尹世友

（山鋼股份濟(jì)南分公司寬厚板廠，山東濟(jì)南 250101）

生產(chǎn)技術(shù)

歐標(biāo)S355J2+N特厚結(jié)構(gòu)鋼板的開發(fā)與生產(chǎn)

尹世友

（山鋼股份濟(jì)南分公司寬厚板廠，山東濟(jì)南 250101）

采用連鑄坯真空焊接復(fù)合軋制技術(shù)，通過成分、加熱、軋制及熱處理工藝設(shè)計(jì)，以及高溫低速大壓下工藝、軋后鋼板緩冷、正火處理等手段，成功研發(fā)了150～200 mm歐標(biāo)S355J2+N特厚結(jié)構(gòu)鋼板，其批量生產(chǎn)特厚鋼板的各項(xiàng)性能優(yōu)良，內(nèi)部質(zhì)量良好，各性能優(yōu)于歐標(biāo)EN 10025-2:2004各項(xiàng)要求，滿足了用戶的需求。

S355J2+N鋼；特厚板；連鑄坯真空焊接；復(fù)合軋制；力學(xué)性能

1 前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展、裝備制造大型化，特厚板鋼材品種的需求旺盛，主要應(yīng)用于重型機(jī)械制造、設(shè)備基座、大型焊接鋼結(jié)構(gòu)、建筑、橋梁等領(lǐng)域。低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)特厚鋼板需求多，如Q345系列、歐標(biāo)S355J2系列等，其制造標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求嚴(yán)格，產(chǎn)品附加值高。目前國內(nèi)已建成多條裝備先進(jìn)的寬厚板生產(chǎn)線，具備研發(fā)附加值高的大單重特厚鋼板能力［1-3］。本研究采用連鑄坯真空焊接復(fù)合軋制技術(shù)，通過成分、加熱、軋制及熱處理工藝設(shè)計(jì)，成功研發(fā)150～200 mm S355J2+N歐標(biāo)特厚結(jié)構(gòu)鋼板，滿足歐標(biāo)EN 10025-2：2004各項(xiàng)要求，產(chǎn)品性能優(yōu)良。

2 工藝方案

2.1 標(biāo)準(zhǔn)要求

S355J2+N為歐標(biāo)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板，其成分和性能執(zhí)行EN 10025-2標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求。150～200 mm厚S355J2+N鋼板的化學(xué)成分、力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)要求見表1、表2。

表1 150～200 mm厚S355J2+N鋼板化學(xué)成分要求%

2.2 工藝路線

KR鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→CAS處理→LF精煉→RH真空處理→CCM→連鑄坯緩冷→連鑄坯真空焊接復(fù)合→車底爐加熱→除鱗→粗軋→精軋→ACC弱冷→堆垛緩冷→車底爐正火→定尺切割→超聲波探傷→性能檢驗(yàn)→噴號(hào)→合格品入庫。

2.3 連鑄坯真空焊接復(fù)合工藝技術(shù)

真空電子束焊接（EBW）技術(shù)是一種先進(jìn)、成熟的高能束焊接技術(shù)，是在高真空條件下用高能量密度的電子束轟擊焊件接頭處的金屬，使其快速熔融，然后迅速冷卻來達(dá)到焊接的目的。連鑄坯真空焊接復(fù)合工藝技術(shù)是濟(jì)鋼研發(fā)并工程化應(yīng)用的國內(nèi)特厚鋼生產(chǎn)新工藝，將EBW技術(shù)引入應(yīng)用到制備特厚板用大厚度板坯生產(chǎn)實(shí)踐，解決了特厚板生產(chǎn)所需的大厚度坯料，生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 連鑄坯真空焊接復(fù)合工藝流程

3 特厚板研發(fā)

3.1 成分設(shè)計(jì)

為保證150～200 mm S355J2+N特厚鋼板的性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并考慮特厚鋼板厚度效應(yīng)，成分設(shè)計(jì)添加適量的C、Mn以保證鋼板的強(qiáng)度。C作為影響焊接性能的重要元素，含量不宜超過0.20%。采用微合金化技術(shù)，通過添加Nb、V、Ti元素，與碳氮元素交互作用，在鋼中形成碳化物、氮化物、碳氮化物，這些化合物在高溫加熱時(shí)溶解，低溫下析出并以第二相的方式分布于基體，可有效阻止晶粒的長大，提高鋼板的各項(xiàng)綜合性能［4］。此外，鋼中的S、P、O、N、H等有害元素及各種非金屬夾雜物會(huì)降低鋼板的塑性、韌性以及強(qiáng)度，冶煉時(shí)采用潔凈鋼冶煉技術(shù)，進(jìn)一步降低鋼中有害元素和夾雜物含量。具體成分設(shè)計(jì)見表3。

