黃傳根,張立鑫,王 泉,范海寧,周亞輝,張 炯

(馬鋼股份公司 安徽馬鞍山 243000 )

Q345B屬低碳合金鋼，是典型的常規(guī)板帶產(chǎn)品，市場需求量較大，目前國內(nèi)大多數(shù)Q345B鋼種成分設(shè)計碳含量處在包晶區(qū)范圍內(nèi)(0.08～0.16%)，裂紋敏感性較強，Q345B鋼種的鑄坯存在不同程度的角部裂紋缺陷[1]、[2]。馬鋼生產(chǎn)的低碳合金鋼Q345B成分C含量(0.16%)同樣處于包晶區(qū)內(nèi)，一直以來，為解決鑄坯角裂缺陷需對鑄坯進行火焰清角處理，導(dǎo)致金屬損失較大；其次，由于清角的特殊要求，鑄坯無法熱裝入爐，進一步增加了加熱時間，降低了熱利用率；同時，清角處理增加了板坯庫存，嚴重影響了板坯庫鑄坯周轉(zhuǎn)能力，增加了生產(chǎn)管理成本。由于板坯清理量大，限制了其他需要清理鋼種的生產(chǎn)能力。因此，解決Q345B鋼種鑄坯角裂問題對生產(chǎn)順行和降低成本均有重要的意義。

1 成分設(shè)計和工藝優(yōu)化

1.1 成分設(shè)計

馬鋼Q345B采用C-Mn成分設(shè)計體系，屬于包晶鋼范圍。為滿足產(chǎn)品性能要求，在成分設(shè)計時提高了鋼中Mn元素的含量，但Mn含量的提升，易引起MnS 偏析，導(dǎo)致帶狀組織加劇，進而增加成品冷彎開裂幾率的質(zhì)量問題[3]、[4]。針對上述問題，本研究對Q345B成分進行重新設(shè)計，為避開包晶區(qū)，降低鑄坯裂紋敏感性，將鋼中C含量降低至0.07%以下， Mn含量降低至0.6%以下，為彌補因C、Mn元素含量減少而導(dǎo)致固溶強化貢獻的削弱，本研究采用價格相對低廉的微合金化元素Ti進行補償。有關(guān)研究表明[5]：Ti作為單一微合金化元素加入鋼中，其含量低于0.045%時，隨著鈦含量的提高，鐵素體晶粒明顯細化，但對強度影響不大；當鈦含量大于0.045%時，對晶粒細化作用不大，但強度會明顯提高，主要因為納米尺寸TiC的沉淀強化效果。本研究設(shè)計Q345B成分時，引入有效Ti含量的概念，有效Ti=Ti(全)-3.42N-1.5S。通過提高Ti含量，利用TiC在鐵素體區(qū)充分的細晶強化及沉淀強化作用的方式彌補C、Mn含量降低導(dǎo)致的強度降低[6]，經(jīng)過多輪試驗制定具體成分見表1。

表1 Q345B國標要求及原鋼種和試驗鋼種成分 wt/%

2.2 冶煉工藝優(yōu)化

馬鋼生產(chǎn)Q345B的工藝流程如下：

鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→合金微調(diào)站→LF爐→連鑄→熱軋

由于Ti元素的金屬性強，易與N、S、O等元素優(yōu)先結(jié)合形成復(fù)雜的含Ti化合物。根據(jù)含Ti化合物的固溶度和生成自由能，在鋼中析出順序為TiN→Ti4C2S2→TiC[7]。Ti元素首先跟鋼中的N元素結(jié)合形成TiN，其次跟鋼液中的S元素形成Ti4C2S2。由相分析結(jié)果，在鋼中Ti和S的親和力大于Mn和S，因此鋼中Ti4C2S2化合物會隨著鈦含量的增加而逐漸增多，并取代鋼中MnS夾雜，使鋼中形貌為長條狀的MnS夾雜演變成球狀夾雜，改善鋼的帶狀組織，提高鋼的塑性及韌性。隨著Ti含量繼續(xù)增加，Ti和C將會結(jié)合形成TiC，在低溫中析出并起到析出強化作用[8]。因此，控制鋼水中N、S、O的含量對穩(wěn)定控制有效鈦含量起著至關(guān)重要的作用，其中控制N含量最為關(guān)鍵，制定如下措施：

