優化成分設計以降低低合金高強度結構鋼成本

王翠娜　黃　重　張大江　石成剛

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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優化成分設計以降低低合金高強度結構鋼成本

王翠娜黃重張大江石成剛

(安陽鋼鐵股份有限公司)

為降低板坯低合金高強度結構鋼Q345C的成本，進行了優化Q345C成分設計試驗。根據各元素對強度的貢獻值及合金成本，降低鋼中錳含量0.30 %左右；加入微合金元素釩，使鋼中釩含量控制在0.025%～0.035%；鋼中鋁含量不再做要求，減少鈣鐵線的喂入量。結果表明：該成分體系能夠降低鋼中有害元素P、S的含量；能夠改善鑄坯中心偏析，鑄坯角部未發現裂紋；沖擊韌性和延展性有所提高，抗拉強度和屈服強度稍低于優化前的Q345C鋼，鋼板力學性能滿足國標要求；晶粒度與優化前相比差別不明顯，帶狀組織有所減輕，優化成分設計后噸鋼合金成本降低了5.3～8.0元。

低合金高強度鋼Q345C微合金化降成本

0　前言

2015年國內鋼鐵價格出現大幅下跌，產能過剩導致鋼鐵企業處于微薄利潤或虧損狀態，大部分鋼鐵企業都以求生存為主要任務。面對嚴峻的市場形勢，提高生產工藝技術水平，降低生產成本，是鋼鐵企業的必經之路。煉鋼過程中合金料的消耗是煉鋼工藝中成本的一大部分，降低合金料的消耗將會為降低成品鋼的成本做出重要的貢獻[1]。2014年安鋼第一煉軋廠板坯低合金高強度結構鋼Q345C的產量為14.6 萬t，占第一煉軋廠所有板坯產量的23.6 %。目前，該鋼種的成分設計以硅、錳系合金為主，從2014年以來，硅、錳、釩、鈦系合金的價格均大幅度下跌，不同合金的價效對比發生了較大變化。2015年5月，安鋼第一煉軋廠進行了優化Q345C成分設計的試驗，通過加入微合金元素釩，降低錳元素的含量，在滿足性能要求的同時降低了合金成本。

1　工藝設計

1.1工藝路線

本次試驗在安鋼第一煉軋廠進行，Q345C生產的工藝路線為：高爐鐵水—900 t混鐵爐—100 t頂底復吹轉爐—100 t LF精煉爐—板坯連鑄機—2800 mm機組軋制。

1.2成分設計與性能要求

微合金化鋼是在普通低合金鋼的基礎上添加少量合金元素形成的，通過微合金元素與板材控軋、控冷技術的有機結合，控制微合金元素的析出行為，以細化晶粒、提高鋼的強韌性和獲得良好的成形性及焊接性，并在保證良好綜合性能的同時，進一步降低生產成本，常用的微合金元素有鈮、釩、鈦等[2]。

鈮在鋼中以置換溶質原子存在，鈮原子比鐵原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，對位錯攀移產生強烈的拖曳作用，使再結晶形核受到抑制，因而對再結晶具有強烈的阻止作用，鈮在鋼中的特點就是提高奧氏體的再結晶溫度，從而達到細化奧氏體晶粒的目的。鈮在鋼中可以形成NbC或NbN等間隙中間相，在再結晶過程中，因NbC、NbN對位錯的釘扎及對亞晶界的遷移進行阻止等作用，從而大大增加了再結晶的時間[2]。

在鈦的各類化合物中，TiC具有顯著的沉淀強化作用，是鈦微合金化鋼強度增加的主要來源[3]，但是鈦性質活潑，易與鋼中的氧、氮等反應，形成高熔點的夾雜物，影響鋼的工藝力學性能；同時鋼中的有效鈦也會降低，影響鈦的吸收率；在澆鑄過程中，鋼水容易產生水口結瘤。對于同樣的鈦含量，當鋼水中O、S、N含量波動較大時，實際起強化作用的Ti的含量變化較大，導致鈦微合金化鋼的性能不穩定[4]。

釩在鋼中具有較高的溶解度，是微合金化鋼最常用的強化元素之一，釩的作用是通過形成釩的碳氮化物影響鋼的組織和性能。釩的強化機理一方面是由于釩的碳氮化物的沉淀強化作用；另一方面是由于它的沉淀析出阻滯了奧氏體晶粒的再結晶，同時也起到了作為鐵素體晶核的作用，提高了鐵素體的形核率，從而細化鐵素體晶粒，因而對鋼的塑性和韌性的提高有利[5]。要發揮釩的強化效果，鋼中要有一定的氮含量，在缺氮的情況下，大部分釩沒有充分發揮其析出強化的作用，增氮后，鋼中原來處于固溶狀態的釩轉變成析出狀態的釩，充分發揮了釩的沉淀強化作用[2]。

