廉京習(xí)，解洪超，賀繼勇，吳向明，李鵬超

（臨沂鋼鐵投資集團(tuán)特鋼有限公司，山東 臨沂 276023）

1 前言

Q355B是一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器、塔架、機(jī)械零件、特種設(shè)備、結(jié)構(gòu)件等用途，具有良好的塑性、焊接性、冷沖壓性、可切削性等綜合力學(xué)性能，并具有一定的耐低溫、抗低溫性能［1］。

2 質(zhì)量設(shè)計

結(jié)合用戶技術(shù)協(xié)議、產(chǎn)品用途，以及用戶加工工藝進(jìn)行工藝制定和質(zhì)量設(shè)計，下游用戶產(chǎn)品為高壓用熱軋無縫鋼管，對內(nèi)部缺陷和沖擊性能提出較高要求。為確保新裝備首次新鋼種試軋開發(fā)成功，研發(fā)部門編制工藝文件和產(chǎn)品質(zhì)量控制計劃，同時組織召開生產(chǎn)準(zhǔn)備和技術(shù)分析會，安排部署，制定專項(xiàng)生產(chǎn)方案，系統(tǒng)研究生產(chǎn)工藝控制要點(diǎn)，深入分析該鋼種生產(chǎn)中的關(guān)鍵控制點(diǎn)、難點(diǎn)，對鐵水條件、成分指標(biāo)、鑄機(jī)拉速、溫度控制等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行論證，細(xì)化生產(chǎn)組織、工藝操作等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

用戶生產(chǎn)工藝：下料→加熱→熱穿管→酸洗、磷化、皂化→冷拔→矯直→探傷→檢驗(yàn)→成品。該用戶產(chǎn)品檔次較高，其中冷拔工序?qū)Ξa(chǎn)品表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷要求較高，結(jié)合該鋼種特殊特性，因此在成分設(shè)計、工藝制定、過程質(zhì)量控制方面以消除缺陷和提高鋼質(zhì)純凈度為重點(diǎn)。

3 生產(chǎn)工藝

Q355B 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼嚴(yán)格按照用戶技術(shù)協(xié)議進(jìn)行工藝規(guī)程、質(zhì)量設(shè)計設(shè)置冶煉，冶煉全程工藝：120 t BOF→120 t LF→3#連鑄機(jī)CC 連鑄（165 mm×165 mm）→鑄坯檢查→坯料加熱爐加熱→高壓水除磷→粗軋軋制→飛剪切頭尾→精軋軋制→倍尺剪分段→冷床編組→鋸切定尺→端部倒棱→收集、打包、稱重→精整檢查→入庫。

煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉條件要求鋼包紅包出鋼，鋼包烘烤溫度≥850 ℃，轉(zhuǎn)爐總裝入量（142±2）t，保證鋼包安全空間400 mm；出鋼成分控制0.06%≤C≤0.12%，P≤0.015%；殘余元素控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)；出鋼結(jié)束采用滑板擋渣，大量下渣后進(jìn)行倒渣處理，防止精煉過程“回P”導(dǎo)致成分超標(biāo)。

精煉爐通電升溫化渣，第一時間脫氧造白渣，白渣保持時間≥15 min；本鋼種目標(biāo)成分液相線溫度1 511 ℃，要求吹氬時間≥15 min，鋼水不得裸露。正常上臺吊包溫度，開澆爐1 610～1 620 ℃，連澆爐（1 565±10）℃。

連鑄使用干式料中間包，確保中間包烘烤溫度≥900 ℃，溫度均勻，內(nèi)壁無脫落；開澆中包液面高度必須保證≥500 mm，方可開澆，浸入式水口安裝時套好密封墊且必須保證對中，插入深度100～140 mm，目標(biāo)控制在110～130 mm；連澆爐鑄臺大包溫度1 565±10 ℃，本鋼種目標(biāo)值液相線溫度1 511 ℃；拉速與溫度，配水及電磁攪拌見表1。

