天鋼Z向鋼鋼板的研制與開發

王佩鑫，劉　浩，李仕力（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

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天鋼Z向鋼鋼板的研制與開發

王佩鑫，劉浩，李仕力
（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

[摘要]介紹了Q345B-Z35鋼板的研發和試制情況。結果表明，經過嚴格控制冶煉過程中MnS夾雜和H含量、連鑄坯內部質量以及軋鋼階段鋼板晶粒度等，所生產出的Z向鋼鋼板內部組織均勻，晶粒細小，各項性能指標均符合國標要求，其Z向斷面收縮率平均達到60%，達到國內領先水平。

[關鍵詞]Z向性能；抗層狀撕裂；壓下量；斷面收縮率

修回日期：2015-04-06

1　引言

近年，隨著我國鋼結構產業的迅速發展，要求Z向性能的鋼板被越來越廣泛地應用。與此同時，大型船舶、橋梁、起重設備、海洋石油平臺的制造也愈來愈傾向于使用高性能、大厚度的抗層狀撕裂鋼板。因此Z向性能作為附加要求越來越多地受到用戶推廣應用，有著廣闊的市場應用前景。

Z向鋼，又稱“抗層狀撕裂鋼”，即對鋼板厚度方向有一定的韌性要求。在焊接連接的鋼構中，當鋼板受到厚度方向拉力時，為了避免焊接過程中產生層狀撕裂，因此要使用抗層狀撕裂的鋼材?？箤訝钏毫唁摬皇侵改骋痪唧w鋼種，而是在某一種結構鋼（稱為母級鋼）的基礎上，經過特殊冶煉及軋制的鋼材，其含硫量為一般鋼材的1/5以下。鋼板厚度方向上受力性能稱為Z向性能，國家標準中以鋼板厚度方向拉伸斷面收縮率Z%作為Z向性能的衡量。天津鋼鐵集團有限公司在Q345B的基礎上進行了Z向鋼鋼板開發，以滿足公司擴大品種的需求。

2　工藝設計

2.1技術要求

GB/T 5313中對各個等級Z向鋼的化學成分和性能指標都有著明確的規定?；瘜W成分方面，要求Z15、Z25、Z35級別S含量依次不大于0.010%、0.007%及0.005%。力學性能上，以厚度方向拉伸試樣的斷面收縮率進行判定，Z15、Z25、Z35斷面收縮率要求分別不小于15%、25%及35%。

2.2成分設計

根據市場調研及客戶訂單情況，用戶使用低合金結構鋼作為鋼結構用鋼等附加Z向性能要求較為普遍，市場占有量較大且經濟價值較為可觀。因此以Q345B作為本次Z向鋼開發試驗品種。

Z向鋼以C、Mn為主要強化元素，同時應對P、S含量進行嚴格控制，特別是S的含量，標準中已有明確規定。此外還應注意控制C、Mn、S的偏析，C的偏析會造成心部貝氏體等異常組織的生成，而S 和Mn的偏析會在鋼板心部形成片狀MnS夾雜，這些都是影響鋼板Z向性能的主要因素。

C是鋼中對強度影響較大的元素，隨著含C量的提高，鐵素體晶粒細化的效果就會削弱，而珠光體量的增多又會惡化材料韌性。因此，在生產Z向鋼時，C含量的設計要求在于既可以保證強度、又不過多地犧牲材料的韌性。

Mn在鋼中部分與鐵互溶，形成固溶體(鐵素體或奧氏體)，部分和鐵、碳化合形成滲碳體，能夠強化鐵素體和細化珠光體。同時，由于Mn和S具有較大的親和力，能促使鋼中的硫形成熔點比FeS高的MnS，避免FeS在晶界析出，降低熱脆性，提高熱加工性能[2]；但是如果內部質量控制不好，會使MnS在心部聚集，造成基體的“割裂”，影響抗層狀撕裂性能。

有害元素的控制：為了保證鋼板的抗層狀撕裂性能，必須嚴格控制鋼中的有害元素，對于Z向性能來說，P、S都是有害元素，鋼中P、S含量直接影響到鋼板的塑性和韌性。

按照上述思路，進行的化學成分設計如表1所示。

表1　Q345B-Z35成品化學成分　/%

2.3生產工藝流程

在中厚板生產工藝的基礎上，考慮Z向鋼的特殊要求，制定Z向鋼鋼板生產工藝流程為：

鐵水寅轉爐寅LF/VD精煉寅連鑄寅板坯堆冷寅板坯加熱寅高壓水除鱗寅粗軋寅精軋寅ACC冷卻寅矯直寅鋼板堆冷寅在線探傷寅剪切寅（正火）寅檢驗、標識寅入庫。

2.4工藝控制關鍵點

為保證良好的Z向性能，應著重控制以下幾個方面。

2.4.1 MnS夾雜物控制

MnS是鋼中最常見的夾雜物之一，它對鋼的塑性和韌性有著顯著影響。MnS夾雜是鋼在脫氧過程中由一定含量的錳與硫化合生成的，MnS夾雜極易引起鋼板的層狀撕裂[1]。

硫化物夾雜的控制措施主要有兩點：在冶煉過程中保證鋼水中較低的S含量，從而減少MnS夾雜的數量；在精煉過程中進行有效的鈣處理，使已經生成的MnS夾雜轉變成球狀硫化物，減弱對厚度方向韌性的影響。

