Q345R熱軋鋼帶的生產(chǎn)實踐

PRODUCTIONPRACTICEOFQ345RHOT-ROLLED STEELSTRIP

He Xuchu1Wang Xusheng1Mei Jie2 （1.Technical Management Department of Guangxi Shenglong Metallurgical Co.，Ltd.Fangchenggang538000， China;2.Hainan Branch of China Classification Society.Haikou 57O2O3，China）

Abstract：Combining with theproduction of Q345R hot-rolled steel strip inafactory，TMCP isused toreduce the banded structure and improve the impact toughnes.The results showed that the Q345R contained a certain amount of granular bainite and the banded structure was 1.O grade，longitudinal impact SFA was more than 76.7 % ，KV2 was more than 156J at40 C ，transverse impact SFA was more than 40% ，KV2 was more than 72 Jat 40‰ ，ultrasonic testing quality grade was I on small steel plates，after annealingat 650 C for 60 minutes，the tensile strength of 16 mm steel plate is 542 MPa.Allthe test resultsmeet the standard requirements.Thefine and uniform surface structure has aimprovement efectontheimpacttoughnessof stelplates.Toensurethat thestrength meets therequirementsafter warm forming，it is recommended to control the tensile strength of Q345R within the range of 560＼～620 MPa.

Key words： Q345R；hot-rolled steel strip；granular bainite；impact toughness；banded structure

0引言

壓力容器鋼Q345R常見的缺陷主要有超聲波探傷不合、沖擊韌性不佳、強(qiáng)度偏低、帶狀、斷后伸長率不合格等，其中超聲波探傷不合及沖擊韌性不佳主要發(fā)生在較厚的中厚板中[1.2]，強(qiáng)度偏低發(fā)生在Q345R熱軋鋼帶制作封頭的時候，主要與熱成形或溫成形后強(qiáng)度降低有關(guān)[3.4；帶狀是斷后伸長率不合格的主要原因[5。雖然低成本控軋控冷的熱軋鋼帶不能滿足正火后強(qiáng)度合格的要求，但通過控制一定的強(qiáng)度富余量可以滿足溫成形后強(qiáng)度降低 30MPa 左右的要求[4，因此充分發(fā)揮控制控冷Q345R熱軋鋼帶高強(qiáng)度的特點，保持低成本、良好的焊接性能和沖擊韌性的特點，可以進(jìn)一步擴(kuò)大控軋控冷的熱軋鋼帶在壓力容器中的應(yīng)用范圍。

控軋控冷工藝在組織調(diào)控方面具有優(yōu)勢，既有節(jié)約成本的經(jīng)濟(jì)價值，又有促進(jìn)碳當(dāng)量降低、改善焊接接頭性能[。組織調(diào)控中獲得一定粒狀貝氏體，既提高強(qiáng)度，又在控制珠光體含量、減輕帶狀等方面有較好的表現(xiàn)，對帶狀、斷后伸長率、沖擊韌性都有較好的改善作用。本文結(jié)合某廠的Q345R熱軋鋼帶生產(chǎn)試驗，通過控軋控冷工藝獲得一定粒狀貝氏體組織，為獲得具有低成本、高強(qiáng)韌性的Q345R提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)支持，為溫成形制作壓力容器提供材料。

1關(guān)鍵工藝設(shè)計和控制

1.1 化學(xué)成分

由于Q345R對強(qiáng)度要求較高，因此添加一定的碳、硅、錳元素固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度十分必要，Nb和Ti復(fù)合使用，細(xì)化晶粒提高強(qiáng)韌性，少量析出強(qiáng)化提高強(qiáng)度[。低硫有利于減少硫化錳的形成數(shù)量，鈣處理將硫化物夾雜物包裹成球狀，有效減少硫化錳對沖擊韌性的影響。主要化學(xué)成分如表1所示，其中 C_eq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4 +V/14=0.39% ， C_eqlt;0.40% ，焊接性能良好，無需預(yù)熱。

表1化學(xué)成分 %

1.2熱軋主要工藝

較低的終軋溫度、卷取溫度和較快的冷卻速度可以減少珠光體含量，減輕鐵素體帶狀的程度，提高斷后伸長率和沖擊韌性，同時引入一定量的粒狀貝氏體和針狀鐵素體，進(jìn)一步提高沖擊韌性[9，10]生產(chǎn)中為保障足夠的冷速，鋼帶出軋機(jī)后投用超快冷。厚度 8mm 、 12mm 、 16mm 的熱軋主要工藝如表2所示。

