熱機軋制Q460系列薄鋼板性能穩定性工藝優化實踐

胡智慧，韓德川

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

Q460屬于低合金高強鋼系列，是在碳素結構鋼的基礎上加入少量的Mn、Si以及微量的Nb、V、Ti、Al等合金元素而發展起來的一類工程結構用鋼。隨著社會經濟的高速發展，高層建筑、跨海橋梁、深海采油平臺及水電站等大型或超大型基礎設施的建設和設備制造大型化的發展，超薄規格鋼板的需求量越來越大。低合金高強度結構鋼能滿足工程上各種結構（如大型橋梁、壓力容器及船舶等）承載大的要求，同時又要求減輕自重，提高可靠性，以及節約材料和資源的等訴求。隨著社會的發展，高強度低成本輕量化將是設計潮流，在社會生活中的應用將越來越廣泛，并將逐步體現出強大的優勢。本文通過對Si、Nb、V等微合金化調整，以及熱機軋制工藝控制，論述薄規格Q460系列鋼板性能穩定性控制、改善板形質量、提高成品合格率的工藝條件。

目前，某廠生產的Q460系列鋼板，采用中碳微合金化熱機軋制，對于薄鋼板來講，板形控制和性能穩定性一直是制約交貨速度的關鍵因素。為了保證軋制成品合格率，滿足快速優質交貨，特根據現有成分和工藝條件，對薄規格Q460系列鋼板的生產進行細微修改和優化。

2 化學成分和工藝試驗設計

某廠采用的為中碳微合金化鋼板，具體化學成分見表1。

表1 中碳微合金化鋼板化學成分（質量分數） （%）

采用以上成分軋制≤16mm厚度鋼板，出現了屈服強度偏低、抗拉強度超要求上限或伸長率低等性能不合格等現象，并且由于采用TMCP控軋控冷工藝，部分鋼板快冷之后板形質量較差，熱矯和冷矯等均無法有效矯直，成品合格率較低，極大地制約了交貨速度。

通過對長期的生產數據進行擬合，發現鋼板力學性能與開軋溫度、終軋溫度，以及快冷后的返紅溫度之間存在一定的關系，如圖1、圖2所示。

圖1 屈服強度與開軋、終軋和返紅溫度的擬合值

圖2 抗拉強度與開軋、終軋和返紅溫度的擬合值

3 軋制工藝條件對鋼板性能的影響

采用2250m m×260m m斷面坯料，軋制8～16mm等厚度規格，軋制總長度約60m，為了解精軋軋制工藝條件對鋼板性能的影響，針對以上經驗數據，做了如下2組對照，見表2。

表2 精軋軋制工藝條件

試驗對照組1：出爐溫度1180℃，在爐時間3～3.5h，精軋開軋960～970℃。

試驗對照組2：出爐溫度1200℃，在爐時間3～3.5h，精軋開軋920～930℃。

兩組對照組力學性能檢測結果見表3。

表3 試驗對照組的力學性能檢測值

從試驗結果可看出，兩組坯料在不同開軋溫度下，軋制后取頭部和尾部試樣進行力學性能試驗，對照組1頭部和尾部力學性能檢測均不合格；對照組2頭部和尾部物理性能檢測合格，但裕量不高。另外，因對照組出爐溫度較低，終軋過程溫降較大，尾部終軋溫度與頭部相差40℃左右，所以導致頭尾性能差異也較大，而試驗對照組2出爐溫度較高，鋼板頭部與尾部終軋溫度溫差較小，力學性能差異也較小。選取力學性能檢測差異大的試驗對照組2的頭部與試驗對照組1的尾部進行金相組織檢測，如圖3所示。

從圖3可看出，試驗對照組1頭部晶粒較試驗對照組2尾部晶粒細小，但頭部和尾部晶粒大小的均勻性都較差，存在一定的混晶，這是導致力學性能較差的原因。

圖3 兩組試驗組頭部和尾部金相組織

根據細晶強化理論，細化晶粒是唯一能提高塑性和韌性的機理。由于相鄰晶粒取向不同，滑移至晶界時位錯被阻擋并在晶界前形成塞積，而塞積位錯應力場的強度與塞積位錯的數目及外加應力大小相關，且塞積位錯的數目又與晶粒尺寸有關，晶粒尺寸越大，位錯數目就越多，所以達到相同強度的應力場時，細小晶粒中塞積位錯數目少，所需的外加切應力就大，這便是細晶粒的強化作用[1]。

