供稿|杜洪志，王亞芬，王亞東/ DU Hong-zhi， WANG Ya-fen， WANG Ya-dong

降低Q345B鋼生產(chǎn)成本的工藝探索

供稿|杜洪志1，王亞芬2，王亞東2/ DU Hong-zhi1， WANG Ya-fen2， WANG Ya-dong2

內(nèi)容導(dǎo)讀

本鋼低合金高強(qiáng)度Q345B鋼應(yīng)用廣泛，而原料成本較高，熱軋卷成品價(jià)格卻較低，在保障質(zhì)量的前提下，降低其制造成本尤為重要。通過對(duì)本鋼Q345B鋼降Mn加Ti工藝與傳統(tǒng)的高M(jìn)n工藝的產(chǎn)品性能進(jìn)行對(duì)比分析，并借助金相顯微鏡、TEM投射電鏡和能譜儀等對(duì)兩種不同方案生產(chǎn)的Q345B鋼進(jìn)行了微觀形貌觀察和第二相粒子定性分析。結(jié)果表明，降Mn加Ti后，Q345B鋼中晶粒明顯細(xì)化，且存在大量納米級(jí)的立方形Ti（C，N）析出物；抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度亦有所提高，延伸率略有下降，但力學(xué)性能整體穩(wěn)定性提高，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且成本明顯降低。

面對(duì)鋼鐵市場的嚴(yán)峻形勢，如何降低成本是擺在鋼鐵企業(yè)面前的重要課題。本鋼生產(chǎn)的低合金高強(qiáng)度Q345B鋼雖然廣泛應(yīng)用于建筑、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，但是原料成本高、熱軋卷成品價(jià)格低，造成了微利潤甚至負(fù)利潤的局面。因此在保證Q345B質(zhì)量完全符合用戶要求的前提下，降低其制造成本尤為重要。

本鋼傳統(tǒng)工藝中Q345B化學(xué)成分中的Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.2%左右，合金成本較高，如果將Nb、Ti等微合金化技術(shù)應(yīng)用于低碳結(jié)構(gòu)用鋼Q345B的生產(chǎn)，有望達(dá)到降本增效的目的?？紤]到Nb價(jià)格較貴，鈦鐵相對(duì)較為便宜，通過調(diào)整Q345B的化學(xué)成分，降低其中的Mn含量，添加微量的Ti，并采用合理的控軋控冷工藝，運(yùn)用細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的手段進(jìn)行控制。不僅使生產(chǎn)出的 Q345B 各項(xiàng)理化指標(biāo)，而且在符合低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及使用要求的同時(shí)，成功地達(dá)到了降低Q345B的生產(chǎn)成本［1-3］的目的。

實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)原料為本鋼生產(chǎn)的兩種不同成分的Q345B連鑄坯：高M(jìn)n連鑄坯（方案一）和降Mn加Ti連鑄坯（方案二）。其化學(xué)成分見表1。方案二與方案一相比，Mn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.15%～1.50%大幅下降至0.30%～0.45%，同時(shí)添加了0.04%～0.05%的Ti元素，其他元素含量保持原 Q345B 鋼的設(shè)計(jì)。

工藝流程為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→連鑄→加熱→軋制→控制冷卻→卷取→機(jī)能檢驗(yàn)→包裝繳庫→發(fā)貨。兩種成分設(shè)計(jì)的Q345B鋼，熱軋工藝進(jìn)行調(diào)整，加熱溫度從1200℃提升至1250℃，終軋溫度為840℃，卷取溫度為570℃，卷取溫度較方案一降低20℃。

根據(jù)本鋼生產(chǎn)實(shí)際，分別選取了熱軋厚度規(guī)格為6.0～9.9 mm的兩組方案生產(chǎn)的鋼板為樣本，對(duì)其力學(xué)性能、金相組織等進(jìn)行比對(duì)分析。力學(xué)性能來自于生產(chǎn)檢驗(yàn)，在鋼板表面、厚度的1/4處和心部分別取樣，制備成金相樣品進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察。采用透射電鏡觀察析出相形貌、尺寸及分布。

