優(yōu)化成分設(shè)計以降低低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼成本

王翠娜　黃　重　張大江　石成剛

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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優(yōu)化成分設(shè)計以降低低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼成本

王翠娜黃重張大江石成剛

(安陽鋼鐵股份有限公司)

為降低板坯低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345C的成本，進(jìn)行了優(yōu)化Q345C成分設(shè)計試驗。根據(jù)各元素對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值及合金成本，降低鋼中錳含量0.30 %左右；加入微合金元素釩，使鋼中釩含量控制在0.025%～0.035%；鋼中鋁含量不再做要求，減少鈣鐵線的喂入量。結(jié)果表明：該成分體系能夠降低鋼中有害元素P、S的含量；能夠改善鑄坯中心偏析，鑄坯角部未發(fā)現(xiàn)裂紋；沖擊韌性和延展性有所提高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度稍低于優(yōu)化前的Q345C鋼，鋼板力學(xué)性能滿足國標(biāo)要求；晶粒度與優(yōu)化前相比差別不明顯，帶狀組織有所減輕，優(yōu)化成分設(shè)計后噸鋼合金成本降低了5.3～8.0元。

低合金高強(qiáng)度鋼Q345C微合金化降成本

0　前言

2015年國內(nèi)鋼鐵價格出現(xiàn)大幅下跌，產(chǎn)能過剩導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)處于微薄利潤或虧損狀態(tài)，大部分鋼鐵企業(yè)都以求生存為主要任務(wù)。面對嚴(yán)峻的市場形勢，提高生產(chǎn)工藝技術(shù)水平，降低生產(chǎn)成本，是鋼鐵企業(yè)的必經(jīng)之路。煉鋼過程中合金料的消耗是煉鋼工藝中成本的一大部分，降低合金料的消耗將會為降低成品鋼的成本做出重要的貢獻(xiàn)[1]。2014年安鋼第一煉軋廠板坯低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345C的產(chǎn)量為14.6 萬t，占第一煉軋廠所有板坯產(chǎn)量的23.6 %。目前，該鋼種的成分設(shè)計以硅、錳系合金為主，從2014年以來，硅、錳、釩、鈦系合金的價格均大幅度下跌，不同合金的價效對比發(fā)生了較大變化。2015年5月，安鋼第一煉軋廠進(jìn)行了優(yōu)化Q345C成分設(shè)計的試驗，通過加入微合金元素釩，降低錳元素的含量，在滿足性能要求的同時降低了合金成本。

1　工藝設(shè)計

1.1工藝路線

本次試驗在安鋼第一煉軋廠進(jìn)行，Q345C生產(chǎn)的工藝路線為：高爐鐵水—900 t混鐵爐—100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—100 t LF精煉爐—板坯連鑄機(jī)—2800 mm機(jī)組軋制。

1.2成分設(shè)計與性能要求

微合金化鋼是在普通低合金鋼的基礎(chǔ)上添加少量合金元素形成的，通過微合金元素與板材控軋、控冷技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，控制微合金元素的析出行為，以細(xì)化晶粒、提高鋼的強(qiáng)韌性和獲得良好的成形性及焊接性，并在保證良好綜合性能的同時，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，常用的微合金元素有鈮、釩、鈦等[2]。

鈮在鋼中以置換溶質(zhì)原子存在，鈮原子比鐵原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，對位錯攀移產(chǎn)生強(qiáng)烈的拖曳作用，使再結(jié)晶形核受到抑制，因而對再結(jié)晶具有強(qiáng)烈的阻止作用，鈮在鋼中的特點就是提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的。鈮在鋼中可以形成NbC或NbN等間隙中間相，在再結(jié)晶過程中，因NbC、NbN對位錯的釘扎及對亞晶界的遷移進(jìn)行阻止等作用，從而大大增加了再結(jié)晶的時間[2]。

在鈦的各類化合物中，TiC具有顯著的沉淀強(qiáng)化作用，是鈦微合金化鋼強(qiáng)度增加的主要來源[3]，但是鈦性質(zhì)活潑，易與鋼中的氧、氮等反應(yīng)，形成高熔點的夾雜物，影響鋼的工藝力學(xué)性能；同時鋼中的有效鈦也會降低，影響鈦的吸收率；在澆鑄過程中，鋼水容易產(chǎn)生水口結(jié)瘤。對于同樣的鈦含量，當(dāng)鋼水中O、S、N含量波動較大時，實際起強(qiáng)化作用的Ti的含量變化較大，導(dǎo)致鈦微合金化鋼的性能不穩(wěn)定[4]。

釩在鋼中具有較高的溶解度，是微合金化鋼最常用的強(qiáng)化元素之一，釩的作用是通過形成釩的碳氮化物影響鋼的組織和性能。釩的強(qiáng)化機(jī)理一方面是由于釩的碳氮化物的沉淀強(qiáng)化作用；另一方面是由于它的沉淀析出阻滯了奧氏體晶粒的再結(jié)晶，同時也起到了作為鐵素體晶核的作用，提高了鐵素體的形核率，從而細(xì)化鐵素體晶粒，因而對鋼的塑性和韌性的提高有利[5]。要發(fā)揮釩的強(qiáng)化效果，鋼中要有一定的氮含量，在缺氮的情況下，大部分釩沒有充分發(fā)揮其析出強(qiáng)化的作用，增氮后，鋼中原來處于固溶狀態(tài)的釩轉(zhuǎn)變成析出狀態(tài)的釩，充分發(fā)揮了釩的沉淀強(qiáng)化作用[2]。

