380mm特厚低合金高強度結構鋼的研發

康文舉

（南陽漢冶特鋼有限公司鋼鐵研究所，河南 南陽474500）

大單重特厚鋼板的用途非常廣泛，主要用于船艦、鍋爐、壓力容器、加壓器、蒸汽發生器、化學反應合成塔、重油高溫高壓脫硫裝置、水電渦輪的部件及橋梁、機器機座、兵器、模具、裝甲及建筑構件等方面。傳統的高強度特厚鋼板生產工藝是電渣重熔加鍛造加工而成，生產成本相對較高［1-2］。本文主要研究在添加微量合金元素V、Nb、Ti、Ni的條件下，采用先進的冶煉工藝、合適的錠模澆注，以軋代鍛及后續的熱處理，成功研制出厚度達380mm保性能、保探傷、低成本的Q460C特厚鋼板，彌補了國內外特厚高強度結構鋼板的空缺。

1 工藝路線

鐵水KR脫硫—100t轉爐—LF精煉—VD真空脫氣—模鑄澆注—鋼錠脫?！撳V加熱—除鱗—3800mm軋機軋制—緩冷—表面檢查—精整—熱處理—探傷—性能檢測—入庫。

2 工藝開發重點

2.1 Q460C標準要求

Q460C鋼種為低合金高強度結構鋼，其成分及性能按GB/T 1591-2008執行。其中，保性能Q460C鋼種在國家標準中極限厚度為150mm，其力學性能要求見表1。此次開發的380mm厚Q460C的力學性能需達到150mm厚Q460C性能標準。

表1 150mm厚Q460C機械力學性能要求

2.2 工藝設計

鋼板化學成分設計方面，為保證鋼板的低溫沖擊韌性，嚴格控制鋼中碳含量，減少脆性相的析出，并采用添加Nb、V、Ti、Ni等細化晶粒元素，確保鋼板強度達標。應用的強化機理為組織強化、細晶強化、析出強化和固溶強化。

為獲得較好地內部質量，確保特厚板三級探傷要求，必須把鋼水的純凈度控制以及鋼板堆冷作為重點。鋼水純凈度方面，主要控制鋼水中硫、氧及有害氣體含量，其中脫硫采取鐵水預脫硫工藝，確保入爐鐵水S含量≤0.005%；LF精煉過程強化造白渣進行二次脫硫。脫氧方面，嚴格控制轉爐終點C%含量、強化擋渣出鋼，提高鋼水純凈度；另外充分利用LF精煉爐，采用高溫、高堿度、大渣量低氧化鐵造渣工藝進一步脫氧，最后通過VD真空狀態下延長保壓時間充分脫氣。成品鋼板堆垛緩冷可以消除鋼板由于快速冷卻產生的殘余應力，同時可以降低鋼板中氫的含量。鋼板堆垛緩冷之前的溫度應高于400℃［3］，鋼板下線后堆冷96h。

澆注方面采用48t鑄錠澆注，鑄錠大頭980mm厚，小頭830mm厚，軋制380mm厚鋼板，確保壓縮比≥2.0。鋼錠完全透燒，并采用AR一次軋完。開軋溫度控制在1000～1120℃之間，采用高溫低速大壓下軋制，加大軋制力的滲透，道次壓下量不小于45mm，終軋溫度＜950℃，軋制完畢不過ACC。熱處理保溫溫度為910±10℃，保溫時間為2min/mm，確保鋼板完全透燒，鋼板出爐后采用風冷至室溫。

3 380mm厚Q460C研發方案

3.1 成分設計

鋼板化學成分設計方面，適當控制鋼水中碳含量，并采用添加Nb、V、Ti、Ni等細化晶粒元素，確保鋼板的綜合性能達標，具體的成分控制如表2所示。

表2 特厚Q460C成分設計

3.2 冶煉工藝

3.2.1 鐵水要求

①保證入爐鐵水條件：［S］≤0.005%，［P］＜0.080%；

②要求扒渣徹底，保證渣層厚度＜20mm；

③要求入爐鐵水溫度＞1 270℃。

3.2.2 轉爐

①嚴格按照鐵水成分、溫度合理搭配鐵水、廢鋼比；

②入爐廢鋼全部采用邊角料且干燥無油污；

③保證轉爐冶煉終點C≥0.06%，出鋼P≤0.018%，保證冶煉終點C～T～P協調出鋼；

④點吹次數不得大于2次，避免出鋼過程下渣。

3.2.3 LF精煉

①脫氧劑采取電石、鋁線、鋁粒、硅鐵粉脫氧為主；

②一加熱結束確保爐渣黃白，二加熱初確保爐渣變白；

③成渣后白渣保持時間≥15min。

3.2.4 VD真空脫氣

①當真空度達到67Pa后，保壓時間≥20min；

②真空保壓階段盡可能調大氬氣量充分脫氣；破真空后調小氬氣量軟吹＞5min（以鋼液面不裸露為主）；

③離站溫度以鋼水澆注溫度控制在：液相線溫度+（20±5）℃為主。

3.2.5 模鑄澆注

3.2.5.1 澆注工藝

錠型48t鑄速本體（min）12～20帽口（min）4～8動車時間（h）≥1.5脫帽時間（h）≥6脫錠時間（h）≥9澆鑄△T（℃）20±5

3.2.5.2 澆注過程技術要求

①澆注到帽口1/3位置時，向每個錠模內添加40kg碳化稻殼；

②澆注完畢后，先用氧管將帽口內的碳化稻殼鋪平后，再向每個錠模內均勻加蓋絕熱板，然后再向每個錠內添加40～80kg的碳化稻殼，并用氧管均勻鋪平；

③澆注完畢60min內，要對每支錠及時補加40kg以上的碳化稻殼保證帽口部位不見紅；同時要求在注畢1-2h內，向每個錠模內補加40～80kg的碳化稻殼以確保帽口保溫效果。

