薄板坯連鑄連軋400 MPa級(jí)低碳含鈦鋼的生產(chǎn)實(shí)踐

供稿|閔洪剛，王旭生 /

為避開薄板坯連鑄連軋SS400、A36等抗拉強(qiáng)度400 MPa級(jí)中碳低硅鋼存在的氧化鐵皮壓入問題，采用低碳鋼替代中碳鋼進(jìn)行生產(chǎn)，受薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線的特點(diǎn)所限，為避開包晶區(qū)，碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))由約0.18%降到約0.05%，降幅為0.13%，通常抗拉強(qiáng)度降低約90 MPa，如此大的強(qiáng)度損失要用Mn、Nb等其他合金進(jìn)行補(bǔ)償，則合金成本增加較多，由于鈦合金化提高強(qiáng)度顯著，相應(yīng)的合金化成本較低，因此采用加鈦來降低400 MPa級(jí)低碳鋼的合金成本。

薄板坯連鑄連軋400 MPa級(jí)低碳加鈦鋼采用鈦微合金化，主要依靠納米級(jí)TiC粒子的析出強(qiáng)化效果提高強(qiáng)度[1-2]。加鈦鋼的主要問題是強(qiáng)度不穩(wěn)定，其主要原因是鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑，易與鋼中的[O]、[N]和[S]等元素結(jié)合形成尺寸較大的含鈦相，它們既不能細(xì)化晶粒，也不能起到析出強(qiáng)化作用，而最終導(dǎo)致產(chǎn)生析出強(qiáng)化作用最為顯著的TiC顆粒的有效鈦含量不穩(wěn)定[3]，因此鋼中[O]、[N]和[S]元素含量的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鋼板強(qiáng)度波動(dòng)。隨著冶金工藝控制水平的不斷提高，加上薄板坯連鑄連軋工藝中鑄坯具有較好的溫度均勻性，以往影響加鈦鋼強(qiáng)度穩(wěn)定的問題不斷得到解決，加鈦鋼的強(qiáng)度穩(wěn)定性也在不斷提高。本文介紹了本鋼薄板坯連鑄連軋400 MPa級(jí)低碳加鈦鋼的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)于降低合金成本、穩(wěn)定加鈦鋼的性能具有借鑒意義。

技術(shù)要求

A36是美標(biāo)ASTM A36/A36M碳素結(jié)構(gòu)鋼中的牌號(hào)，是400 MPa抗拉強(qiáng)度級(jí)典型鋼種之一，現(xiàn)以A36為代表介紹薄板坯連鑄連軋400 MPa級(jí)低碳加鈦鋼的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐。A36的力學(xué)性能要求見表1，目前本鋼薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)的厚度是1.2 至6.0 mm。

表1 A36的力學(xué)性能要求

產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路

A36的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是具有相近工藝的SPHT2。薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線生產(chǎn)的SPHT2抗拉強(qiáng)度≥340 MPa、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%，力學(xué)性能如圖1所示，SPHT2的平均厚度是2.9 mm，屈服強(qiáng)度均值是284 MPa，抗拉強(qiáng)度均值是372 MPa，斷后伸長(zhǎng)率均值是42%，SPHT2的性能與A36較為接近，A36的設(shè)計(jì)以SPHT2工藝為基礎(chǔ)較為合理。

通過圖1的直方圖可見，為滿足抗拉強(qiáng)度400 MPa級(jí)A36的力學(xué)性能要求，關(guān)鍵參數(shù)是抗拉強(qiáng)度，考慮強(qiáng)度波動(dòng)情況需將抗拉強(qiáng)度目標(biāo)設(shè)定于440 MPa，因此至少需將SPHT2的抗拉強(qiáng)度再提高約70 MPa。通過其他產(chǎn)線含鈦鋼的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，鈦合金化可顯著提高強(qiáng)度。通過合金成本核算，提高70 MPa的抗拉強(qiáng)度，加入鈦的成本比Mn或Nb成本低。

根據(jù)含鈦鋼中鈦的強(qiáng)化特點(diǎn)，含鈦鋼的冶煉是整個(gè)生產(chǎn)流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。考慮到薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線特點(diǎn)，精煉鋼水均需進(jìn)行LF爐深度脫硫處理，難以持續(xù)將氮含量控制在較低水平。因此在SPHT2成分基礎(chǔ)上增加鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)，目標(biāo)值為0.30%。同時(shí)，為了提高性能的穩(wěn)定性，保持一定的強(qiáng)度富余量，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)目標(biāo)提高到0.50%。

圖1 SPHT2力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)直方圖

因薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線的層流冷卻段較短，冷卻能力有限，難于進(jìn)一步降低卷取溫度，因此卷取溫度仍保持原設(shè)定。