有的鋼廠在開發(fā)Q345C之初，采用鈮微合金化[6]，由于目前鈮鐵成本較高，在降成本時不考慮此元素的加入。鋼中加入微合金元素鈦對鋼水潔凈度要求嚴(yán)格，鋼水中O、S、N各元素含量的波動，將導(dǎo)致產(chǎn)品性能波動，同時一煉軋鐵水預(yù)脫硫工藝暫未恢復(fù)使用，當(dāng)鐵水中硫含量較高時，LF精煉脫硫壓力較大，由于生產(chǎn)節(jié)奏問題需要大氬氣攪拌，這又可能引起鋼液面與空氣接觸而增氮。酒鋼通過Q345C成分設(shè)計優(yōu)化明確了對抑制軋制表面缺陷來說，最佳微合金化元素為V[7]?；谝陨显?，本次試驗在LF精煉過程中用釩氮合金來進(jìn)行釩微合金化。根據(jù)各元素對強(qiáng)度貢獻(xiàn)值及合金成本，計劃降低鋼中錳含量0.30 %左右，加入微合金元素釩，使鋼中釩含量控制在0.025%～0.035%，鋁含量不再做要求，減少鈣鐵線的喂入量。對Q345C成分優(yōu)化前后對比見表1，軋制鋼板厚度6 mm～30 mm，力學(xué)性能控制范圍見表2。

表1　優(yōu)化前后成分 　 / %

注：鋼中殘余元素鎳、鉻、銅含量應(yīng)各不大于0.25 %。

表2　Q345C力學(xué)性能控制范圍

2　試驗結(jié)果及分析

2.1成分對比

將兩次試驗的7爐鋼的平均成分與2014年生產(chǎn)的1286爐Q345C的平均成分進(jìn)行了對比，結(jié)果見表3。

表3　成分控制　 / %

注：2014年成分中V含量為殘余。

由表3可知，試驗鋼中錳含量平均為1.09 %，釩含量平均為0.030 %，在規(guī)定范圍之內(nèi)；試驗爐鋼中P、S含量平均分別為0.014 %、0.007 %，分別比2014年大生產(chǎn)平均值降低了0.004 %和0.002 %，說明試驗成分體系能夠降低鋼中有害元素P、S的含量，這是因為試驗過程中少加了大量的含錳合金，其帶入的雜質(zhì)元素相應(yīng)減少；試驗鋼中硅含量為0.23 %，比2014年大生產(chǎn)的平均值降低了0.02 %，這是因為本次試驗錳含量的降低不僅少加了部分高碳錳鐵，也少加了部分硅錳合金所致；鋼液中碳含量試驗前后基本無變化。

2.2低倍對比

在試驗爐次取試樣做低倍，并在非試驗爐次取試樣做低倍進(jìn)行對比分析。分別做鑄坯二分之一位置、四分之一位置縱剖，并切角進(jìn)行熱酸煮，觀察鋼中加入微合金元素V后是否有角部裂紋，低倍照片如圖1所示，低倍評級見表4。

(a) 試驗爐1/2縱剖， 偏析等級B0.5

(b) 非試驗爐1/2縱剖，偏析等級B1.0

(c) 試驗爐1/4縱剖，偏析等級B1.0

(d) 非試驗爐1/4縱剖，偏析等級A1～1.5

(e) 鑄坯角部低倍 (上面兩根為非實驗爐)

編號說明二分之一位置四分之一位置6試驗爐B級0.5B級1.03對比爐B級1.0A級1.0～1.5

從圖1和表4可以得出結(jié)論：與非試驗爐相比，試驗爐在鑄坯二分之一位置、四分之一位置縱剖的偏析均有所減輕，這是因為調(diào)整成分后，鋼中易偏析元素Mn含量大幅降低，S、P含量也略有降低，從而使鑄坯中心偏析有所改善；調(diào)整成分前后鑄坯角部未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.3力學(xué)性能

考慮大生產(chǎn)節(jié)奏和控制，軋制工藝未做調(diào)整，試驗爐次共軋制4個規(guī)格，12 mm、14 mm、16 mm、18 mm。試驗批次的平均力學(xué)性能見表5，同時為了驗證該成分體系是否滿足Q345D的沖擊要求，表5中也給出了-20 °沖擊試驗結(jié)果。

從表2和表5可以得出結(jié)論：試驗爐次屈服強(qiáng)度的富余量為30 MPa～42 MPa，抗拉強(qiáng)度的富余量為31 MPa～47 MPa，伸長率的富余量為8.0%～9.5%，沖擊功富余量充足，力學(xué)性能完全滿足控制要求；-20 °沖擊結(jié)果滿足Q345D(≥34 KV2/J)的沖擊要求。