表1　Q345B化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

結(jié)果分析

性能數(shù)據(jù)分析

選取了不同成分的Q345B連鑄坯經(jīng)過控軋控冷后的鋼板各300個(gè)樣本，進(jìn)行力學(xué)性能比對(duì)分析，見表2。根據(jù)分析數(shù)據(jù)可知，方案二的屈服強(qiáng)度均值為440 MPa，比方案一屈服強(qiáng)度393 MPa提高了47 MPa。方案二的抗拉強(qiáng)度均值540 MPa比方案一的抗拉強(qiáng)度均值525 MPa提高了15 MPa。而且方案二的延伸率27%比方案一的29%略微降低。并且對(duì)三個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)正態(tài)分布圖的分析可知，方案二的標(biāo)準(zhǔn)差均比方案一低，方案二所生產(chǎn)Q345B的各項(xiàng)性能分布更集中，穩(wěn)定性也較好。

Q345B鋼微觀組織分析

分別取方案一與方案二不同成分的Q345B某批次鋼板經(jīng)進(jìn)行微觀形貌觀察，距離板厚不同位置的組織形貌分別如圖1和圖2所示。兩種方案Q345B鋼的基體組織均為鐵素體+珠光體+貝氏體，鋼板上下表面的晶粒尺寸最細(xì)小，心部的晶粒較粗大，晶粒度分別為10級(jí)和11.8級(jí)，帶狀組織分別為1級(jí)和0.5級(jí)，方案二中有微量的貝氏體組織，降Mn加Ti后的組織明顯得到細(xì)化，尤其是板厚中部鐵素體晶粒呈等軸狀均勻分布，帶狀組織也明顯減少。

表2　Q345B 力學(xué)性能

%

圖1　方案一Q345B熱軋板板厚不同部位組織形貌圖：（a）表層；（b）1/4處；（c）1/2處；（d）3/4處

第二相粒子分析

加Ti降Mn（方案二）的Q345B鋼板的TEM二次粒子相以及對(duì)應(yīng)位置的EDS譜圖如圖3所示。經(jīng)EDS分析結(jié)果可知，圖3（a）黑色立方形為TiC粒子，約90 nm。且TEM觀察發(fā)現(xiàn)方案二實(shí)驗(yàn)鋼中存在大量納米級(jí)的立方形及少量塊狀的析出物，尺寸約為70～150 nm，主要為C元素、N元素與Ti元素形成的TiC、TiN或者包心狀的Ti（C，N）化合物。

圖2　方案二Q345B熱軋板板厚不同部位組織形貌圖：（a）表層；（b）1/4處；（c）1/2處；（d）3/4處

圖3　降Mn加Ti的Q345B鋼板第二相粒子析出物TEM形貌及能譜圖

討論

對(duì)比兩個(gè)方案Q345B鋼的金相組織圖1和圖2可以看出，降Mn加Ti的Q345B鋼晶粒明顯細(xì)化，帶狀組織減少，且板厚1/2處無偏析。從表2的性能分析上看方案二的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度較方案一明顯提高，而且穩(wěn)定性也較好，延伸率雖略有降低，但穩(wěn)定性要好于方案一。方案二鋼中Mn含量比方案一降低了約0.85%～1.2%，性能卻依然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。這是源于微合金元素Ti與鋼中的C元素或N元素形成TiC、TiN或Ti（C，N）粒子（圖4），細(xì)化晶粒以及沉淀強(qiáng)化的效果。不同的含Ti第二相（TiN、TiC）對(duì)應(yīng)的析出階段、析出順序及其對(duì)性能的影響機(jī)理也不同。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，含Ti第二相的析出過程可分為如下階段：1）連鑄及冷卻階段，發(fā)生TiN的液/固相析出及Ti4C2S2的固相析出，但尺寸較大，不能阻止奧氏體晶粒長大，也起不到沉淀強(qiáng)化作用。但是除了大顆粒TiN外，在TEM照片中還觀察到在幾十納米的小尺寸TiN（固態(tài)析出），由于其尺寸細(xì)小又具備非常優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，可以顯著釘扎晶界遷移，提高對(duì)晶粒長大的抵抗力，從而在均熱階段有效抑制奧氏體晶粒長大［4］。2）連軋階段，Ti元素的影響主要為固熔Ti以及形變誘導(dǎo)析出的TiC粒子對(duì)形變奧氏體再結(jié)晶的抑制作用。固熔Ti與位錯(cuò)及晶界（亞晶界）交互作用，使溶質(zhì)原子多偏聚在位錯(cuò)及晶界（亞晶界）處，其對(duì)位錯(cuò)的滑移和晶界的遷移起了阻礙作用。同樣通過應(yīng)變誘導(dǎo)析出的TiC粒子，由于其尺寸細(xì)小，對(duì)位錯(cuò)及晶界的遷移會(huì)產(chǎn)生顯著的釘扎作用，從而使再結(jié)晶受阻。一旦形變奧氏體的再結(jié)晶過程被阻止，繼續(xù)形變使得奧氏體晶粒扁平化，同時(shí)位錯(cuò)密度顯著增加，這些都有利于相變后鐵素體晶粒尺寸的細(xì)化。3）對(duì)于層冷與卷取階段，Ti主要與C形成TiC粒子，以相間析出或鐵素體中過飽和析出形式進(jìn)行，由于析出溫度較低，因此形成的TiC粒子多為彌散、細(xì)小的納米級(jí)析出物，其析出強(qiáng)化效果顯著，因而鋼材強(qiáng)度顯著提高［5-6］。

