很高的經(jīng)濟(jì)性；二是，Ti 能夠改善材料的焊接性能，變質(zhì)鋼中硫化物、改善材料的橫縱向性能差異，提高冷成型性；三是，Ti 含量較高時(shí)，配以合適的熱加工工藝，能形成彌散細(xì)小的TiC，起到析出強(qiáng)化的作用[3]。

表1 新舊標(biāo)準(zhǔn)Q460 級的主要化學(xué)成份對比 /%

1.2 低碳鈦微合金化鋼Q460MC 的開發(fā)

普陽鋼鐵具有豐富的鈦微合金化低合金鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。公司多年來對Ti 元素的作用機(jī)理進(jìn)行了一系列的深入研究，能夠穩(wěn)定的對鋼中Ti 含量進(jìn)行控制。為了降低TiN 大顆粒夾雜對低溫沖擊性能的影響，在鈦微合金化鋼Q460MC 的開發(fā)初期，即制定了低C、低N 的設(shè)計(jì)思路，對原輔料、轉(zhuǎn)爐吹煉、出鋼、精煉、連鑄保護(hù)澆注等工序均有進(jìn)行嚴(yán)格管控制度，常規(guī)低合金品鋼種N 含量能夠穩(wěn)定控制在40 ppm 以內(nèi)。同時(shí)，在鑄坯與凝固過程中，通過適當(dāng)增大冷卻速度，可使Ti 的析出物在奧氏體晶內(nèi)細(xì)小彌散均勻的析出，小顆粒鈦的碳氮化物，在重新加熱時(shí)溶解在鋼中，在軋制及隨后的冷卻過程中析出，有利于鋼材強(qiáng)度的提高和降低粗大TiN 顆粒的比例[4]。

1.3 Q460MC 鋼的主要技術(shù)指標(biāo)

1.3.1 化學(xué)成份

以Q460MC（8～30 mm）的中板為例，結(jié)合新的標(biāo)準(zhǔn)確定其化學(xué)成份要求，見表2。

1.3.2 力學(xué)性能

Q460MC（8～30 mm）中板的主要力學(xué)性能要求見表3。

表2 Q460MC（8～30 mm）的化學(xué)成份要求 /%

表3 Q460MC（8～30 mm）中板主要力學(xué)性能要求

2 Q460MC 中板的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝路線設(shè)計(jì)

鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 爐精煉→板坯連鑄→板坯清理→板坯加熱→3 500 mm 雙機(jī)架機(jī)組軋制→超快冷→矯直→堆垛緩冷（≥16 mm）→表面檢查→檢驗(yàn)→入庫。

2.2 內(nèi)控化學(xué)成份設(shè)計(jì)

2.2.1 碳、錳成分控制

為了保證鋼板具有良好的韌性和焊接性能，同時(shí)避開易產(chǎn)生鑄坯縱裂敏感的0.11～0.15% C 含量的范圍，采用低碳的成份設(shè)計(jì)，將C 含量控制在0.07～0.10%之間。錳是低合金鋼主要的固溶強(qiáng)化元素，而且能夠促進(jìn)TiC 的析出，但錳含量過高會導(dǎo)致中心偏析加劇，因此將錳控制在1.30～1.50%之間。

2.2.2 Nb、Ti 微合化

在Q460MC 鋼中添加適量的Nb、Ti 微合金元素。一方面Nb、Ti 微合金元素可形成細(xì)小的碳氮化物，在高溫階段抑制奧氏體晶粒的長大，通過抑制奧氏體的再結(jié)晶從而細(xì)化晶粒；另一方面，在控軋過程中Nb、Ti 的碳氮化物析出，能夠增加細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化的作用，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。

2.2.3 CEV 的控制

采用低碳的成份設(shè)計(jì)，整體CEV 可以穩(wěn)定控制在0.35%以內(nèi)，能夠大幅度降低焊接預(yù)熱溫度或?qū)崿F(xiàn)免預(yù)熱焊接，同時(shí)鈦的加入能夠有效細(xì)化焊接接頭熱影響區(qū)晶粒，提高焊接性能[5]。

