趙虎

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

隨著我國(guó)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度加快，各種鐵路、公路、城市高架等橋梁建設(shè)中鋼結(jié)構(gòu)的比例正在增加。八鋼生產(chǎn)的Q345qE鋼板主要用于制造新疆、甘肅等地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁。鐵路或公路橋梁承受車輛的沖擊載荷，要求鋼板有較高的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性，拴焊橋梁用鋼還應(yīng)具有良好的焊接性能和低的缺口敏感性。新疆、甘肅等地區(qū)環(huán)境惡劣，冬季極端氣溫低，要求鋼板要有良好的低溫沖擊韌性。

八鋼在120t轉(zhuǎn)爐和4200/3500mm中厚板產(chǎn)線生產(chǎn)厚度30～40mmQ345qE鋼板時(shí)，-40℃低溫沖擊性能不穩(wěn)定，一組試樣有1～2個(gè)沖擊值不符合GB/T 714-2008標(biāo)準(zhǔn)，合格率只有81.48%，鋼板降級(jí)改判量大。筆者對(duì)沖擊不合的原因進(jìn)行了分析，通過工藝改進(jìn)提高了沖擊性能合格率。

2 生產(chǎn)工藝條件

2.1 工藝流程

厚度30～40mm Q345 qE鋼板采用120t轉(zhuǎn)爐冶煉的220mm板坯，在4200/3500中厚板生產(chǎn)線軋制。工藝路線：鐵水預(yù)脫硫-120噸轉(zhuǎn)爐冶煉-LF精煉-RH精煉-板坯連鑄-加熱-高壓水除鱗-軋制-矯直-堆緩冷-探傷-剪切-取樣-檢驗(yàn)-入庫(kù)。

表1 化學(xué)成分 wt, %

表1 化學(xué)成分 wt, %

元素 C Si Mn P S Nb CEV GB/T 714 ≤0.18 ≤0.55 0.90～1.7 ≤0.02 ≤0.01 ≤0.06 ≤0.43內(nèi)控范圍 0.11～0.14 0.3～0.4 1.25～1.35 ≤0.015 ≤0.005 適量 0.35～0.38

2.2 化學(xué)成分

用于生產(chǎn)30～40mm Q345qE鋼板的化學(xué)成分見表1。添加Nb、V、Ti等微合金元素細(xì)化晶粒和提高性能。通過LF+RH爐外精煉，降低S、P含量和有害氣體，保證成分穩(wěn)定和鋼質(zhì)純凈。

2.3 軋制工藝

軋制工藝采用Ⅱ型控制軋制。板坯加熱后，在4200粗軋機(jī)軋制成一定厚度的中間坯，空冷待溫后在精軋機(jī)軋制到成品厚度。主要工藝參數(shù)：加熱溫度1220～1280℃，加熱時(shí)間大于210分鐘；粗軋結(jié)束溫度大于950℃，中間坯厚度2～2.4倍成品厚度，道次壓下率8%～15%；精軋開軋溫度850～880℃，終軋溫度790～830℃，道次壓下率10%～15%。

3 關(guān)于沖擊不合的討論

在不合格試樣斷口附件制取金相試樣，圖1(a、b)是35mm鋼板厚度1/4處-40℃沖擊不合格試樣500倍的顯微組織。組織主要由鐵素體和珠光體組成。從金相組織可以看出，晶粒不均勻，平均晶粒度8～8.5級(jí)，粗晶粒尺寸是細(xì)晶粒的3～4倍，粗晶粒周圍存在大塊珠光體。

