高強度Q370q橋梁鋼TMCP生產工藝開發

任繼銀

（山東鋼鐵股份有限公司營銷總公司，山東 濟南271104）

1 前言

隨著大型鋼結構橋梁向全焊接結構和高參數方向發展，對橋梁結構的安全可靠性要求越來越嚴格，從而對鋼板質量提出了更高的水準，不僅要求鋼板高強度以滿足結構輕量化要求，還應具有優良的低溫韌性、焊接性和耐蝕性等，以滿足鋼結構的安全可靠、長壽等要求。Q370q是較高質量等級橋梁結構用鋼板，具有較高的強度、優良的低溫沖擊韌性和良好的焊接性能，并且具有一定的耐候性，綜合性能表現良好，主要應用于建設鐵路、公路、跨海及跨江橋梁等大型工程。通過采用低碳微合金＋TMCP（控軋控冷）生產設計，旨在提高Q370q鋼板焊接、防腐和抗疲勞能力，相對目前正火生產工藝而言，減少一道熱處理工序，進一步降低生產成本，使產品向低碳、低耗、低排、高質生產方式發展。

2 Q370q鋼產品技術要求

Q370q鋼產品執行國家標準GB/T 714—2015或技術協議要求，化學成分及力學性能要求如表1表2所示。

表1 Q370q鋼化學成分要求（質量分數）%

表2 Q370q鋼力學性能要求

3 Q370q鋼生產工藝設計

3.1 工藝路線

Q370q鋼所采用的生產工藝路線：KR脫硫→轉爐冶煉→LF→RH→CCM→鑄坯切割定尺→緩冷→板坯加熱→高壓水除鱗→軋制→（水冷）→矯直→探傷→切割→（回火）→檢驗、噴號→入庫。

3.2 化學成分設計

采用微合金化中碳或中低碳成分設計，添加微量Nb或Nb、V合金元素，采用熱機械軋制工藝生產，獲得的組織為鐵素體＋珠光體。作為低合金橋梁鋼板，要求具有足夠的強度，以及足夠的韌性，使之體現出良好的機械性能，同時還應具有良好的焊接性能，以滿足工藝要求。

Q370q鋼化學成分設計的具體要求如下：

（1）降低碳的含量，可以極大地滿足提高焊接性能的要求，并降低碳化物對韌性的影響。但碳的含量不宜太少，要足以與Nb、Ti發生反應，生成足夠的碳氮化物，以保證取得理想的控軋控冷效果和較低的生產成本。

（2）隨著碳含量的降低，必然導致鋼材的強度下降，為此，對于固溶強化力強、能提高材料強度、同時對焊接性能影響較小的硅含量適當提高。

（3）錳是重要的強韌化元素，主要起固溶強化作用。在一定含量范圍內，鋼的強度隨錳含量的增加而提高，同時脆性轉變溫度下降。錳還具有降低相變溫度的作用，可以防止相變后晶粒的長大，有助于晶粒細化，因此，橋梁鋼中錳含量為中偏上。

（4）鋼中加入微量鈦，作用是使鋼中生成細小彌散的TiN沉淀，對高溫下奧氏體晶粒的長大起阻礙作用，達到細化晶粒的目的，還起到析出強化的作用。

（5）鈮是取得良好控軋控冷效果的最有利元素，它在加熱和冷卻過程中形成的碳氮化物可以阻止奧氏體晶粒長大，提高再結晶溫度，有利于控冷后得到細小的貝氏體組織。加入Nb一方面使鋼中Nb、C、N、B之間有相互作用，在應變誘導下形成彌散的顆粒，從而提高再結晶終止溫度，實現控軋目的；另一方面Nb（CN）的析出也可使鋼強化。

