120-150 mm Q390ME特厚板的研制

滕 達(dá)， 邱保文,2

(1.南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇 南京 210035； 2.高端鋼鐵材料江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210035)

引 言

高強(qiáng)高韌性的特厚板應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。隨著強(qiáng)度的提高，特厚板的微觀組織由鐵素體加珠光體向貝氏體和(或)馬氏體轉(zhuǎn)化，其中尤以貝氏體和針狀鐵素體組織引人關(guān)注。低碳貝氏體和針狀鐵素體因其高強(qiáng)韌匹配，在鋼板的組織設(shè)計(jì)中越來越得到重視[3-6]。

因連鑄坯厚度限制，100 mm以上特厚鋼板心部變形小，晶粒粗大，低溫韌性難以保證。單純添加貴重合金元素Ni、Cu等來韌化基體，成本將難以承受。在各類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)特厚板心部性能，尤其是沖擊性能一般不做要求。但是在復(fù)雜受力條件下，心部低溫韌性不足將帶來嚴(yán)重的安全隱患，威脅到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性[7]。

本文主要針對(duì)GB/T 1591-2018中>100-120 mmQ390ME特厚板以針狀鐵素體組織調(diào)控性能，在低合金化基礎(chǔ)上獲得了保心部性能的節(jié)約型高強(qiáng)特厚板，并將厚度提高到150 mm，為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的更新、相關(guān)品種規(guī)格擴(kuò)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 特厚板成分設(shè)計(jì)

1.1 Q390ME的標(biāo)準(zhǔn)要求

在GB1591-2018中，對(duì)熱機(jī)械軋制Q390ME鋼的熔煉分析化學(xué)成分要求如表1所示。

表1 Q390M化學(xué)成分要求/%

同時(shí)，Q390ME的碳當(dāng)量CEV和焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 熱機(jī)械軋制或熱機(jī)械軋制加回火狀態(tài)交貨Q390M的CEV和Pcm

這里CEV(%)=w(C)+w(Mn)/6+w(Cr+Mo+V)/5+w(Ni+Cu)/15，Pcm(%)=w(C)+w(Si)/30+w(Mn)/20+w(Cu)/20+w(Ni)/60+w(Mo)/15+w(V)/10+5w(B)。

Q390M的拉伸性能應(yīng)符合表3的規(guī)定。沖擊性能應(yīng)符合表4的規(guī)定。

表3 熱機(jī)械軋制或熱機(jī)械軋制加回火狀態(tài)交貨Q390M的拉伸性能a

表4 夏比(V型缺口)沖擊試驗(yàn)的溫度和沖擊吸收能量

1.2 Q390ME特厚板的化學(xué)成分設(shè)計(jì)

實(shí)踐說明，采用鐵素體加珠光體組織設(shè)計(jì)，對(duì)于100 mm以上特厚板，強(qiáng)度隨板厚增加，下降太快，容易導(dǎo)致強(qiáng)度不合。采用珠光體強(qiáng)化，需要珠光體組織占主導(dǎo)，并且大量珠光體的存在嚴(yán)重?fù)p害低溫沖擊性能，E級(jí)質(zhì)量得不到保證。將珠光體替換成高強(qiáng)度貝氏體或者針狀鐵素體組織，在強(qiáng)化基體，提高強(qiáng)度的同時(shí)，也降低碳當(dāng)量CEV，避免了珠光體對(duì)低溫沖擊的不利影響?；谶@種思路的特厚板化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表5所示。

表5 >100 mm Q390ME設(shè)計(jì)化學(xué)成分/%

2 特厚板工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝路線

結(jié)合南京鋼鐵股份有限公司一煉鋼廠和5 m產(chǎn)線的特點(diǎn)，采用工藝路線如下：鐵水預(yù)脫硫—150 t轉(zhuǎn)爐—LF精煉—RH真空脫氣—連鑄—鑄坯加熱—除鱗— 5000 mm軋機(jī)軋制—ACC—堆冷—表面檢查—精整—探傷—性能檢測(cè)—入庫(kù)。

2.2 冶煉工藝

入轉(zhuǎn)爐前鐵水經(jīng)噴鎂粉脫硫，保證w(Si)≤0.005%；轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)w(C)≥0.04%，出鋼w(P)≤0.020%，保證冶煉終點(diǎn)C-P -T協(xié)調(diào)出鋼；LF精煉的脫氧劑采取電石、鋁線、硅錳鐵粉脫氧，確保白渣保持時(shí)間≥15 min。

