李惠娟，孫國慶，王佩鑫（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津，300301）

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歐標(biāo)S355系列鋼板的研制與開發(fā)

李惠娟，孫國慶，王佩鑫
（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津，300301）

[摘要]為了滿足市場需求，在S355系列鋼板的標(biāo)準(zhǔn)要求基礎(chǔ)上，根據(jù)不同質(zhì)量級(jí)別的要求設(shè)計(jì)化學(xué)成分，嚴(yán)格控制煉鋼和連鑄工藝，實(shí)現(xiàn)了碳元素的窄成分控制，通過控制軋制工藝及軋后鋼板的熱處理，成功研制開發(fā)出歐標(biāo)S355系列鋼板，具有優(yōu)良的內(nèi)部組織。熔煉分析和金相檢驗(yàn)表明，鋼板夾雜物含量較少，晶粒均勻細(xì)小，綜合性能優(yōu)異，能夠符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

[關(guān)鍵詞]歐洲標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)品；窄成分；微合金化；正火

修回日期：2015-04-10

1　引言

歐標(biāo)S355系列鋼板執(zhí)行EN 10025-2：2004標(biāo)準(zhǔn)，符合此標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品在獲得生產(chǎn)制造權(quán)后可在鋼鐵產(chǎn)品上標(biāo)注“CE”標(biāo)識(shí)。該系列鋼板主要用于制造要求強(qiáng)度更高、成型性更好和性能穩(wěn)定的機(jī)械制造、車輛、化工設(shè)備等各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)，大型廠房鋼結(jié)構(gòu)，重要工程及橋梁結(jié)構(gòu)等，在歐洲國家有較大市場需求，特別是2014年以來，要求正火態(tài)（+ N）交貨的客戶增多，因此，為了滿足市場需求，天鋼研發(fā)了S355系列鋼板，以正火狀態(tài)交貨。

2　工藝流程與成分設(shè)計(jì)

2.1工藝流程

S355系列板材采用的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水寅轉(zhuǎn)爐冶煉寅LF爐精煉寅板坯連鑄寅板坯檢驗(yàn)寅加熱爐加熱寅高壓水除磷寅軋制寅冷卻寅矯直寅堆冷寅精整寅正火寅檢驗(yàn)寅成品入庫。

2.2成分設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了S355系列鋼板各質(zhì)量等級(jí)的化學(xué)成分和性能的具體要求，該鋼種共有JR、J0、J2和K2四個(gè)質(zhì)量級(jí)別，可采用軋制（+ AR）、正火軋制（+N）和熱機(jī)械軋制（TMCP）3種軋制工藝。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，其化學(xué)成分設(shè)計(jì)思路為低碳、增錳以及添加微合金元素鈮。考慮到產(chǎn)品焊接性能、沖擊韌性和保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定，設(shè)計(jì)降低碳含量并控制較窄含量范圍；為了保證鋼板強(qiáng)度，設(shè)計(jì)提高錳含量，并添加了微合金元素鈮；為了減少中心偏析，設(shè)計(jì)硫含量較低。鈮元素在鋼中的作用是通過細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化，從而提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)改善鋼的韌性。鈮元素在鋼中與氮、碳有極強(qiáng)的親和力，在鋼中可與碳和氮形成穩(wěn)定細(xì)小的NbC、NbC0.87、NbN和Nb（CN）等中間相，抑制奧氏體晶粒的長大；在軋制過程中可提高奧氏體再結(jié)晶溫度，抑制其再結(jié)晶，起到細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度的作用；鈮在鐵素體中沉淀析出，提高鋼的強(qiáng)度[1]。

根據(jù)各質(zhì)量等級(jí)的性能要求和成分要求，確定了4個(gè)牌號(hào)的化學(xué)成分，見表1。

表1　S355系列鋼的設(shè)計(jì)化學(xué)成分　/%

3　工藝要點(diǎn)控制

3.1轉(zhuǎn)爐冶煉

轉(zhuǎn)爐冶煉控制的關(guān)鍵是嚴(yán)格控制終點(diǎn)碳含量，確保較低的S含量，保證鋼水的純凈度，防止鋼水氧化性過強(qiáng)。冶煉過程中采用鋼芯鋁脫氧，終點(diǎn)鋼水含氧量較低；采用低碳錳鐵進(jìn)行合金化，有利于控制碳的增量。轉(zhuǎn)爐冶煉的指導(dǎo)性出鋼條件為：C逸0.08%；P臆0.012%，殘余元素符合標(biāo)準(zhǔn)要求；出鋼溫度為1 650耀1 680益。生產(chǎn)中鋼水成分控制在要求范圍內(nèi)，為確保鋼材最終性能創(chuàng)造良好條件。