(1)嚴格控制轉(zhuǎn)爐下渣量；

(2)優(yōu)化出鋼過程渣料及合金加入順序；

(3)LF埋弧升溫、控制升溫次數(shù)、微正壓操作；

(4)適當控制造渣及合金化過程底吹強度；

(5)優(yōu)化合金化及鈣處理制度；

(6)連鑄全程保護澆鑄技術(shù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 鑄坯角部酸洗和低倍試樣對比

(1)鑄坯角部質(zhì)量

通過對試驗鋼鑄坯角部取樣，并同原鋼種角部質(zhì)量進行驗證，檢驗結(jié)果見圖1：

圖1 角部酸洗樣照片：(a)試驗鋼種；(b)原鋼種

根據(jù)檢驗結(jié)果，試驗成分生產(chǎn)的鑄坯角部質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)角裂，而原鋼種則存在角裂現(xiàn)象，因此試驗鋼種生產(chǎn)鑄坯滿足不清理直接軋制的需求。

(2)鑄坯低倍檢驗

試驗鋼鑄坯與原鋼種低倍試樣檢驗結(jié)果見圖2：

圖2 鑄坯低倍樣照片：(a)試驗鋼種；(b)原鋼種

試驗鋼種鑄坯低倍樣顯示中心偏析和疏松情況明顯優(yōu)于原Q345B鋼種鑄坯。

3.2 成品力學性能

對軋后帶鋼進行取樣并進行拉伸、彎曲和沖擊等力學試驗，檢測結(jié)果見表2：

表2 試驗前后力學性能比較

由表2可以看出，試驗鋼生產(chǎn)Q345B屈服強度360 Mpa-560 Mpa，平均430 Mpa，富余量較大，比原鋼種平均提高49 Mpa；抗拉強度和延伸率跟原鋼種接近，沖擊性能也優(yōu)于原鋼種；對試驗前后帶鋼進行取樣做冷彎實驗，試驗鋼冷彎性能明顯優(yōu)于原鋼種，未發(fā)生折彎開裂現(xiàn)象。綜上所述，試驗鋼生產(chǎn)Q345B鋼種各項力學性能均能滿足設(shè)計要求。

3.3 微觀組織

圖3為試驗鋼軋制后的金相組織圖片，由圖3可知，進行Ti微合金化的組織為鐵素體+少量珠光體，晶粒度級別為11.0級，帶狀組織級別均為0，驗證了通過采用Ti微合金化的析出強化和細晶強化作用，有效保證了帶鋼鐵素體晶粒尺寸細小均勻。由于鋼中Mn與S元素易結(jié)合生成的MnS夾雜，形成帶狀組織，降低鋼的韌性。通過降低鋼中Mn含量及合理設(shè)計Ti含量，帶鋼中MnS含量明顯降低，對不同厚度帶鋼取樣觀察微觀組織，鋼中無明顯的帶狀組織，極大的改善了帶鋼組織均勻性[8]。

圖3 金相組織圖片：(a)100X；(b)500X

3.4 效果分析

經(jīng)過對冶煉過程的精細化控制，LF終點鈦鐵合金的收得率能夠穩(wěn)定控制在82%-85%范圍內(nèi)，鋼水N含量的波動也較小，加上全工序?qū)α虻目刂?，實現(xiàn)了有效Ti的穩(wěn)定控制，成品各項性能均滿足標準要求，且整體性能更加穩(wěn)定，實現(xiàn)了不清角和熱裝軋制，噸鋼降本約63元，同時加快了板坯庫鑄坯周轉(zhuǎn)，釋放了板坯庫存，為生產(chǎn)的高效順行提供了有力支撐。

4 結(jié)論

采用低碳、低錳、高鈦成分替代原Q345B鋼種組成分組織生產(chǎn)，解決了鑄坯角裂問題，實現(xiàn)了無缺陷鑄坯不清角軋制和熱裝生產(chǎn)；

新成分生產(chǎn)Q345B性能較原鋼種性能更加穩(wěn)定，各項力學性能均滿足Q345B國標要求，冷彎性能均合格，無帶狀組織；

不清角軋制解決了板坯庫周轉(zhuǎn)問題，釋放了板坯庫存，為生產(chǎn)高效順行提供了有力支撐，實現(xiàn)了噸鋼降低成本約63元。