低成本厚規格耐候鋼Q355NHD的生產實踐

夏志升 王新志 張振申 王中岐

( 安陽鋼鐵股份有限公司 )

低成本厚規格耐候鋼Q355NHD的生產實踐

夏志升 王新志 張振申 王中岐

( 安陽鋼鐵股份有限公司 )

介紹了厚規格耐候鋼Q355NHD的生產工藝，成分體系上采用提碳去鈮代替常規的低碳加鈮成分體系，生產工藝上采用了合適的冶煉和軋制工藝，生產的產品性能優異。試驗結果表明：Q355NHD組織為典型的F+P，晶粒度在9級左右；屈服強度在370 MPa以上，抗拉強度在540 MPa以上，伸長在26%以上；-20 ℃沖擊功在170 J以上，整體工藝力學性能良好，完全滿足產品技術要求。通過成本核算，低成本成分體系相對傳統低碳加鈮成分體系耐候鋼成本降低約40 元/t，說明該產品具有較低的成本優勢。

厚規格 耐候鋼 Q355NHD

0 前言

耐腐蝕鋼是指通過添加銅、磷、鉻、鎳等耐腐蝕合金元素，使其在大氣中或者其他介質中具有良好的耐腐蝕性能的合金鋼，耐腐蝕鋼的耐腐蝕性能為普通碳素鋼的2～8倍，并且使用時間越長，耐蝕作用越明顯。耐腐蝕鋼除具有良好的耐腐蝕性外，還具有優良的力學、焊接等使用性能。耐腐蝕鋼因其良好的耐腐蝕性，在國內外廣泛應用于集裝箱、橋梁、鐵路車輛、汽車、鍋爐、煙草、電力、建筑和海洋工程等行業[1]。

在耐候鋼標準GB/T 4171-2008中，為保證耐候鋼的耐蝕性和焊接性能，限制了碳的加入量，Q355NH系列鋼碳的上限為0.16%。又因當碳含量在0.09%～ 0.15%區域屬于鐵-碳的包晶反應區間，此區間發生包晶反應，鑄坯出現裂紋的概率極高，因此，生產廠生產耐候鋼采用避開碳的包晶反應區間的設計理念，采用低碳的化學成分體系；但對于厚規格耐候鋼(厚度大于30 mm)會產生一定的弊端，采用低碳成分，為保證鋼板所需要的強度，需要加入大量的強化性合金元素，這就大大增加了鋼的合金成本。筆者采用了提高碳含量去鈮成分體系，充分利用高性價比的碳錳合金的強化作用，并添加適量的耐蝕性元素，進行了低成本的耐候鋼生產試驗研究。

1 產品技術要求及成分設計

1.1 產品技術要求

依據耐候鋼標準GB/T 4171-2008，Q355NHD成分要求見表1，其力學性能和工藝性能要求見表2。

表1 Q355NHD化學成分要求

表2 Q355NHD力學性能和工藝性能要求

1.2 成分設計

根據Q355NHD的產品技術要求，其化學成分設計依據如下：

1)C、Mn合金含量。為保證此鋼板具有較好的焊接性能，需要選擇較低的碳，同時碳作為強化性元素，太低會提高生產成本，且本產品為厚規格產品，滿足強度指標的難度更大，因此選擇碳和錳的加入量為靠近標準上限。

2)耐蝕性元素。為提高耐蝕性，除C、Si、Mn、P、S五大合金元素外，需要加入一定量的Cr、Cu、Ni等耐蝕性元素。Cu對提高鋼板的耐蝕性能有利，因Cu起到活化陰極的作用，促使鋼陽極發生鈍化，因而減緩腐蝕；同時Cu可以在鋼表面形成一層富銅層，在鋼的表面腐蝕層與銅的富集層之間形成緊密的氧化銅中間層，形成致密、完整的雙層結構的銹層，阻礙腐蝕介質進一步腐蝕鋼板內部[2]。Cr能在鋼板表面形成致密的氧化膜提高鋼的鈍化能力，Cr、Cu復合加入，耐蝕效果更佳。另外，由于Cu、是低熔點元素，且極易在晶界偏聚，形成微裂紋，為減輕其影響程度，加入一定量的Ni合金，因為Ni和Cu形成高熔點的Cu-Ni復合相，一般Ni的加入量為Cu加入量的1/2～1/3。

2 生產裝備及工藝

2.1 主要生產裝備

1) 150 t頂底復吹轉爐。采用頂底復吹，擁有副槍及動靜態模型等可以實現轉爐鋼水在線檢測和控制。爐后設有吹氬站，可對鋼水進行底吹氬攪拌、喂線，這些先進技術的應用使得鋼水成分、潔凈度控制水平大大提高。

