新型低碳鈦微合金化Q460MC 鋼板生產實踐

付中原，鄭 磊

（河北普陽鋼鐵有限公司，河北056305）

0 引言

2019 年2 月1 日，在低合金鋼生產領域極為重要的標準之一，GB/T 1591-2018 正式實施，取代執行多年的GB/T 1591-2008。新標準參照ISO 630 及EN 10025 進行修訂，改動巨大，在600 MPa 級高強鋼板Q460 方面，取消了熱軋、控軋的交貨狀態，取而代之的是全新技術標準的熱機械軋制Q460MC 鋼。新舊標準Q460 級的主要化學成份對比如表1 所示，其中對工藝設計影響最大的是C 含量的上限發生明顯改變，由08 版的≤0.20%，下調至18 版的≤0.16%，這意味著傳統0.16～0.20%的高碳設計思路不再適用，整個Q460 級的生產體系需要重新建立[1，2]。

目前，高強鋼市場競爭日益激烈，成本的控制變得尤為重要，特別是2018 年釩合金價格大幅上漲以來，造成長期以釩作為主要合金添加的Q460 級鋼板成本居高不下。以鋼中加入0.050%的V 進行計算，最高時僅釩合金一項噸鋼增加成本就近400 元。為了品種的良性發展，普陽鋼鐵在新標準實施之際，展開了新型低碳鈦微合金化Q460MC 的開發研究。

本文主要介紹普陽鋼鐵新型低碳鈦微合金化Q460MC 鋼的開發研究，以及Q460MC 生產8～30 mm 鋼板的工藝和性能特點。通過添加適量的鈮、鈦微合金元素，采用適合的控軋控冷工藝以及軋后堆垛緩冷控制，保證了Q460MC 各項性能優異、滿足了用戶的需求。

1 低碳鈦微合金化鋼Q460MC 的研究與開發

1.1 鈦微合金化鋼的研究分析

Ti 作為鋼中主要強化元素具有更高的性價優勢：一是，相比釩微合金化鋼，鈦微合金化具有很高的經濟性；二是，Ti 能夠改善材料的焊接性能，變質鋼中硫化物、改善材料的橫縱向性能差異，提高冷成型性；三是，Ti 含量較高時，配以合適的熱加工工藝，能形成彌散細小的TiC，起到析出強化的作用[3]。

表1 新舊標準Q460 級的主要化學成份對比 /%

1.2 低碳鈦微合金化鋼Q460MC 的開發

普陽鋼鐵具有豐富的鈦微合金化低合金鋼的生產經驗。公司多年來對Ti 元素的作用機理進行了一系列的深入研究，能夠穩定的對鋼中Ti 含量進行控制。為了降低TiN 大顆粒夾雜對低溫沖擊性能的影響，在鈦微合金化鋼Q460MC 的開發初期，即制定了低C、低N 的設計思路，對原輔料、轉爐吹煉、出鋼、精煉、連鑄保護澆注等工序均有進行嚴格管控制度，常規低合金品鋼種N 含量能夠穩定控制在40 ppm 以內。同時，在鑄坯與凝固過程中，通過適當增大冷卻速度，可使Ti 的析出物在奧氏體晶內細小彌散均勻的析出，小顆粒鈦的碳氮化物，在重新加熱時溶解在鋼中，在軋制及隨后的冷卻過程中析出，有利于鋼材強度的提高和降低粗大TiN 顆粒的比例[4]。

1.3 Q460MC 鋼的主要技術指標

1.3.1 化學成份

以Q460MC（8～30 mm）的中板為例，結合新的標準確定其化學成份要求，見表2。

1.3.2 力學性能

Q460MC（8～30 mm）中板的主要力學性能要求見表3。

表2 Q460MC（8～30 mm）的化學成份要求 /%

表3 Q460MC（8～30 mm）中板主要力學性能要求

2 Q460MC 中板的生產工藝設計

2.1 工藝路線設計

鐵水預處理→轉爐冶煉→LF 爐精煉→板坯連鑄→板坯清理→板坯加熱→3 500 mm 雙機架機組軋制→超快冷→矯直→堆垛緩冷（≥16 mm）→表面檢查→檢驗→入庫。

