鈦微合金化Q345C中厚板的研制與開發(fā)

于愛民　李　娜　溫　斌

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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鈦微合金化Q345C中厚板的研制與開發(fā)

于愛民李娜溫斌

(安陽鋼鐵股份有限公司)

通過對鈦微合金化技術(shù)的研究，在普通低合金鋼的基礎上添加鈦微合金化元素，結(jié)合板材控軋、控冷技術(shù)控制微合金元素的析出行為，獲得良好的力學性能，在中厚板機組上成功研制出鈦微合金化Q345C鋼，并作為一種低成本的低合金高強度鋼批量應用于中厚板生產(chǎn)。

鈦微合金化Q345C中厚板成分軋制工藝組織性能

0　前言

隨著鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)向優(yōu)質(zhì)高效和低耗方向發(fā)展，微合金元素在鋼鐵產(chǎn)品中的應用越來越廣泛，鈦是鋼中的重要合金元素之一，隨著冶煉技術(shù)的進步，Ti微合金化的低成本以及所產(chǎn)生的優(yōu)異性能日益顯現(xiàn)，導致鈦微合金化具有廣闊的應用前景。近年來，Ti的細晶強化和析出強化作用得到了重視，Ti作為單一微合金元素添加在卷板上得到了大力應用，但在中厚板生產(chǎn)中Ti主要與其他元素一起復合添加，彌補一些其它微合金元素的不足，沒有作為單一元素進行微合金化工藝生產(chǎn)。根據(jù)鈦在鋼中的作用，筆者主要研究中厚板機組鈦微合金化Q345C鋼的開發(fā)與應用。

1　鈦微合金化在Q345鋼的技術(shù)思路

1.1鈦微合金化理論基礎

鈦容易形成氧化物，在脫氧完全的情況下，先后形成氮化物、碳硫化物、碳氮化物和碳化物，在鋼中主要以TiC或Ti(C、N)的形式存在。當鈦含量較低時，鈦首先結(jié)合鋼中的氮，幾乎全部形成TiN，鋼中的硫以MnS形式存在，當含量增加到3.4N%時，開始形成Ti4C2S2，此時MnS和Ti4C2S2共存。當鈦含量增加到可將鋼中的氮和硫全部固定時，MnS全部被Ti4C2S2代替，其沉淀強化作用很小。而鈦含量繼續(xù)增加，多余的鈦與碳結(jié)合形成TiC，細小而彌散的TiC在低溫時析出起沉淀強化作用。

鈦的固溶度非常低，在鋼材Ti含量適宜(0.01%～0.02%)時才能同時滿足各方面的要求。鋼中添加Ti含量范圍不同，對鋼材力學性能的影響機理也不同。已有研究和報道中，鋼中添加的Ti含量以鈦(Ti)/氮(N)=3．42(理想化學配比)為界：當鋼中鈦(Ti)/氮(N)小于3．42時，高溫形成的細小TiN粒子，當鋼再加熱時和熱變形過程中，借助于它們的“溶質(zhì)拖曳”效應，有效阻止奧氏體晶粒的長大[1]；當鋼中鈦(Ti)/氮(N)大于3．42時，多余的Ti以固溶鈦或以細小TiC質(zhì)點形式存在，起到細化品粒和析出強化的作用[2]。

1.2鈦單一微合金化難點

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(>0．04%)才能起到析出強化的作用。但當Ti含量較高時(>0．02%)，在通常的N含量下(約為0．007%)，液態(tài)析出的TiN迅速長大，形成尺寸為幾微米的夾雜，對材料的韌性帶來不利影響[3]。

由于Ti的活性強，易和C、O、S、N反應，影響有效Ti作用的公式Ti(有效鈦)=Ti(全)-3.4N-3S從式中可以看出，鋼中Ti的含量只有超過3.4%N+3%S時，Ti才能與C結(jié)合形成TiC，TiC粒子的析出強化作用才體現(xiàn)出來。當鋼水中的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(wěn)定[4]。

1.3鈦微合金化Q345鋼的技術(shù)思路

雖然鈦微合金鋼性能波動較大，中厚板鈦單獨作為微合金化元素應用也比較少，但已經(jīng)有很多學者對在不同鋼種中單獨添加 Ti 進行了大量可行性研究,表明TiC 對強度提高起到了主要作用[5]。鈦微合金化鋼的關鍵是讓TiC粒子的析出強化作用體現(xiàn)出來，其冶煉連鑄控制和控軋控冷工藝非常重要，必須對氧、氮、硫等元素要嚴格控制，否則連鑄過程中析出的TiN迅速長大，形成尺寸為幾微米的夾雜，對材料的韌性帶來不利影響。

2　生產(chǎn)實驗

2.1生產(chǎn)實驗工藝路線

工藝實驗的生產(chǎn)條件：安鋼第一煉軋廠100 t轉(zhuǎn)爐-LF精煉—2800 mm中厚板軋機。

2.2實驗用鋼成分

考慮鈦微合金元素對強度的貢獻和對韌性的不利影響，鋼種選擇在低合金Q345B、C鋼中加入適量的鈦，冶煉連鑄造過程嚴格控制氮、硫含量，同時降低錳含量，結(jié)合適當?shù)募訜峁に嚒④堉乒に嚭蛯永涔に嚕眯巫冋T導析出，得到彌散細小的TiC，起到析出強化的作用，從而滿足性能要求。試驗鋼化學成分見表1。

