鈦微合金化工藝解決鋼卷翹皮缺陷的研究與應用

秦治國，程麗娟

（1.河鋼集團河鋼股份有限公司，河北 石家莊 050023；2.河北卓學公司，河北 石家莊 050023）

Q550E 屬于高強度結構板，主要應用于重要的（低溫）高強度結構件、工程機械、礦山鋼結構件等。高強度結構件、工程機械、礦山鋼結構件用鋼是以C—Mn 鋼為基礎加入Mo、Nb、V、Ti 等微合金元素的低合金高強度鋼。開平過程中，殘余應力在板形影響很大，為了減小或消除殘余應力的影響，板卷在生產過程中多采用平整矯直和熱處理工藝，其工序復雜。河鋼承鋼利用具有得天獨厚的釩鈦資源優勢，在鋼中添加Nb、V、Ti，進行固溶強化，通過控軋控冷處理生產出低成本性能優良的高強板卷。

1 首次生產成分設計及工藝路線

本次生產所遵循的工藝路線是，鐵水預處理（脫硫）→150 t 轉爐提釩（可選）→150 t 轉爐冶煉→LF 精煉→保護澆注→1 780 生產線板坯加熱→高壓水除鱗→粗軋→熱卷箱卷取（可選）→精軋→層冷→卷取→檢驗→包裝→檢斤→入庫。

1.1 首次化學成分設計（如表1 所示）

表1 化學成分設計 %

1.2 冶煉生產過程及控制

冶煉入煉鋼轉爐前半鋼w（S）≤0.040%，化渣時間≤4 min，出鋼前要進行后攪90 s，確保取樣準確。終點成份最佳控制：w（S）≤0.020%，w（P）≤0.010%，w（C）≤0.04%。出鋼鈮鐵、釩鐵等進行合金化，要求100%擋渣出鋼，下渣量≤50 mm。出鋼時間≥5 min。LF 爐精煉，造還原渣精煉，一次加熱后形成白渣，白渣保持時間不低于12 min。鋼液鈣處理，要求m（Ca）/m（Als）≥0.10。弱吹氬過程嚴禁鋼液面裸露，保證弱吹氬時間大于12 min。連鑄執行全程吹氬保護，結晶器液面控制使用自動控制，連鑄機最小拉速控制在1 m/min，拉速波動不大于±0.01 m/min。

本次生產成分控制見表2。

表2 生產成分控制 %

本次生產鑄坯情況，肉眼觀察鑄坯表面振痕較深，且不規則并形成溝狀，鑄坯經軋制后，鋼卷表面存在缺陷，為表面翹皮缺陷，并對生產鑄坯取樣做扒皮試驗，鑄坯表面存在明顯的橫裂紋，實物缺陷形貌如圖1 和圖2 所示。

圖1 翹皮

圖2 鑄坯橫裂紋

對缺陷卷板取樣做金相試驗，金相觀察表明在卷板缺陷處存在較長的裂紋，裂紋中間夾雜氧化鐵，如圖3 和圖4 所示。

圖3 卷板裂紋

圖4 夾雜

2 鑄坯橫裂紋形成的因素

經研究分析此次生產軋制后的卷板表面出現翹皮缺陷的現象，為板坯表面橫裂紋所導致，影響鑄坯橫裂紋形成的因素如下：

1）w[C]為0.10%～0.15%的亞包晶鋼，坯殼厚度不均勻性強，表面易產生凹陷，振痕深，易產生橫裂紋；w[C]為0.15%～0.20%時，振痕淺了，鑄坯橫裂紋減少。

2）鋼中第二相質點的析出，溫度高于1 000 ℃時，鑄坯具有良好的熱塑性；低溫時，鑄坯具有明顯的低塑性區，由于在發生γ→α 相變溫度區，奧氏體晶界析出α 鐵素體薄膜，由于α-Fe 強度僅為γ-Fe的1/4，使變形集中在晶界而產生裂紋。Al 作為常用的脫氧劑，由于AlN 在晶界的析出，增加了鋼的脆性，對鑄坯表面橫裂紋的產生有不利影響，鋼中加鈦可使AlN 質點在晶界變得粗大，改善延性，減輕橫裂紋。

3）Nb 含量分析：鈮作為一種微合金主要目的是用來提高鋼的屈服強度。但是，鈮的加入也帶來了連鑄坯裂紋敏感性，尤其表面橫裂紋，不含鈮鋼第Ⅲ脆性區為900～700 ℃，而鈮的加入使鋼的第Ⅲ脆性區向高溫區移動，鈮可以通過沉淀硬化又可以通過鐵素體晶粒進一步細化來提高強度，形成細小的碳化物和氮化物，抑制奧氏體晶粒的長大。

3 改進并優化措施

針對首次試制Q550E 含鈮鋼特點及生產鑄坯存在的裂紋缺陷，對成分進行優化降低了碳、鈮、釩的含量，在原有成份的基礎上，加入鈦進行鈦微合金化處理，從而解決在軋制后鋼卷表面無翹皮缺陷的問題，關鍵調整點：

1）優化調整成分，嚴格控制鋼水果熱度在15～25 ℃保證鑄機拉速穩定及工藝要點中最小拉速要求，提高鑄坯矯直溫度達到950 ℃以上。

2）減小二次冷卻比水量，保證鑄坯矯直區溫度避開含鈮鋼的第Ⅲ脆性區溫度。

3）控制氮含量（質量分數）在60×10-6以下。

4）w（Als）應在0.01%～0.025%之間。

優化后的生產成分見表3。

表3 優化后鋼種的成分 %

此次生產所遵循的工藝路線與首次相同，不同是在LF 工序生產過程中，加入鈦鐵進行鈦合金化。通過改進優化措施，本次生產鑄坯表面無橫裂紋等其它缺陷，軋制后鋼卷表面質量良好，性能均滿足標準要求。在線取樣和緩冷72 h 后取樣性能良好。從各項檢驗結果來看，與首次試制鋼卷的性能結果相比（見表4），在成品表面質量、冷彎、拉伸、晶粒度和帶狀組織上均有了很大改善。

表4 鋼卷的性能

4 結論

1）高強工程機械用鋼Q550E，通過加入鈦元素進行微合金復合強化，由鈮、釩強化改為鈮、釩、鈦復合強化，在降低了碳含量同時，也避開了亞包晶鋼表面易產生橫裂紋的區域。

2）降鈮含量，鈮作為一種微合金主要目的是用來提高鋼的屈服強度。但是，鈮的加入也帶來了連鑄坯裂紋敏感性，尤其表面橫裂紋，NbC NbN 的析出溫度為950 ℃，正好落在奧氏體相低溫區域，導致鑄坯的高溫延申性變差。

3）加鈦，鋼中加鈦進行鈦合金化處理，可以改善奧氏體低溫區的塑性，能夠減輕含鈮鋼的脆化，可使鋼中AlN 質點在晶界變得粗大，改善延性，減輕橫裂紋。用Ti 固定N 生成粗大的TiN 質點，從而改善鋼種的裂紋敏感性，且使鋼材具有良好的焊接性及其他的優質的特殊性能。