3.2 LF精煉

LF精煉過程的關(guān)鍵是控制白渣精煉時(shí)間和后期的軟攪拌強(qiáng)度。鋼水進(jìn)站后進(jìn)行底吹氬，根據(jù)鋼水情況，適當(dāng)補(bǔ)充渣料，制定合理的吹氬制度，選擇合適的電壓、電流快速化渣，渣化好后，進(jìn)行測溫、取樣。分期分批加入精煉渣料和還原劑，盡快形成白渣。白渣形成后，根據(jù)情況調(diào)整成分，白渣精煉時(shí)間逸15 min。在調(diào)整成分后要求軟吹氬時(shí)間逸8 min，以保證溫度的均勻和細(xì)小夾雜物充分上浮。

3.3板坯連鑄

鈮鋼在高溫時(shí)會(huì)沿奧氏體晶界析出碳氮化鈮等沉淀物，產(chǎn)生晶間斷裂，同時(shí)，鋼水過熱度越高，連鑄坯的中心偏析越嚴(yán)重，所以需要添加冷卻劑降低鋼水澆注溫度，使其在低過熱條件下澆注，獲得中心等軸晶粒組織，減少裂紋和偏析；二冷區(qū)冷卻不均勻也可致使鑄坯產(chǎn)生橫裂[2]，因此采取合理的過熱度及二次冷卻制度控制是鈮鋼板坯連鑄生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，決定著連鑄坯質(zhì)量。

經(jīng)過計(jì)算，確定生產(chǎn)過程中具體控制參數(shù)：連鑄過程采用全程保護(hù)澆鑄，以防止鋼水二次氧化；澆鑄過程保持穩(wěn)定拉速，以保證組織均勻和鑄坯表面質(zhì)量，根據(jù)規(guī)格不同設(shè)置拉速范圍為1.0~1.6 m/min；S355系列鋼的液相線溫度為1 513益，中間包采取較低過熱度，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)按20益控制；二冷區(qū)采用弱冷，以避免Nb（C、N）大量析出，從而有利于消除裂紋。

3.4板材軋制

3.4.1加熱工藝

3.4.2軋制工藝

利用微合金化和控制軋制有機(jī)結(jié)合，能夠更好地發(fā)揮微合金的作用，軋制工藝參數(shù)對(duì)碳氮化物的析出行為影響很大，從而影響鈮鋼的性能。一般軋制變形量越大，Nb（C、N）析出量越多，平均半徑越大[3]；降低終軋溫度，可以促進(jìn)Nb（C、N）的析出，有利于提高強(qiáng)度[4]。

軋制分為兩個(gè)階段：

（1）粗軋階段：粗軋階段應(yīng)盡可能加大軋制力、軋制扭矩和軋制單道次壓下量，以加強(qiáng)鋼板的變形滲透，使鋼板的心部發(fā)生充分的變形，減少表面和心部變形的差異，減輕心部偏析，為保證單道次變形量大于奧氏體臨界變形量，每道次壓下率（除橫軋道次外）不得小于12%。

（2）精軋階段：精軋過程在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行，因此根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定不同規(guī)格中間坯的精軋開軋溫度為860~910益，終軋溫度為820~840益。為了在精軋階段達(dá)到足夠的累積變形量，應(yīng)根據(jù)成品的厚度確定中間坯的厚度，一般要求變形量不低于60%。

3.4.3冷卻工藝

選擇AI-2活性變化趨勢明顯的28份標(biāo)本送檢，所有送檢樣本中均檢出了表葡菌中有l(wèi)uxS表達(dá)；治療前高于正常對(duì)照組（P＜0.05），治療后luxS表達(dá)下降，與治療前相比（P＜0.05）；治療后與正常對(duì)照組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見圖5。

冷卻過程中，應(yīng)做到有效地抑制奧氏體再結(jié)晶后晶粒的成長，阻止或延遲碳化物過早析出[5]。對(duì)于添加微合金元素鈮的鋼，較大的過冷度，可以使析出物彌散細(xì)小，細(xì)化晶粒?，既可以提高鋼的強(qiáng)