圖1 不合格試樣的顯微組織

3.1 組織不均勻?qū)_擊韌性的影響

沖擊韌性是材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，當(dāng)強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加時(shí)，沖擊值提高。決定鋼板強(qiáng)度和韌性的主要因素是化學(xué)成分和熱軋條件，采用控軋工藝生產(chǎn)的Q345qE鋼板在高溫奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制和低溫非再結(jié)晶奧氏體區(qū)終軋，主要微觀組織是鐵素體和珠光體，韌性只取決于晶粒大小[1]。組織嚴(yán)重不均勻的混晶鋼，沖擊值介于粗晶粒與細(xì)晶粒之間。奧氏體晶粒尺寸差異較大時(shí)，鐵素體轉(zhuǎn)變過程生成的滲碳體不均勻分布，在C成分較高區(qū)域易形成脆性的塊狀珠光體。統(tǒng)計(jì)八鋼中厚板歷年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在晶粒度等級(jí)小于8級(jí)，且鋼板的組織嚴(yán)重不均勻時(shí)，沖擊值離散度增大，合格率降低。因此，筆者認(rèn)為，造成30～40mm Q345qE沖擊不合的主要原因是晶粒尺寸和均勻性，組織均勻性對(duì)沖擊離散度的影響更大。

3.2 影響晶粒尺寸和均勻性的工藝條件

對(duì)于Q345qE低合金結(jié)構(gòu)鋼板，細(xì)化相變前的奧氏體晶粒、在鋼中加入碳氮化物形成元素(V、Nb、Ti等)、促進(jìn)微合金化元素碳氮化物的析出、增加奧氏體內(nèi)部形核質(zhì)點(diǎn)等是常用的細(xì)化晶粒方法。采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)的Ⅱ型控軋工藝生產(chǎn)時(shí)，加熱、粗軋、精軋等工藝影響晶粒細(xì)化效果。起始奧氏體的晶粒尺寸和均勻性將影響鐵素體的尺寸和均勻性。

連鑄坯不同部位的組織尺寸存在顯著差異，從表面的約 30～50μm 增大到中部的 150～200μm[2]。板坯在加熱過程中晶粒長(zhǎng)大，并形成尺寸不均勻的大晶粒和小晶粒。C-Mn-Nb鋼在1200℃時(shí)晶粒開始粗化，1300℃時(shí)始奧氏體晶粒尺寸接近400μm[3]。

粗軋階段在大于950℃的奧氏體再結(jié)晶溫度區(qū)間進(jìn)行軋制，當(dāng)?shù)来螇合铝看笥谂R界變形量時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，變形程度需大于5%。板坯在軋制時(shí)發(fā)生彈塑性變形，在厚度方向上晶粒變形程度不同，心部小于表層。變形深入到板坯心部的條件是變形區(qū)系數(shù)2/h大于0.518[4]，即道次壓下率大于10%～15%時(shí)板坯心部可發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[5]。再結(jié)晶按照形核長(zhǎng)大機(jī)制進(jìn)行，最優(yōu)先在“三叉晶界”形核，并以被壓扁的奧氏體晶粒厚度為基準(zhǔn)形成新的晶粒。奧氏體晶粒經(jīng)過反復(fù)軋制壓扁和再結(jié)晶，晶粒迅速減小，大晶粒細(xì)化明顯，而小晶粒細(xì)化緩慢，晶粒尺寸逐漸變小并趨于收斂。但在部分再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，大晶粒更難實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶細(xì)化[3]，大、小晶粒的尺寸差會(huì)擴(kuò)大，不均勻程度加劇。

精軋階段在900℃以下軋制時(shí)，奧氏體不發(fā)生再結(jié)晶。按照彈塑性變形機(jī)理，奧氏體晶粒被壓扁拉長(zhǎng)，呈層狀排布，累計(jì)變形量愈大晶粒壓扁越嚴(yán)重，厚度方向上晶粒壓扁越均勻。鋼板溫度降低到Ar3時(shí)開始發(fā)生鐵素體相變，相變過程按照形核長(zhǎng)大機(jī)理進(jìn)行，除了在扁平的奧氏體晶界上形成鐵素體晶核外，還會(huì)在高位錯(cuò)密度的變形帶上形核。鐵素體晶粒尺寸與形核點(diǎn)數(shù)量與奧氏體晶粒表面積成正比[6]。形核點(diǎn)數(shù)量與奧氏體晶粒的表面積、碳氮化物析出和過冷度等因素正相關(guān)。奧氏體晶粒表面積則取決于精軋階段在未再結(jié)晶區(qū)軋制的應(yīng)變累積程度。為了促使奧氏體均勻變形并生成均勻分布的形核點(diǎn)，需要累計(jì)壓下量達(dá)到一定的工藝“閥值”。鋼板軋制結(jié)束后，長(zhǎng)條狀的奧氏體晶粒以厚度為基準(zhǔn)、以鐵素體形核點(diǎn)為核心，相變?yōu)殍F素體晶粒。在鐵素體相變過程中碳析出，富集在鐵素體晶粒帶之間，與未相變的奧氏體形成帶狀或塊狀分布的珠光體。

