王 晶

（山鋼股份萊蕪分公司 品質(zhì)保證部，山東 萊蕪 271104）

1 前 言

萊鋼4300 mm 寬厚板生產(chǎn)線裝備為粗軋機(jī)加四輥可逆式精軋機(jī)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)180 萬t 鋼板，根據(jù)市場(chǎng)的需求設(shè)計(jì)開發(fā)了多種高附加值的產(chǎn)品，其中如Q345B、Q460C 等低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板占產(chǎn)品總量的3/4。寬厚板生產(chǎn)線投產(chǎn)以來，隨著軋制工藝和技術(shù)水平的不斷提升，產(chǎn)品厚度規(guī)格由最初的40 mm 逐步擴(kuò)展到130 mm。通過不斷的工藝試驗(yàn)、研究和改進(jìn)，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，各項(xiàng)性能指標(biāo)趨于穩(wěn)定。但2012年5月生產(chǎn)的70 mm厚度規(guī)格Q345E鋼板出現(xiàn)多批次低溫沖擊性能不合格的情況。為此，通過檢驗(yàn)分析，找出其產(chǎn)生原因，制定改進(jìn)措施，避免造成更大的損失。

2 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介及性能檢驗(yàn)情況

萊鋼寬厚板Q345E 鋼板生產(chǎn)工藝流程主要包括：鐵水預(yù)處理－120 t 轉(zhuǎn)爐冶煉－LF 精煉-板坯連鑄－4300 mm寬厚板軋制。采用鋁錳鈦脫氧，使用硅錳、中碳錳鐵、Nb鐵進(jìn)行合金化，控軋控冷工藝軋制。軋制工藝流程：連鑄坯－加熱－除鱗－粗軋－精軋－熱矯直－鋼板標(biāo)識(shí)－冷床－剪切－探傷－標(biāo)識(shí)－堆垛入庫(kù)。

采用厚度為300 mm的板坯，加熱后通過預(yù)除鱗機(jī)進(jìn)入軋機(jī)，在粗軋機(jī)組進(jìn)行7 道次成形和展寬軋制，待溫后精軋機(jī)完成精軋9道次，鋼板在進(jìn)入冷床前進(jìn)行熱矯直，通過雙切邊剪和定尺剪后切成最終長(zhǎng)度，噴印/打印/貼標(biāo)簽后傳輸?shù)蕉讯饩€，最終將鋼板傳輸?shù)匠善穾?kù)。

2012年5月生產(chǎn)70 mm厚度規(guī)格Q345E鋼板共26 批，經(jīng)檢驗(yàn)，有7 批出現(xiàn)沖擊性能不合格，合格率僅為73.08%。實(shí)際檢驗(yàn)情況及標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 1591—2008）要求見表1（其中沖擊試驗(yàn)溫度為-40 ℃；180°彎曲試驗(yàn)全部合格）。

表1 Q345E鋼板拉伸、沖擊性能

由表1可以看出，雖然強(qiáng)度和塑性指標(biāo)均合格，但是強(qiáng)度指標(biāo)明顯有較大的波動(dòng)，特別是0401、3701 號(hào)鋼板的強(qiáng)度較低，屈服強(qiáng)度剛剛合格，低溫沖擊性能較差，平均值30 J 以下，最小單值只有7.6 J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。3721 號(hào)鋼板的強(qiáng)度和延伸率指標(biāo)良好，但沖擊值波動(dòng)大，一個(gè)指標(biāo)為60 J，而另外兩個(gè)指標(biāo)不合格（10 J和18 J）。

3 產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量分析

以鋼板號(hào)3701、3721、0401的樣品為例，進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量分析。

3.1 沖擊試樣宏觀斷口形貌

沖擊試樣宏觀斷口形貌如圖1所示。

圖1 沖擊試樣宏觀斷口形貌

沖擊性能不合格試樣的整個(gè)斷口基本全部為結(jié)晶狀，外形平整，幾乎無任何塑性變形痕跡。經(jīng)測(cè)量，不合格試樣的纖維斷面率均在25%以下（見圖1a、b）；而合格沖擊試樣斷口纖維斷面率均在75%以上，發(fā)生了明顯的塑性變形（見圖1c）。