結(jié)束語

降Mn加Ti后的Q345B鋼各方面性能均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，也符合客戶生產(chǎn)實(shí)際要求，而且為本鋼帶了實(shí)際生產(chǎn)效益，按當(dāng)月合金價(jià)格核算，噸鋼合金成本降低了22元，本鋼Q345B年產(chǎn)量約為70萬t，每年可降低成本1540萬元，效益可觀，而且還有進(jìn)一步提升的空間。Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.040%～0.055%，力學(xué)性能遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)，在滿足客戶要求的前提下，優(yōu)化成分設(shè)計(jì)與軋制工藝，可繼續(xù)降低生產(chǎn)成本。

1） 降Mn加Ti的Q345B鋼與傳統(tǒng)的高M(jìn)n鋼相比，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度提高，延伸率雖略有降低，但穩(wěn)定性較好。

2） 降Mn加Ti的Q345B鋼的基體組織為鐵素體+珠光體+微量貝氏體，晶粒明顯細(xì)化，帶狀組織減少，且板厚中部無偏析。

3） Ti與C、N元素結(jié)合形成納米級(jí)細(xì)小的含Ti第二相粒子，通過細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化等可以改善Q345B的力學(xué)性能。

4） 通過調(diào)整Q345B的化學(xué)成分，降低其中的Mn含量、添加微量的Ti，采用合理的控軋控冷工藝，生產(chǎn)出的Q345B鋼板各項(xiàng)理化指標(biāo)滿足國標(biāo)要求，并降低了生產(chǎn)成本。

攝影 劉冬青

［1］ 張曉剛. 近年來低合金高強(qiáng)度鋼的進(jìn)展. 鋼鐵，2011，46（11）：1

［2］ 謝利群，毛新平，霍向東. Ti對(duì)鋼的組織性能的影響. 冶金叢刊，2005（1）：1

［3］ 劉文慶，朱曉勇，鐘柳明，等 . 微合金鋼中第二相臨界轉(zhuǎn)變尺寸的研究. 金屬學(xué)報(bào)，2011，47（8）：1094

［4］ 雍岐龍，馬鳴圖，吳寶榕. 微合金鋼—物理和力學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989：62

［5］ 毛新平. 薄板坯連鑄連軋微合金化技術(shù). 北京：冶金工業(yè)出版社，2008：100

［6］ 王長軍，雍岐龍，孫新軍，等. Ti和Mn含量對(duì)CSP工藝Ti微合金鋼析出特征與強(qiáng)化機(jī)理的影響. 金屬學(xué)報(bào)，2011，47（12）：1541

Exploration of Reducing Production Cost of Q345B

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.12

杜洪志（1979—），男，工程師，從事熱軋板研究，工作于本鋼鋼鐵集團(tuán)制造部冶金技術(shù)處，E-mail：dhz110002@sina.com。

1. 本溪鋼鐵集團(tuán)制造部，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼板材股份有限公司產(chǎn)品研究院，遼寧 本溪 117000