統(tǒng)計(jì)分析30～40mmQ345qE鋼板-40℃低溫沖擊韌性，待溫厚度與沖擊存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著累計(jì)壓下量的增加，沖擊值增大，如圖2所示。當(dāng)待溫厚度小于2.41H時(shí)沖擊均值較低，離散度較大；當(dāng)待溫厚度達(dá)到2.72H時(shí)沖擊均值明顯增大，離散度減小，沖擊值趨于穩(wěn)定。待溫厚度2.41H對(duì)應(yīng)的精軋累計(jì)壓下率58.7%，待溫厚度2.72H對(duì)應(yīng)的精軋累計(jì)壓下率63.2%。

圖2 待溫厚度與低溫韌性

3.3 軋制條件分析

Q345qE鋼板采用Ⅱ型控軋和縱-橫軋模式生產(chǎn)時(shí)，軋制模型根據(jù)板坯尺寸、待溫厚度和鋼板目標(biāo)尺寸，將軋制過程分為三個(gè)階段，計(jì)算出各階段的開始厚度和終止厚度，按照軋制力和軋制力矩限幅均勻分配各道次軋制負(fù)荷。在粗軋展寬階段，軋件較厚，軋制力小，軋制扭矩大，力矩作為主要的限制條件。在粗軋伸長(zhǎng)階段，隨著軋件減薄，軋制力矩減小，按照軋制力限制條件分配壓下量。

八鋼中厚板4200粗軋機(jī)在軋輥直徑985mm時(shí)，不同坯厚滿足變形區(qū)系數(shù)等于0.518條件所需的的道次壓下率如圖3所示。按照4200粗軋機(jī)單軸抗疲勞扭矩2650kN·m，實(shí)際的軋制能力為：展寬階段壓下率8%～15%、伸長(zhǎng)階段壓下率15%～24%。在展寬階段的前幾道次變形不能深入到板坯心部。因此，減小坯料厚度和長(zhǎng)度、提高軋制溫度，可減小軋制負(fù)荷，有利于使全厚度發(fā)生完全再結(jié)晶。同時(shí)，通過調(diào)整待溫厚度，使伸長(zhǎng)階段的道次壓下率大于15%，也可以彌補(bǔ)前幾道次壓下量不足的問題，從而提高厚度方向的組織均勻性。

厚鋼板表面和心部溫差較大，鋼板越厚，溫差越大。30～40mm鋼板待溫厚度在70～110mm。精軋階段的開軋溫度和終軋溫度應(yīng)保證鋼板全厚度在奧氏體未再結(jié)晶溫度區(qū)間軋制。為了強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的效果，還需要考慮成品鋼板厚度方向的溫度差異，通常采用降低鋼板的終軋溫度來實(shí)現(xiàn)。隨著軋制溫度降低，原子擴(kuò)散能力減弱，抑制了軋后空冷階段的組織回復(fù)和軟化，軋制產(chǎn)生的位錯(cuò)和變形帶等晶內(nèi)缺陷得以更多保留，在相變前形成更多的鐵素體晶核。因此，為了更好的實(shí)現(xiàn)控軋效果，厚規(guī)格鋼板需要增加有利于擴(kuò)大奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的元素。

圖3 =0.518的道次壓下率

4 工藝改進(jìn)