2.2 內控化學成份設計

2.2.1 碳、錳成分控制

為了保證鋼板具有良好的韌性和焊接性能，同時避開易產生鑄坯縱裂敏感的0.11～0.15% C 含量的范圍，采用低碳的成份設計，將C 含量控制在0.07～0.10%之間。錳是低合金鋼主要的固溶強化元素，而且能夠促進TiC 的析出，但錳含量過高會導致中心偏析加劇，因此將錳控制在1.30～1.50%之間。

2.2.2 Nb、Ti 微合化

在Q460MC 鋼中添加適量的Nb、Ti 微合金元素。一方面Nb、Ti 微合金元素可形成細小的碳氮化物，在高溫階段抑制奧氏體晶粒的長大，通過抑制奧氏體的再結晶從而細化晶粒；另一方面，在控軋過程中Nb、Ti 的碳氮化物析出，能夠增加細晶強化、沉淀強化的作用，提高鋼的強度和韌性。

2.2.3 CEV 的控制

采用低碳的成份設計，整體CEV 可以穩定控制在0.35%以內，能夠大幅度降低焊接預熱溫度或實現免預熱焊接，同時鈦的加入能夠有效細化焊接接頭熱影響區晶粒，提高焊接性能[5]。

2.3 TMCP 工藝設計

TMCP（Thermo Mechanical Controlled Processing：熱機械控制工藝）技術是以控制軋制和控制冷卻技術相結合為特點的。普陽鋼鐵3 500 mm 雙機架中厚板生產線擁有先進的軋制設備和軋后超快冷系統，能夠保障奧氏體再結晶區高溫大壓下工藝與未再結晶區控制軋制工藝的實施。

鋼板經過兩階段控制軋制后，隨即進入超快冷系統進行冷卻，阻止變形奧氏體長大及碳化物的過早析出，固定變形引起的位錯，增加相變過冷度，細化鐵素體晶粒[6，7]。快冷后的鋼板經矯直快速下線堆垛，以降低鋼板冷卻速度，阻止鋼板中心形成硬化的馬氏體或貝氏體組織，釋放應力、提高塑性、防止鋼板分層[8，9]。

3 Q460MC 鋼板生產實驗

3.1 熔煉成份控制

Q460MC 鋼板實驗爐次熔煉成分如表4 所示。從表4 可以看出，試驗爐號4190 與4191 的熔煉成分完全符合表2 Q460MC（8～30 mm）的主要化學成份要求。

表4 Q460MC 試驗爐次熔煉成份 /%

3.2 鋼坯加熱溫度控制

試驗爐號4190 與4191 分別軋制成厚8、12、16、25、30 mm 規格，鋼板寬度均為2 500 mm。不同爐號相同規格加熱與軋制工藝保持一致。

采用常規微合金鋼加熱工藝，步進爐加熱，最高加熱溫度為1 300 ℃，均熱段溫度為1 180～1 250℃。熱送鋼坯在爐時間不低于7 min/cm，冷裝鋼坯不低于9 min/cm，以保證鈮鈦微合金元素在奧氏體中的充分溶解。同時要避免加熱溫度過高造成的奧氏體晶粒過分粗大問題。

3.3 控軋控冷工藝控制

采用兩階段軋制：Ⅰ階段軋制采用高溫大壓下，開軋溫度為1 050～1 100 ℃，終軋溫度高于950 ℃，最后兩道次壓下率不低于18%，使奧氏體晶粒反復再結晶；Ⅱ階段軋制工藝同常規低合金鋼控制軋制工藝，開坯厚度2.5～3.0 倍，終軋溫度為780～820 ℃，并隨厚度提高而降低；軋后隨即進入超快冷進行冷卻，返紅溫度目標620±10 ℃；經矯直后，≥16 mm 鋼板快速通過冷床下線堆垛緩冷，緩冷時間24 h 以上。

4 試驗結果及分析

4.1 金相組織分析

選取8 mm、30 mm 中厚板進行金相組織分析對比。

（1）圖1 為放大100 倍的兩個試驗爐號軋制的8 mm 板典型金相組織對比，（a）圖為8 mm（4190-1）鋼板的基體組織；（b）圖為8 mm（4191-1）鋼板的基體組織。

