微量鈮對(duì)低合金H型鋼性能的影響試驗(yàn)研究

陳 帥，吳結(jié)才，溫 瀟，王厚昕

（1.山西安泰集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，山西 介休 032002；2.中信金屬股份有限公司，北京 100004）

安泰公司的H型鋼生產(chǎn)線于2011年5月投產(chǎn)，產(chǎn)品型號(hào)包括窄翼緣H400×200～H1000×300、中翼緣H300×200～H600×300、寬翼緣H200×200～H400×400，主要鋼種包括碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B、低合金結(jié)構(gòu)鋼Q355B、Q355D、Q355E和出口韓國(guó)的日標(biāo)SS400。至2020年底，累計(jì)生產(chǎn)H型鋼726.59萬(wàn)噸，產(chǎn)品尺寸精度、表面質(zhì)量和力學(xué)性能得到用戶的認(rèn)可，安泰公司的H型鋼在市場(chǎng)擁有一席之地，2020年的年產(chǎn)量達(dá)到131萬(wàn)噸，超過(guò)120萬(wàn)噸的設(shè)計(jì)年產(chǎn)能。

355MPa級(jí)的低合金H型鋼與235MPa級(jí)的普通碳素H型鋼相比，其售價(jià)略高，但是具有強(qiáng)度高、韌性好、承載力強(qiáng)、節(jié)省鋼材等優(yōu)點(diǎn)，在工程上的使用量越來(lái)越大，目前已占到型鋼產(chǎn)量的30%以上。安泰型鋼生產(chǎn)線在建設(shè)時(shí)，配套建設(shè)異型坯連鑄，以此減少軋制道次，提高軋機(jī)的生產(chǎn)效率，減少異型坯腹板的設(shè)計(jì)厚度。

采用近終形連鑄技術(shù)后，坯-材的壓縮比減小，生產(chǎn)效率提高的同時(shí)，也為高性能產(chǎn)品的生產(chǎn)留下隱患。在生產(chǎn)低合金產(chǎn)品時(shí)，出現(xiàn)部分大規(guī)格產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度偏低，甚至不合格的情況，偶爾出現(xiàn)屈服強(qiáng)度不合格的質(zhì)量異議。因此，針對(duì)部分大規(guī)格及后翼緣產(chǎn)品采取添加微量釩的措施，以此提高產(chǎn)品的強(qiáng)度，確保產(chǎn)品性能合格。但釩鐵價(jià)格不穩(wěn)定，最高時(shí)達(dá)到60萬(wàn)元/噸，增加了生產(chǎn)成本。為尋找更優(yōu)的方法，與中信鈮公司取得聯(lián)系，并在他們的資助下，進(jìn)行微量鈮的強(qiáng)化試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工藝路線

90噸轉(zhuǎn)爐—吹氬站—LF精煉—異形坯連鑄—鑄坯熱送至軋鋼廠—鑄坯加熱—BD軋制—UR-E-UF軋制—冷卻—矯直—鋸切—碼垛入庫(kù)

1.2 試驗(yàn)鋼成分設(shè)計(jì)

按照鈮含量設(shè)計(jì)3種成分，錳含量按加釩時(shí)的水平控制，具體成分范圍見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)鋼設(shè)計(jì)成分范圍 Wt，%

考慮到加V鋼中軋制規(guī)格最小H300×300×10×15，且具有較好的代表性，因此，選用此規(guī)格H型鋼進(jìn)行試驗(yàn)。BD軋機(jī)按正常節(jié)奏軋制，萬(wàn)能軋機(jī)通過(guò)在輥道上待溫的方式控制終軋溫度不高于 950℃。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 鋼水熔煉成分

按照表1的成分范圍，3種成分分別進(jìn)行2爐試驗(yàn)，共計(jì)試驗(yàn)6爐，實(shí)際熔煉成分列于表2中。從表中看出，Nb的含量控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

表2 試驗(yàn)鋼Q355BNb熔煉成分 Wt，%

2.2 軋制工藝控制

按表2要求連鑄后，鋼坯紅送至軋鋼廠，落地檢查表面的質(zhì)量，震痕底部及腹板圓弧區(qū)未見(jiàn)有橫向和縱向裂紋。按工藝要求加熱鋼坯，出爐時(shí)通過(guò)高壓水除鱗，在BD機(jī)完成開(kāi)坯軋制，考慮到Nb提高鋼的再結(jié)晶溫度，抑制再結(jié)晶的效果，為獲得形變晶粒的細(xì)化效果，并且不產(chǎn)生混晶現(xiàn)象，在萬(wàn)能軋機(jī)最后道次軋制前控制溫度，保證終軋溫度不大于950℃，實(shí)際為890℃（頭部和尾部）～930℃（中間）。

2.3 成品力學(xué)性能

在成品上取樣做拉伸和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)下圖。為驗(yàn)證鈮對(duì)鋼材低溫沖擊韌性改善的效果，在部分批號(hào)上取樣進(jìn)行0℃、-20℃、-40℃和-50℃沖擊試驗(yàn)，并在腹板上取樣進(jìn)行對(duì)比。在部分爐號(hào)翼緣上取橫向試樣做沖擊試驗(yàn)。

