鈦微合金化工藝解決鋼卷翹皮缺陷的研究與應(yīng)用

秦治國(guó)，程麗娟

（1.河鋼集團(tuán)河鋼股份有限公司，河北 石家莊 050023；2.河北卓學(xué)公司，河北 石家莊 050023）

Q550E 屬于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)板，主要應(yīng)用于重要的（低溫）高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件、工程機(jī)械、礦山鋼結(jié)構(gòu)件等。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件、工程機(jī)械、礦山鋼結(jié)構(gòu)件用鋼是以C—Mn 鋼為基礎(chǔ)加入Mo、Nb、V、Ti 等微合金元素的低合金高強(qiáng)度鋼。開(kāi)平過(guò)程中，殘余應(yīng)力在板形影響很大，為了減小或消除殘余應(yīng)力的影響，板卷在生產(chǎn)過(guò)程中多采用平整矯直和熱處理工藝，其工序復(fù)雜。河鋼承鋼利用具有得天獨(dú)厚的釩鈦資源優(yōu)勢(shì)，在鋼中添加Nb、V、Ti，進(jìn)行固溶強(qiáng)化，通過(guò)控軋控冷處理生產(chǎn)出低成本性能優(yōu)良的高強(qiáng)板卷。

1 首次生產(chǎn)成分設(shè)計(jì)及工藝路線

本次生產(chǎn)所遵循的工藝路線是，鐵水預(yù)處理（脫硫）→150 t 轉(zhuǎn)爐提釩（可選）→150 t 轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 精煉→保護(hù)澆注→1 780 生產(chǎn)線板坯加熱→高壓水除鱗→粗軋→熱卷箱卷?。蛇x）→精軋→層冷→卷取→檢驗(yàn)→包裝→檢斤→入庫(kù)。

1.1 首次化學(xué)成分設(shè)計(jì)（如表1 所示）

表1 化學(xué)成分設(shè)計(jì) %

1.2 冶煉生產(chǎn)過(guò)程及控制

冶煉入煉鋼轉(zhuǎn)爐前半鋼w（S）≤0.040%，化渣時(shí)間≤4 min，出鋼前要進(jìn)行后攪90 s，確保取樣準(zhǔn)確。終點(diǎn)成份最佳控制：w（S）≤0.020%，w（P）≤0.010%，w（C）≤0.04%。出鋼鈮鐵、釩鐵等進(jìn)行合金化，要求100%擋渣出鋼，下渣量≤50 mm。出鋼時(shí)間≥5 min。LF 爐精煉，造還原渣精煉，一次加熱后形成白渣，白渣保持時(shí)間不低于12 min。鋼液鈣處理，要求m（Ca）/m（Als）≥0.10。弱吹氬過(guò)程嚴(yán)禁鋼液面裸露，保證弱吹氬時(shí)間大于12 min。連鑄執(zhí)行全程吹氬保護(hù)，結(jié)晶器液面控制使用自動(dòng)控制，連鑄機(jī)最小拉速控制在1 m/min，拉速波動(dòng)不大于±0.01 m/min。

本次生產(chǎn)成分控制見(jiàn)表2。

表2 生產(chǎn)成分控制 %

本次生產(chǎn)鑄坯情況，肉眼觀察鑄坯表面振痕較深，且不規(guī)則并形成溝狀，鑄坯經(jīng)軋制后，鋼卷表面存在缺陷，為表面翹皮缺陷，并對(duì)生產(chǎn)鑄坯取樣做扒皮試驗(yàn)，鑄坯表面存在明顯的橫裂紋，實(shí)物缺陷形貌如圖1 和圖2 所示。

圖1 翹皮

圖2 鑄坯橫裂紋

對(duì)缺陷卷板取樣做金相試驗(yàn)，金相觀察表明在卷板缺陷處存在較長(zhǎng)的裂紋，裂紋中間夾雜氧化鐵，如圖3 和圖4 所示。

圖3 卷板裂紋

圖4 夾雜

2 鑄坯橫裂紋形成的因素

經(jīng)研究分析此次生產(chǎn)軋制后的卷板表面出現(xiàn)翹皮缺陷的現(xiàn)象，為板坯表面橫裂紋所導(dǎo)致，影響鑄坯橫裂紋形成的因素如下：

1）w[C]為0.10%～0.15%的亞包晶鋼，坯殼厚度不均勻性強(qiáng)，表面易產(chǎn)生凹陷，振痕深，易產(chǎn)生橫裂紋；w[C]為0.15%～0.20%時(shí)，振痕淺了，鑄坯橫裂紋減少。