有的鋼廠在開發Q345C之初，采用鈮微合金化[6]，由于目前鈮鐵成本較高，在降成本時不考慮此元素的加入。鋼中加入微合金元素鈦對鋼水潔凈度要求嚴格，鋼水中O、S、N各元素含量的波動，將導致產品性能波動，同時一煉軋鐵水預脫硫工藝暫未恢復使用，當鐵水中硫含量較高時，LF精煉脫硫壓力較大，由于生產節奏問題需要大氬氣攪拌，這又可能引起鋼液面與空氣接觸而增氮。酒鋼通過Q345C成分設計優化明確了對抑制軋制表面缺陷來說，最佳微合金化元素為V[7]。基于以上原因，本次試驗在LF精煉過程中用釩氮合金來進行釩微合金化。根據各元素對強度貢獻值及合金成本，計劃降低鋼中錳含量0.30 %左右，加入微合金元素釩，使鋼中釩含量控制在0.025%～0.035%，鋁含量不再做要求，減少鈣鐵線的喂入量。對Q345C成分優化前后對比見表1，軋制鋼板厚度6 mm～30 mm，力學性能控制范圍見表2。

表1　優化前后成分 　 / %

注：鋼中殘余元素鎳、鉻、銅含量應各不大于0.25 %。

表2　Q345C力學性能控制范圍

2　試驗結果及分析

2.1成分對比

將兩次試驗的7爐鋼的平均成分與2014年生產的1286爐Q345C的平均成分進行了對比，結果見表3。

表3　成分控制　 / %

注：2014年成分中V含量為殘余。

由表3可知，試驗鋼中錳含量平均為1.09 %，釩含量平均為0.030 %，在規定范圍之內；試驗爐鋼中P、S含量平均分別為0.014 %、0.007 %，分別比2014年大生產平均值降低了0.004 %和0.002 %，說明試驗成分體系能夠降低鋼中有害元素P、S的含量，這是因為試驗過程中少加了大量的含錳合金，其帶入的雜質元素相應減少；試驗鋼中硅含量為0.23 %，比2014年大生產的平均值降低了0.02 %，這是因為本次試驗錳含量的降低不僅少加了部分高碳錳鐵，也少加了部分硅錳合金所致；鋼液中碳含量試驗前后基本無變化。

2.2低倍對比

在試驗爐次取試樣做低倍，并在非試驗爐次取試樣做低倍進行對比分析。分別做鑄坯二分之一位置、四分之一位置縱剖，并切角進行熱酸煮，觀察鋼中加入微合金元素V后是否有角部裂紋，低倍照片如圖1所示，低倍評級見表4。

(a) 試驗爐1/2縱剖， 偏析等級B0.5

(b) 非試驗爐1/2縱剖，偏析等級B1.0

(c) 試驗爐1/4縱剖，偏析等級B1.0

(d) 非試驗爐1/4縱剖，偏析等級A1～1.5

(e) 鑄坯角部低倍 (上面兩根為非實驗爐)

編號說明二分之一位置四分之一位置6試驗爐B級0.5B級1.03對比爐B級1.0A級1.0～1.5

從圖1和表4可以得出結論：與非試驗爐相比，試驗爐在鑄坯二分之一位置、四分之一位置縱剖的偏析均有所減輕，這是因為調整成分后，鋼中易偏析元素Mn含量大幅降低，S、P含量也略有降低，從而使鑄坯中心偏析有所改善；調整成分前后鑄坯角部未發現裂紋。

2.3力學性能

考慮大生產節奏和控制，軋制工藝未做調整，試驗爐次共軋制4個規格，12 mm、14 mm、16 mm、18 mm。試驗批次的平均力學性能見表5，同時為了驗證該成分體系是否滿足Q345D的沖擊要求，表5中也給出了-20 °沖擊試驗結果。

從表2和表5可以得出結論：試驗爐次屈服強度的富余量為30 MPa～42 MPa，抗拉強度的富余量為31 MPa～47 MPa，伸長率的富余量為8.0%～9.5%，沖擊功富余量充足，力學性能完全滿足控制要求；-20 °沖擊結果滿足Q345D(≥34 KV2/J)的沖擊要求。

鑄坯軋制后將其性能平均值與2014年優化前同規格平均值做對比(見表6)。從表6可以得出結論：試驗爐次的屈服強度除去18 mm規格比優化前平均值提高5 MPa外，其他3個規格略有降低，降低2 MPa～7 MPa；抗拉強度比優化前平均值降低13 MPa～24 MPa；伸長率提高了1.4%～3.7%；沖擊功除去16 mm規格比優化前平均值降低18 KV2·J-1外，其他規格提高了18 KV2J·-1～34 KV2·J-1。

