良好低溫韌性500 MPa級(jí)水電鋼關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

張衛(wèi)攀，管連生，劉紅艷，徐桂喜，王青云

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司 技術(shù)中心，河北 邯鄲 056000)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，水電用鋼向著大型化、高強(qiáng)化、綠色化、節(jié)能化快速發(fā)展[1]。其中水電鋼管主要用于向水輪機(jī)輸送水量，并經(jīng)常承受一定的沖擊載荷，這就需要鋼板具有良好的強(qiáng)度和低溫韌性[2]。

1 高低溫韌性500 MPa級(jí)水電鋼化學(xué)成分及工藝路線設(shè)計(jì)

1.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

為得到優(yōu)異的綜合性能，高低溫韌性500 MPa級(jí)水電鋼采用低碳、低錳和微鈮合金化成分設(shè)計(jì)路線，具體化學(xué)成分見表1所示。

(1)化學(xué)元素碳。為保證鋼的韌性、塑性、焊接等性能[3]，控制碳含量在0.15%以下。

(2)化學(xué)元素錳。錳的加入在提高強(qiáng)度的同時(shí)，起到細(xì)化晶粒的作用，并促進(jìn)鐵素體的生成。但是為保證良好的焊接性能、改善錳偏析，一般錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.5%之內(nèi)。

(3)化學(xué)元素鈮。鈮是水電鋼中的重要元素，有細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的作用[4]。

(4)化學(xué)元素磷、硫、氮。磷和硫都會(huì)影響水電鋼的韌性，少量的氮能夠與鈮、鈦等元素形成氮化物或碳氮化物，達(dá)到細(xì)化晶粒和強(qiáng)化的作用，但是過量的氮能降低水電鋼的韌塑性，一般控制在50 ppm以內(nèi)。所以在生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制磷、硫和氮的含量。

1.2 工藝路線設(shè)計(jì)

高低溫韌性500 MPa級(jí)水電鋼工藝路線為：轉(zhuǎn)爐初煉-LF精煉-RH精煉-板坯連鑄-堆垛緩冷-加熱爐-粗軋-精軋-冷卻-矯直-精整-拋丸-正火-火切-噴標(biāo)-入庫(kù)。

表1 高低溫韌性500 MPa級(jí)水電鋼化學(xué)成分(%)

2 冶煉關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉

前期快速造渣、低溫操作進(jìn)行脫磷，保證終點(diǎn)磷含量小于0.015%。為控制氮含量使用底吹氬工藝，碳含量均在0.10%以下。鋼包加入鋁塊、錳鐵、鈮鐵進(jìn)行脫氧合金化，采用擋渣帽、擋渣錐和滑板進(jìn)行擋渣操作，避免下渣增磷。

2.2 LF精煉

LF精煉全程采用微正壓操作，前期脫氧造白渣，控制鋼渣厚度180-220 mm，堿度在5.00-5.70之間，保證脫硫和夾雜物去除效果，之后進(jìn)行微合金化操作，最終[S]≤0.006%。

2.3 RH精煉

RH精煉爐真空度達(dá)到100 Pa后，保證鋼水循環(huán)脫氣6 min以上，保證良好的脫氣和去夾雜效果。最后進(jìn)行鈣處理，且底吹氣量調(diào)整至渣面涌動(dòng)而不裸露，確保凈吹時(shí)間≥5 min。

2.4 板坯連鑄生產(chǎn)

連鑄過程全程保護(hù)澆注，使用超低碳覆蓋劑，加強(qiáng)對(duì)夾雜物的吸附與良好的氣體保護(hù)，提升浸入式水口密封性，減少過程鋼水增氮。使用輕壓下技術(shù)和電磁攪拌工藝保證鑄坯良好的內(nèi)部質(zhì)量。對(duì)鑄坯進(jìn)行低倍評(píng)級(jí)，中心偏析為C1.0，中心疏松為1.0，良好的鑄坯質(zhì)量為最終水電鋼優(yōu)良的性能，創(chuàng)造了前提條件。

3 控軋控冷關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

為保證水電鋼微合金固溶的同時(shí)防止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，在板坯加熱過程中采用較低的加熱、均熱溫度。

控制軋制分為兩個(gè)階段，分別為粗軋和精軋階段。第一階段粗軋過程，保證板坯的單道次壓下量≥12%，且一軋程后三道單道次壓下率≥15%，使鋼板高溫時(shí)發(fā)生充分再結(jié)晶，得到細(xì)小的初始奧氏體晶粒組織。第二階段精軋過程，對(duì)中間坯施加適當(dāng)?shù)奈丛俳Y(jié)晶累積壓下率，終軋溫度范圍800-880 ℃，水電鋼板形見圖1所示。

采用ACC進(jìn)行控制冷卻。先共析鐵素體對(duì)水電鋼的強(qiáng)度和韌性均不利，為防止先共析鐵素體生成，要保證開冷溫度≥720 ℃，終冷溫度≤670 ℃，冷卻速度≥10 ℃/s，使鋼板主要生成鐵素體+珠光體組織，且晶粒尺寸細(xì)小、均勻，晶粒度評(píng)級(jí)為12級(jí)[5]，具體工藝見表2所示。

圖1 水電鋼板形

表2 水電鋼關(guān)鍵控軋控冷參數(shù)

4 熱處理關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

正火處理是將鋼板加熱到一定溫度后，保溫一段時(shí)間出爐空冷，可以顯著改善鋼板的韌性。正火時(shí)可在稍快的冷卻中使鋼材的結(jié)晶晶粒細(xì)化，不但可得到滿意的強(qiáng)度，而且可以明顯提高韌性。水電鋼正火生產(chǎn)的工藝見表3所示。

5 高低溫韌性500 MPa級(jí)水電鋼性能檢驗(yàn)及組織分析

5.1 常規(guī)力學(xué)性能

表4為水電鋼常規(guī)力學(xué)性能，包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率。水電鋼具有高強(qiáng)度、高伸長(zhǎng)率的特點(diǎn)。

圖2 正火爐

表3 水電鋼關(guān)鍵熱處理工藝參數(shù)

表4 水電鋼常規(guī)力學(xué)性能

5.2 沖擊性能

夏比沖擊性能主要體現(xiàn)鋼板韌性，具體表征為鋼板沖擊功的大小。表5為生產(chǎn)的水電鋼韌性性能，主要包括夏比沖擊。從表中可以看出，水電鋼夏比沖擊達(dá)到254 J以上，具有優(yōu)異的韌性。

表5 水電鋼沖擊性能

5.3 微觀組織分析

圖3為水電鋼的金相組織，a圖為表面組織，b圖為中心組織。由圖可以看出，金相組織為鐵素體+珠光體。表面組織和中心組織均勻，晶粒尺寸細(xì)小，晶粒度評(píng)級(jí)為12級(jí)，并且無帶狀組織，這不僅提升了鋼板的強(qiáng)度，也為高低溫韌性提供了條件，最終水電鋼具有了優(yōu)異的綜合性能。

6 結(jié)論

(1)通過采用低碳、低錳和微鈮合金化成分設(shè)計(jì)路線，高潔凈度鋼水和高質(zhì)量鑄坯的生產(chǎn)以及合理的控軋控冷正火工藝，成功開發(fā)出500 MPa級(jí)水電鋼。

(a)表面組織

(b)中心組織圖3 水電鋼微觀組織

(2)水電鋼金相組織主要為鐵素體+珠光體，且晶粒尺寸細(xì)小、均勻，晶粒度評(píng)級(jí)為12級(jí)，使得該水電鋼具有高強(qiáng)度和高低溫韌性的特點(diǎn)。