低成本S500 MC熱軋板卷的研制

供稿|王旭生，詹恒科，陳宇 / WANG Xu-sheng, ZHAN Heng-ke, CHEN Yu

隨著國家資源的開發(fā)和科學研究水平的提高，釩、鈦、鈮等合金元素作為開發(fā)低合金鋼的有效元素得到了廣泛的應用。我國微合金元素儲量豐富，氧化釩的儲量達2500萬t，居世界第3位；氧化鈦的儲量為6萬億t，占世界儲量的45%；氧化鈮儲量為388萬t。因此我國具有發(fā)展微合金化鋼的巨大資源優(yōu)勢。隨著冶金生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)的更新與變革，微合金元素的使用已使低合金高強度鋼領(lǐng)域的品種發(fā)生了深刻的變化，微合金元素的開發(fā)與應用充實了低合金鋼的物理冶金內(nèi)容和強韌化原理[1]。寶鋼、鞍鋼[2]等企業(yè)先后完成系列化鋼種的研發(fā)和生產(chǎn)。

隨著冶煉技術(shù)和控軋控冷技術(shù)的日趨成熟、鈦微合金鋼中含鈦第二相析出理論的逐漸完善，以及當前鈦鐵的經(jīng)濟性，與鈮鐵、釩鐵相比在價格上的優(yōu)勢，采用鈦微合金化具有更低的成本。鈦的作用主要體現(xiàn)在如下幾個方面：Ti能與N、C結(jié)合，形成穩(wěn)定的氮化物、碳化物，組織奧氏體晶粒長大，從而改善材料的焊接性能；Ti能變質(zhì)鋼中的硫化物，改善材料的縱橫向性能的差異及冷成型性能；Ti含量較高時（Ti含量≥0.04%）[2]，結(jié)合合適的熱加工工藝，能形成彌散細小的TiC，起到析出強化作用。

鈦含量較高的鋼種對化學成分和工藝參數(shù)非常敏感，同時鋼種加入鈦的控制難度較大，因此，含鈦鋼性能波動大[3]。目前突出鈦強化的鋼種多見于600 MPa以上的鋼種，強度級別較低的鋼種多以鈮鈦復合、突出鈮強化。

原S500MC采用Mn-Nb 系、微鈦，此成分體系對工藝波動適應性強，力學性能穩(wěn)定，易于批量生產(chǎn)，但由于鈮合金價格高造成成本偏高。采用Mn-Ti-Nb系設(shè)計S500MC，提高Ti含量≥0.04%，可大幅降低Mn和Nb含量，同時保障高強度，大幅降低生產(chǎn)成本。

S500MC力學性能要求

S500MC要求屈服強度≥500 MPa，抗拉強度550～700 MPa，延伸率根據(jù)厚度不同有優(yōu)速差別，具體要求見表1。

表1 S500MC熱軋鋼帶性能要求

S500MC工藝設(shè)計

S500MC采用低碳Mn-Ti-Nb系設(shè)計，主要成分見表2。與傳統(tǒng)工藝相比，主要區(qū)別是提高Ti含量，降低Nb含量和Mn含量，突出Ti的強化作用；煉鋼生產(chǎn)注重純凈鋼冶煉，軋鋼生產(chǎn)注意各點溫度的穩(wěn)定性控制。

表2 主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

生產(chǎn)控制難點：Ti含量范圍控制、減少TiN在鋼水中析出形成較大尺寸夾雜物、軋鋼工藝穩(wěn)定性（包括通卷穩(wěn)定性、不同卷的工藝重復性）、終軋溫度和卷取溫度波動范圍小。

試驗生產(chǎn)

首次試驗生產(chǎn)

S500MC首次試驗生產(chǎn)1爐，化學成分控制較為理想，主要成分C：0.08%、Mn：1.30%、Nb：0.030%、Ti：0.060%。精煉時添加Ti合金，精煉和中包檢驗Ti含量變化不大；煉鋼工序未刻意控制鐵水和鋼水純凈度，N、O含量不高。

澆鑄成厚度230 mm的鑄坯，加熱至1200 ℃[4]，保溫20 min，避免奧氏體晶粒迅速長大的同時，盡量多的固溶Ti和Nb。經(jīng)5道次粗軋軋制成45 mm的中間坯，1100 ℃進入精軋機組軋制，成品厚度10.0 mm，終軋溫度870 ℃，層流冷卻水強制冷卻至600 ℃。

鋼卷冷卻后，在板寬1/4處用水焊槍切取大試樣塊，大試樣塊經(jīng)剪切機切成力學性能毛坯樣：縱向拉伸試樣：板厚×35 mm×300 mm、橫向冷彎試樣：板厚×35 mm×260 mm，縱向沖擊試樣：板厚×15 mm×55 mm。毛坯樣加工成標準試樣后檢驗，檢驗結(jié)果如表3和表4所示。

