Q345R鋼正火工藝優化研究

王 偉，何書亮

（蕪湖市特種設備監督檢驗中心，安徽蕪湖 241002）

0 引言

Q345R 鋼屬低合金高強度鋼，是生產壓力容器的主要材料，廣泛應用于儲氣罐、氣瓶、反應器、換熱器等壓力容器的制造。這種鋼具有高強度、高韌性、良好的耐蝕性及良好的焊接性能和冷成型能力，在0 ℃下的沖擊功達到41 J[1，2]。

Q345R 鋼的生產過程主要有冶煉、模鑄、熱軋3 個過程，高質量的Q345R 鋼板還需要進行正火熱處理[3，4]。某壓力容器材料制造單位正火熱處理生產線采用輥底式熱處理爐加熱，該種熱處理爐可進行分段控制加熱。鋼板從室溫狀態進入爐溫750 ℃爐內，然后分段加熱至910 ℃，進行910 ℃正火熱處理，允許有±5 ℃偏差。Q345R 鋼正火熱處理工藝參數見表1。其中，H 為鋼板厚度，單位為mm。

根據對該材料制造單位熱處理生產情況的調查發現，制約產能的主要問題是現有的正火工藝雖能保證產品合格率，但工藝能力過剩，熱處理周期較長。在保證材料組織及性能滿足要求的前提下，如果能縮短熱處理在爐時間，不僅可以提高生產效率，而且可以節約大量能源，具有巨大的經濟效益和社會效益。

表1 Q345R 鋼正火工藝參數

1 實驗材料

正火工藝實驗材料取自該單位Q345R 鋼熱軋鋼板，化學成分滿足GB 713—2014 要求，如表2 所示。

表2 Q345R 鋼化學成分（質量百分比/%）

2 試驗內容與方法

2.1 保溫時間的優化

Q345R 通常在控制軋制后進行正火熱處理，正火前成分與組織的均勻性較好。熱處理的主要目的是細化晶粒與組織，同時利用重結晶過程消除熱軋中產生的某些缺陷，基本不考慮成分均勻問題，而奧氏體形核與長大過程通常很短。原正火工藝的保溫時間為（1×H）min，優化實驗選擇（0.9×H）min 和（0.8×H）min 兩個保溫時間進行短時保溫實驗，根據實驗結果，選擇合適的保溫時間對正火工藝進行優化。

2.2 大升溫速率試驗

利用大型熱處理試驗爐模擬大升溫速率加熱，對Q345R 鋼板在快速升溫時表面與內部質量、尤其是裂紋狀況進行研究，最終對提高Q345R 升溫速率的可行性進行判斷。重點研究：①大升溫速率對顯微裂紋形成的影響；②大升溫速率對熱處理組織的影響；③大升溫速率對力學性能的影響。

2.3 正火工藝試驗過程

試樣選用38 mm 厚Q345R 熱軋態試樣。取4 塊試樣，按1～4 編號，然后按照表3 所示工藝進行910 ℃正火熱處理試驗。

表3 優化前后的正火工藝

其中，1 號試樣不做正火處理，用作觀察正火前顯微組織。2號試樣按原工藝從室溫狀態進入爐溫750 ℃熱處理爐內，分段加熱至910 ℃進行正火熱處理。3 號、4 號在縮短了升溫時間和保溫時間后，為獲得大升溫速率，直接進入910 ℃熱處理爐內進行正火處理。

2.4 顯微組織比較

圖1 為1～4 號試樣心部顯微組織照片，圖2 為4 號試樣不同位置顯微組織照片。從圖1 可知：正火前和正火后均出現鐵素體-珠光體帶狀組織。從圖2 可知：4 號試樣從表面和心部各個方向（橫向、軋向、縱向）觀察均無顯微裂紋產生，表明試樣直接進入910 ℃溫度場正火熱處理不會因大升溫速率而造成顯微裂紋的產生。

圖1 1～4 號試樣心部顯微組織

根據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》測定各試樣晶粒度如表4 所示。

圖2 4 號試樣不同位置顯微組織

從表4 可知，試樣正火前，晶粒度為9 級。按3 種不同工藝正火后試樣晶粒度均為9.5 級。3 種工藝正火后鐵素體晶粒與珠光體晶團尺寸明顯小于正火前，組織的均勻性也得到顯著改善。

表4 1～4 號試樣不同位置晶粒度

2.5 力學性能比較

按表3 所示工藝正火后，根據GB/T 228.1—2010 及GB/T 229—2007要求，在1～4 號鋼板上分別制取標準拉伸試樣和沖擊試樣，在萬能試驗機上進行力學性能測試，在擺錘試驗機上測定0 ℃溫度下鋼板的沖擊性能。結果如表5 所示。其中，a 是試樣厚度，mm；d 是彎心直徑，mm。

力學性能數據顯示，3 號試樣與1 號試樣相比，屈服強度降低了60 MPa；抗拉強度降低了20 MPa；斷后伸長率提高了5.5%；0 ℃沖擊性能提高了36 J；180°彎曲試驗結果合格。正火后的材料擁有良好的強韌性匹配。

4 號試樣和1 號試樣相比，屈服強度降低了65 MPa；抗拉強度降低了25 MPa；斷后伸長率提高了5.5%；0 ℃沖擊性能提高了30 J；180°彎曲試驗結果合格。正火后的材料擁有良好的強韌性匹配。

表5 Q345R 試樣力學性能

3、4 號試樣和2 號試樣相比，各項力學性能波動幅度很小，可以認為2，3，4 號試樣的綜合力學性能無明顯差異。

通過試樣綜合力學性能比較可知：正火工藝優化后，試樣各項力學性能均能滿足要求，說明優化后的熱處理工藝完全滿足試樣的力學性能要求，其中優化后工藝2 的熱處理在爐時間更短，生產效率更高。

2.6 應用

該材料制造單位在完成熱處理生產實驗測試后，現已按照優化后工藝2 方案生產38 mm 厚該規格產品，Q345R 鋼采用優化后的工藝進行910 ℃正火熱處理時，鋼板直接進入爐溫910 ℃輥底式熱處理爐，升溫時間統一由（1.45×H）min 降低到（0.9×H）min，保溫時間由（1×H）min 降低到（0.8×H）min，鋼板正火后無顯微裂紋產生，顯微組織及各項力學性能均能滿足生產要求，在爐加熱時間縮短了30.6%。不僅提高了生產效率，而且達到了節能減排的效果。

3 結論

（1）試驗結果表明，優化后的兩種正火工藝均能滿足Q345R 鋼的顯微組織及力學性能要求。

（2）按優化后工藝2 進行正火熱處理，Q345R 鋼在爐加熱時間縮短了30.6%，不僅提高了生產效率，而且達到了節能減排的效果。