Nb在鋼中的作用就是提高奧氏體的再結晶溫度，從而達到細化奧氏體晶粒的目的。一般鋼中wNb≤0.05% ，當wNb＞0.05%時，Nb對強韌化的貢獻將不再明顯，因此微量的Nb足可使鋼得到極好的綜合性能。因為在低Nb濃度下，鋼的屈服強度增長較快，并且和濃度成正比，所以當wNb＞0.03%時，強化效果就開始降低。有研究表明 ，當wNb＞0.06%時，多余的Nb對鋼將不再有強化作用[2]。

根據相關的經驗計算公式，可知該鋼的未再結晶溫度約為890℃，而在保證軋制的安全穩定以及軋機的軋制力扭矩的限制條件下，實際生產≤16mm規格鋼板時，開軋溫度一般應≥930℃，甚至軋制更薄、更寬規格或者增加成品長度軋制時，開軋溫度還要提高，才能保證軋制安全穩定。

為了解決開軋溫度與理論上未再結晶溫度重疊，導致軋制時產生混晶或晶粒大小不均勻的問題，故對化學成分又進行了調整，見表4。

表4 調整后鋼板化學成分（質量分數） （%）

調整后，計算的再結晶溫度由原成分的890℃，提升到成分調整后的970℃，這樣對于現場的生產控制帶來了極大的便利。為確定調整后的性能，同樣也做了如下2組試驗對照，具體見表5。

表5 調整后精軋軋制工藝條件

試驗對照組3：出爐溫度1200℃，在爐時間3～3.5h，精軋開軋溫度960～970℃，返紅溫度630～670℃。

試驗對照組4：出爐溫度1200℃，在爐時間3～3.5h，精軋開軋溫度960～970℃，控軋不采用ACC（快速冷卻系統）快速冷卻。

兩組對照組力學性能檢測結果見表6。

表6 調整后試驗對照組的力學性能檢測結果

從試驗結果可看出，兩組坯料在相同開軋溫度下（滿足現場實際軋制溫度需要），軋制后取頭部和尾部試樣進行力學性能檢測，均滿足國標要求，并且裕量較多。相對化學成分調整前出現屈服強度和伸長率低、抗拉強度超上限的情況，調整后鋼板的力學性能得到極大的提升。另外，還分別對以上2組試樣進行金相組織檢測，結果如圖4所示。

圖4 調整后兩組試驗頭部金相組織

兩組對照組的不同板形，反映出兩組鋼板組織應力不同。組織應力又稱相變應力，如鋼從L→α→γ→P轉變時，體積會收縮或膨脹，特別是鋼板表面存在較大溫差時，組織轉變不可能同時進行和完成，就會使鋼板內外部產生不均勻的變形，從而產生拉伸或壓縮應力，即組織應力[3]。

根據金相組織顯示可知，調整化學成分后，由于未再結晶溫度窗口上移，與實際現場開軋溫度沒有重疊區間，通過充分的再結晶回復過程，晶粒較為細小均勻，晶粒度評級為10.5～12級，試驗對照組3通過ACC快冷工藝的析出物等帶狀組織也更為細小。試驗對照組4為控軋不通過ACC快冷工藝，軋制板形控制極好，基本無板形不良品產生，極大地提高了生產組織效率和成品合格率。力學性能及金相組織檢測顯示，試驗對照組3結果優于試驗對照組4，主要表現在試驗對照組3的平均晶粒大小比試驗對照組4更均勻細小。分析原因可能是終軋溫度過高，未通過ACC快速冷卻（試驗對照組4）工藝，因晶粒回復長大而導致的，但均符合預期指標，滿足生產要求。

通過以上的試驗對照，選取最優的化學成分設計和軋制工藝，經過長時間的生產驗證，證實Q460系列薄鋼板性能穩定性的工藝優化較為成功。

4 結束語

1）對于薄鋼板軋制，要根據實際軋制工藝條件，選擇適當的化學成分，避免因在未再結晶區軋制而導致晶粒大小不均勻或混晶的發生，從而影響力學性能。

2）通過適當提高出爐溫度，或控制好軋制節奏，保證縮小頭部和尾部終軋溫度的差異，可將頭部和尾部力學性能差異控制到較低的波動區間。

3）通過工藝調整，16mm以下鋼板性能穩定性較高，且解決了因ACC快速冷卻而導致的鋼板不平度問題。