2.3 TMCP 工藝設(shè)計(jì)

TMCP（Thermo Mechanical Controlled Processing：熱機(jī)械控制工藝）技術(shù)是以控制軋制和控制冷卻技術(shù)相結(jié)合為特點(diǎn)的。普陽鋼鐵3 500 mm 雙機(jī)架中厚板生產(chǎn)線擁有先進(jìn)的軋制設(shè)備和軋后超快冷系統(tǒng)，能夠保障奧氏體再結(jié)晶區(qū)高溫大壓下工藝與未再結(jié)晶區(qū)控制軋制工藝的實(shí)施。

鋼板經(jīng)過兩階段控制軋制后，隨即進(jìn)入超快冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，阻止變形奧氏體長大及碳化物的過早析出，固定變形引起的位錯，增加相變過冷度，細(xì)化鐵素體晶粒[6，7]?？炖浜蟮匿摪褰?jīng)矯直快速下線堆垛，以降低鋼板冷卻速度，阻止鋼板中心形成硬化的馬氏體或貝氏體組織，釋放應(yīng)力、提高塑性、防止鋼板分層[8，9]。

3 Q460MC 鋼板生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)

3.1 熔煉成份控制

Q460MC 鋼板實(shí)驗(yàn)爐次熔煉成分如表4 所示。從表4 可以看出，試驗(yàn)爐號4190 與4191 的熔煉成分完全符合表2 Q460MC（8～30 mm）的主要化學(xué)成份要求。

表4 Q460MC 試驗(yàn)爐次熔煉成份 /%

3.2 鋼坯加熱溫度控制

試驗(yàn)爐號4190 與4191 分別軋制成厚8、12、16、25、30 mm 規(guī)格，鋼板寬度均為2 500 mm。不同爐號相同規(guī)格加熱與軋制工藝保持一致。

采用常規(guī)微合金鋼加熱工藝，步進(jìn)爐加熱，最高加熱溫度為1 300 ℃，均熱段溫度為1 180～1 250℃。熱送鋼坯在爐時(shí)間不低于7 min/cm，冷裝鋼坯不低于9 min/cm，以保證鈮鈦微合金元素在奧氏體中的充分溶解。同時(shí)要避免加熱溫度過高造成的奧氏體晶粒過分粗大問題。

3.3 控軋控冷工藝控制

采用兩階段軋制：Ⅰ階段軋制采用高溫大壓下，開軋溫度為1 050～1 100 ℃，終軋溫度高于950 ℃，最后兩道次壓下率不低于18%，使奧氏體晶粒反復(fù)再結(jié)晶；Ⅱ階段軋制工藝同常規(guī)低合金鋼控制軋制工藝，開坯厚度2.5～3.0 倍，終軋溫度為780～820 ℃，并隨厚度提高而降低；軋后隨即進(jìn)入超快冷進(jìn)行冷卻，返紅溫度目標(biāo)620±10 ℃；經(jīng)矯直后，≥16 mm 鋼板快速通過冷床下線堆垛緩冷，緩冷時(shí)間24 h 以上。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 金相組織分析

選取8 mm、30 mm 中厚板進(jìn)行金相組織分析對比。

（1）圖1 為放大100 倍的兩個(gè)試驗(yàn)爐號軋制的8 mm 板典型金相組織對比，（a）圖為8 mm（4190-1）鋼板的基體組織；（b）圖為8 mm（4191-1）鋼板的基體組織。

從圖1 可以看出，（a）圖為F+P 組織，其組織晶粒度為10～10.5 級，（b）圖為F+P 組織，其組織晶粒度為9.5～10 級。兩個(gè)試驗(yàn)爐號軋制的8 mm 鋼板組織均十分細(xì)小且較為均勻。

（2）圖2 為放大100 倍的兩個(gè)爐號軋制的30 mm板典型金相組織對比，（a）圖為30 mm（4190-5）鋼板的基體組織；（b）圖為30 mm（4191-5）鋼板的基體組織。