2)LF精煉。150 t鋼包精煉爐具有電弧加熱、造渣、吹氬攪拌、合金化和鋼中夾雜物的變性處理等功能，可保證鋼水成份、溫度及夾雜物的有效控制。

3)3250 mm超寬板坯連鑄機。擁有動態配水、動態軟壓下、漏鋼預報、液面自動控制等先進的工藝技術，可生產斷面150 mm×(1600～3250 )mm，保證鑄坯質量良好。

4)3500 mm爐卷軋機。3500 mm爐卷軋機的軋制壓力高達70000 kN，軋后配有層流冷卻，可調整冷卻速率，最高冷卻速率達到25 ℃/s，可滿足在軋制工藝上使用TMCP工藝的需要。

2.2 生產工藝

采用的工藝流程：鐵水預處理—150 t轉爐—LF精煉—3250 mm超寬板坯連鑄機—3500 mm爐卷軋機。具體各工序的主要控制要求如下。

2.2.1 冶煉連鑄工藝

1) 轉爐。在鐵水硫大于0.040%需要進行鐵水預脫硫處理，保證轉爐入爐鐵水成分和溫度。轉爐冶煉采用中低碳鋼冶煉模式，控制轉爐終渣堿度在3.0以上，終點溫度不低于1620 ℃，終點[C]小于0.08%出鋼。使用鋁鐵脫氧，硅錳和硅鐵合金化，Cr一次配加完成，吸收率按95%計算， LF不再配加鉻鐵，鎳板和銅板隨廢鋼一起加入，吸收率按100%計算。

2)LF精煉。主要目的是控制夾雜物和脫硫，精煉過程中要求白渣保持時間大于20 min，弱攪拌時間控制在8 min以上，弱攪拌流量控制在噸鋼0.8 Nl/min-2.5 Nl/min，白渣形成后，取鋼水樣做全分析，微調成分和溫度。

3)連鑄。由于該鋼種的碳含量是屬于包晶鋼范圍，鑄坯容易產生表面裂紋、偏析、氣隙等缺陷，另外加入的低熔點合金含量較高，鑄坯缺陷發生的概率將更高。在連鑄時，連鑄保護渣采用包晶鋼專用保護渣，且采用弱冷配水，按合適的比水量控制，拉速控制在0.8 m/min～1.2 m/min，實施點拉速控制，保證了鑄坯表面和內部質量。

鑄坯低倍觀察結果，中心偏析B類1級，中心疏松1級，其它缺陷未見；鑄坯表面質量檢查發現，鑄坯表面質量良好，表面出現裂紋的概率較低，在2.0%以內。

2.2.2 熱軋工藝

1)加熱工藝。該鋼種由于Cu含量較高，容易產生熱脆，所以加熱時采取高溫快燒的加熱工藝，加熱爐微正壓控制且爐內氣氛采用還原性氣氛。又因該鋼種加入一定量的Ni合金，鋼坯極易由于溫度波動或加熱時間過長，造成板坯表面質量缺陷和表面粘性氧化鐵皮除鱗不凈，因此要避免各段爐溫波動和板坯在爐時間過長，加熱時間一般控制在3 h以內，加熱溫度控制1200 ℃～1250 ℃。

2)軋制工藝。由于該鋼種板坯表面的氧化鐵皮粘性較大，容易造成除鱗不盡，軋制時要保證除鱗水的壓力。軋制工藝采用再結晶區和未再結晶區兩階段控制軋制工藝。板坯開軋溫度為1060 ℃左右，再結晶區軋制溫度控制在1000 ℃以上，通過軋制道次間的反復再結晶，充分細化奧氏體組織。再結晶區軋制完成后，中間坯采用空冷待溫。未再結晶區軋制在950 ℃以下，通過未再結晶區內的變形，增加相變形核位置，要保證未再結晶區累積變形量大于50%。終軋溫度在850 ℃以下，結合理論常識，終軋溫度較高時，則奧氏體在高溫下容易回復，儲存能降低，相變驅動力減小，使得相變后鐵素體晶粒粗大；終軋溫度低時，終軋溫度盡可能接近Ar3相變溫度時，使軋制過程產生的變形帶、位錯和晶粒壓扁保持至相變以后，使得相變后的晶粒細化。

3) 冷卻工藝。該鋼種Cr的加入量在0.5%以上，碳含量在0.15%左右，按照碳當量計算公式計算該成分體系的碳當量在0.5%左右，相比低碳系列，碳當量要高，碳當量計算公式如式(1)所示。

Cev= C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

(1)

Cr為提高鋼板淬透性元素，對于本鋼種碳當量高，如果冷卻速率過大容易出現貝氏體硬相組織，惡化韌性。因此，該鋼種的冷卻速率要適當，以防止相變后出現貝氏體硬相組織，實際生產實踐終冷溫度控制在680 ℃以上。