2.4.2鋼中H含量的控制

層狀撕裂的主要原因在于夾雜物的分布和應力狀態，而氫是促使啟裂和誘發的因素。當含H較少時，對層狀撕裂的影響不大，但當H含量較多時，就會聚集在夾雜物的間隙處，使該部啟裂并擴展，從而使夾雜物與基體金屬脫開[1]。

鋼中的H主要是廢鋼表面的鐵銹、泥沙，造渣材料吸附的水分以及鋼包、中間包中氣體等在冶煉及連鑄過程中進入鋼液的。因此應在轉爐冶煉、LF精煉以及連鑄過程中注意H的控制；同時連鑄坯以及軋后鋼板要及時下線進行堆冷，使固溶在鋼中的H擴散出去。

2.4.3鑄坯內部質量的控制

鑄坯的內部質量，如心部偏析、中間裂紋等對鋼板的Z向性能都有著明顯的影響。由于偏析的存在，使得鋼板內部應力分布不均，在受到外力作用時，極易在偏析處產生應力集中，從而造成斷裂，使得鋼板的Z向斷面收縮率顯著降低；而鑄坯中較為嚴重的中間裂紋，在軋制過程中很難焊合，因此在受到厚度方向作用力時，裂紋會迅速擴展并導致斷裂，造成鋼板的Z向性能明顯降低。

因此在連鑄過程中應通過控制較低的過熱度，采用凝固末端動態輕壓下及電磁攪拌等技術，弱冷制度以及穩定拉速等措施減輕鑄坯中心偏析，提高鑄坯內部質量。

2.4.4晶粒度控制

研究表明，即使含雜質極少的Z向鋼，如果存在脆性的粗晶組織，鋼板厚度方向斷面收縮率也會急劇下降。因此在軋制過程中應采取以下手段控制晶粒度：鑄坯要有足夠的加熱和均熱時間，要燒勻燒透，但應避免加熱時間過長以及加熱溫度過高，防止晶粒過分長大；粗軋階段為避免粗大晶粒的出現，采取低速大壓下的措施，在破碎晶粒的同時盡可能地改善鑄坯心部缺陷；中間坯厚度保證累積壓下率不小于60%；采用TMCP軋制技術，保證鋼板的終軋溫度及返紅溫度。

3　試制過程控制

本次試制共生產Q345B-Z35兩爐，編號為1-1、1-2；軋制鋼板厚度規格為30、40、50 mm。

3.1轉爐冶煉

首先對原料進行精選，減少鋼中外來夾雜和氣體的帶入。

轉爐終點控制：[C]逸0.08%，[P]臆0.015%；加強容易引起凝固偏析S元素的控制，轉爐終點S控制在0.025%以下：嚴格控制下渣量小于50 mm。

3.2精煉

鋼水進站進行底吹Ar攪拌，精煉過程中，注意確保埋弧良好，保證石灰、電石、碳化硅等造渣材料及硅錳、錳鐵等合金材料的干燥，減少精煉過程中H的帶入。采用全程控鋁，保證[Als]大于0.015%，達到快速造白渣、快速脫S并獲得純凈鋼水的目的；采用鈣處理技術，有效控制硫化物夾雜的形貌，使片層狀夾雜變形為顆粒狀夾雜，使其對鋼板厚度方向連續性的破壞最小化。鋼液采用VD進行真空處理，目標P臆0.015%，S臆0.005%，N臆50伊10-6，O臆20伊10-6，H臆2伊10-6。

全程采用保護澆注，并盡可能保持拉速穩定。使用專用保護渣，防止吸氫及鋼水的二次氧化，目標使鋼中[N]、[O]增量小于10伊10-6；中包過熱度控制在10耀20益；為保證鑄坯最后的凝固收縮質量，減輕中心偏析，采用凝固末端動態輕壓下技術。

3.4加熱

鋼坯的加熱要有足夠的溫度和時間來達到均勻組織及微合金充分固溶的目的，同時為了防止奧氏體晶粒的過分長大，加熱溫度也不應過高。考慮到本次試驗鋼種，確定加熱溫度為1 100~1 160益，加熱時間3~4 h，隨著坯料厚度的不同而變化。

3.5軋制

為保證細小的晶粒度以及較輕的帶狀組織等，采用TMCP軋制工藝，再結晶區軋制采用高溫大壓下的軋制工藝可使奧氏體再結晶完全[3]，有利于晶粒的細化?？紤]到奧氏體臨界變形量，要求除展寬道次外的前兩個縱軋道次壓下率逸15%，道次軋制速度臆1.2 m/s。