3.2 冶煉工藝控制

特厚鋼板在生產(chǎn)時(shí)由于相對(duì)一般厚度鋼板的壓縮比要小，鑄坯內(nèi)部缺陷不容易焊合，容易影響鋼板性能。為確保探傷合格和性能，復(fù)合制坯用坯料要求為穩(wěn)態(tài)連鑄坯，其內(nèi)部質(zhì)量要求按照滿足一級(jí)探傷鋼種條件生產(chǎn)，冶煉工藝采用潔凈鋼冶煉技術(shù)，嚴(yán)控鋼中五大有害元素P、S、N、H、O的含量。采用LF、RH雙精煉控制，RH真空脫氣時(shí)，真空處理時(shí)間在100 Pa下不少于15 min，破真空后立即進(jìn)行Ca處理，對(duì)夾雜物進(jìn)行改性，軟吹5 min后吊鋼。軟吹過程中防止鋼液裸露造成二次氧化。連鑄坯料下線后吊入緩冷坑內(nèi)緩冷48 h以上。此外，連鑄坯吊運(yùn)、倒運(yùn)過程中禁止使用磁吊，防止連鑄坯存有殘磁，影響后續(xù)真空電子束焊接質(zhì)量。

表3 150～200 mm厚S355J2+N鋼成分設(shè)計(jì)%

3.3 復(fù)合制坯工藝控制

復(fù)合制坯工藝是利用連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)的特點(diǎn)，將連鑄坯表面切銑、清理后組合在一起，在真空室中采用真空電子束焊接技術(shù)對(duì)鑄坯周邊進(jìn)行焊接密封，生產(chǎn)高質(zhì)量大厚度坯料。連鑄坯銑床切銑后的表面質(zhì)量和各尺寸控制要求滿足后序清理、組合和真空焊接要求；切銑后的連鑄坯料表面清理要求保證界面潔凈，無粉塵、鐵屑等微塵，并做好表面防護(hù)，避免二次污染。真空電子束焊接時(shí)嚴(yán)格按照操作規(guī)范，編寫焊接程序，輸入焊接參數(shù)，如：加速電壓、焊接電流、焊接速度、聚焦電流等，焊接時(shí)要達(dá)到工藝要求的真空度，確保焊后坯料內(nèi)部真空度、焊縫深度達(dá)到工藝要求。軋制150～200 mm厚S355J2+N鋼板用坯料采用2支250 mm連鑄坯料復(fù)合，復(fù)合后的坯料厚度490～495 mm。

3.4 加熱工藝控制

復(fù)合坯料利用臺(tái)車式車底式爐加熱，采用分段加熱、保溫的方式，加熱曲線如圖2所示。加熱過程中應(yīng)降低熱應(yīng)力對(duì)復(fù)合坯料焊縫的影響；多段保溫階段目的是減小復(fù)合坯料斷面的溫差，防止坯料表面和中心溫差大及變形不均勻而對(duì)焊縫的較大影響，同時(shí)在高溫段保溫保證坯料均勻奧氏體化，坯料加熱均勻，并使一部分接觸的中心界面能夠通過高溫?cái)U(kuò)散及相變產(chǎn)生初步的冶金結(jié)合，為后續(xù)軋制創(chuàng)造條件；出爐前通過控制爐膛燒嘴，適當(dāng)降低坯料下表面溫度來調(diào)整控制上下表面溫差，防止軋制過程鋼板出現(xiàn)上翹。鋼中添加了Nb、V、Ti等微合金元素，為保證坯料均勻奧氏體化，使微合金化元素充分溶解，確定坯料最高加熱溫度為1 250～1 280℃。

3.5 軋制工藝控制

圖2 S355J2+N復(fù)合坯料加熱曲線

復(fù)合坯料軋制時(shí)，粗軋階段采用高溫、低速、大壓下軋制工藝，開軋溫度1 050～1 150℃，中間坯厚度＞1.4倍成品厚度，并加大粗軋最后3道次的變形量，增加中心滲透，充分發(fā)揮再結(jié)晶區(qū)軋制反復(fù)完全再結(jié)晶對(duì)細(xì)化晶粒的作用，獲得均勻細(xì)小的高溫奧氏體組織，并使中心界面處金屬在再結(jié)晶過程中生成新的完整晶粒，形成牢固的冶金結(jié)合，使中心界面完全消失，形成與基體相同的組織。精軋終軋溫度控制820～880℃，在未再結(jié)晶區(qū)軋制，保證精軋變形量累積量，使奧氏體晶粒充分變形，為后續(xù)相變提供更多的形核位置，細(xì)化晶粒，獲得優(yōu)良的鋼板性能。為縮短軋后鋼板在高溫段的停留時(shí)間，采用ACC弱冷工藝，冷速3～5℃/s，出水后鋼板表面的返紅溫度＜700℃。鋼板下線后及時(shí)進(jìn)行堆垛緩冷，堆冷溫度＞400℃，緩冷時(shí)間＞48 h。