鑄坯軋制后將其性能平均值與2014年優(yōu)化前同規(guī)格平均值做對比(見表6)。從表6可以得出結(jié)論：試驗爐次的屈服強(qiáng)度除去18 mm規(guī)格比優(yōu)化前平均值提高5 MPa外，其他3個規(guī)格略有降低，降低2 MPa～7 MPa；抗拉強(qiáng)度比優(yōu)化前平均值降低13 MPa～24 MPa；伸長率提高了1.4%～3.7%；沖擊功除去16 mm規(guī)格比優(yōu)化前平均值降低18 KV2·J-1外，其他規(guī)格提高了18 KV2J·-1～34 KV2·J-1。

表6　試驗爐次與2014年同規(guī)格性能對比

表5　試驗爐次平均力學(xué)性能

(a) 試驗鋼

(b) 非試驗鋼

(a) 試驗鋼3.5級

(b) 非試驗鋼4級

圖31/4處帶狀等級

(a) 試驗鋼F+P

(b) 非試驗鋼F+P+GB

圖4中心金相組織 8.0級

2.4金相組織分析

用Axiovert 200 MAT金相顯微鏡對軋制后的鋼板進(jìn)行了金相組織與帶狀組織分析，檢驗結(jié)果如圖2～圖4所示。圖2為顯微鏡下試驗鋼與非試驗鋼中心偏析情況，從圖2可以看出，非試驗鋼中心部位存在明顯的偏析帶，這與2.2低倍分析結(jié)果一致。圖3為鋼板1/4處的帶狀組織，從圖3可以看出，試驗鋼帶狀組織為3.5級，非試驗鋼帶狀組織為4級，優(yōu)化成分后帶狀組織減輕了。圖4為鋼板中心部位的金相組織，從圖4可以看出，鋼板心部晶粒度都為8級，試驗鋼中心部位的組織為鐵素體和珠光體，非試驗鋼中心部位的組織除去鐵素體和珠光體外，還出現(xiàn)了少量粒狀貝氏體。帶狀組織及中心部位粒狀貝氏體的形成均與錳含量的偏析有關(guān)，鋼中錳含量越高，帶狀組織越明顯，越易出現(xiàn)貝氏體和馬氏體組織[8]。

3　成本計算

參考2015年5月份的合金價格，在滿足表1成分設(shè)計的要求下，若鋼中降低的錳含量全部因減少高碳錳鐵合金的加入量引起，此時鋼中硅含量無變化，則噸鋼合金成本降低5.3元；若全部因減少硅錳合金的加入量引起，此時鋼中硅含量約降低0.07%～0.08 %，則噸鋼合金成本降低8.0元。本次試驗錳含量的降低是因為二者加入量同時減少引起的，則噸鋼合金成本降低5.3～8.0元。

4　結(jié)論

1)生產(chǎn)低合金高強(qiáng)度鋼Q345C時，優(yōu)化了成分設(shè)計，降低鋼中錳含量0.30%左右，鋼中釩含量控制在0.025%～0.035%，鋁含量不再做要求，減少鈣鐵線的喂入量，噸鋼合金成本降低5.3～8.0元。

2)新的成分體系能夠降低鋼中有害元素P、S的含量，能夠改善鑄坯中心偏析，鑄坯角部未發(fā)現(xiàn)裂紋。

3)優(yōu)化成分設(shè)計后，Q345C鋼的力學(xué)性能滿足控制要求，強(qiáng)度稍低于原來Q345C鋼，但其沖擊韌性和延展性更好，沖擊韌性滿足Q345D要求。

4)優(yōu)化成分設(shè)計后，晶粒度與原來相比差別不明顯，帶狀組織有所減輕。

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OPTIMIZE THE DESIGN OF THE COMPONENT TO REDUCE THE COST OF HIGH-STRENGTH LOW ALLOY STEEL

Wang CuinaHuang ZhongZhang DajiangShi Chenggang

(Anyang Iron and Steel Stock Co. Ltd)

In order to reduce the cost of high-strength low alloy steel Q345C slab，this paper carried out an experiment to optimize the composition of Q345C. According to the contribution of each element to the strength and the cost of the alloy, the manganese content in steel decreased by 0.30%, added micro alloying element vanadium into the steel, the content of vanadium in steel is controlled in 0.025%～0.035%, the aluminum content in the steel is no longer required, the feeding amount of calcium iron wire was reduced. The results show that the composition system can reduce the content of harmful elements P and S in steel, can improve the center segregation of casting slab, no cracks are found in the corner of the slab, the mechanical properties of steel plate meet the requirements of the national standard, strength is slightly lower than the original steel Q345C, but impact toughness and ductility is better; grain size and compared to the original did not have significant differences, banded structure eased. the cost of alloy reduces 5.3～8.0 yuan per ton steel.

high-strength low alloy steelQ345Cmicroalloyingcost reduation

聯(lián)系人：王翠娜，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；2016—4—7