陳繼雄, 劉衛(wèi)航, 彭曉楓

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部, 湛江 524000)

隨著中厚板生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟，越來越多的用戶對Q345B鋼板顯微組織提出了更嚴格的要求，特別是對帶狀組織提出了更高的要求。帶狀組織的存在會嚴重降低鋼板的低溫韌性及止裂性能，可能會導致氫致開裂[1-2]。根據(jù)GB/T 34474.1-2017《鋼中帶狀組織的評定 第1部分：標準評級圖法》的技術(shù)要求，帶狀組織應(yīng)不大于3級[3]。某鋼鐵廠前期生產(chǎn)該型號的鋼板時，通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，其帶狀組織不大于3級的合格率只有53%。為了改善這種現(xiàn)象，筆者通過分析前期帶狀組織嚴重的鋼板，結(jié)合帶狀組織的形成機理和影響因素，提出了工藝改進措施，并確定了最佳的生產(chǎn)工藝。

1 現(xiàn)有生產(chǎn)工藝及鋼板力學性能

該鋼廠前期生產(chǎn)Q345B板坯采用低溫加熱、低溫軋制的生產(chǎn)工藝，加熱溫度為990～1 100 ℃，開軋溫度為770～900 ℃，終軋溫度為760～800 ℃。生產(chǎn)過程中為保證板坯質(zhì)量，在其成分上做了適當?shù)恼{(diào)整，其化學成分見表1，滿足企業(yè)標準的要求。

表1 Q345B鋼板的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of Q345B steelplate (mass fraction) %

使用該工藝生產(chǎn)的鋼板常規(guī)力學性能如拉伸、沖擊等性能相對比較穩(wěn)定，根據(jù)生產(chǎn)件批準程序(PPAP)手冊進行過程能力評判，可見其制程能力指數(shù)ppk不小于1.67，過程控制能力較強。對近半年生產(chǎn)的Q345B鋼板根據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》及GB/T 229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》的要求進行試驗，其力學性能過程能力控制圖見圖1。

圖1 原鋼板力學性能過程能力示意圖Fig.1 Process capability diagram of original steelplate mechanical properties:a) tensile strength; b) yield strength;c) elongation after fracture; d) impact absorption energy

可見力學性能比較穩(wěn)定，過程控制能力較強。從前期生產(chǎn)的鋼板中隨機抽取3塊，分別編號為1，2，3，根據(jù)GB/T 34474.1-2017《鋼中帶狀組織的評定 第1部分：標準評級圖法》的技術(shù)要求分別對該3塊鋼板試樣進行帶狀組織檢驗并評級，結(jié)果均為B系列4級，其中試樣2，3的顯微組織形貌見圖2，可見該生產(chǎn)工藝對鋼板帶狀組織的控制能力較差。

圖2 原鋼板不同試樣的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of different samples of original steel plate:a) sample 2; b) sample 3

2 帶狀組織形成機理及影響因素

帶狀組織是鑄坯熱軋過程中常見的組織缺陷，嚴重影響鋼材后續(xù)加工性能和使用性能，在亞共析鋼中，最常見的帶狀組織表現(xiàn)為鐵素體和珠光體沿平行于軋制方向成層狀或條帶狀分布，是鋼發(fā)生固態(tài)相變時的產(chǎn)物，且?guī)罱M織的不同條帶具有不同的成分分布[4]。

Q345B鋼中的帶狀組織一般為呈層狀分布的鐵素體和珠光體[5]，鋼中帶狀組織的形成主要有兩個原因，第一，溶解在奧氏體中的碳和雜質(zhì)元素的擴散速率有顯著差異。碳是間隙原子，其擴散系數(shù)要比代位原子的擴散系數(shù)大幾個數(shù)量級。因此，雖然在凝固過程中碳和其他元素一起發(fā)生了偏析富集在枝間，但是當鋼在奧氏體相區(qū)停留時，碳能優(yōu)先達到相對均勻，而代位原子的均勻化卻相對困難，這就形成了碳的樹枝狀偏析[6]；第二，溶于奧氏體中的雜質(zhì)元素和合金元素影響奧氏體化溫度A3，有些元素如硅、磷、鎢、鉬、硼能使A3升高，而另外一些元素如錳、鎳、鉻等會使A3降低。高溫時奧氏體的碳濃度已相對均勻，但雜質(zhì)元素尚未均勻，由于雜質(zhì)元素會影響A3，導致原枝干處和枝間處的A3出現(xiàn)差異，又由于偏析種類和偏析程度不同，原枝間部分奧氏體的A3可以高于或低于原枝干部分的，于是，當熱變形鋼從奧氏體相區(qū)冷卻時，鐵素體將在A3較高的區(qū)域先產(chǎn)生，鐵素體中含有很少的碳，隨著溫度的降低和鐵素體的長大，碳不斷地向A3較低的區(qū)域擴散和富集，直到溫度降低至Ar1時，保留到最后的奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，珠光體在軋制過程中聚集，最終形成鐵素體和珠光體帶狀組織[7]。