3.2 化學(xué)成分

對(duì)3 個(gè)鋼板取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，并與其熔煉成分進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。

表2 Q345E鋼板化學(xué)成分 %

表中數(shù)據(jù)顯示，實(shí)物成分和熔煉成分對(duì)應(yīng)較好，說明成分控制良好。

3.3 金相組織

從沖擊性能不合格的試樣上取樣進(jìn)行金相分析，并與合格鋼板組織進(jìn)行對(duì)比，鋼板金相組織見圖2。鋼板基體組織是鐵素體和珠光體，但不合格鋼板試樣有明顯的魏氏組織，晶粒較粗大，尤其是3701號(hào)鋼板（見圖3a）；0401號(hào)鋼板試樣帶狀組織明顯（見圖3b）；而合格鋼板試樣組織較均勻，無明顯異常組織（見圖3c）。

圖2 鋼板金相組織

3.4 夾雜物及斷口掃描電鏡形貌

3721號(hào)鋼板試樣中存在大量硫化物、氧化物夾雜，其形態(tài)如圖3 所示，硫化物夾雜分布密集，氧化物最長(zhǎng)達(dá)到約2.0 mm。

圖3 3721號(hào)鋼板夾雜物

在掃描電鏡下對(duì)沖擊試樣斷口進(jìn)行觀察，斷口形貌如圖4所示，并通過能譜對(duì)夾雜進(jìn)行定性分析，結(jié)果見表3。

圖4 沖擊試樣斷口掃描電鏡形貌

表3 斷口夾雜物能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

4 沖擊性能不合格原因分析

1）軋制工藝調(diào)查。為綜合分析鋼板沖擊性能不合格的原因，對(duì)檢驗(yàn)鋼板的實(shí)際軋制工藝參數(shù)進(jìn)行了了解。3701、0401號(hào)鋼板的連鑄坯加熱溫度超標(biāo)，均熱段溫度平均1265 ℃，最高達(dá)到了1286 ℃，而該產(chǎn)品規(guī)格的加熱溫度控制要求為1200～1250℃；出鋼溫度也比實(shí)際要求的最大值1200 ℃高了30 ℃左右；其他軋制參數(shù)控制正常。

2）影響鋼低溫沖擊韌性的因素有材料本身的化學(xué)成分、金相組織、晶粒大小、夾雜物、試樣的尺寸和精度等多方面因素［1］。對(duì)于該批Q345E 鋼板，從熔煉成分檢測(cè)和成品成分的分析結(jié)果看，成分控制良好。此外，該批產(chǎn)品的加工和試驗(yàn)條件均符合實(shí)驗(yàn)室控制體系要求。因此，此兩個(gè)因素不是影響低溫沖擊值不合格的主要原因。

3）產(chǎn)品的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)3701、0401樣品有明顯的魏氏組織。一般來說［3］，當(dāng)加熱溫度較高或在高溫保持時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)使晶粒長(zhǎng)大，形成粗大的組織，從而在后續(xù)軋制過程中，容易生成定向生長(zhǎng)的魏氏組織。在工藝調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，該兩批鋼板的連鑄坯加熱溫度和出鋼開軋溫度明顯偏高，這也是導(dǎo)致魏氏組織的原因。魏氏組織一方面影響到了基體材料的組織均勻性，同時(shí)還伴隨著產(chǎn)生了較強(qiáng)的組織應(yīng)力，而這些因素都嚴(yán)重地影響鋼的韌性，尤其是低溫沖擊韌性。此外，有材料表明［2］，自由鐵素體尤其是魏氏組織鐵素體，是珠光體中解理裂紋的通道，強(qiáng)烈影響低溫韌性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證多量魏氏組織對(duì)低溫韌性的影響，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單高溫正火試驗(yàn)。將不合格樣品加工成20 個(gè)沖擊樣品，10 個(gè)在原始狀態(tài)下低溫沖擊，10個(gè)通過加熱到奧氏體化溫度以上30 ℃正火后低溫沖擊。結(jié)果顯示，沖擊韌性值平均從約15 J 提高到了平均60 J左右。合格產(chǎn)品的金相組織與不合格產(chǎn)品的金相組織對(duì)比，也說明了此種因素的影響。