3.3 加熱

①鋼錠裝爐后，燜鋼2h，最高加熱溫度≤1 300℃；

②加熱過程中注意升溫速度，1 000℃以下時升溫速度≤100℃/h，≥1 000℃升溫速度不限；

③保證鋼錠均勻燒透，嚴禁鋼錠過熱、過燒。

3.4 軋制

①適當使用四輥高壓水，除凈氧化鐵皮，保證表面質量良好；

②采用AR熱軋不晾鋼直接軋完。開軋溫度控制在1 000～1 120℃之間，鋼錠先縱軋消除錐度，待軋長至3 400～3 600時開始留尾展寬；

③保證終軋溫度＜950℃。

3.5 堆冷工藝

采用高溫堆冷工藝可有效避免因快速冷卻產生的殘余應力，同時可大大降低鋼板中氫的含量，改善鋼板探傷缺陷。堆冷溫度≥450℃，堆冷時間≥96h。

3.6 熱處理工藝

因軋制鋼板厚度為380mm，為確保鋼板板形，軋制后不采用ACC層流冷卻，采用熱處理工藝細化晶粒、消除帶狀組織，改善鋼板綜合力學性能。鋼板采用正火+風冷熱處理工藝，正火溫度為Ar3+（30～50℃）［4］，保溫時間為2min/mm，鋼板出爐后放涼鋼臺架上風冷至室溫。

表3 南陽漢冶特鋼380mm厚Q460C鋼板實際成分控制

4 試制結果分析

4.1 成分控制分析

380mm厚Q460C實際成分見表3，為保證良好的綜合性能，控制碳當量Ceq在0.42以下。C主要與其他元素形成碳化物，起組織強化和析出強化的作用，使鋼板強度增加，但碳含量過高，會導致鋼中珠光體數量增加，降低鋼板的低溫沖擊韌性，成分上按0.12%～0.16%控制；Mn是細化晶粒元素之一，主要起固溶強化和降低相變溫度，用以提高強度，但Mn含量不易過高，否則對韌性和焊接性能不利，所以Mn含量控制在1.35%～1.55%范圍；Al主要起細晶強化作用，相比于細晶強化元素Nb、V、Ti、Ni，其價格比較便宜，采用模鑄澆注時也不會產生裂紋，因此Al控制在0.045%左右；P、S含量控制在一個較低的范圍內?？傊?，整體成分控制穩定，滿足380mm厚Q460C成分設計要求。

4.2 機械力學性能分析

本次共生產380mm厚Q460C8批，其中：屈服強度控制在380～400MPa，平均達到了385MPa；抗拉強度控制在530～560MPa，平均達到了545MPa；伸長率控制在17%～25%，平均達到24%；20℃縱向沖擊功控制在101～149J，平均達到了135J，性能指標均達到了380mmQ460C標準要求。表4為Q460C性能實物水平。

表4 南陽漢冶特鋼380mm厚Q460C鋼性能實物水平

4.3 高倍組織

圖1（a）（b）為鋼板正火+風冷后鋼板1/4處組織圖，顯示組織主要為F+P，晶粒度為9～10級。

4.4 結論

實踐證明：按本工藝方案生產的鋼板具有較好的綜合性能，鋼種冶煉過程中只需添加Nb、V、Ti、Ni等合金元素，減少鋼水冶煉成本，軋后采用正火+風冷工藝，不進行調質處理，簡化生產工序，縮短生產周期，適合大批量生產。

5 結語

南陽漢冶特鋼通過進行合理的成分設計，合理的工藝冶煉、模鑄澆注、軋制及熱處理，成功地在100t轉爐—模鑄澆注—3800mm軋機—正火熱處理生產線開發了380mm特厚Q460C鋼板，三級探傷合格率達到80%，性能初驗合格率達到100%。該規格鋼種的開發不僅拓寬了公司品種結構，也滿足了工程制造行業較高要求，尤其是一些國家重點工程建設設備，創造了良好業績，為我公司增強市場競爭力，提高了產品市場占有率起到了積極的作用。

圖1

［1］王國棟，劉桐華.日本中厚板生產技術的發展和現狀［J］.軋鋼，2007（2）：1-5.

［2］代曉莉，范建文，謝瑞萍，等.Nb-Ti微合金化鋼板的工業試制［J］.軋鋼，2005（1）：11-13.

［3］李欣，黃波.中厚板生產中除氫工藝的合理應用［J］.軋鋼，2005（22）：36-37.

［4］劉增沛，張建華.熱處理工藝學［M］.北京：科學普及出版社，1986，267.