3 改進工藝及鋼板力學性能

若需改善及消除帶狀組織需從兩方面考慮，一是減輕原始帶狀組織的偏析程度，二是抑制或減輕原始帶狀組織對二次帶狀組織的影響。轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品的設(shè)計中，應(yīng)主要考慮成分設(shè)計和后續(xù)軋制工藝的制定。成分設(shè)計時，應(yīng)注重升高和降低A3的元素配比，如硅和錳、錳和硫。在發(fā)生枝晶偏析后，由于幾種元素作用的相互抵消，枝干和枝間兩區(qū)域A3差異小，從而有利于避免鐵素體和珠光體帶狀組織的產(chǎn)生。工藝設(shè)計上可升高板坯加熱時的加熱溫度，使鋼中各元素在奧氏體區(qū)充分均勻化，且使奧氏體晶粒尺寸超過原始帶狀寬度，從而消除或減輕帶狀組織；或在鋼板正常軋制后，采用軋后噴水冷卻的工藝，增加鋼在熱變形時的冷卻速率，抑制碳在原始帶狀組織上的擴散[8]。

通過分析前期Q345B鋼板生產(chǎn)工藝及考慮市場目前生產(chǎn)成本的競爭力，采用在不改變前期化學成分的情況下，通過提高開軋、終軋溫度和增加軋后噴水冷卻工藝來改善或消除帶狀組織，改進后的生產(chǎn)工藝參數(shù)見表2。

表2 改進后的Q345B鋼板生產(chǎn)工藝參數(shù)Tab.2 Improved production process parameters of Q345B steel plate

對采用改進工藝生產(chǎn)的鋼板取樣并進行力學性能試驗，試制鋼板力學性能過程能力控制圖見圖3。可見采用新工藝生產(chǎn)的鋼板其拉伸、沖擊性能和原工藝的相比穩(wěn)定性稍有降低，但力學性能都滿足用戶標準的要求，力學性能合格率為100%。

圖3 試制鋼板力學性能過程能力示意圖Fig.3 Process capability diagram of trial productionsteel plate mechanical properties:a) tensile strength; b) yield strength;c) elongation after fracture; d) impact absorption energy

隨機取80塊采用改進工藝生產(chǎn)的鋼板試樣，對其帶狀組織進行分析，可見帶狀組織得到明顯改善，帶狀組織評級均在3級以下，合格率100%，其中試樣4帶狀組織評級為B系列1.5級，試樣5帶狀組織評級為B系列2.0級，顯微組織形貌見圖4。

圖4 試制鋼板不同試樣的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of different samples oftrial production steel plates:a) sample 4; b) sample 5

4 結(jié)論

(1) 鋼在軋制過程中先由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，因為鐵素體中含碳量少，且隨著溫度的持續(xù)降低，碳不斷聚集，直到溫度降低至奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束線時，保留到最后的奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，在軋制過程中珠光體聚集，最終形成鐵素體和珠光體帶狀組織。

(2) 帶狀組織形成的影響因素主要為加熱溫度及軋制溫度。

(3) 針對帶狀組織的形成原因及影響因素提出幾點工藝改進方法。第一，在加熱過程中，通過升高加熱溫度和延長加熱時間，使得鋼中元素在奧氏體區(qū)盡可能均勻化，另外，高的加熱溫度還可使奧氏體

晶粒長大，可減少或消除帶狀組織；第二，在鋼板軋制過程中或軋制之后增大鋼板的冷卻速率，抑制碳在原始帶狀組織上的擴散，進一步減少帶狀組織；第三，對軋后鋼板進行噴水冷卻處理，增加熱變形后的冷卻速率，進而改善帶狀組織。