1.3 退火工藝

溫成形工藝加熱溫度 600°C 左右，鋼板加熱后成形，成形之后進(jìn)行退火處理，鋼板的強(qiáng)度經(jīng)歷了提高和降低的過程，退火后的強(qiáng)度比鋼板原強(qiáng)度又下降 30MPa 左右[4。溫成形加工時強(qiáng)度下降的環(huán)節(jié)出現(xiàn)在退火工序，為研究退火工序強(qiáng)度下降的程度，利用沒有變形的厚度 16mm 鋼板進(jìn)行退火實驗，退火工藝如圖1所示。

2檢測結(jié)果

2.1標(biāo)準(zhǔn)要求性能檢測

在萬能拉伸試驗機(jī)、彎曲試驗機(jī)，300J擺錘沖擊試驗機(jī)分別進(jìn)行拉伸、彎曲和沖擊試驗。厚度 8mm 的鋼帶采用 10mm×5mm×55mm 的半試樣，其余采用 10mm×10mm×55mm 的全試樣。在鋼卷尾部 3m 位置取樣檢測，性能檢測結(jié)果如表3所示，所有性能滿足GB/T713-2023中Q345R的要求。

2.2金相組織及帶狀檢測

經(jīng)砂輪機(jī)切割、鑲嵌、拋光、 4% 硝酸酒精溶液侵蝕后在蔡司光學(xué)金相顯微鏡下觀察金相組織，如圖2所示。圖 2a ！ 2b 、3c分別是厚度 8mm 、12mm 、 16mm 鋼帶的厚度方向1/4處的金相組織，組織為粒狀貝氏體 + 鐵素體 + 珠光體，圖2d）、e）、f）分別是厚度 8mm 、 12mm 、 16mm 的近表面金a-8mm 、厚度 1/4 ： b^-12mm 、厚度 1/4 ， c-16mm 、厚度 1/4 ： 、近表面； e-12mm 、近表面； f-16mm 、近表面相組織，近表面組織主要為粒狀貝氏體 + 鐵素體，相比厚度方向1/4處組織，近表面組織更為細(xì)小均勻。近表面細(xì)小均勻組織與表面變形量相對大、變形溫度較低等因素有關(guān)，同時也與鋼帶出精軋后超快冷水和層流冷卻水對鋼帶表面產(chǎn)生冷速快、溫度低的效果有關(guān)[]

按GB/T34474.1-2017中B系列帶狀組織評定3個厚度的帶狀組織均為1級，如圖3所示，鐵素體有沿軋制方向的取向，但是沒有連續(xù)貫穿視場的鐵素體帶，粒狀貝氏體組織有效打斷了鐵素體帶的連續(xù)性，減輕了帶狀組織評級。相比較而言，8mm 的帶狀最輕，主要與 8mm 的壓縮比大有直接關(guān)系； 12mm 的帶狀最重， 16mm 的帶狀居中，主要原因是 16mm 采用較低的入精軋溫度，有效減少了帶狀組織。

2.3 沖擊試驗

2.3.1 系列沖擊檢測

圖4是厚度 8mm 、 12mm 和 16mm 橫向和縱向系列沖擊試驗 S_FA （剪切斷面率）和 K_v2（ 沖擊功），試驗溫度 20°C 、0 C 、 -20°C 、 -40°C 。 8mm 橫向 Tt50%S_FA（ 韌脆轉(zhuǎn)變溫度）低于 -40°C ， 12mm 橫向 Tt50%S_FA 約為 -37°C ， 16mm 橫向 Tt50%S_FA 為 -20°C ; 8mm 、 12mm 和 16mm 縱向 Tt50%S_FA 均低于 -40°C 。雖然 -40°C 已經(jīng)低于 12mm 和16mm 橫向 Tt50%S_FA ，但其橫向沖擊功72J和107J依然滿足標(biāo)準(zhǔn)中 ?41J 的要求。

