邯钢q345级别z向性能抗层状撕裂钢中厚板的开发与应用.pdf

邯钢邯钢 q345 级别级别 z 向性能抗层状撕裂钢中厚板 的开发与应用 向性能抗层状撕裂钢中厚板 的开发与应用 李金波李建新郭振国范佳刘红艳 （邯钢技术中心，河北 邯郸 056015） 摘要摘要本文研究 q345 级别 z 向性能抗层状撕裂钢的技术难点，采用合理的冶炼与控制轧 制控制冷却工艺生产高强度厚板。完善其低硫、低氢、夹杂物控制工艺路线，改善钢板质量 大幅度提高抗层状撕裂钢的 z 向性能及探伤合格率，在宽厚板线上通过大量的轧制与正火试 验，成功研制出了厚度 60mm、低成本 q345 系列 z 向性能抗层状撕裂钢。 关键词关键词z 向钢；抗层状撕裂；夹杂物；二次精炼；正火试验 引言引言 近年来，随着我国国民经济的快速发展以及超高层、大跨度钢结构建设项目的不断增加， 厚钢板的市场需求量越来越大，其质量要求越来越严格。海上采油平台、管节点、船舶制造、 锅炉和压力容器等某些重要焊接构件的钢板受力状态复杂部位普遍采用 q345 系列高强度 z 向钢厚板，除要求该钢种沿宽度方向和长度方向有较高的强度和塑性外，还要求具有较低的 屈强比、较高的低温韧性、良好的厚度方向抗层状撕裂性能和焊接性能1。该钢种除要求钢 板 z 向断面收缩率达到一定值外，为了满足该钢种安全性能的要求，必须要求具有良好的超 声波探伤性能。该钢种对钢水纯净度、铸坯和钢板组织也有严格要求2。 传统的高强度厚板生产工艺是微合金 v、ti 钢轧制+轧后热处理工艺，生产成本较高3。 研究了在不添加微合金元素 v 和 ti 的条件下， 采用合理的冶炼与控制轧制控制冷却工艺生产 高强度厚板。完善其冶炼工艺路线，对探伤不合格的原因进行了系统分析和研究，改善钢板 质量大幅度提高 z 向钢的探伤合格率。宽厚板轧机上通过大量的试验，成功研制出了厚度 60mm、低成本 q345 系列抗层状撕裂性能 z 向钢。 1、z 向性能抗层状撕裂钢开发的技术难点分析向性能抗层状撕裂钢开发的技术难点分析 层状撕裂现象与钢材的含硫量有很大关系，几乎所有的层状撕裂钢事故均发生在含硫量 0.015%的钢材上；钢板夹杂物含量也与钢板的 z 向性能呈正相关；铸坯的凝固质量，诸如 中心偏析、中间裂纹对钢板 z 向性能影响非常显著，由于中心偏析的存在，使得钢板的 z 向 性能面缩率显著降低4。一般 z 向性能中板轧制规格都较厚，中间裂纹在后续的轧制过程中 几乎不能焊合，在受到 z 向力时会迅速扩散断裂，使钢板的 z 向性能出现瞬时降低现象，这 也严重影响了钢板的超声波探伤性能；此外，层状撕裂还与钢材的含氢量、al2o3、sio2的含 量有关，采用减少钢中夹杂物、降低硫含量和对夹杂物进行钙处理等冶金措施均对提高抗层 状撕裂能力有利5。从夹杂物角度考虑,引起钢板 z 向性能不合的主要原因是长条状硫化物夹 杂,但数量多的不成条状的夹杂物同样会降低钢的 z 向性能。 减少夹杂物含量及使其无害化将 极大提升抗层状撕裂钢的 z 向性能6。同时，非金属夹杂物在有腐蚀介质的环境下能到阴极 的作用，形成析氢腐蚀，在 mns 夹杂物的周围遭受腐蚀形成微裂纹 7。 根据 gb/t5313-1985（2010）内容规定，z 向钢要求是对钢种厚度方向性能指标一种特 殊要求的钢种，目前通常采用板厚方向拉伸试验的断面收缩率z 来评价钢板抗层状撕裂能 力，具体见下表。 