表1 165 mm規(guī)格方坯拉速與溫度，配水及電磁攪拌

軋鋼嚴(yán)格控制加熱時間和出鋼節(jié)奏（工藝見表2）。同時為了保證鋼坯加熱均勻和加熱加透，對不同加熱段規(guī)定了加熱溫度，控制總加熱時間和出鋼溫度，鋼坯除磷機(jī)出水壓力控制在16～20 MPa；嚴(yán)格控制各軋機(jī)參數(shù)，軋線在精軋后和KOCKS 三輥減定徑機(jī)組后，采用雙在線測徑儀對軋件尺寸進(jìn)行實(shí)時檢測，隨時調(diào)整導(dǎo)衛(wèi)尺寸、軋件尺寸，控制成品和半成品尺寸；軋制前認(rèn)真檢查軋輥、導(dǎo)衛(wèi)、輥道等，避免機(jī)械損傷鋼材表面，確保成品尺寸精度、不圓度、表面質(zhì)量合格；為了保證低溫沖擊性能，圓鋼上冷床之間不空齒，加蓋保溫罩等措施，定尺采用鋸切分段，鋸切溫度≥650 ℃，端部毛刺通過倒棱機(jī)設(shè)備參數(shù)及成品規(guī)格設(shè)定運(yùn)行速度，確保倒角角度和深度符合要求。

表2 Q355B鋼（連鑄坯坯型165 mm×165 mm）加熱工藝 ℃

4 實(shí)物質(zhì)量檢測

4.1 化學(xué)成分

Φ50 mm規(guī)格Q355B鋼化學(xué)成分見表3。

表3 Φ50 mm規(guī)格Q355B鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

Q355B 屬于包晶鋼，表面裂紋敏感鋼種，連鑄坯一旦產(chǎn)生表面裂紋，后期軋制和加工均會導(dǎo)致缺陷擴(kuò)展，發(fā)生批量性質(zhì)量問題，裂紋缺陷的產(chǎn)生不但影響了成材率指標(biāo)，而且后期增加了精整控制難度和修磨挑揀成本。為了避免連鑄坯表面裂紋的產(chǎn)生，在該鋼種中特意添加了0.010%～0.040%的Ti，Ti的加入有助于避免或減少連鑄坯表面裂紋的產(chǎn)生，改善鑄坯表面質(zhì)量；同時為了細(xì)化晶粒和凈化鋼液，在該鋼種中還特意加入0.020%～0.040%一定含量的Al。另外研究表明，當(dāng)鋼中的Ti含量控制在0.010%～0.040%時，會和C 反應(yīng)生成細(xì)小彌漫的TiC 細(xì)小晶粒，細(xì)小彌漫的TiC 會對鋼的沖擊韌性得以提高［2］。

從表3檢測分析數(shù)據(jù)可以看出，所檢驗(yàn)成分?jǐn)?shù)據(jù)指標(biāo)均滿足協(xié)議要求，而且鋼中添加一定含量的Ti、Al，不但細(xì)化晶粒，而且有助于提高該鋼種的沖擊韌性。另外，加做該鋼種O含量最大為15×10-6，H含量最大為0.68×10-6，N含量最大為68×10-6，鋼質(zhì)比較純凈。

4.2 夾雜物檢驗(yàn)

按照用戶技術(shù)協(xié)議，該鋼種按照GB/T 10561鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)和評定，夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果見表4。各項(xiàng)夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果最大為1.0，較多數(shù)值為0.0，鋼質(zhì)非常純凈。為避免夾雜物控制穩(wěn)定，采取冶煉該鋼種時對開澆后的頭爐、尾爐以及生產(chǎn)異常情況下的鑄坯剔除，改判為國標(biāo)材及低端產(chǎn)品用戶使用，液面波動超過±3 mm時，做好鑄坯異常標(biāo)識，進(jìn)行加做檢驗(yàn)根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果和產(chǎn)品用途進(jìn)行評審處置。

表4 Φ50 mm規(guī)格Q355B鋼夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

4.3 奧氏體晶粒度和金相組織檢驗(yàn)分析

用戶技術(shù)協(xié)議要求晶粒度不粗于5級，通過生產(chǎn)Φ50 mm 規(guī)格軋材取樣檢驗(yàn)。從檢驗(yàn)結(jié)果看，奧氏體晶粒度為8.5 級（見圖1），奧氏體晶粒度細(xì)小，滿足用戶協(xié)議要求。成分設(shè)置中添加少量Ti、Al對該鋼種的晶粒細(xì)化起到了不可缺少的作用；金相基體組織為F+P，帶狀組織3.5級，屬于正常合格金相組織（見圖2）。