表1　試驗鋼化學成分

2.3生產(chǎn)過程關鍵控制

由于該鋼種對N含量有要求，嚴禁大氬氣、長時間攪拌，快速造白渣，硫含量達到要求后，禁止大氬氣攪拌。鈦鐵的加入應在其他合金調(diào)整完畢后加。連鑄要做好全程保護澆注，尤其做好大包到中包保護澆注，要求氬封良好，長水口墊石棉套。為保證鈦的應變誘導析出和析出強化，軋制工藝采用較低的二開溫度和終軋溫度，二開溫度小于920 ℃，終軋溫度750 ℃～860 ℃(根據(jù)鋼板不同厚度設定)。

3　實驗結(jié)果及生產(chǎn)應用

3.1鈦微合金化鋼連鑄坯的質(zhì)量

采用鈦微合金化后鑄坯質(zhì)量得到明顯改善，大大提高探傷合格率。鈦微合金化低合金與碳錳低合金的鑄坯低倍對比如圖1所示。

3.2不同軋制溫度條件下鈦微合金化鋼性能

對比不同軋制溫度條件下，不同規(guī)格鈦微合金化Q345C鋼的性能，從而制定合適的大生產(chǎn)工藝參數(shù)。不同軋制工藝條件下實驗鋼的性能見表2。

(a) 鈦微合金化Q345C

(b) 碳錳Q345C

批號規(guī)格/mm二開溫度/℃終軋溫度/℃Rel/MPaRm/MPaA/%Akv(0℃)/J4M10460MA208658013684863367,67,1074M10460MA2083077537249928126,112,1184M10460LA2586882037248828.586,83,894M10460LA2583479637948228105,96,1064M10460MB1688679434947726.5133,139.1374M10460MB1683979135747225167,162,1574M10460LB408778063314723162,74,824M10460LB4083080233647133109,104,86

由表2可以看出，采用鈦微合金化Q345C鋼性能滿足標準要求，同時配合嚴格的控軋工藝可以提高材料的韌性。

3.3鈦微合金化鋼批量實物性能控制

3.3.1實際生產(chǎn)鈦、硫、氮的控制

根據(jù)鋼中有效鈦的公式從實際生產(chǎn)的鈦、硫、氮含量計算有效鈦和對應性能統(tǒng)計結(jié)果表明(見表3)，鈦微合金化低合金有效鈦至少要在0.018%以上，當鋼水中的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(wěn)定。以公司目前S和N的控制水平，S基本在0.005%，N為0.007%則應加入的鈦為0.058%，較好水平是S在0.004%，N為0.006%則鈦的含量為0.052%。

表3　不同Ti、N、S對應的有效鈦鈦含量及對應性能

圖2屈服強度對比圖

圖3抗拉強度對比圖

圖4延伸率對比圖

圖5沖擊功值對比圖

3.3.2鈦微合金化鋼的實物質(zhì)量

根據(jù)生產(chǎn)實驗和鈦在微合金化鋼中的作用，進行成分調(diào)整和生產(chǎn)工藝優(yōu)化，在中厚板產(chǎn)線成功開發(fā)出鈦微合金化Q345C鋼。通過對鈦微合金化Q345C鋼進行批量統(tǒng)計分析(如圖2～圖5所示)，整體性能較好，并與錳低合金鋼相比，屈服強度略好集中在390 MPa～410 MPa，抗拉強度略低集中在500 MPa～520 MPa，延伸性能與錳低合金鋼相當?shù)^厚規(guī)格延伸略低， 0 ℃沖擊基本在100 J以上但較離散， 30 mm沖擊會出現(xiàn)低值60 J～90 J，比正常低合金鋼沖擊值低，說明鈦對微合金化鋼強度的貢獻但對韌性有一定的影響。

4　結(jié)論

1)采用合適的成分設計和軋制工藝，在中厚板可以實現(xiàn)生產(chǎn)滿足標準要求的鈦微合金化Q345C低合金鋼板。

2)根據(jù)批量生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果表明，鈦對沖擊韌性有一定影響，因此在鈦微合金化生產(chǎn)中必須嚴格冶煉連鑄工藝，嚴格控制氮含量，保證氮的穩(wěn)定和鈦微合金元素的強化作用。

3)低溫軋制有利于改善沖擊韌性。因此在以滿足強度和韌性要求，批量化生產(chǎn)時除保證成分穩(wěn)定外，軋制工藝要嚴格控制。

[1] 黃杰，徐洲．V．Ti微合金鋼的軋后冷卻相變及第二相析出行為[J]．上海金屬．2005，27(1)：14-17．

[2]趙曉婷，宋國斌，李紅斌.Ti含量對碳錳鋼厚板力學性能的影響[J]．熱加工工藝.2012，41(14)：79.

[3]許峰云，白秉哲，方鴻生.低合金高強度鋼鈦微合金化進展[J]． 金屬熱處理，2007，32(12)：29-33．

[4]毛新平. 薄板坯連鑄連軋微合金化技術(shù)[M] . 北京: 冶金工業(yè)出版社,2008:67-162.

[5]周家林, 賴春明, 潘成剛，等.鈦微合金化 Q345R 容器板的強化機理[J]． 鋼鐵釩鈦，2014，35(1)：54-55．

PREPARATION AND DEVELOPMENT OF TI MICRO ALLOYED Q345C PLATE

Yu AiminLi NaWen Bin

( Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd )

Through the study of Ti micro alloying technology, micro alloying elements Ti are added on the basis of ordinary low alloy steel, and the precipitation behavior of micro alloying elements is controlled by controlled rolling and controlled cooling technology to obtain good mechanical properties, the Ti micro alloyed Q345C steel is successfully developed on medium and heavy plate production line. As a low cost low alloy high strength steel, it is used in the production of medium and heavy plate.

Ti micro alloying technologyQ345Cmedium and heavy platecompositionrolling processstructureproperty

民，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；

2016—4—29