生產(chǎn)實(shí)踐

力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)的A36力學(xué)性能及統(tǒng)計(jì)情況見表2和圖2。厚度范圍是1.35～6.0 mm，均值是2.7 mm；屈服強(qiáng)度的范圍是251～446 MPa，均值是373 MPa；抗拉強(qiáng)度的范圍是364～509 MPa，均值是448 MPa；斷后伸長(zhǎng)率的范圍是21%～36.5%，均值是27%。除少數(shù)產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度達(dá)不到抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下限要求外，其他指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

鋼中鈦、氮、硫的控制

鋼中鈦、氮、硫的含量控制情況如圖3所示。個(gè)別爐次的氮含量過高，鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均值為0.031%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均值為0.004%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均值為0.0038%。

鈦對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)

統(tǒng)計(jì)上述提到的同厚度、同軋制工藝的A36和SPHT2強(qiáng)度及化學(xué)成分，表3列出了3.0 mm厚A36與SPHT2強(qiáng)度及錳和鈦的均值，同時(shí)列出了兩牌號(hào)的差值。從表3看出，A36比SPHT2多添加了0.031%的鈦和0.23%的錳，而抗拉強(qiáng)度提高了61 MPa，屈服強(qiáng)度提高了71 MPa。

錳主要為固溶強(qiáng)化作用，僅考慮錳的固溶強(qiáng)化增量、其他元素不變時(shí)，可表示為[4]：

表2 A36的力學(xué)性能

圖2 A36強(qiáng)度直方圖

表3 厚度3.0 mmA36和SPHT2的對(duì)比情況

圖3 鈦、氮、硫的分布直方圖

式中，[Mn]為錳元素在基體中處于固溶體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，添加0.23%的錳將提高屈服強(qiáng)度約為7.36 MPa，因此添加0.031%的鈦使屈服強(qiáng)度提高了約63.64 MPa。

討論

根據(jù)形成析出物的化學(xué)自由能，鈦的化合物在鋼中的析出順序依次為Ti2O3→TiN→TiC[5]。鋼液中形成的Ti2O3尺寸較大，雖然對(duì)組織和性能有害，但是基本被分離到鋼液保護(hù)渣中。已有研究表明，薄板坯連鑄連軋工藝在連鑄及冷卻階段，發(fā)生TiN的液/固相析出及Ti4C2S2的固相析出；均熱階段，主要發(fā)生TiN和Ti4C2S2粒子的粗化；連軋階段，發(fā)生TiC在奧氏體中的形變誘導(dǎo)析出；層冷冷卻階段，發(fā)生TiC的相間析出；卷取階段，發(fā)生TiC在鐵素體中的過飽和析出[6]。

由于薄板坯連鑄連軋工藝采用潔凈鋼生產(chǎn)，鋼中的硫含量較低，產(chǎn)生Ti4C2S2有限，在上述控制范圍內(nèi)硫含量變化對(duì)強(qiáng)度沒有明顯影響，因此只對(duì)鋼中的碳氮化物進(jìn)行重點(diǎn)分析。

鋼中的氮元素在高溫時(shí)幾乎全部?jī)?yōu)先形成TiN，當(dāng)鈦含量將鋼中的氮全部固定時(shí)，多余的鈦將形成TiC，因此氮含量越低，則有效鈦含量越高。TiN的理想化學(xué)配比為3.42，有效鈦(Tie)與全鈦(Ti)的關(guān)系可用式(2)表示：

式中，ω(Tie)為有效鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ω(Ti)為全鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ω(N)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。表4列出了根據(jù)式(1)計(jì)算出的2爐A36不同有效鈦含量對(duì)強(qiáng)度的影響。由表4可見，雖然兩爐鋼的鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，其他參數(shù)相近，但由于氮含量的波動(dòng)導(dǎo)致兩爐鋼有效鈦的TiC含量不同，從而導(dǎo)致性能的波動(dòng)，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0034%爐次的有效鈦為0.019%，而氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0077%爐次的有效鈦含量很少，鈦的強(qiáng)化作用消失，使得氮含量高的爐次的抗拉強(qiáng)度降低了50 MPa，屈服強(qiáng)度降低了85 MPa，導(dǎo)致該爐的抗拉強(qiáng)度沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)下限要求。

表4 A36中有效鈦對(duì)強(qiáng)度的影響(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

通過上述分析可見，如果鋼中的[N]不能穩(wěn)定地控制在較低水平，則最終會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)化作用最為顯著的有效鈦含量不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致產(chǎn)品強(qiáng)度波動(dòng)。

結(jié)束語

(1) 薄板坯連鑄連軋400 MPa級(jí)A36采用低碳鈦合金化設(shè)計(jì)，合金成本較低。

(2) 薄板坯連鑄連軋工藝采用潔凈鋼生產(chǎn)鋼中的硫含量較低，生成的Ti4C2S2含量有限，對(duì)有效鈦的影響較小，因此對(duì)強(qiáng)度的影響較小。

(3) 鋼中的氮含量對(duì)有效鈦的影響很大，控制較低的氮含量，提高有效鈦含量，可顯著提高強(qiáng)度。

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