薄規(guī)格16MnDR鋼板軋制及熱處理工藝研究

張德勇，馮仰峰，李維娟，許繼勇，李 偉，楊志強

（1. 五礦營口中板有限責任公司遼寧省中厚板專業(yè)技術創(chuàng)新中心，遼寧 營口 115000；2. 遼寧科技大學，遼寧 鞍山 1140000）

隨著石化工業(yè)的發(fā)展，新工藝、新設備不斷出現(xiàn)，對壓力容器的用材的成分設計、力學性能等方面都做了更高的要求。石油、化工等企業(yè)對壓力容器的用材不僅要求一定的強度，還要保證鋼材有足夠的塑性及低溫韌性。通常將各種液化石油氣、液氨、液氧、液氮等生產(chǎn)、儲存容器和輸送管道以及在寒冷地區(qū)服役的設備，稱為低溫容器，制造這些容器所用的鋼，統(tǒng)稱為低溫鋼。低溫鋼一般分為無鎳鋼合有鎳鋼，無鎳鋼一般指細晶粒鋼和低溫高強度鋼，其使用溫度在-60℃以上；有鎳鋼是指在鋼中加入合金元素鎳，使其固溶于鐵素體，使基體的低溫韌性得到顯著的改善，改變體心立方晶格的金屬材料共有的低溫轉脆現(xiàn)象，其使用溫度可達到-196℃以下,隨著石油、化工設備大型化及氣體的液化，分離、貯運及應用在各國已很普遍，這些低溫技術和設備的開發(fā)促進了低溫壓力容器用鋼的發(fā)展[1-3]。

16MnDR在主要元素C-Mn基礎上，添加微合金元素Nb、Ti，采用潔凈度鋼冶煉技術，通過控軋控冷及正火處理后得到的一種低溫韌性良好的鋼種，其最低溫度可達-40℃，在石油、化工等行業(yè)應用比較廣泛[4]。對于厚度為6mm-10mm的薄規(guī)格鋼板板形及沖擊性能很難保證客戶要求，本文主要研究探討薄規(guī)格16MnDR鋼板軋制及熱處理工藝。

1 工藝過程

1.1 冶煉

合金在轉爐出鋼時或者在LF精煉爐時加入，RH真空保壓時間≥12min，出鋼前進行鈣處理，喂線后靜吹氬時間≥7min，連鑄實行全過程保護澆注，中間包過熱度≤30℃，微合金鋼在連鑄生產(chǎn)時容易產(chǎn)生角部裂紋，適當加入Ti合金由于氮優(yōu)先與鈦反應，減少低溫時Nb（C,N）和AlN的析出物，使Nb、Ti微合金鋼在860℃-Ar3溫度區(qū)間內(nèi)塑性得到保證，為連鑄生產(chǎn)降低裂紋提供條件。

煉鋼生產(chǎn)板坯厚度為250mm，軋制成品厚度為6-10mm，化學成分要求及實際控制范圍見表1。

表1 16MnDR化學成分（重量百分比，%）

1.2 軋制與熱處理

1.2.1 加熱

對連鑄坯加熱的作用主要是為滿足后續(xù)軋制需要，加熱的主要目的是：

（1）加熱可以減小鋼板內(nèi)部變形力，提高韌性，使鑄坯在較高溫軋制時有利于鋼板的塑性加工。

（2）鑄坯內(nèi)外部溫度不均勻軋制時會使其內(nèi)部產(chǎn)生熱應力，加熱可以使鑄坯內(nèi)外部溫度均勻化，避免軋件內(nèi)部出現(xiàn)熱應力。

（3）通過加熱的擴散作用使鑄坯的不均勻組織和非金屬夾雜物可以得到改善。

但在加熱時一定要控制好加熱溫度和加熱時間，主要有兩方面考慮，一方面要考慮微合金鋼合金元素的的固溶，以微合金碳氮化物的全固溶溫度來制定加熱溫度，另一方面要考慮防止在加熱階段晶粒過度長大及加熱時間過長發(fā)生過熱、過燒等缺陷，綜上分析制定加熱工藝見表2：

表2 加熱爐加熱工藝

1.2.2 軋制

兩階段控制軋制主要分為奧氏體再結晶區(qū)控制軋制和奧氏體未再結晶區(qū)控制軋制，控制軋制可以減輕甚至消除一部分帶狀組織，在奧氏體再結晶區(qū)控制軋制時，通過對加熱時產(chǎn)生的粗大奧氏體晶粒進行反復軋制和反復再結晶，會使奧氏體晶粒變的細化，而且在軋制過程中通過組織內(nèi)部結構的不斷變化，會使枝晶偏析度降低，同時合金元素也趨向均勻化。在奧氏體未再結晶區(qū)控制軋制時，由于奧氏體晶粒尺寸的不斷變化，使晶體內(nèi)部產(chǎn)生很多高密度位錯帶，同時畸變能也顯著增加，導致奧氏體向鐵素體的轉變提前進行，減小了富錳帶和貧錳帶的相變溫度差，偏析部分結晶趨向于同步進行，使帶狀組織減輕。同時控制冷卻也能減輕帶狀組織，主要原因是隨著溫度的快速降低，碳原子從貧錳區(qū)域逃離還沒有完成，奧氏體就已經(jīng)轉變?yōu)殍F素體，因此鐵素體和珠光體的條帶狀分布情況不會出現(xiàn)，因為本次試驗采用10mm厚度規(guī)格，ACC冷卻采用空冷[5]。