表 1gb/t5313-1985（2010）对 z 向钢规格划分及硫含量要求 级别 三个试样平均值z， % 单个试样值z，% 硫含量/% z1515100.010 z2525150.007 z3535250.005 通过以上分析可知抗层状撕裂钢的研发重点与难点在于低硫、低氢、夹杂物无害化关键 技术的开发与实际应用。 2、抗层状撕裂钢成分及工艺路线设计、抗层状撕裂钢成分及工艺路线设计 2.1 成分设计2.1 成分设计 考虑到该钢种主要应用与大型焊接件，为保证其良好的焊接性能在原有 q345 系列级别 钢种的基础上适当降低碳当量，以降低其裂纹敏感性提高大线能焊接安全性，硫含量按照国 标进行设计。 表 2q345 系列 z 向钢的主要化学成分设计范围 牌号 质量等 级 厚度 /mm 化学成分/% csimnpals q345 b、c 6-60 0.16-0.20 0.20-0.501.00-1.600.0200.015 d、e0.16-0.18 2.2 工艺路线2.2 工艺路线 考虑国标 gb/t5313-1985（2010）技术要求 z 向钢对硫含量的要求同时鉴于力学性能及 探伤要求对钢中气体h和夹杂物有较高的要求，采用工艺路线为：铁水预处理转炉lf 精炼rh 精炼板坯连铸加热热轧成品。 2.3 炼钢工艺2.3 炼钢工艺 转炉工序终点碳含量控制在：0.08%0.01%，降低钢水终点o含量。lf 工序钢水喂 入铝线进行深脱氧，白渣精炼。rh 采用本处理模式，采用大循环气体流量，保证低真空度下 的处理效果。 极限真空度不大于 133pa， 纯脱气时间不小于 5 分钟， 总处理时间不小于 30min， rh 精炼只进行成分微调，以保证处理效果，同时保证出站净吹效果，将净吹控制在不小于 5min。钢水钙处理和夹杂物变性。精炼末期需要进行钙处理。钙处理可使钢水中的块状或族 状 al2o3变性为低熔点、球形的铝酸钙（12cao7al2o3） ，易于上浮去除，减少夹杂物的危 害从而提高低温冲击韧性及保证其探伤性能。连铸进行全程保护浇注。优化连铸钢包与中间 包之间的密封方式。优化扇形段二冷配水方案，制定了一套比较完整的配水表，控制好铸坯 矫直温度，提高铸坯表面质量，对辊缝和外弧线进行了精确调整，防止铸坯裂纹产生。 2.4 轧制工艺2.4 轧制工艺 加热工艺：参考热轧和正火中板钢板加热制度，并保证足够加热时间3 小时，具体的加 热制度见下表： 表 3加热制度 预热段一加热段二加热段均热段加热时间 h 850 1040-11001230-12901180-12402.5h 冷料 1000-11001230-12901180-12402h热料 由于微合金化元素用量很少，它们影响材料机体性能的机制对工艺参数比较敏感，并且 微合金化元素的某些独特作用只有在一定的工艺条件下才能实现，为了更好地发挥合金元素 的作用，我们采用两阶段控制轧制。 采用阶段（奥氏体再结晶区、奥氏体未再结晶区）控制轧制。在第一阶段的轧制中， 主要是静态再结晶，此阶段尽量使道次压下率大于静态再结晶的临界压下率，主要采用高温 大压下。铸坯开轧温度为 10501100，道次压下率在 10以上。随着轧制温度的降低， 进 入奥氏体部分再结晶区，在此区间 轧制时，仅有部分奥氏体发生再结晶，导致奥氏体晶粒大 小不均，并可能产生部分特大晶粒，引起严重混晶。混晶组织很难消除，降低钢板韧性。为 此，采用中间待温制度，以避免在奥氏体体部分再结晶区轧制。第二阶段给以较大的累计压 下率（要求待温后累计压下率大于 50%） ，使奥氏体充分变形，形成比较多的变形带，增加变 形核，达到细化铁素体和珠光体晶粒的目的。