圖1 Q355B鋼奧氏體晶粒度200×

圖2 Q355B鋼帶狀組織100×

4.4 低倍檢驗(yàn)

因首次在新投產(chǎn)設(shè)備、新工藝前提下，按照用戶技術(shù)協(xié)議規(guī)定要求，對軋材取樣檢驗(yàn)，同時并加做連鑄坯低倍，均按GB/T 226—2015鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法、GB/T 1979 結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定；經(jīng)檢驗(yàn)連鑄坯和軋材橫截面酸浸低倍組織均無肉眼可見的縮孔、白點(diǎn)、分層、裂紋、翻皮、夾雜、氣泡等缺陷，低倍組織一般疏松、中心疏松和中心偏析最大為1.5 級，完全滿足用戶協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求的不大于2.0級別（結(jié)果見表5）。

表5 Q355B鋼低倍檢驗(yàn)結(jié)果

4.5 拉伸性能

按照用戶技術(shù)協(xié)議要求，Φ50 mm 規(guī)格Q355B軋制圓鋼產(chǎn)品拉伸樣坯采取在線鋸切形式取樣，為獲取初次生產(chǎn)的結(jié)果更具代表性，分別在軋材同爐號頭、尾支截取≥500 mm 長兩支樣坯，拉伸試樣的加工制備按GB/T 2975—2018鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣R4Φ10 mm 類型加工（見圖3），樣坯距棒材表面12.5 mm位置制備加工試樣，然后按照GB/T 228.1—2010 金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示，各項(xiàng)結(jié)果均滿足用戶要求。

圖3 規(guī)格Φ＞25 mm圓形試樣取樣位置和試樣類型

表6 Q355B拉伸性能結(jié)果

4.6 沖擊性能

根據(jù)用戶技術(shù)協(xié)議要求，該鋼種要求檢驗(yàn)V型缺口0 ℃沖擊試驗(yàn)，Φ50 mm 規(guī)格Q355B 圓鋼沖擊試樣距棒材表面≤2 mm 處取樣，取樣一組3 個，沖擊試樣尺寸取10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣（見圖4）；按照GB/T 229金屬材料夏比沖擊擺錘沖擊試驗(yàn)方法檢測，結(jié)果按一組3個的算術(shù)平均值進(jìn)行計算，但不應(yīng)低于規(guī)定值的70%，結(jié)果沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表7。首次生產(chǎn)并加做常溫23 ℃沖擊，檢測結(jié)果均滿足用戶技術(shù)協(xié)議和國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 25 mm＜d≤50 mm圓形試樣取樣位置和V型試樣類型

表7 Q355B沖擊性能結(jié)果 J

在化學(xué)成分中，P 含量對低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響很大，P 含量越低，鋼的沖擊韌性越好。為保證該用戶的低溫沖擊性能，煉鋼在成分設(shè)計上要求P≤0.020%，實(shí)際生產(chǎn)控制為≤0.015%，對該協(xié)議冶煉鋼種的低溫沖擊韌性非常有利，實(shí)際的控制含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)該鋼種指標(biāo)。同時鋼中的固溶N 含量過高容易引起鋼氮脆，也對鋼的沖擊韌性產(chǎn)生不利影響，出于細(xì)化晶粒的要求，Q355B 鋼中添加（60～100）×10-6的N，實(shí)際N 含量最大為68×10-6，而鋼中的Al 和N 反應(yīng)生成AIN，具有固氮的作用，可有效控制N 的數(shù)量，顯著提高鋼的沖擊韌性，同時鋼中添加少量的Ti 和N 反應(yīng)成TiN，也有固氮的作用。因此，N 和Al、Ti生成的AIN 和TiN 也是導(dǎo)致鋼中晶粒細(xì)化的主要因素，Q355B 鋼奧氏體晶粒度8.5 級，晶粒較細(xì)，這與AIN 和TiN 的生成產(chǎn)生的晶粒細(xì)化作用密切相關(guān)。綜上所述的改善晶粒細(xì)化的控制，不但改善了該鋼種的內(nèi)、外部缺陷，也顯著提高該鋼種低溫沖擊的韌性［3］。

如表7 所示的0 ℃低溫和23 ℃常溫沖擊吸收功均非常高，這與鋼在冶煉過程添加少量的Ti、N、Al 元素晶?；虯l、Ti 元素的固氮、大幅降低固溶N數(shù)量密不可分的。