通過成分設計，希望獲得細晶組織，并在Nb、V、Ti元素的析出強化作用下，使鋼達到合適的強度、晶粒度，高的韌性和焊接性能要求［3］。成分控制如表3所示。

表3 Q370q鋼熱機械軋制態的化學成分（質量分數）%

4 Q370q鋼生產控制要點

4.1 轉爐冶煉控制

橋梁鋼對鋼水純凈度要求較高，生產時需要嚴格控制鋼中S含量和P含量［4］。為此，在轉爐冶煉過程中，入爐鐵水全部采用鎂粒進行預脫硫處理，盡可能降低硫的含量，鐵水硫控制在0.004%以下。脫硫完畢鐵水包扒渣裸露面積＞90%，直接兌入轉爐。轉爐采用頂底復吹冶煉技術，對冶煉過程各個階段進行精細劃分，確定各階段的供氧強度和底吹（N2、Ar）強度的合理配比以及科學的造渣制度，通過槍位的精確控制，早化渣，化好渣，終渣堿度控制在3.5～4.0，有效地保證了出鋼P≤0.010%，S≤0.010%，準確控制轉爐出鋼溫度，確保一次拉碳，避免氧槍重復點吹，大大減輕鋼水過氧化，降低了鋼水中的夾雜物含量。

4.2 LF控制

利用LF進一步脫硫，脫氧、去夾雜，調整鋼水成分和溫度，獲得良好的精煉效果。鋼水進站預吹氬，渣面加鋁粒，采用石灰、復脫、鋁粒、螢石等渣料造還原渣。嚴格控制終渣成分，造高堿度，低氧化鐵，熔點合適，具有強脫硫及吸附夾雜能力的還原渣。橋梁鋼板韌性要求高，對鋼的潔凈度要求高，實際生產中充分利用LF精煉有利的熱力學和動力學條件，將S含量控制在0.004%以下，同時充分去除夾雜和降低鋼中的氧含量。部分合金加入情況見表4。

表4 合金添加實績 kg

4.3 RH控制

RH精煉過程中，鋼水受氬氣泡的驅動，經過上升管進入真空槽中進行長時間、高真空度、強制脫氣，有效地降低鋼水中氮、氫、氧氣體和夾雜物含量。經過長時間的真空循環脫氣，可使［N］≤0.004%，［H］≤0.00015%，T［O］≤0.002%。鋼水在經過真空槽循環脫氣的同時，鋼水中的夾雜物也不斷碰撞，持續長大，加快了夾雜的上浮速度，極大地減少了鋼水中夾雜物的含量。鋼水真空脫氣完畢，為改善鋼水質量，向鋼水喂入鈣鐵線對氧化物和硫化物等非金屬夾雜物進行變性處理，使簇狀Al2O3變性為鈣鋁酸鹽，其在煉鋼溫度下呈液態，易于上浮去除或以球形夾雜形式均勻地分布在鋼中，條狀MnS夾雜在轉變為球狀CaS類復合夾雜，可明顯改善橋梁鋼板的低溫沖擊韌性。

4.4 連鑄工藝控制

中間包加低碳覆蓋劑、加蓋保護，使鋼水與空氣隔絕，避免二次氧化，控制好中間包液面，開澆時液面高度≮300 mm，嚴禁低液面澆注，防止卷渣。

中間包至結晶器采用浸入式水口并采用氬封保護。結晶器液面控制平穩，選擇合適的保護渣，做到少加、勤加、均勻加入，保證保護渣良好覆蓋液面，使鋼液面不暴露于空氣中，避免鋼中化學元素與空氣發生二次氧化而導致鋼中夾雜物增加，并吸附鋼水中上浮的夾雜。

二冷設備保證不漏水，輥子轉動自由，扇形段對中良好，二冷噴嘴霧化效果良好，無堵塞現象。在生產操作中，水口嚴格對中，開澆緩慢、均勻地提高拉速。提至目標拉速后，實行自動控制，同時密切觀察結晶器液面波動情況，逐步穩定拉速，從而減少鑄坯中的夾雜，并避免卷渣和鑄坯出現裂紋，保證鑄坯質量。