2.3.2 不同加工方式的沖擊實驗

近表面細(xì)小均勻的組織理論上對沖擊韌性有利，實際沖擊試樣的加工過程需加工掉一定的表面，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T2975-2018，一個表面加工 ?2.0mm ，另一個表面不限定。為研究近表面細(xì)小均勻的組織對沖擊功的影響，厚度 12mm 和16mm 的鋼板采用不同加工方式的縱向沖擊試樣，上表面限定加工深度 2.0mm 和 0.3mm ，下表面不限定，檢測結(jié)果如表4所示，其中 12mm 鋼板采用 7.5mm×10mm×55mm 試樣， 16mm 鋼板采用 10mm×10mm×55mm 試樣。由表4可知，相比上表面加工 2.0mm 上表面加工 0.3mm 時，厚度16mm 鋼板 0^°C 沖擊試驗 K_V2 和 S_FA 均有提高效果、厚度 12mm 鋼板 K_v2 有提高效果，說明近表面細(xì)小均勻的組織對沖擊韌性有提高作用，由此推測，控軋控冷Q345R全壁厚應(yīng)用的零件實際沖擊性能高于沖擊試驗結(jié)果。

2.4超聲波探傷

超聲波探傷方法參考GB/T2970-2016，利用HS700數(shù)字式超聲波探傷儀對厚度 8mm ！ 12mm 、16mm 的尾 3m 樣板進(jìn)行探傷，每張鋼板的探傷面積 1.08m² 。探頭選用雙晶直探頭、 5MHz 、探頭晶片 Φ20mm ，探頭沿鋼板橫向、間距 30mm 進(jìn)行掃查，均未發(fā)現(xiàn)中間分層、裂紋等有害缺陷，質(zhì)量等級I。

2.5 退火后性能

厚度 16mm 鋼板 650°C 保溫 60min 退火后加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，利用萬能拉伸試驗機(jī)檢測拉伸性能，退火后的性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如表5所示。相比熱軋態(tài)拉伸性能，下屈服強(qiáng)度下降 43MPa ，抗拉強(qiáng)度下降 50MPa ，延伸率提高 3% 。

3討論

3.1控軋對組織和性能的影響

Q345R熱軋鋼帶生產(chǎn)過程中化學(xué)成分和熱軋控軋控冷工藝較為穩(wěn)定，組織中含有一定的粒狀貝氏體，具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。Q345R縱向沖擊韌性高于橫向，按全試樣折算， -40°C 縱向沖擊剪切斷面率 ?76.7% 、沖擊功?156J -40°C 橫向沖擊剪切斷面率 ?40% 、沖擊功 ?72J 。

對比3個厚度的沖擊性能， 8mm 熱軋鋼帶的沖擊功最低，主要是終軋溫度和卷取溫度偏高增加了鐵素體和珠光體含量，珠光體是降低沖擊功的主要原因[12.13]； 8mm 的 S_FA 最高，因此珠光體不是S_FA 的主要影響因素，大的壓縮比促進(jìn)了組織均勻性，同時針狀鐵素體相對較多，可能是 S_FA 較高的主要原因。

12mm 和 16mm 入精軋溫度分別為 1090^°C 和1050^°C ，較低的入精軋溫度促進(jìn)了粒狀貝氏體的形成、減輕帶狀組織。降低入精軋溫度，精軋各道次溫度均會降低，未再結(jié)晶區(qū)向后道次移動，增加了未再結(jié)晶區(qū)的道次壓下，增加累計變形量，細(xì)化晶粒。軋后投用超快冷實現(xiàn)大于 20°C/s 的冷速、卷取溫度 600°C 左右，促進(jìn)了促進(jìn)了針狀鐵素體和貝氏體相變[14]

熱軋帶鋼出精軋后表面不斷與新噴出的冷卻水接觸，表面形成急冷、低溫區(qū)，而非表面的區(qū)域向表面?zhèn)鳠岫禍兀渌傧鄬^低、溫度較高，形成了厚度方向上的組織差異；厚度越厚，厚度方向上的溫度差異越大，造成組織差異越大。近表面形成的細(xì)小均勻的組織對 K_v2 和 S_FA 有提升，壓力容器采用全壁厚使用，近表面細(xì)小均勻的組織完全保留，因此控軋控冷工藝生產(chǎn)的Q345R實際應(yīng)用中沖擊吸收能量高于沖擊試驗的沖擊功結(jié)果。