3 結果與分析

3.1 化學成分

低成本Q355NHD大生產試驗的化學成分見表3，低碳系列Q355NHD的化學成分見表4。

表3 低成本Q355NHD的化學成分

表4 低碳系列Q355NHD的化學成分

由表3可知，實際生產中C的含量接近標準要求的0.16%的上限，能夠最大發揮C的強化作用效果，減少其他強化性合金的加入量；另外也提高Mn的加入量，更好的發揮Mn的固溶強化效果，因為相對其他強化性合金元素，錳合金相對較便宜；同時本成分體系中未加Nb，Nb屬于較昂貴的合金。

對比表3和表4可知，低成本Q355NHD成分體系中由于提高了碳含量的加入量，未添加昂貴的鈮合金。對比兩成分體系，低成本體系碳含量提高0.09%，錳含量提高了0.15%，未添加鈮，通過合金成本計算，低成本成分體系較低碳成分體系合金成本降低約40元/t。

3.2 力學性能

使用該成分體系生產了厚度為35 mm、45 mm、50 mm的鋼材，產品最終的性能見表5。

表5 Q355NHD的力學性能

由表5可知，產品的屈服強度在370 MPa以上，能夠滿足標準335 MPa的下限規定，且有一定的富余量，同時抗拉強度、延伸率、沖擊性能均能滿足標準要求。批量試驗結果表明，該產品的性能合格率達到100%。

3.3 金相組織

板厚方向不同位置的的金相組織如圖1所示，鋼板厚度為50 mm。

(a) 表層 (b) 板厚1/4處 (c) 芯部

圖1 Q355NHD金相組織 由圖1可見，不同位置的組織均為典型的鐵素體+珠光體，表層未見貝氏體組織，晶粒度為9級，表層組織稍細，芯部組織稍微粗大，但未發現異常的硬相組織。

3.4 耐蝕性能

通過對該成分體系耐蝕指數計算，并采用耐候鋼Q355NHD與低合金鋼Q345B進行對比腐蝕試驗，結果表明Q355NHD具有較好的耐蝕性能，具體如下。

1)耐蝕指數。鋼材具有較好的耐蝕性能，要求耐蝕指數在6.0以上，耐蝕指數越高，耐蝕性越好。國外Legault和Leckie公布了暴露于不同大氣環境下15.5年后的低合金鋼的腐蝕情況公式，修訂后業內公用的耐大氣腐蝕指數公式見式2。

I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-

9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)

(2)

按照式(2)對實際的成分體系計算的耐蝕指數為6.15，滿足耐候鋼耐蝕指數大于6的規定，說明該產品具有較好的耐蝕性能。

2)腐蝕試驗。對Q355NHD進行了腐蝕性試驗，采取的試驗方法為周浸加速腐蝕試驗；腐蝕環境為模擬工業大氣環境，具體為濃度為0.01 mol/L的NaHSO3的溶液，PH值為4.4～4.8；采取以Q345B作為對比鋼種。通過多次試驗計算出兩種鋼的腐蝕速率，兩種鋼的腐蝕速率見圖2。

由圖2可知，Q355NHD的腐蝕速率為Q345B的50%左右，這一指標與國內同類產品耐蝕性能相當。說明Q355NHD具有較好耐蝕性能，滿足耐候鋼產品的耐蝕性能要求。

4 結語

大生產試驗結果表明，采用低成本成分體系生產的耐候鋼Q355NHD，綜合性能優良，產品性能能夠滿足該產品的技術要求。另外，低成本成分體系較低碳成分體系碳含量提高了0.09%，錳含量提高了0.15%，未添加鈮，通過合金成本計算，合金成本降低約40元/t。

圖2 Q355NHD和Q345B的腐蝕速率

[1] 于千.耐候鋼發展現狀及展望[J].鋼鐵研究學報, 2007,19(11):1-4.

[2] 李娜.銅在鋼中的作用綜述[J].遼寧科技大學學報, 2011,34(2):157-161.

PLANT PRACTICE OF HEAVY WEATHER RESISTANT STEEL Q355NHD WITH LOW-COST COMPOSITION SYSTEM

Xia Zhisheng Wang Xinzhi Zhang Zhenshen Wang Zhongqi

( Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd )

This paper introduced the heavy weather resistant steel Q355NHD production process with low-cost composition system instead of low carbon and niobium, the slab quality was well by adopting proper smelting and rolling technology. The test results show that , organization were typical Ferrite and pearlite, grain size about 9 magnitude; yield strength was more than 370 MPa; tensile strength was more than 540 MPa, elongation was more than 26%; - 20 ℃ impact energy was more than 170 J, mechanical performance was good, completely met the requirements of product standards. Through the cost accounting, the cost was lower 40 yuan/t than low carbon and niobium composition system, so that the product has lower cost advantage.

heavy plate weather resistant steel Q355NHD

?升，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術中心；

2015-9-17