表3 拉伸和冷彎試驗結(jié)果

表4 系列沖擊試驗結(jié)果

在板寬中心部位取金相試樣，研磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液浸蝕，在光學顯微鏡下觀看金相組織，如圖1所示。金相檢驗未發(fā)現(xiàn)較大尺寸的夾雜物，硫化物夾雜1.0級，如圖1所示。

圖1 S500MC金相組織

首次試驗分析

首次試驗生產(chǎn)，煉鋼工序未采取特殊控制，碳和鈦含量控制稍高，其余成分命中較好，與Mn-Nb系S500MC相比未增加生產(chǎn)難度；軋鋼工序生產(chǎn)較為平穩(wěn)，成分變化未對模型產(chǎn)生影響，溫度控制命中率95%以上。

根據(jù)首次試驗的結(jié)果分析S500MC的微觀組織為粒狀貝氏體+鐵素體+少量珠光體，力學性能滿足。屈服強度和抗拉強度富余100 MPa以上，-40 ℃依然擁有良好的沖擊韌性，總體強韌指標富裕較大。

S500MC首次試驗生產(chǎn)的鋼卷強韌指標滿足標準要求，相比Mn-Nb系、微鈦合金設(shè)計節(jié)省成本一百元以上；但實物質(zhì)量達到了600 MPa的要求，性能超量設(shè)計。

圖2 S500MC非金屬夾雜物

工藝優(yōu)化

根據(jù)首次試驗的結(jié)果，結(jié)合化學成分的控制準確性和熱軋機組的穩(wěn)定生產(chǎn)能力，以及碳化鈦析出強化的特點，對S500MC的工藝設(shè)計進行優(yōu)化。

考慮到鈦強化受工藝波動影響較大的因素，少量降低錳含量和鈮含量，優(yōu)化冷卻模式及卷取溫度；繼續(xù)保持低硫低氮低氧控制，保持首次試驗的層流冷卻的冷卻速度。

工藝優(yōu)化后的性能

根據(jù)工藝優(yōu)化生產(chǎn)的S500MC鋼卷性能滿足標準要求，如表5所示，拉伸性能和沖擊功有一定富余量，對工藝波動的適用性較強。

工藝及成本討論

生產(chǎn)控制的穩(wěn)定是性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)，同時試樣的切取、加工和檢驗是反饋真實性能的前提，所有的環(huán)節(jié)穩(wěn)定是Mn-Ti-Nb系S500MC性能穩(wěn)定的保障。

Mn-Nb系、微鈦S500MC的生產(chǎn)可操作性強，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，工業(yè)化生產(chǎn)難度相對較?。籑n-Ti-Nb系S500MC生產(chǎn)可操作性良好，煉鋼工藝窗口相對較小，產(chǎn)品強韌性好，工業(yè)化生產(chǎn)難度相對較大，但未額外增加生產(chǎn)廠的負擔。綜合生產(chǎn)可操作性和產(chǎn)品性能，Mn-Ti-Nb系S500MC具備替代Mn-Nb系S500MC的條件，后續(xù)工藝優(yōu)化應逐步完善。

表5 力學性能試驗結(jié)果

隨著Mn-Ti-Nb系S500MC生產(chǎn)量的不斷增加，個別產(chǎn)品性能出現(xiàn)了較大的波動。由于有效Ti的生產(chǎn)使用經(jīng)驗不足，不排除個別產(chǎn)品性能波動較大的可能，性能波動可能對產(chǎn)品使用存在一定難度。

鈦含量較高的S500MC的合金成本與常規(guī)工藝設(shè)計比，降低150元/t。雖然在生產(chǎn)中各工序加嚴控制增加了一定的生產(chǎn)成本，但總體能節(jié)省100元/t以上。從成本角度考慮，Mn-Ti-Nb系S500MC替代Mn-Nb系S500MC有較大空間。

結(jié)論

（1）Mn-Ti-Nb系設(shè)計可以獲得高強度、高韌性、低成本的熱軋鋼卷。

（2）穩(wěn)定的生產(chǎn)控制和精確的檢驗是鈦含量較高S500MC性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

（3）隨著煉鋼水平的迅速提高，成本優(yōu)勢將高鈦引入企業(yè)的視線，隨著理論研究和實踐經(jīng)驗將逐步完善，產(chǎn)品由高強鋼向較高強度擴大。

[1] 東濤, 孟繁茂, 王祖濱, 等. 神奇的Nb—鈮在鋼鐵中的應用（迄今經(jīng)驗與未來發(fā)展）. 北京: 中信美國鋼鐵公司, 1999

[2] 林滋泉, 敖列哥, 郝森. 鞍鋼釩、鈦、鈮微合金鋼的應用與開發(fā). 鋼鐵釩鈦, 2001, 22(1): 1

[3] 楊才福, 張永權(quán), 王宇杰. 鈦含量對熱軋帶鋼力學性能的影響. 鋼鐵, 1995, 30 (8): 48

[4] 楊穎, 侯華興, 馬玉璞, 等. 再加熱溫度對高Ti含Nb鋼第二相粒子溶解及晶粒長大的影響. 鋼鐵研究學報, 2008, 20(7):38