安鋼500 MPa級制管用鋼性能不合格原因分析與改進

張雷 萬國喜 張大江 鄭飛 安亮亮

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

0 前言

管材是重要的結構部件，隨著用戶對安全性和經濟性要求的提高，管材用鋼升級也日益得到各制管廠的重視，通過市場調研了解到客貨汽車結構件加工對制管用鋼需求很大，且市場競爭比較激烈，用戶希望開發一種性能高于普碳鋼和低合金鋼，與510L級別性能相當，但經濟性要強于510L的鋼種。為了改善鋼材性能，常用的微合金化元素有Nb、V、Ti，因鈦鐵合金在國內資源比較豐富，且價格相對較低、穩定，故微合金化鈦元素在鋼中的使用受到人們越來越多的青睞［1］。鑒于高強度制管卷板的市場前景以及鈮、鈦復合強化輕量化汽車系列用鋼的生產經驗，開發了抗拉強度不小于500 MPa制管專用鋼AG500ZG。

該產品是為了滿足用戶差異化需求而設計，充分考慮了用戶成型性能和焊接性能的前提下，采用微合金元素Ti來作為主要強化元素，實現用戶要求的“物美價廉”。但前期生產性能出現偏低和不合格現象，筆者通過化學成分和軋制工藝來分析AG500ZG性能不合原因，提出了改進措施，并對改進效果進行評價。

1 問題及原因分析

1.1 強度不合

安鋼前期生產汽車制管用鋼20爐AG500ZG，軋制厚度不大于8 mm、寬度1220 mm～1500 mm。力學性能大生產共計檢驗102批，初檢合格率95.09%，其中屈服強度不合格1批，抗拉強度不合格5批。具體情況見表1，制管用鋼AG500ZG改進前的力學性能分布如圖1、圖2所示。

表1 AG500ZG力學性能統計

圖1 屈服強度分布

圖2 抗拉強度分布

由表1、圖1、圖2可以看出，延伸率指標較好，有一定的富余量，絕大部分集中在25% ～34%之間，而屈服強度不合格率非常低，只有0.98%，但抗拉強度不合格率較高，其中低于 500 MPa，占1.96%，低于標準要求的 520 MPa，占 4.9%，因此抗拉強度是影響AG500ZG合格率的主要原因。

1.2 軋制工藝

根據經驗，同批軋制計劃中出現性能異常情況，需要對軋制過程的各個工序的工藝參數進行對比分析，特別是主要影響性能的加熱溫度、精軋終軋溫度、取樣部位的卷取溫度和層流冷卻方式，具體對比情況見表2。

表2 軋制批號為H11B0116中不合格批次與合格批次主要軋制工藝對比

由表2對比結果可以看出，A批次和B批次軋制工藝基本一致，均符合工藝方案要求，但取樣卷部位的CT溫度有24℃的差別，懷疑尾部卷取溫度偏高，造成取樣部位性能偏低，可能是造成強度偏低的因素。為此，試驗6卷AG500DG，卷取目標溫度設定為610℃，試驗結果見表3。其中，卷取溫度為613℃，抗拉強度為530 MPa和卷取溫度為642℃，抗拉強度為543 MPa對應的微觀組織照片如圖3所示。

表3 兩種卷取溫度大生產力學性能數據對比(平均值)

圖3 兩種不同卷取溫度的金相組織照片

由表2、表3和圖3綜合對比分析來看，不合格批次和合格批次的加熱溫度和軋制工藝基本相同，而且兩種不同卷取工藝的試制結果也無較大差異，采取低溫卷取工藝后抗拉強度并未有所提高，初步表明在卷取溫度控制在610℃～640℃之間對抗拉強度影響不明顯。因此，現有的加熱和軋制工藝不是造成抗拉強度偏低的原因。

1.3 化學成分

AG500ZG鋼是以微合金Ti作為主要強化元素，而Ti的活性強，易和鋼中的O、S、N反應，因此鋼中實際參與析出強化的量是關鍵因素，影響有效Ti的作用經驗公式為：

從公式可以看出，當鋼水中N、S含量達到一定量時，鋼中的有效鈦含量可能為零。一般鋼水中的N含量波動較大，使得有效Ti的含量也隨之波動，極易導致鈦微合金化鋼的性能不穩定。因此，在冶煉過程中Ti微合金化的關鍵是提高鋼水潔凈度，控制鋼水中O、N、S的含量，特別是N含量［2］。為此對A批次和B批次的冶煉成分進行對比分析，其結果見表4。

表4 A和B批次對應爐號的冶煉化學成分統計(平均值) %

由表4可以看出，A批次和B批次相比，固溶強化元素C、Si、Mn含量基本相同，鋼中Ti含量和S也基本相當，但鋼中N含量差別較大。A批次中的Ti元素大部分被鋼中的N和S所結合，剩余較少甚至沒有Ti元素參與軋制和冷卻過程中第二相TiC的析出，導致材料沒有達到預期的析出強化目的，最終使得材料力學性能不合格或者處于標準邊緣。