從圖1 可以看出，（a）圖為F+P 組織，其組織晶粒度為10～10.5 級，（b）圖為F+P 組織，其組織晶粒度為9.5～10 級。兩個試驗爐號軋制的8 mm 鋼板組織均十分細小且較為均勻。

（2）圖2 為放大100 倍的兩個爐號軋制的30 mm板典型金相組織對比，（a）圖為30 mm（4190-5）鋼板的基體組織；（b）圖為30 mm（4191-5）鋼板的基體組織。

圖1 8 mm Q460MC 金相對比

圖2 30 mm Q460MC 金相對比

從圖2 可以看出，（a）圖基體為F+P 組織，其組織晶粒度為9～9.5 級，（b）圖基體為F+P 組織，其組織晶粒度為9.5～10 級。兩個試驗爐號軋制的30 mm 鋼板組織均十分細小且較為均勻，邊部均為F+P+B 組織。

4.2 常規力學性能分析

根據GB/T 1591-2018 《低合金高強度結構鋼》、GB/T 2975-2018《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》、GB/T 228-2010《金屬拉伸試驗方法》及GB/T 229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》，在鋼板寬度方向1/4 處取樣，拉伸試驗為橫向全厚度板狀試樣，沖擊方向為縱向。表5 為試驗鋼Q460MC 的常規力學性能。

從表5 可以看出，首先兩個試驗爐號軋制的8～30 mm 鋼板性能均符合Q460MC 標準要求，且強度和沖擊有充足的富余量，延伸率整體呈從薄到厚逐漸降低的趨勢，符合板狀試樣延伸率隨厚度（截面積）的變化規律，滿足標準要求。

表5 試驗鋼Q460MC 常規力學性能

其中，8 mm 高強度鋼板屬于常規中厚板生產極限，其軋制過程中變形抗力大，板形控制難度高，因此二階段工藝開軋溫度較高，限制在1 000±10 ℃；而從12 mm 開始，隨著板形控制難度下降，二階段開軋溫度要求大幅度降低，12 mm 為930±10 ℃。從沖擊性能可以看出，8 mm 的沖擊功低于≥12 mm 規格，這符合薄板的性能規律。8 mm 鋼板小尺寸沖擊試樣平均值在70～80 J，折合10×10 mm 標準試樣沖擊功為140～160 J，相對標準≥34 J 仍有足夠富余量。

從性能上看，一方面，鈮鈦微合金化代替傳統鈮釩微合金化的策略，彌補了過去的高碳變為低碳體系時的強度損失；另一方面，采取低碳體系的設計和兩階段控軋控冷的工藝策略，保證了加鈦鋼低溫韌性的穩定。由金相組織分析可以看出，8 mm 和30 mm 鋼板組織晶粒度均十分細小且均勻，研究表明細化晶粒對鋼板強度與低溫沖擊韌性均有很強的提高作用；當軋制溫度降低時，通過增加變形帶和位錯，增加了更多的鐵素體形核點，從而晶粒得到了細化，細晶強化效果提升，增加了大角度晶界的比例，有效地抑制微裂紋的擴展，從而提高沖擊韌性[10]。

5 結論

（1）新型低碳Q460MC 鋼板采用低碳高錳的成份體系，通過添加適量的鈮、鈦元素，代替傳統高強鋼鈮、釩元素組合，生產成本明顯降低，同時在實際控制中，C 含量穩定控制在0.10%以下，碳當量CEV穩定控制在0.35%以下，大幅度提高焊接性能。

（2）采用TMCP 工藝，利用兩階段控制軋制與軋后超快冷工藝的實施，充分細化鐵素體晶粒，鋼板晶粒度保持在9 級以上，提高了強度與韌性。鋼板矯直后快速下線堆垛，可以減緩鋼板后期冷卻速度，防止鋼板分層，同時提高塑性。

（3）從工藝設計合理性及各項理化檢測數據上可以看出，普陽鋼鐵生產的新型低碳Q460MC 產品質量優良，完全符合GB/T 1591-2018《低合金高強度結構鋼》的生產標準，滿足用戶需求。