表6　試驗爐次與2014年同規格性能對比

表5　試驗爐次平均力學性能

(a) 試驗鋼

(b) 非試驗鋼

(a) 試驗鋼3.5級

(b) 非試驗鋼4級

圖31/4處帶狀等級

(a) 試驗鋼F+P

(b) 非試驗鋼F+P+GB

圖4中心金相組織 8.0級

2.4金相組織分析

用Axiovert 200 MAT金相顯微鏡對軋制后的鋼板進行了金相組織與帶狀組織分析，檢驗結果如圖2～圖4所示。圖2為顯微鏡下試驗鋼與非試驗鋼中心偏析情況，從圖2可以看出，非試驗鋼中心部位存在明顯的偏析帶，這與2.2低倍分析結果一致。圖3為鋼板1/4處的帶狀組織，從圖3可以看出，試驗鋼帶狀組織為3.5級，非試驗鋼帶狀組織為4級，優化成分后帶狀組織減輕了。圖4為鋼板中心部位的金相組織，從圖4可以看出，鋼板心部晶粒度都為8級，試驗鋼中心部位的組織為鐵素體和珠光體，非試驗鋼中心部位的組織除去鐵素體和珠光體外，還出現了少量粒狀貝氏體。帶狀組織及中心部位粒狀貝氏體的形成均與錳含量的偏析有關，鋼中錳含量越高，帶狀組織越明顯，越易出現貝氏體和馬氏體組織[8]。

3　成本計算

參考2015年5月份的合金價格，在滿足表1成分設計的要求下，若鋼中降低的錳含量全部因減少高碳錳鐵合金的加入量引起，此時鋼中硅含量無變化，則噸鋼合金成本降低5.3元；若全部因減少硅錳合金的加入量引起，此時鋼中硅含量約降低0.07%～0.08 %，則噸鋼合金成本降低8.0元。本次試驗錳含量的降低是因為二者加入量同時減少引起的，則噸鋼合金成本降低5.3～8.0元。

4　結論

1)生產低合金高強度鋼Q345C時，優化了成分設計，降低鋼中錳含量0.30%左右，鋼中釩含量控制在0.025%～0.035%，鋁含量不再做要求，減少鈣鐵線的喂入量，噸鋼合金成本降低5.3～8.0元。

2)新的成分體系能夠降低鋼中有害元素P、S的含量，能夠改善鑄坯中心偏析，鑄坯角部未發現裂紋。

3)優化成分設計后，Q345C鋼的力學性能滿足控制要求，強度稍低于原來Q345C鋼，但其沖擊韌性和延展性更好，沖擊韌性滿足Q345D要求。

4)優化成分設計后，晶粒度與原來相比差別不明顯，帶狀組織有所減輕。

[1]啜占軍.使用SiC球降低鋼鐵成本的生產實踐[C].第十七屆全國煉鋼學術會議論文集.杭州:中國金屬學會煉鋼分會出版社,2013:219-222.

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[5]曹蔭之,付俊巖.中國含釩低、微合金化鋼的開發與前景[J].鋼鐵釩鈦,2000,21(3):1-11.

[6]呂瑞國,周洪法,劉小林等.Q345C低合金高強度結構鋼板的試制[J].煉鋼,2004,20(1):50-53.

[7]阮強,程子健.微合金化鋼種成分設計優化減少中厚板軋制缺陷[C].第十五屆全國煉鋼學術會議論文集.廈門:中國金屬學會煉鋼分會出版社,2008:666-671.

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OPTIMIZE THE DESIGN OF THE COMPONENT TO REDUCE THE COST OF HIGH-STRENGTH LOW ALLOY STEEL

Wang CuinaHuang ZhongZhang DajiangShi Chenggang

(Anyang Iron and Steel Stock Co. Ltd)

In order to reduce the cost of high-strength low alloy steel Q345C slab，this paper carried out an experiment to optimize the composition of Q345C. According to the contribution of each element to the strength and the cost of the alloy, the manganese content in steel decreased by 0.30%, added micro alloying element vanadium into the steel, the content of vanadium in steel is controlled in 0.025%～0.035%, the aluminum content in the steel is no longer required, the feeding amount of calcium iron wire was reduced. The results show that the composition system can reduce the content of harmful elements P and S in steel, can improve the center segregation of casting slab, no cracks are found in the corner of the slab, the mechanical properties of steel plate meet the requirements of the national standard, strength is slightly lower than the original steel Q345C, but impact toughness and ductility is better; grain size and compared to the original did not have significant differences, banded structure eased. the cost of alloy reduces 5.3～8.0 yuan per ton steel.

high-strength low alloy steelQ345Cmicroalloyingcost reduation

聯系人：王翠娜，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術中心；2016—4—7