秦 軍,王 勇,陳曉山

(新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部 )

前言

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼以其強(qiáng)度高、自重輕、低溫沖擊韌性好、焊接性能好的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于海洋平臺、船舶、高層建筑、橋梁、壓力容器、工程機(jī)械和天然氣輸送管線等領(lǐng)域。低合金中厚板產(chǎn)品是八鋼公司生產(chǎn)的主導(dǎo)產(chǎn)品。14～20mm薄規(guī)格Q355D低合金高強(qiáng)度鋼板材在生產(chǎn)過程中存在性能不穩(wěn)定的情況,主要表現(xiàn)為沖擊不合格。通過采用金相分析等方法,對造成低溫沖擊不合格的原因進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)措施。

1 Q355D生產(chǎn)流程及主要技術(shù)指標(biāo)

生產(chǎn)流程:鐵水→轉(zhuǎn)爐冶煉→ LF 爐精煉→板坯連鑄→加熱爐加熱→軋制

煉鋼生產(chǎn)主要工藝控制:

(1) 轉(zhuǎn)爐出鋼后鋼水條件S ≤0.030%,P≤0.018%;

(2)LF 精煉采用鈣處理,加精煉渣,吹氬精煉方式;

(3)連鑄采用全程保護(hù)澆鑄。

其中,連鑄機(jī)半徑為9m,平均工作拉速為0.84m/min,鑄坯斷面為 250mm×1800mm。

熱軋態(tài)14～20mmQ355D鋼板執(zhí)行 GB/T 15191-2018,主要成分要求及力學(xué)性能要求見表1。

表1 熱軋態(tài) 14～20mmQ355D鋼板主要成分及力學(xué)性能要求(GB/T1591-2018)

2 沖擊不合格 Q355D 低合金的檢測

隨機(jī)選擇5批典型沖擊不合的14～20mm的Q355D,其沖擊功統(tǒng)計(jì)見表 2,從表2可見,三個(gè)低溫沖擊值在13～221J波動,雖然總體均值達(dá)96.5J,但單個(gè)低溫沖擊值未滿足34J的要求,可見鋼材低溫韌性波動較大。為查找原因,對出現(xiàn)低溫沖擊不合格的 Q355D 鋼中厚板進(jìn)行取樣分析。

表2 熱軋態(tài)14～20mmQ355D鋼板異常批次沖擊功統(tǒng)計(jì)

(1)化學(xué)成分檢測。磨制試樣,用 SPECRTOLAB M9 型光電直讀光譜儀對鋼板化學(xué)成分進(jìn)行檢測。

低溫沖擊不合的 Q355D 鋼中厚板的化學(xué)成分分析見表3,均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T1591-2018要求。

表3 14～20mm熱軋態(tài)Q355D鋼板異常批次鋼中化學(xué)成分 %

(2)金相分析。在樣品缺陷部位分別截取金相試樣磨制、拋光,在 GX51 金相顯微上進(jìn)行金相分析。

3 Q355D沖擊不合格試樣的組織分析

3.1 金相組織檢驗(yàn)

從沖擊不合批次中隨機(jī)抽取2批進(jìn)行金相組織。從檢測結(jié)果表4可以看出,金相組織正常,晶粒度8.0級尚可,但是帶狀組織級別偏高,達(dá) 3.5級。

表4 14～20mm熱軋態(tài)Q355D鋼板沖擊異常批次金相組織

3.2 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

從非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果表5看,A類、B類夾雜物≤ 1.0級,C類夾雜物未檢出,D類夾雜物≤1.5級,非金屬夾雜物控制較好,不是沖擊異常的主要原因。

表5 14～20mm熱軋態(tài)Q355D鋼板沖擊異常批次非金屬夾雜物檢驗(yàn)

3.3 分析結(jié)論

在普通碳素鋼和低合金鋼中,常見的帶狀組織是指沿軋制方向形成的,鐵素體帶和珠光體帶相互堆疊而成的組織形態(tài)[1],在原因追溯中發(fā)現(xiàn)了較高級別的帶狀組織。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[2],板帶軋制過程中產(chǎn)生的帶狀組織雖然對強(qiáng)度性能沒有重要影響,但是對塑性有負(fù)面影響,特別是對沖擊韌性有重要影響。這與原因追溯的結(jié)果符合。