從圖1和圖2中可以看出，試驗(yàn)爐次產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率與標(biāo)準(zhǔn)要求的355MPa、470MPa、22%相比，有較大的富余量。與同期產(chǎn)品（C、Mn相當(dāng)，加V約0.01%，未控溫）相比，屈服強(qiáng)度有較大提高，提高幅度約30MPa～80MPa，抗拉強(qiáng)度提高約20MPa，延伸率略有降低。從翼緣縱向室溫（20℃）沖擊試驗(yàn)結(jié)果看，試驗(yàn)爐次的產(chǎn)品高于同期產(chǎn)品。從4個(gè)爐次翼緣縱向0℃沖擊試驗(yàn)可知，均大于34J，而-20℃沖擊試驗(yàn)僅有12958這1個(gè)爐次的沖擊功值大于34J。兩個(gè)爐次-40℃和-50℃沖擊功均小于27J。從3個(gè)爐次翼緣橫向沖擊試驗(yàn)結(jié)果看，0℃時(shí)均大于34J，且個(gè)值比較穩(wěn)定；-20℃時(shí)均大于20J，個(gè)值也比較穩(wěn)定，顯示產(chǎn)品的橫向韌性較好。從腹板縱向沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知，6個(gè)爐次3個(gè)試驗(yàn)溫度下的沖擊功值均大于34J，且均比翼緣樣的沖擊功值高，主要原因是腹板的厚度較翼緣薄，并且在軋制時(shí)，受軋輥冷卻水的影響，變形溫度較翼緣低（圖2中，為便于比較，已將腹板沖擊功值折算為標(biāo)準(zhǔn)試樣值）。

圖1 強(qiáng)度對(duì)比

圖2 沖擊功對(duì)比

2.4 成品金相組織

在H型鋼的翼緣位置取樣，進(jìn)行金相組織檢查，圖3為部分加鈮鋼的金相組織照片。圖4為同期加V鋼的金相組織照片。

圖3 加Nb產(chǎn)品翼緣表面

圖4 加V產(chǎn)品翼緣表面

采用硝酸酒精侵蝕，其室溫下組織為鐵素體+珠光體，加Nb鋼翼緣表面晶粒度10.0級(jí)，中心晶粒度9.5級(jí)，而加V鋼翼緣表面晶粒度9.5級(jí)，中心9.0級(jí)，兩者約相差0.5級(jí)。晶粒細(xì)化是唯一既提高強(qiáng)度又提高韌性的方法。含Nb鋼在未再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，將奧氏體晶粒壓成扁平狀，晶內(nèi)充滿滑移帶和位錯(cuò)，產(chǎn)生大量的奧氏體向鐵素體相變生核位置，細(xì)化鐵素體晶粒[1，2]。

2.5 連鑄坯試樣分析

在鑄坯上取樣，進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，在低倍試樣對(duì)應(yīng)翼緣端部附近發(fā)現(xiàn)微小鑄造裂紋，進(jìn)一步做電鏡分析，發(fā)現(xiàn)在裂紋的兩側(cè)有Nb富集，圖5為爐號(hào)12959電鏡分析圖片。

圖5 12959電鏡分析照片

從圖5可以看出，靠近裂紋附近有微小的Nb的碳氮化物析出，相比較鈮含量越高析出物越多，與同期產(chǎn)品（C、Mn相當(dāng)，加V約0.01%，未控溫）相比，屈服強(qiáng)度的提高效果較大。鈮的碳氮化物析出相作為障礙物與可動(dòng)位錯(cuò)的交互作用是造成析出強(qiáng)化的本質(zhì)，在鈮微合金化鋼中鈮的碳化物基本以繞過(guò)機(jī)制對(duì)鋼材起到強(qiáng)化作用。

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

鈮作為一種重要的微合金化元素，在鋼中起著顯著的作用。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]將其作用歸納為三點(diǎn)：①可形成細(xì)小的碳化物和氮化物，抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大；②在軋制過(guò)程中，鈮能夠提高再結(jié)晶的溫度，抑制奧氏體的再結(jié)晶，保持形變效果，進(jìn)而細(xì)化鐵素體晶粒；③鈮在鐵素體中沉淀析出，提高鋼的強(qiáng)度以及在焊接過(guò)程中阻止熱影響區(qū)晶粒的粗化。

從本文的試驗(yàn)可知，當(dāng)Nb的加入量為0.01% 時(shí)，以細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化提高鋼材的強(qiáng)度，改善韌性的效果已經(jīng)顯現(xiàn)。從提高強(qiáng)度的效果出發(fā)，僅在現(xiàn)有的成分中，用0.01%的Nb代替V，其強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且具有較大的富裕量。從改善韌性的效果出發(fā)，加入0.01%的Nb后，其0℃沖擊功值滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)C級(jí)鋼的要求，而加入0.025%的Nb后，其-20℃的沖擊功值也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)D級(jí)鋼的要求。而要進(jìn)一步提高韌性，達(dá)到E級(jí)鋼對(duì)沖擊韌性的要求，需要深入優(yōu)化成分和工藝。

釩鐵（Fe-V50）的市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)較大，一般在10～50萬(wàn)元/噸，最高曾達(dá)到60萬(wàn)元/噸，鈮鐵（Fe-Nb65）的價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，為18～22萬(wàn)元/噸，當(dāng)釩鐵的價(jià)格超過(guò)15萬(wàn)元/噸時(shí)，同樣加入量為0.010%，采用鈮鐵代釩鐵，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，該方法對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，不失為一種性價(jià)比更高的選擇。