同时为了使组织均匀，要求待温后道次变形率 为 10-15%。当温度低于 950时已不发生动态再结晶。待温后总压下率50，以细化晶粒 提高钢板的强度和韧性。 控轧完成后，根据成品厚度，控制不同的喷水水量（控制冷却水组数） （开 1 组到 7 组） 进行控制冷却，保证矫直后钢板返红温度不高于 720，并尽量使之处于 680-720。 正火工艺设计：通过热处理可以控制h的危害，从而提高 z 方向性能。为保证钢板的综 合性能， 我们对热处理工艺进行了试验和对比。 对试验钢进行了 860、 890、 920、 950 4 个温度的正火处理。正火试验是在箱式电阻炉中进行的，试样到温入炉，充分保温，钢板 出炉后进行空冷。试验钢的成分见下表： 表 4试验钢的化学成分 炉号csimnpsnbals 709104250.140.251.320.0150.0120.0220.025 试验结果及分析：钢板试验后性能见下表： 表 5试验钢的性能 屈服 mpa抗拉 mpa延伸%断面收缩率% 热轧42555027363129.3 8603955203155 5762 89038551031.574 71.571 9203805103061 6861 95036049030.554 6459 从上表看，正火处理后钢板强度会减低，延伸率会提高，断面收缩率则有大幅度的提高。 对比不同的温度，正火保温温度为 890时强度较高，延伸率也较高。对比正火前后的断面 收缩率会发现其值有大幅度提高，主要是通过热处理控制h的危害，提高 z 方向性能。 3、生产实践3、生产实践 目前，累计生产 q345 级别 z 向钢共 10 万余吨，产品质量稳定，成品化学成分控制稳 定、连铸坯夹杂物及成品性能检验检验情况如下。 3.1 夹杂物分析3.1 夹杂物分析 对抗层状撕裂钢进行铸坯低倍检验，铸坯内部质量良好，偏析在 c 类 1.5 以内、疏松 1.0 以内，未发现内部裂纹。良好的铸坯质量为得到优良的抗层状撕裂钢打下坚实的基础。 表 6邯钢抗层状撕裂钢的铸坯低倍检验情况（统计结果） 中心偏析 中心疏松中间裂纹三角区裂纹 al2o3 夹杂a 类b 类c 类 -0.5 级-0.5 级- -1.5 级0.5 级- 图 alf 精炼出站图 brh 精炼出站图 clf 精炼出站图 drh 精炼出站 图 1双联精炼夹杂物处理效果 对 lf+rh 双联工艺冶炼环节夹杂物情况分析对比：取试样进行分析，在 lf 处理结束试 样各个视场中取最大夹杂物如下图 a、图 c 所示，视场中夹杂物最大可到 150um，在检测时 还可以看到在视场中夹杂物的个数较多同时伴随着尺寸较大的不规则夹杂物；对比 rh 处理 结束试样同样在所见各个视场中取最大夹杂物如下图 b、 图 d 所示， 可以看到 rh 处理结束不 仅夹杂物数量相对减少同时尺寸有明显减小的趋势。lf 精炼出站试样与 rh 精炼出站试样可 知 rh 精炼具有良好的去夹杂的作用。 图 2铸坯小样电解微观形貌分析 在铸坯上取样通过小样电解观察钢中夹杂物情况。通过图 4 可知，邯钢生产的抗层状撕 裂钢中夹杂物基本为球化或半球化的小尺寸 al2o3 夹杂与小颗粒 mns 夹杂，同时伴有少量 的硅酸盐夹杂物。该系列的夹杂物对钢材质量不会造成严重影响。 图 3铸坯小样电解夹杂物尺寸分析 在材上取样进行电解检测， 尺寸小于 50um 的占到 85%以上； 大于 50um 夹杂物含量较小， 不会对超声波探伤及 z 向性能造成影响。 