對于帶狀組織,通常除了由成分偏析導(dǎo)致的帶狀組織外,還有可能混有由于夾雜物偏析導(dǎo)致的帶狀組織。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),如中心部份出現(xiàn)白色帶狀組織,則條帶里肯定會分布有較多的夾雜物。中心偏析帶經(jīng)腐蝕后呈黑色一般以成分偏析為主,如呈白色則以夾雜物偏析為主[4]。金相照片3和6中顯示的中心偏析帶呈黑色顯示以成分偏析為主,這與非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果相一致。

通過以上分析,最終判定:成分偏析導(dǎo)致帶狀組織級別偏高是造成低溫沖擊不合的主要原因。

4 改進(jìn)措施及效果

從表3可以看出,Nb成分為鋼種痕跡量,原Q355D成分設(shè)計(jì)屬C-Mn鋼。實(shí)踐表明,普通CMn鋼 中C/Mn偏析是引起帶狀組織的主要因素[3]。

鑒于薄規(guī)格14mmQ355D在制作沖擊試樣時(shí),其心部位置與鋼板位置基本重合,故控制成分偏析重點(diǎn)為降低中心偏析。中心偏析是宏觀偏析,往往與中心疏松相伴存在,降低了鋼的韌性和耐蝕性。雖然不少文獻(xiàn)提出從后道軋制工藝上采取靜態(tài)相變溫度附近終軋、降低 精軋開軋溫度、增加未再結(jié)晶區(qū)總變形量等軋鋼工藝優(yōu)化的手段減輕板材的帶狀組織[5]。筆者認(rèn)為這種方法治標(biāo)不治本,而且縮小了軋制工藝窗口區(qū)間,增大了軋機(jī)負(fù)荷和生產(chǎn)難度,在現(xiàn)場實(shí)行難度大。因此,解決思路為對原生產(chǎn)成分進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn),Q355D鋼化學(xué)成分中0.01%C貢獻(xiàn)約10MPa強(qiáng)度,0.01%Mn貢獻(xiàn)約1MPa,0.010%Nb貢獻(xiàn)約20MPa?？紤]到Nb含量超過0.020%時(shí)會增加板坯角裂風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合生產(chǎn)成本分析,綜合評估后,采取了適量添加Nb,同時(shí)優(yōu)化C、Mn含量,即添加0.015%Nb,降低0.015%C、0.30%Mn, 預(yù)計(jì)強(qiáng)度波動不大。改進(jìn)前后的內(nèi)控成分對比見表6所示,改進(jìn)前后的性能對比見表7所示。

表6 優(yōu)化前后14～20mm熱軋態(tài)Q355D成分對比

表7 優(yōu)化前后14～20mmQ355D性能對比

從表6、表7可以看出,成分優(yōu)化后合金成本雖然上升25元/t鋼,但改進(jìn)后Q355D的強(qiáng)度下降了約5MPa,延伸率略有上升,沖擊功均值由原來的96J提高到137J,增加了 42.7%,低溫沖擊合格率由原來的83.6%提高到97.2%,減少廢次降損失68元/t,總體經(jīng)濟(jì)效益43元/t,達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)束語

對14～20mmQ355D低溫沖擊不合格的組織檢驗(yàn)分析表明,成分偏析導(dǎo)致帶狀組織級別偏高是造成薄規(guī)格Q355D低溫沖擊不合格要原因。

為解決Q355D低溫沖擊不合格的問題,根據(jù)八鋼現(xiàn)場工藝控制特點(diǎn)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對C-Mn鋼的原成分進(jìn)行優(yōu)化:采用適量添加Nb,同時(shí)降低C、Mn成分含量。雖然合金成本略有上升,但成分優(yōu)化后增強(qiáng)鋼板低溫沖擊韌性,提高低溫沖擊合格率,強(qiáng)度基本不變,延伸率上升,廢次降損失降低,總體經(jīng)濟(jì)效益為正值,達(dá)到了預(yù)期效果。