細(xì)化晶粒和提高組織均勻性可有效改善C-Mn-Nb鋼強(qiáng)韌性。根據(jù)上述分析，原軋制工藝中加熱溫度、精軋開終軋溫度、待溫厚度等不完全符合細(xì)化晶粒和提高均勻性的工藝條件。據(jù)此，系統(tǒng)優(yōu)化了30～40mmQ345qE鋼板的軋制工藝參數(shù)。在實(shí)現(xiàn)Nb充分固溶的情況下，兼顧粗軋機(jī)設(shè)備能力，降低加熱溫度；粗軋避免5%以下道次壓下率軋制，末幾道次的壓下率大于15%，粗軋結(jié)束溫度大于980℃；中間坯厚度大于2.5倍成品厚度，精軋階段按厚度分檔設(shè)定待溫策略，開軋溫度小于850℃，終軋溫度接近Ar3，保證鋼板全厚度在未再結(jié)晶區(qū)軋制。

另外，結(jié)合GB/T714-2015將Q345qE沖擊標(biāo)準(zhǔn)由47J提高到120J的要求，為了進(jìn)一步強(qiáng)化控軋效果并細(xì)化晶粒，按照“降C、增Mn、加Nb”的原則對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行了調(diào)整。珠光體在增加強(qiáng)度的同時(shí)，降低材料的塑性，使沖擊韌性降低，降低碳含量可以減少珠光體。增加錳含量和Mn：C，可以降低Ar3溫度，提高鐵素體晶粒的細(xì)化程度并改進(jìn)相變微觀組織。增加Nb含量，可抑制加熱過程中奧氏體晶粒長(zhǎng)大，還可提高奧氏體再結(jié)晶溫度，在低溫軋制過程中鈮的碳氮化物析出增加鐵素體形核點(diǎn)。

通過調(diào)整化學(xué)成分和優(yōu)化軋制工藝，30～40mm Q345qE鋼板的低溫沖擊平臺(tái)提高，離散度減小，力學(xué)性能穩(wěn)定。按改進(jìn)后的成分體系和軋制工藝生產(chǎn)的鋼板共檢驗(yàn)193批次，-40℃沖擊平均值253J，合格率99.48%，沖擊值分布如圖4所示，Cpk指數(shù)為2.02。為了檢驗(yàn)工藝效果，對(duì)鋼板取樣進(jìn)行金相觀察，圖5是35mm鋼板厚度1/4處500倍的顯微組織。組織為均勻的鐵素體和珠光體，晶粒度9級(jí)。

圖4 -40℃沖擊的過程能力

5 結(jié)束語

分析認(rèn)為：晶粒尺寸和組織均勻性對(duì)Q345qE低溫韌性至關(guān)重要，也是導(dǎo)致30～40mm鋼板-40℃沖擊不合和離散度大的主要原因；粗軋道次壓下率和精軋累計(jì)變形量是影響晶粒尺寸和均勻性的主要因素；根據(jù)降碳、增錳、加鈮的原則，調(diào)整了30～40mmQ345qE鋼化學(xué)成分,中厚板軋制過程中采取了增加粗軋道次壓下量、待溫厚度大于2.5H等措施。檢測(cè)結(jié)果表明，鋼板獲得均勻細(xì)化的鐵素體晶粒，沖擊平臺(tái)提高，減小了沖擊值離散度，低溫沖擊韌性合格率大幅提升。

[1] 田村今男,王國(guó)棟，劉振宇，熊尚武譯．高強(qiáng)度低合金鋼的控制軋制與控制冷卻[M]．北京：冶金工業(yè)出版社．1992．

[2] 何建中，劉雅政，等.連鑄坯組織影響混晶產(chǎn)生的研究[J]．鋼鐵，2005，(2)．

[3] 盧文增，張衛(wèi)東.多道次熱軋形變中混晶的細(xì)化規(guī)律[J]．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，1990，(3)

[4] 王國(guó)棟，趙德文．現(xiàn)代材料成形力學(xué)[M]．沈陽：東北大學(xué)出版社，2004．

[5] 朱伏先，李艷梅，劉彥春，王國(guó)棟，等.Q345鋼奧氏體再結(jié)晶行為對(duì)組織和性能的影響[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，(6)．

[6] 小指軍夫.李伏桃，陳巋譯．控制軋制控制冷卻一改善材質(zhì)的軋制技術(shù)發(fā)展[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2002．