3.2控制空冷工藝與溫成形

文獻(xiàn)[4]在Q345R溫成形中使用的加熱溫度 ?650°C ，厚度 16mm 的鋼板 650°C 保溫60min 退火后，抗拉強(qiáng)度下降 50MPa ，由于熱軋鋼帶的性能富余量 82MPa ，退火后強(qiáng)度仍高于標(biāo)準(zhǔn) 32MPa ，有較大的富余量，因此采用控軋控冷工藝試驗的Q345R滿足溫成形使用的要求。由此推測，對于抗拉強(qiáng)度富余 50MPa 以上的產(chǎn)品，均可以滿足溫成形使用要求，控軋控冷Q345R的抗拉強(qiáng)度內(nèi)控最佳范圍 560～620MPa 。

根據(jù)生產(chǎn)試驗工藝，具有較高強(qiáng)度富余量的控軋控冷Q345R需要控制入精軋溫度、終軋溫度、卷取溫度和快速冷卻，在微合金的配合下，獲得一定粒狀貝氏體組織，實現(xiàn)成本較低、焊接性能良好、強(qiáng)度高、沖擊韌性好的自的，為溫成形壓力容器制造創(chuàng)造條件。

4結(jié)論

1）Q345R熱軋鋼帶的生產(chǎn)工藝控制良好，各項性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，且小樣板超聲波探傷未發(fā)現(xiàn)分層缺陷，650^°C 去應(yīng)力退火性能合格，可以滿足溫成形壓力容器鋼的使用要求。2）為保障溫成形后抗拉強(qiáng)度的要求，建議控軋控冷的Q345R熱軋鋼帶抗拉強(qiáng)度最佳控制范圍560～620MPa 。3）通過控軋控冷調(diào)控獲得一定量的粒狀貝氏體，使鋼帶具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，并有效減小帶狀組織的等級。4）近表面細(xì)小均勻的組織對沖擊韌性有提升效果，實際應(yīng)用中沖擊吸收能量要高于沖擊試驗的沖擊功結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]譚清元，周遠(yuǎn)華，賈至立，等.Q345R鋼板超聲波探傷不合的原因分析[J].鋼鐵，2011，46（3）：66-70.

[2]張德勇，馮仰峰，李維娟，等.終冷溫度對Q345R鋼組織及性能的影響[J].金屬熱處理，2022，47（5）：230-233.

[3]楊小川，敬仕煜，尹鋒，等.Q345R封頭熱成形后強(qiáng)度偏低探討[J].鍋爐技術(shù)，2021，52（S1）：15-19.

[4]．敬仕煜，何小明，王云林，等.溫成形對熱軋Q345R鋼制封頭性能的影響[J].壓力容器，2022.39（6）：1-6.

[5]劉陽春，郭慧敏.Q345R熱軋板卷伸長率不合格原因分析[J].物理測試，2015，33（2）：31-34.

[6]邢夢楠，胡昕明，白玉璞，等.15MnNiNbDR低溫壓力容器用鋼生產(chǎn)工藝與組織性能[J].壓力容器，2021，38（10）：23-27+46.

[7]楊景紅，王小燕，劉剛.Nb、Ti微合金化對Q345R壓力容器板焊接性能的影響[J].鋼鐵，2012，47（2）：87-91.

[8]周家林，賴春明，潘成剛，等.鋸微合金化Q345R鋼的組織和性能研究[J].熱加工工藝，2014，43（4）：110-112+116.

[9]王育田，施斌卿，孟傳峰.軋制工藝對工業(yè)化試制的真空組坯Q345R/304復(fù)合板組織性能的影響[J].軋鋼，2016，33（6）：24-29.

[10]段賀，單以銀，楊柯，等.X80低溫用高強(qiáng)度管線鋼的工藝與組織性能試驗[J].鋼鐵，2020，55（2）：103-111+138.

[11]霍文豐，胡賢磊，王丙興，等.控制冷卻中鋼板厚度方向上的冷卻速度[J].鋼鐵研究學(xué)報，2011，23（11）：18-21+40.

[12]余宏偉，董中波，吳開明，等.終軋溫度對高性能橋梁鋼力學(xué)性能及組織的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報，2023，35（7）：861-872.

[13]陳騰升，張莉芹，劉中柱，等.Nb對V、N微合金化壓力容器鋼珠光體形態(tài)及低溫韌性影響[J].中國冶金，2023.33（1）：72-80+110.

[14]周曉光，徐少華，王福祥，等.超快冷對含Nb鋼相變行為的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，47（12）：3989-3994.