同時(shí)，產(chǎn)生魏氏組織的一個(gè)前提是原始奧氏體晶粒尺寸較大，成熟的分析也表明［3］，材料的鐵素體晶粒尺寸，甚至珠光體的片層間距，均對(duì)低溫沖擊韌性有明顯的影響。晶粒尺寸越小、片層間距越窄，低溫沖擊韌性越好。金相觀察發(fā)現(xiàn)，某些不合格樣品的晶粒尺寸較粗大，這也是導(dǎo)致低溫沖擊韌性變差的原因之一。

4）材料的內(nèi)部缺陷，包括夾雜、氣孔、微裂紋等，也是強(qiáng)烈影響低溫韌性的重要因素。對(duì)該批試樣進(jìn)行的試驗(yàn)分析結(jié)果也顯示，有的材料內(nèi)部存在顆粒狀和長(zhǎng)條狀的夾雜物，結(jié)合相關(guān)資料［1-2］，可以判斷鋼中的夾雜物主要來源于鋼中夾雜氧化的產(chǎn)物、脫氧產(chǎn)物（如Al2O3）和鋼在澆鑄或凝固過程中的反應(yīng)產(chǎn)物、因溶解度下降的析出物；原材料帶入的雜質(zhì)；混入鋼中的爐渣或爐襯與澆鑄設(shè)備的耐火材料等。

分布在基體金屬上的夾雜物，嚴(yán)重割裂了基體金屬性能的連續(xù)性，對(duì)沖擊韌性尤其是低溫韌性有強(qiáng)烈影響，相當(dāng)于存在一個(gè)應(yīng)力集中。夾雜與金屬基體結(jié)合處，甚至夾雜本身，都可能成為裂紋源，從而引發(fā)低溫下的脆性開裂，導(dǎo)致裂紋的迅速擴(kuò)展。該斷裂明顯呈現(xiàn)脆性特點(diǎn)，掃描電鏡觀察的斷口的準(zhǔn)解理斷裂形貌也印證了這一點(diǎn)。

因此，加熱溫度高導(dǎo)致的組織粗大、嚴(yán)重的魏氏組織及大量長(zhǎng)條狀的夾雜物等是鋼板低溫沖擊性能不合格的主要原因。

5 工藝改進(jìn)措施

低溫沖擊韌性不合格的原因與冶煉及軋制工序控制密切相關(guān)，要避免該類問題的重復(fù)發(fā)生，必須控制好整個(gè)生產(chǎn)流程的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并根據(jù)生產(chǎn)組織的實(shí)際情況調(diào)整工藝參數(shù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

1）冶煉工序：提高鋼水純凈度，嚴(yán)格工藝規(guī)程操作，盡量減少鋼中夾雜物殘留并杜絕外來夾雜物，避免成分偏析，同時(shí)控制S、P元素的含量于較低水平。2）軋制工序：嚴(yán)格規(guī)程和工藝紀(jì)律的執(zhí)行，精確控制加熱過程，確保鑄坯加熱質(zhì)量，從而達(dá)到產(chǎn)品內(nèi)部組織均勻化，無異常顯著的差異組織存在。軋制過程中要控制好各道次的變形量，保證精軋階段總壓下率在60%以上，使變形滲透至鋼板中心部位，充分發(fā)揮形變對(duì)厚鋼板組織改善和晶粒尺寸控制的作用。

采取針對(duì)性措施后，2012年8月至今，連續(xù)生產(chǎn)了126 批該鋼種和規(guī)格的板材，性能合格率達(dá)到了100%。統(tǒng)計(jì)沖擊值最小為53 J，平均值達(dá)到82 J，杜絕了該類產(chǎn)品低溫沖擊性能不合格現(xiàn)象的再次發(fā)生。在有效提升沖擊性能指標(biāo)的同時(shí)也保證了其他性能指標(biāo)的合格率。

［1］崔風(fēng)平，孫瑋，劉彥春，等.中厚板生產(chǎn)與質(zhì)量控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［2］顧林豪，隋鶴龍，王彥峰，等.Q345E厚板低溫沖擊韌性不合格原因分析與改進(jìn)措施［J］.首鋼科技，2009（3）：15-17.

［3］何肇基.金屬的力學(xué)性質(zhì)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1982.