4.7 表面硬度

用戶為了滿足下料加工等要求，對Q355B原材料表面提出硬度要求（技術(shù)協(xié)議要求Q355B圓鋼表面硬度145～187 HBW），軋鋼生產(chǎn)工藝采取圓鋼上冷床之間不空齒，加蓋保溫罩等措施。硬度檢測表明，本次首次開發(fā)生產(chǎn)Φ50 mm 圓鋼經(jīng)取樣檢測表面硬度分別為166、168、165 HBW，滿足用戶技術(shù)協(xié)議145～187 HBW標(biāo)準(zhǔn)范圍。

4.8 熱頂鍛檢驗(yàn)和表面質(zhì)量

因用戶產(chǎn)品工藝為穿管工藝，未對熱頂鍛提出技術(shù)要求，但考慮到新裝備、新工藝首次試制，為了保證產(chǎn)品表面質(zhì)量，軋鋼開軋前嚴(yán)格按軋鋼操作規(guī)程仔細(xì)檢查各軋機(jī)輥道、導(dǎo)衛(wèi)、裙板的裝配并空載運(yùn)行，軋制前并投入兩支廢坯進(jìn)行對導(dǎo)衛(wèi)、輥道等部位的磨合和尺寸的調(diào)整，對在線生產(chǎn)時就對成品頭兩支產(chǎn)品圓鋼取樣2 支進(jìn)行1/3 熱頂鍛檢驗(yàn)，檢驗(yàn)均全部合格，成品下線后人工散件進(jìn)行逐支目視檢查表面質(zhì)量，成品表面均無裂紋、折疊、結(jié)疤、翹皮、劃傷等外部缺陷類型，表面質(zhì)量檢查均全部合格。

4.9 尺寸外形及偏差控制情況

Q355B 圓鋼尺寸外形嚴(yán)格按照用戶技術(shù)協(xié)議要求，達(dá)到GB/T 702—2017熱軋鋼棒尺寸、外形、重量及允許偏差標(biāo)準(zhǔn)精度2 組以上精度控制。臨沂鋼鐵投資集團(tuán)特鋼有限公司小棒線減定徑軋機(jī)是PSM 三輥軋機(jī)，尺寸控制精度高，尤其不圓度偏差小，實(shí)際生產(chǎn)控制達(dá)到了最大值≯0.30 mm精度，通過測量多組數(shù)據(jù)來看，PSM三輥軋機(jī)生產(chǎn)的圓鋼尺寸控制精確優(yōu)越與兩輥軋制產(chǎn)品。

4.10 跟蹤用戶加工后IR和UT探傷結(jié)果

跟蹤用戶穿管后IRT 外部和UT 內(nèi)部探傷結(jié)果，IRT 外傷探傷檢驗(yàn)合格率為97.45%，UT 內(nèi)傷探傷檢驗(yàn)合格率為100%，說明外傷是Q355B 產(chǎn)品不合格的主要原因。外傷不合的管材個別支有1～3點(diǎn)不等的外傷翹皮、結(jié)疤小缺陷，外傷缺陷不連續(xù)，影響外傷不合的因素主要是產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)惯\(yùn)、用戶下料、入爐出爐及生產(chǎn)過程表面磕碰傷導(dǎo)致。通過對缺陷部位進(jìn)行人工點(diǎn)磨處理，修磨后經(jīng)檢驗(yàn)，外傷檢驗(yàn)合格率達(dá)到100%，表面質(zhì)量和缺陷指標(biāo)完全滿足用戶后期冷拔工藝要求。

5 結(jié)語

臨沂鋼鐵投資集團(tuán)特鋼有限公司試制生產(chǎn)充分發(fā)揮先進(jìn)的裝備優(yōu)勢和合理工藝設(shè)計，首次試制就成功開發(fā)出滿足用戶需求的Q355B 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)成分、力學(xué)性能、沖擊性能、非金屬夾雜物、組織、尺寸外形、表面質(zhì)量等指標(biāo)均滿足技術(shù)協(xié)議要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該鋼種國家標(biāo)準(zhǔn)，已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。優(yōu)化了臨沂鋼鐵投資集團(tuán)特鋼有限公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出較好的經(jīng)濟(jì)效益。