度，又可以改善鋼材的韌性和塑性。晶粒細(xì)化，晶界增多，阻止裂紋擴(kuò)展能力增強(qiáng)，因而強(qiáng)韌性提高。經(jīng)過分析，認(rèn)為終冷溫度控制在720~760益較為合理。

3.5正火處理

正火處理時(shí)，將鋼加熱至Ac3或Acm以上30~50益，保溫一段時(shí)間后，在空氣中冷卻，其目的是在于使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化，消除在鍛、軋后的組織缺陷，改善鋼的機(jī)械性能。經(jīng)過計(jì)算后確定S355鋼板的正火處理溫度為（910依15）益，保溫時(shí)間為鋼板厚度+30 min。

4　產(chǎn)品質(zhì)量

2014年，天鋼采用以上工藝生產(chǎn)S355系列鋼板達(dá)1萬余噸，主要出口至歐洲國家，用戶反應(yīng)較好，其熔煉成分、金相組織、力學(xué)性能和沖擊性能檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下。

4.1化學(xué)成分

鋼板的熔煉分析結(jié)果見表2。

表2　S355J2+N鋼板的主要化學(xué)成分　/%

由表2可見，鋼板的碳元素含量控制在0.15% ~0.18%之間，波動(dòng)范圍較小，成分穩(wěn)定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了碳元素的窄成分控制；各種元素均控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2低倍檢驗(yàn)

板坯表面質(zhì)量良好，無表面夾雜、裂紋等缺陷。鑄坯低倍檢驗(yàn)情況較好，偏析現(xiàn)象不明顯，出現(xiàn)頻次較低，沒有其它影響使用的缺陷，為板材軋制創(chuàng)造了良好的條件。

4.3金相檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)結(jié)果見圖1和圖2。

圖1　1/4厚度處夾雜物評(píng)定

圖2　1/4厚度處金相組織

4.3.1夾雜物分析

由圖1可以看出，試樣中A類夾雜，1.0級(jí)，D類夾雜0.5級(jí)，未見其它類型夾雜。生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過煉鋼工序嚴(yán)格的過程控制，板材的夾雜物含量較少，其中對(duì)沖擊性能影響較大的A類、D類夾雜等均控制在1.0級(jí)以下，滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3.2金相組織分析

由圖2可以看出，試樣1/4厚度處組織為典型的鐵素體+珠光體組織，晶粒度為9級(jí)，帶狀較輕，組織均勻，鋼板內(nèi)部質(zhì)量較好，從而保證了獲得良好的機(jī)械性能。

4.4力學(xué)性能

16~40 mm厚鋼板的性能檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3　S355J2+N鋼板的性能

檢驗(yàn)結(jié)果表明，鋼板的屈服強(qiáng)度為355~380 MPa，抗拉強(qiáng)度為520~575 MPa，兩者的波動(dòng)較小，均有良好的強(qiáng)韌性匹配，斷后伸長率為25% ~33%，沖擊功為100~120 J，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5　結(jié)論

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，依據(jù)再結(jié)晶和相變理論，確定了S355系列鋼板采用Nb微合金化的化學(xué)成分設(shè)計(jì)。根據(jù)成分設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)條件，制定了合理的控制軋制及軋后熱處理的工藝路線。試驗(yàn)結(jié)果表明，S355系列鋼板實(shí)物質(zhì)量較好，鋼板夾雜物較少，帶狀較輕，性能均勻穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到歐標(biāo)EN 10025-2：2004要求，可滿足客戶要求。

參考文獻(xiàn)

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Research and Developm entofS355 SeriesSteelPlateby European StandardLIHui-juan,SUN Guo-qingand W ANG Pei-xin

(Technology CenterofTianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractIn orderto meetthe demand by the market,on basis ofrequirementofS355 series steelplate standard,Tianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.redesigned chemicalcomposition according to requirements on differentquality level,strictly controlled steel-making and continuous casting process and achieved the controlover narrow ranged composition of carbon element.By controlling rolling process and plate heat treatment after rolling,S355 series steel plate with good internal structure in compliance with European Standard wassuccessfully developed.Melting analysis and metallographic inspection showed the steelplate, havingfew inclusionsand uniform and finegrain,excelled atcomprehensiveproperties.

Key wordsEuropean Standard；product;narrow rangecomposition;microalloying;normalization

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.004

作者簡介：李惠娟（1983—），女，河北唐山人，碩士，工程師，主要從事產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和工藝技術(shù)方面的研究工作。