2）鋼中第二相質(zhì)點(diǎn)的析出，溫度高于1 000 ℃時(shí)，鑄坯具有良好的熱塑性；低溫時(shí)，鑄坯具有明顯的低塑性區(qū)，由于在發(fā)生γ→α 相變溫度區(qū)，奧氏體晶界析出α 鐵素體薄膜，由于α-Fe 強(qiáng)度僅為γ-Fe的1/4，使變形集中在晶界而產(chǎn)生裂紋。Al 作為常用的脫氧劑，由于AlN 在晶界的析出，增加了鋼的脆性，對(duì)鑄坯表面橫裂紋的產(chǎn)生有不利影響，鋼中加鈦可使AlN 質(zhì)點(diǎn)在晶界變得粗大，改善延性，減輕橫裂紋。

3）Nb 含量分析：鈮作為一種微合金主要目的是用來(lái)提高鋼的屈服強(qiáng)度。但是，鈮的加入也帶來(lái)了連鑄坯裂紋敏感性，尤其表面橫裂紋，不含鈮鋼第Ⅲ脆性區(qū)為900～700 ℃，而鈮的加入使鋼的第Ⅲ脆性區(qū)向高溫區(qū)移動(dòng)，鈮可以通過(guò)沉淀硬化又可以通過(guò)鐵素體晶粒進(jìn)一步細(xì)化來(lái)提高強(qiáng)度，形成細(xì)小的碳化物和氮化物，抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。

3 改進(jìn)并優(yōu)化措施

針對(duì)首次試制Q550E 含鈮鋼特點(diǎn)及生產(chǎn)鑄坯存在的裂紋缺陷，對(duì)成分進(jìn)行優(yōu)化降低了碳、鈮、釩的含量，在原有成份的基礎(chǔ)上，加入鈦進(jìn)行鈦微合金化處理，從而解決在軋制后鋼卷表面無(wú)翹皮缺陷的問(wèn)題，關(guān)鍵調(diào)整點(diǎn)：

1）優(yōu)化調(diào)整成分，嚴(yán)格控制鋼水果熱度在15～25 ℃保證鑄機(jī)拉速穩(wěn)定及工藝要點(diǎn)中最小拉速要求，提高鑄坯矯直溫度達(dá)到950 ℃以上。

2）減小二次冷卻比水量，保證鑄坯矯直區(qū)溫度避開(kāi)含鈮鋼的第Ⅲ脆性區(qū)溫度。

3）控制氮含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在60×10-6以下。

4）w（Als）應(yīng)在0.01%～0.025%之間。

優(yōu)化后的生產(chǎn)成分見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化后鋼種的成分 %

此次生產(chǎn)所遵循的工藝路線與首次相同，不同是在LF 工序生產(chǎn)過(guò)程中，加入鈦鐵進(jìn)行鈦合金化。通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化措施，本次生產(chǎn)鑄坯表面無(wú)橫裂紋等其它缺陷，軋制后鋼卷表面質(zhì)量良好，性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在線取樣和緩冷72 h 后取樣性能良好。從各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，與首次試制鋼卷的性能結(jié)果相比（見(jiàn)表4），在成品表面質(zhì)量、冷彎、拉伸、晶粒度和帶狀組織上均有了很大改善。

表4 鋼卷的性能

4 結(jié)論

1）高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q550E，通過(guò)加入鈦元素進(jìn)行微合金復(fù)合強(qiáng)化，由鈮、釩強(qiáng)化改為鈮、釩、鈦復(fù)合強(qiáng)化，在降低了碳含量同時(shí)，也避開(kāi)了亞包晶鋼表面易產(chǎn)生橫裂紋的區(qū)域。

2）降鈮含量，鈮作為一種微合金主要目的是用來(lái)提高鋼的屈服強(qiáng)度。但是，鈮的加入也帶來(lái)了連鑄坯裂紋敏感性，尤其表面橫裂紋，NbC NbN 的析出溫度為950 ℃，正好落在奧氏體相低溫區(qū)域，導(dǎo)致鑄坯的高溫延申性變差。

3）加鈦，鋼中加鈦進(jìn)行鈦合金化處理，可以改善奧氏體低溫區(qū)的塑性，能夠減輕含鈮鋼的脆化，可使鋼中AlN 質(zhì)點(diǎn)在晶界變得粗大，改善延性，減輕橫裂紋。用Ti 固定N 生成粗大的TiN 質(zhì)點(diǎn)，從而改善鋼種的裂紋敏感性，且使鋼材具有良好的焊接性及其他的優(yōu)質(zhì)的特殊性能。