2 改進措施

為提高AG500ZG力學性能合格率，根據前期試驗分析結果，結合目前的生產成本及冶煉工藝，采取以下技術措施：

2.1 增加鋼中有效Ti的含量

有效Ti指的是與C結合生成TiC而起到析出強化作用的Ti。Ti的活性強，易和鋼中的O、S、N反應，影響有效Ti的作用。故當Ti作為單一的微合金化元素添加到鋼中，其含量必須達到一定量，才能起到析出強化作用。當有效鈦/碳(eTi/C)=4，鋼有最佳的強韌性，是鈦微合金鋼成分控制的重要因素。只有嚴格控制合金成分，才能在控軋過程中使彌散分布的細小TiC顆粒發揮細化晶粒和析出強化作用。為此采用增加Ti含量來提高鋼中有效Ti，Ti含量控制范圍由原來的0.025% ～0.040%提高到0.038% ～0.055%。

2.2 降低鋼水氮含量

從影響有效Ti作用的經驗公式來看，鋼種的O、S、N也是影響鋼中有效Ti含量的主要因素。目前冶煉過程采用全程控Al操作，鋼中氧含量低且比較穩定。本鋼種采用鐵水預處理和LF精煉工藝保證了鋼中的S≤0.010%，因此有效Ti含量主要受N含量影響。通過減少補吹次數和吹煉過程中加入適量的鐵礦石來降低轉爐終點氮含量、轉爐底吹全程采用氬氣、泡沫渣精煉防止鋼液裸露、連鑄全程保護澆鑄、大包下水口與長水口之間加石棉墊提高密封效果，并設氬封管全程吹氬保護，防止換包操作、鋼水液面波動造成鋼液裸露吸氮。中間包鋼水表面加微碳、低熔點中間包覆蓋劑，使渣形成熔化層、軟化層三層結構、降低氮在渣層的擴散速率，降低吸氮量，保證最終N含量≤60 ×10-6。

2.3 保證加熱溫度和嚴格控制軋制工藝

微合金元素Ti加入鋼液中會和O、N、S、C等元素反應形成化合物，由于生成化合物的自由能變化不同，隨著溫度降低，析出的順序依次為Ti203-TiN-Ti4C2S2—Ti(C，N)—TiC［1］。尺寸為十幾至幾十納米的TiN粒子能有效阻止奧氏體晶粒的長大，尺寸較小的TiC或Ti(C，N)能起明顯的沉淀強化作用。因此必須保證Ti元素在奧氏體中的溶解度，據溶解度公式［2］(log［%Ti］［%C］γ =-7000/T+2.75)和實際生產的順行，均熱溫度≥1220℃。再次根據TiC在軋制和冷卻過程中的析出規律，嚴格控制精軋出口溫度：880±20℃和卷取溫度640±20℃，保證析出強化效果。

3 改進效果

采取改進措施后，AG500ZG的化學成分、力學性能統計及分布分別見表5、表6和圖4所示。

表5 改進后的AG500ZG化學冶煉成分(平均值) %

由表5可以看出，改進后的Ti含量基本控制在0.040%以上，N含量達到了≤60 ×10-6的目標，實際基本控制在50×10-6以下，這兩者保證了有效Ti的含量。

表6 改進后的AG500ZG力學性能統計

圖4 改進后的AG500ZG力學性能分布

由表6和圖4可以看出，AG500ZG的力學性能有了較大的改善，合格率達到100%，屈服和抗拉強度均提高40 MPa，延伸率下降2.5%，但仍然能夠較好的滿足技術要求。改進后的AG500ZG較好地滿足了后續加工成型和焊接要求，得到了用戶的肯定。

4 結語

1)鋼中有效Ti含量直接影響Ti微合金強化鋼性能的穩定。安鋼500 MPa級制管用鋼性能偏低的原因是鋼中有效Ti含量偏低。就安鋼現有裝備及工藝控制水平而言，鋼中N含量的穩定性是保證有效Ti含量穩定性的主要因素。此外，軋制工藝的控制水平，如加熱溫度、終軋溫度、卷曲溫度等也直接影響Ti析出強化強化作用的發揮。

2)安鋼采取潔凈鋼冶煉技術控來降低鋼水中氮含量、增加鋼中有效Ti含量、通過保證加熱溫度和嚴格控制關鍵環節的軋制工藝等措施，提高了AG500ZG的力學性能，對其它以鈦微合金化為主產品生產中遇到的類似問題具有很好的借鑒作用。

［1］ 韓滋泉，敖列哥，都森.鞍鋼釩、鈦、鈮微合金鋼的應用與開發［J］.鋼鐵釩鈦，2001，22(1)：1-6.

［2］ 韓孝水.鈮、釩、鈦在微合金鋼中的作用［J］.寬厚板，2006，12(1)：38-40.