圖1 8 mm Q460MC 金相對比

圖2 30 mm Q460MC 金相對比

從圖2 可以看出，（a）圖基體為F+P 組織，其組織晶粒度為9～9.5 級，（b）圖基體為F+P 組織，其組織晶粒度為9.5～10 級。兩個(gè)試驗(yàn)爐號軋制的30 mm 鋼板組織均十分細(xì)小且較為均勻，邊部均為F+P+B 組織。

4.2 常規(guī)力學(xué)性能分析

根據(jù)GB/T 1591-2018 《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T 2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》、GB/T 228-2010《金屬拉伸試驗(yàn)方法》及GB/T 229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》，在鋼板寬度方向1/4 處取樣，拉伸試驗(yàn)為橫向全厚度板狀試樣，沖擊方向?yàn)榭v向。表5 為試驗(yàn)鋼Q460MC 的常規(guī)力學(xué)性能。

從表5 可以看出，首先兩個(gè)試驗(yàn)爐號軋制的8～30 mm 鋼板性能均符合Q460MC 標(biāo)準(zhǔn)要求，且強(qiáng)度和沖擊有充足的富余量，延伸率整體呈從薄到厚逐漸降低的趨勢，符合板狀試樣延伸率隨厚度（截面積）的變化規(guī)律，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 試驗(yàn)鋼Q460MC 常規(guī)力學(xué)性能

其中，8 mm 高強(qiáng)度鋼板屬于常規(guī)中厚板生產(chǎn)極限，其軋制過程中變形抗力大，板形控制難度高，因此二階段工藝開軋溫度較高，限制在1 000±10 ℃；而從12 mm 開始，隨著板形控制難度下降，二階段開軋溫度要求大幅度降低，12 mm 為930±10 ℃。從沖擊性能可以看出，8 mm 的沖擊功低于≥12 mm 規(guī)格，這符合薄板的性能規(guī)律。8 mm 鋼板小尺寸沖擊試樣平均值在70～80 J，折合10×10 mm 標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功為140～160 J，相對標(biāo)準(zhǔn)≥34 J 仍有足夠富余量。

從性能上看，一方面，鈮鈦微合金化代替?zhèn)鹘y(tǒng)鈮釩微合金化的策略，彌補(bǔ)了過去的高碳變?yōu)榈吞俭w系時(shí)的強(qiáng)度損失；另一方面，采取低碳體系的設(shè)計(jì)和兩階段控軋控冷的工藝策略，保證了加鈦鋼低溫韌性的穩(wěn)定。由金相組織分析可以看出，8 mm 和30 mm 鋼板組織晶粒度均十分細(xì)小且均勻，研究表明細(xì)化晶粒對鋼板強(qiáng)度與低溫沖擊韌性均有很強(qiáng)的提高作用；當(dāng)軋制溫度降低時(shí)，通過增加變形帶和位錯，增加了更多的鐵素體形核點(diǎn)，從而晶粒得到了細(xì)化，細(xì)晶強(qiáng)化效果提升，增加了大角度晶界的比例，有效地抑制微裂紋的擴(kuò)展，從而提高沖擊韌性[10]。

5 結(jié)論

（1）新型低碳Q460MC 鋼板采用低碳高錳的成份體系，通過添加適量的鈮、鈦元素，代替?zhèn)鹘y(tǒng)高強(qiáng)鋼鈮、釩元素組合，生產(chǎn)成本明顯降低，同時(shí)在實(shí)際控制中，C 含量穩(wěn)定控制在0.10%以下，碳當(dāng)量CEV穩(wěn)定控制在0.35%以下，大幅度提高焊接性能。

（2）采用TMCP 工藝，利用兩階段控制軋制與軋后超快冷工藝的實(shí)施，充分細(xì)化鐵素體晶粒，鋼板晶粒度保持在9 級以上，提高了強(qiáng)度與韌性。鋼板矯直后快速下線堆垛，可以減緩鋼板后期冷卻速度，防止鋼板分層，同時(shí)提高塑性。

（3）從工藝設(shè)計(jì)合理性及各項(xiàng)理化檢測數(shù)據(jù)上可以看出，普陽鋼鐵生產(chǎn)的新型低碳Q460MC 產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，完全符合GB/T 1591-2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，滿足用戶需求。