未再結晶區軋制時，奧氏體晶粒僅延伸拉長，而不發生再結晶，因表面和內部在軋制時的變形不均，會造成晶粒的大小不一，適當提高后續道次的壓下率，可以減少表面和心部變形的差異[3]。因此要求精軋階段的累積壓下率逸60%。同時要求較低的終軋溫度增加形核點，使晶粒達到細化，考慮到軋機能力等限制，將終軋溫度定為800~830益。

3.6 ACC加速冷卻

較大的過冷度可以使析出物彌散細小；對鐵素體-珠光體組織而言，可以細化晶粒，增加鐵素體形核率，既提高了鋼的強度，又可以改善鋼的韌性和塑性[4]。冷卻速度越大，所得晶粒越細、晶界越多，阻止裂紋發展能力越強，從而使強韌性提高；但是，當冷卻速度過大時，增大了貝氏體轉變的趨勢，而我們傾向于獲得細密的珠光體組織，又要避免因過冷產生貝氏體組織，故設定軋后冷速為6~10益/s，終冷溫度為650~670益。

閩東是福建省寧德市的俗稱，歷史悠久,文化積淀豐厚且獨具特色。習近平總書記曾在《閩東之光--閩東文化建設隨想》一文中指出：“一定要把握閩東的閃光之處：畬族文化是一個閃光點；閩東是老區，有長期的斗爭歷程，也是一個閃光點；閩東人民現在正在抓緊機遇，脫貧致富，這又是一個閃光點；閩東的山海交融，風景獨特，這也是一個閃光點?！盵3]他還提出可以從文化建設的角度，讓人們好好認識一下閩東文化的閃光點。

4　成品檢測分析結果

4.1化學成分

表2為熔煉成分和成品鋼板成分的對比，從對比中可看出，板坯成分均勻性好，Mn、S等元素無明顯偏析。

4.2氣體含量

取板坯試樣進行氣體分析，其中O含量控制在18伊10-6~20伊10-6，N含量在46伊10-6~49伊10-6，H含量在2伊10-6左右。各氣體含量均控制在要求范圍內，但均偏上線，因此后續應進一步精細化操作，以控制在中線左右為宜。

4.3力學性能

表2　Q345B-Z35成品化學成分

由表3可知，鋼板試樣力學性能均符合標準要求，且具有一定的富余量，厚度方向斷面收縮率在50% ~68%之間，完全符合國標中Z35要求，且不同規格平均值都在60%左右，均勻性較好。

表3　力學性能測試結果

4.4金相組織分析

在50 mm厚鋼板板寬1/4處的厚度方向上表面及中心處取樣進行了較全面的金相組織分析，其金相組織如圖1所示。

由圖1可見，鋼板組織構成基本是均勻的，為P+F組織。但相對而言，由于厚度方向上應變及冷卻速度有差異，厚規格鋼板的溫度分布是不均勻的，鋼板中心部晶粒級別較低，平均晶粒尺寸較大，晶粒度為9級；表面的晶粒平均尺寸較細，晶粒度為10級。中心處未見明顯的偏析及帶狀組織，內部質量控制較好。

5　結論

圖1　試樣金相組織形貌

通過對Z向鋼的性能要求研究，確定了控制MnS夾雜、控制H含量、控制鑄坯內部質量以及控制晶粒度的工藝控制關鍵點，并在此基礎上依據再結晶和相變理論以及TMCP工藝技術，制定了粗軋采用大壓下，精軋低溫軋制以及軋后ACC冷卻的工藝路線。

研制開發出的Z向鋼鋼板，各項力學性能指標均優于國標標準的要求，性能均勻穩定，其中Z向性能指標達到國內領先水平，產品得到用戶認可。

參考文獻

[1]劉曉美.Q345B鋼Z向斷面收縮率的研究[D].沈陽:東北大學碩士論文，2005：5-25.

[2]王祖濱，東濤.低合金高強度鋼[M].北京：原子能出版社，1996：8.

[3]劉靖，于鯤鵬.DH36級高強度船板軋制技術開發[J].天津冶金，2010（2）：22-25.

[4]董天真，孔德強.歐標S355系列高強結構鋼板研制與開發[J].天津冶金，2009（4）：8-12.

Research and Developm entofSteelPlatewith Good Z-direction PropertiesW ANG Pei-xin,LIU Haoand LIShi-li

(Technology CenterofTianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractThe paper introduces the developmentprocess and trialproduction of Q345B-Z35 steel plate.Resultsshowed thatthrough strictly controlling MnS inclusion,hydrogen contentand the internal quality ofcontinuouscastbilletin smelting processand the grain size ofsteelplate atrolling process, the produced steelplate with good Z-direction propertiespresented uniform internalstructure and fine grain with allproperty indicesmeeting therequirementsby nationalstandard and Z-direction reduction ofareaup to60% on average,reachingan advanced leveldomestically.

Key wordsZ-direction property;lamellartearingresistant;rollingreduction;reduction ofarea

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.001

作者簡介：王佩鑫（1986—），男，天津人，本科，工程師，主要從事中厚板品種研發工作。