4.5 加熱工藝控制

鋼坯的最高加熱溫度決定著奧氏體的原始晶粒度和合金元素的固溶程度，并直接影響鋼板的最終性能。加熱要使鋼坯受熱均勻，而且微合金元素完全溶解，為了防止奧氏體晶粒過度長大以及過燒等情況發生，加熱溫度不能過高，保溫時間不能過長。當奧氏體中固溶Nb增加時，可以觀察到奧氏體再結晶終止溫度顯著提高，所以在較高的溫度區間就可以獲得控軋效果。加熱溫度對Nb（C，N）和Ti（C，N）的固溶量有很大影響，在Nb（C，N）和Ti（C，N）能夠固溶的范圍內盡量采用低溫加熱。大量資料表明，Nb（C，N）完全固溶的溫度為1150～1200℃。但加熱溫度過低，將存在部分未固溶微合金碳氮化物，它們不可能產生阻止奧氏體再結晶的作用。加熱溫度過高，則使奧氏體晶粒顯著粗化，由于形變晶粒細化效果與初始晶粒尺寸有密切關系，因此粗大的奧氏體晶粒將削弱形變晶粒細化效果。根據鋼種特點，結合產品厚度規格，對加熱溫度進行嚴格控制，為獲得良好性能的產品提供前提條件，具體溫度設定和控制見表5。度、韌性和焊接性能的目的。從圖1和圖2可以看出，控軋控冷工藝控制較好且穩定。

圖1 Q370q 36～40 mm軋制控制實績

圖2 Q370q 36～40 mm水冷實績

表5 Q370q鋼加熱溫度控制

4.6 控軋控冷

采用兩階段控制軋制（γ再結晶區＋γ未再結晶區）。為了細化鐵素體晶粒，在奧氏體再結晶區粗軋時進行多道次大變形量軋制，保證大的壓下率，使奧氏體晶粒充分破碎，同時保證粗軋的結束溫度處于完全再結晶區，不能進入部分再結晶區，以避免產生混晶組織。當累積壓下率＞80%時，奧氏體晶粒尺寸收斂于20μm。精軋階段在奧氏體未再結晶區進行，增加精軋累積壓下率，可使奧氏體晶粒充分壓扁，在晶粒內部形成滑移帶，提供更多的形核位置。控制精軋壓下率將顯著提高鋼的強度尤其是屈服強度，細化晶粒，改善韌性。軋后快速冷卻可提高鋼的強度，并且是得到細小晶粒的關鍵，鈮固溶體是促使低溫相變的成功要素，較高的冷卻速率可以細化顯微組織，提高鋼的強度。具體控制要點如下。

1）粗軋。粗軋階段處在奧氏體再結晶區域，為了使奧氏體晶粒能夠充分細化，粗軋采用盡量少的道次，盡量保證至少有2個道次壓下率不低于15%。

2）控軋控冷。鋼板采用控軋控冷工藝，通過對金屬變形制度和溫度制度的合理控制，使熱塑性變形以獲得細小奧氏體晶粒，從而達到提高鋼的強

5 產品性能分析

5.1 力學性能

對生產的Q370q鋼板進行拉伸和沖擊力學性能進行檢測，結果表明：鋼板屈服強度集中在490～560 MPa，平均527 MPa；抗拉強度630～660 MPa，平均647 MPa；斷后伸長率21.5%～23.5%，平均值22.4%；沖擊功值集中在250～290 J，平均值270 J。從以上力學性能結果可以看出，鋼板的性能波動小，綜合性能優良。

5.2 低倍檢測

低倍試樣是利用火焰切割沿拉坯方向從鑄坯上直接截取長度為100 mm左右的全斷面試樣，并對斷面進行加工，然后用冷酸對其進行酸洗實驗，對比連鑄板坯低倍組織缺陷評級圖進行評級。低倍檢驗結果顯示鑄坯低倍組織良好，偏析C級0.5，未發現中間裂紋、中心疏松、針孔氣泡等缺陷。

5.3 組織形態和斷口形貌

組織以多邊形、針狀鐵素體為主，存在少量珠光體，且彌散分布，晶粒尺寸8～10 um，大小均勻。用電鏡觀察，斷口為韌性斷口，存在大量韌窩，部分窩底有極少量準解理斷裂區域，呈河流花樣，但支流多、曲折，說明裂紋在擴展過程中不斷變換方向，受到阻力大，裂縫擴展困難，韌性好。