在軋制薄規(guī)格鋼板時，溫度控制很重要，首先確保粗軋開軋溫度，板坯在加熱爐出爐后快速送往粗軋機軋制，盡量減少輸送輥道的通過時間，其次軋制過程中要減少溫降，輥道冷卻水、軋機工作輥及支承輥冷卻水相應減小，確保精軋終軋溫度，最后確保軋制后的板形，選擇合適的工作輥和支承輥初始輥形能夠提高中厚板軋機板凸度和板形控制能力，另外在精軋最后三四道次采用最佳的彎輥力。因薄規(guī)格鋼板冷降快，冷卻方式采用空冷，綜上考慮軋制工藝參數(shù)見表3

表3 軋制工藝參數(shù)

1.2.3 正火熱處理

16MnDR按國標GB/T3531-2014要求需正火交貨，正火溫度需加熱到Ac3溫度以上，正火的主要目的是鋼板加熱到完全奧氏體化后可以得到均勻的鐵素體合珠光體組織，消除組織中一些粗大的晶粒，還可以改善組織中產(chǎn)生的帶狀，以提高鋼板的韌性。

薄規(guī)格鋼板正火后存在的最主要問題就是鋼板板形不良，會發(fā)生浪瓢、橫瓢現(xiàn)象，鋼板經(jīng)熱處理出爐后，由于鋼板內(nèi)部組織由奧氏體轉變?yōu)殍F素體和珠光體，由面心立方結構轉變?yōu)轶w心立方結構，會使鋼板內(nèi)部產(chǎn)生組織應力和鋼板因熱脹冷縮產(chǎn)生熱應力，這種內(nèi)應力不均勻的分布在鋼板的各個位置，會對鋼板產(chǎn)生拉力和壓力，當拉力和壓力超過鋼板的“彈性力”（“彈性力”在這里指的是鋼板不發(fā)生變形最大應力）極限時，鋼板會發(fā)生變形，鋼板越薄其“彈性力”越小，鋼板冷卻的越快，產(chǎn)生的應力也越大，因此薄規(guī)格鋼板在正火后極易發(fā)生瓢曲現(xiàn)象，所以薄規(guī)格鋼板正火最主要的問題是消除鋼板內(nèi)應力 [6-11]，本文采用的熱處理爐共24個區(qū)，經(jīng)過試驗得出鋼板在加熱13-18區(qū)達到目標溫度890℃，之后19-24區(qū)燒嘴關閉，保證出爐溫度≤450℃，出爐板形良好，熱處理工藝參數(shù)見表4。

采用SPSS 20.0統(tǒng)計學軟件對數(shù)據(jù)進行處理。計數(shù)資料采用x2檢驗，計量資料采用t檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

表4 熱處理工藝參數(shù)

備注：其中保溫時間8-10min。

16MnDR薄規(guī)格鋼板入爐前不平度為20mm/2m，按此工藝正火出爐后板形不平度為4mm/2m，見圖1。

圖1 16MnDR薄規(guī)格鋼板熱處理前后板形情況

2 生產(chǎn)結果

2.1 力學性能

取樣進行力學性能檢驗，各指標數(shù)據(jù)結果見表5、圖2。

圖2 16MnDR軋制的力學性能

表5 16MnDR軋制的力學性能

由表中數(shù)據(jù)可以看出：

（1）16MnDR屈服強度352-392，平均372MPa，抗拉強度505-551MPa，平均抗拉強度535MPa，強度上下富余量較大，能滿足后續(xù)深加工產(chǎn)品的力學性能要求。

（2）16MnDR伸長率平均≥28%，沖擊吸收功65-131，平均88J，對沖擊功余量尚可，韌性能滿足要求。

2.2 組織情況

檢驗鋼板組織為均勻的鐵素體+少量珠光體為主，晶粒度9級，帶狀組織1.0-2.0級?？梢娡ㄟ^控制軋制溫度及合理的熱處理工藝，可以得到均勻的組織。鋼板厚度1/4位置典型組織及帶狀情況見圖3。

圖3 16MnDR的顯微組織

3 結論

（1）通過合理的成分設計，嚴格的工藝控制，并采用控軋軋制技術，鋼板組織為典型的鐵素體加珠光組織體，帶狀控制良好，滿足鋼板的產(chǎn)品強韌性和綜合力學性能；

（2）軋制薄規(guī)格鋼板要采用合適的溫度控制、輥形控制、彎輥力控制機人員及操作控制。

（3）采用合理的熱處理工藝可以有效改善薄規(guī)格鋼板正火后的板形和平直度。