RH真空脫氣，在5 mBar真空度下脫氣時(shí)間≥15min；連鑄保持過熱度8-30 ℃，液位、拉速、冷卻水量保持穩(wěn)定，鑄坯厚度為320 mm。

2.3 鑄坯加熱

鑄坯加熱溫度1100-1200 ℃，保溫時(shí)間40 min，總加熱時(shí)間按0.8-1.5 min/mm計(jì)算。

2.4 軋制工藝

采用兩階段軋制，一階段軋制溫度≥1000 ℃，二階段軋制工藝如表6所示。

表6 特厚板二階段軋制工藝

2.5 控冷工藝

采用強(qiáng)控冷，冷卻水量>10000 m3/h。返紅溫度低于320 ℃。

2.6 堆垛緩冷

控冷后直接堆冷，時(shí)間≥96 h。降低因快速冷卻產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時(shí)也降低鋼板心部氫的含量，改善鋼板探傷缺陷。

3 特厚板金相組織

取全厚度金相樣，觀察鋼板厚度1/4、1/2處金相，如圖1和圖2所示。

在圖1和圖2中可以發(fā)現(xiàn)大量雜亂無(wú)章、出現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)、難以辨認(rèn)的組織，也無(wú)法清晰觀察到滲碳體，屬于無(wú)碳化物貝氏體。

圖1 120 mm特厚試制板微觀組織

圖2 150 mm特厚試制板微觀組織

對(duì)于無(wú)碳化物貝氏體，大量冶金界人士稱之為“針狀鐵素體”[8-10]。針狀鐵素體的一個(gè)重要特點(diǎn)，是其伴生的碳化物形態(tài)遠(yuǎn)不如貝氏體組織那么規(guī)整，而且數(shù)量很小，以致難以鑒別出滲碳體的存在。用光學(xué)金相顯微鏡觀察，針狀鐵素體組織是雜亂無(wú)章的，難以辨認(rèn)結(jié)合試制板化學(xué)成分和金相特征，本文采用針狀鐵素體表征試制板中的貝氏體。

從圖1和圖2可以知道，在板厚1/4處，針狀鐵素體的含量約2/3，超過了鐵素體，成為主控組織；在板厚1/2處，針狀鐵素體的含量下降到約1/3，鐵素體組織增多，超過針狀鐵素體，成為主控組織，但其晶粒尺寸并不均勻，對(duì)低溫韌性不利，相對(duì)板厚1/4處，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

4 特厚板力學(xué)性能

120 mm和150 mm厚Q390ME試制板的力學(xué)性能如表7和表8所示。

表7 特厚試制板實(shí)物拉伸性能

表8 特厚試制板實(shí)物沖擊性能

通過表7和表8可以知道120-150 mm厚試制板拉伸性能合格，Z向性能達(dá)到Z35級(jí)。從板厚1/4和1/2處低溫沖擊吸收能量來看，-40 ℃具有優(yōu)秀的表現(xiàn)，-50 ℃依然合格。相對(duì)地，120 mm厚試制板比150 mm厚試制板的各項(xiàng)性能要好。

通過合金成分的合理設(shè)計(jì)和最佳控軋工藝參量的選擇，利用軋制過程中的晶粒細(xì)化、相變和位錯(cuò)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、亞晶強(qiáng)化等機(jī)制，能夠獲得性能優(yōu)良的120-150 mm厚Q390ME特厚板。尤其是針狀鐵素體在光學(xué)金相顯微鏡下觀察不象貝氏體組織那樣，不存在明顯的原始奧氏體晶界網(wǎng)絡(luò)，避免了大角晶界所存在的沉淀物或夾雜偏析造成的脆性，從本質(zhì)上賦予針狀鐵素體鋼比貝氏體鋼有較高的沖擊斷裂功和較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度[11-12]。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)，在較低碳含量時(shí)，配合中等Mn含量設(shè)計(jì)，加上Cr、Ni、Mo、Cu改變過冷奧氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)特征，在變形配合下，促進(jìn)針狀鐵素體的形成，取代珠光體，在強(qiáng)度提高和低溫韌性改善方面可以同時(shí)兼顧。

150 mm厚Q390特厚板性經(jīng)針狀鐵素體組織調(diào)控后性能優(yōu)異，E級(jí)質(zhì)量有充分的保障。GB/T 1591中Q390ME 規(guī)格能夠擴(kuò)大到150 mm，同時(shí)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)心部性能做出限制，對(duì)中國(guó)特厚板高質(zhì)量發(fā)展可以起到引領(lǐng)作用。