表 7钢板试样气体含量统计 样别n（ppm）o（ppm）h（ppm）备注（钢种） 钢板 30330.7q345b-z25 33360.7q345c-z15 31290.9q345e-z35 平均含量31.332.60.76 钢中的气体含量直接决定着该钢种的抗层状撕裂性能，通过在板材上取样对其进行气体 含量检测。钢板平均氮含量为 31.3ppm、氧含量为 32.6ppm、氢含量为 0.76ppm。超低氢含量 可以有效防止氢致裂纹的产生。 3.2 z 向性能检测3.2 z 向性能检测 z 向断面收缩率是表征抗层状撕裂性能的重要参数，z 值越高，其抗层状撕裂的能力越 强。 本试验中对每块钢板进行了 z 向性能检验， 60mm 厚板的 z 向断面收缩率在 40.5%61.5% 之间，平均断面收缩率都大于 45%，远高于 z35 钢板的技术要求，见表 8。 表 8抽检的抗层状撕裂钢的 z 向性能 钢板编号 断面收缩率 实测 1实测 2实测 3平均值 1#54.050.551.552.0 2#57.051.559.556.0 3#46.040.550.045.5 4#60.055.061.558.8 3.3 探伤检验结果3.3 探伤检验结果 采用超声波探伤反映钢板内部质量，利用超声波在不同介质中的声阻以及穿过钢板后透 射率、反射率的差异，并通过其反映在探伤示波仪上的波形来判断钢板的内部质量。对试制 的规格为 60mm2600mm5300mm 的 q345e-z35 成品钢板进行逐块探伤检测， 在钢板的整个 厚度方向没有出现探伤缺陷，全部达到了客户要求的 2 级探伤要求。 3.4 微观组织分析3.4 微观组织分析 鉴于以上工艺和性能基本相当，且性能稳定，试验不同位置进行了金相组织检验，由图 7 可以看出，采用此次试验工艺轧制的厚板，由于轧后采用层流冷却工艺，钢板表面冷速较 快，表面组织中出现了贝氏体，即在原奥氏体晶界析出先共析铁素体+贝氏体的混合组织。 钢 板厚度 1/4 处和中心处由于冷速较慢，组织为多边形铁素体+珠光体。钢板厚度 1/4 处铁素体 晶粒尺寸约为 18.76m，由于钢板中心处冷速最慢，温度最高，所以铁素体晶粒尺寸大于钢 板其他位置，约为 22.77m。 图 4钢板厚度截面不同位置的显微组织 表 9金相检验报告 编号夹杂级别组织 晶粒度（级） 1/4-11/21/4-2 c01209a0.5e d0.5ds1.5f+p1011.510.511 c01211b0.5d0.5ds2.5f+p10.51010.5 a断口原始形貌b断口形貌 （200x） 图 5抗层状撕裂钢断口形貌 通过断口形貌观察，原始断口具有良好的颈缩现象，断面收缩率 52%。形貌分布为较好 的韧窝状结构。通过 200x 断口形貌观察，断口表面有许多深浅不同的丝网状凹坑存在，且 凹坑周围均发生较大的塑性变形，表明试样在变形时，晶粒内部形成孔洞，当继续变形时， 孔洞长大并连接形成颈缩，直至断裂，具有良好的 z 向性能。 3.5 小结3.5 小结 该系列产品经过两年的生产产品实物质量稳定，目前已经累计生产高附加值 z 向钢抗层 状撕裂钢 10 余万吨，并分别成功用于澳门葡京大酒店、北京奥运工程和上海城市交通枢纽建 设等重点建设工程，有力地提升了“邯钢制造”的品牌知名度，进一步增强了邯钢的市场竞争 力和美誉度。 4、结论、结论 1、邯钢开发的 q345 级别的抗层状撕裂 z 向钢的成分设计、工艺路线的选择合理可行。 邯钢开发试制的 q345 级别的抗层状撕裂 z 向钢的实物化学成分和力学