3.6 熱處理工藝

150～200mm厚S355J2+N鋼板使用臺(tái)車式車底爐正火，以進(jìn)一步細(xì)化均勻鋼板的晶粒組織，消除內(nèi)部應(yīng)力，提高鋼板綜合性能。采用經(jīng)驗(yàn)公式［5］計(jì)算的S355J2+N鋼Ac3相變溫度約為840℃，設(shè)定鋼板正火保溫溫度為（890±10）℃，保溫時(shí)間1.3～1.5 min/mm；為加快正火出爐后鋼板冷卻速度，加快鋼板組織相變，鋼板出爐后采用風(fēng)冷方式。

4 產(chǎn)品性能分析

4.1 力學(xué)性能

根據(jù)批量生產(chǎn)鋼板檢驗(yàn)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、沖擊等性能，進(jìn)行了直方圖分析（見圖3）。從圖3中可以看出，150～200 mm厚S355J2+N鋼板的力學(xué)性能指標(biāo)全部滿足歐標(biāo)EN 10025～2：2004標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)穩(wěn)定，波動(dòng)較小，產(chǎn)品性能優(yōu)良。

4.2 金相組織

為觀察特厚板微觀組織特點(diǎn)，選取一批正火后200 mm厚S355J2+N鋼板進(jìn)行了不同厚度位置的金相檢驗(yàn)，圖4為不同厚度位置金相組織。鋼板組織均為鐵素體+珠光體，上下表面組織晶粒相對(duì)細(xì)?。ㄒ妶D4a、圖4e）；鋼板厚度1/2結(jié)合面處形成了均勻一致的晶粒組織，在結(jié)合界面處沒有觀察到明顯分界及組織上的差別，無接合痕跡，與基體相比沒有差別（見圖4c）；鋼板厚度1/4處、3/4處為原始連鑄坯中心位置，有帶狀組織（見圖4b、圖4d），這與原始鑄坯的中心偏析有關(guān)。

圖3 批量生產(chǎn)150～200 mm厚S355J2+N鋼板性能數(shù)據(jù)分析

圖4 200mm厚S355J2+N鋼板不同位置金相組織×200

4.3 Z向性能

為檢驗(yàn)鋼板抗層狀撕裂性能，同時(shí)驗(yàn)證鋼板中心結(jié)合強(qiáng)度，選取不同厚度5批鋼板取樣，檢驗(yàn)Z向力學(xué)性能，結(jié)果見表4。試驗(yàn)結(jié)果表明特厚板抗層狀撕裂的能力較強(qiáng)，鋼板厚度中心位置結(jié)合強(qiáng)度高，試驗(yàn)結(jié)果滿足EN 10164標(biāo)準(zhǔn)中Z35級(jí)別要求。

表4 150～200 mm厚S355J2+N鋼板Z向性能

5 結(jié)論

采用連鑄坯真空焊接復(fù)合軋制技術(shù)，通過成分、加熱、軋制及熱處理工藝設(shè)計(jì)，山鋼股份濟(jì)南分公司寬厚板廠成功研發(fā)了150～200 mm S355J2+N歐標(biāo)特厚結(jié)構(gòu)鋼板，批量生產(chǎn)的特厚鋼板各項(xiàng)性能指標(biāo)穩(wěn)定，波動(dòng)小，完全滿足歐標(biāo)EN 10025～2：2004各項(xiàng)要求，產(chǎn)品性能優(yōu)良。鋼板厚度中心結(jié)合面處形成了均勻一致的晶粒組織，無接合痕跡，與基體沒有差別，同時(shí)特厚板抗層狀撕裂能力強(qiáng)，鋼板厚度中心位置結(jié)合強(qiáng)度高，鋼板滿足EN 10164標(biāo)準(zhǔn)中Z35級(jí)別要求。

采用連鑄坯真空焊接復(fù)合軋制技術(shù)，可以制備生產(chǎn)150～200 mm厚S355J2+N特厚鋼板用大厚度坯料，其特厚板產(chǎn)品性能穩(wěn)定，提高了特厚板生產(chǎn)的厚度范圍，并可以滿足抗層狀撕裂等不同用戶的特殊需求。

［1］許少普，崔冠軍，吳彥，等.250 mm超厚低合金高強(qiáng)度Q345D鋼板的研制［J］.鋼鐵研究，2010，38（5）：59-62.

［2］崔風(fēng)平，孫瑋，趙乾,等.我國極厚鋼板生產(chǎn)制造技術(shù)的發(fā)展［J］.山東冶金，2013，35（1）：1-6.

［3］劉熙章.厚鋼板坯料生產(chǎn)制備方法的研究［J］.寬厚板，2009，15（3）：40-43.

［4］鄭香增.抗層狀撕裂厚鋼板的研制開發(fā)［J］.山東冶金，2008，30（2）：39-41.

［5］黃春峰.鋼的力學(xué)性能及熱處理工藝經(jīng)驗(yàn)公式［J］.金屬熱處理，1998（4）：12-17.

Development and Production of European Standard S355J2+N Extra Thick Steel Plates

YIN Shiyou
（The Heavy Plate Plant of Jinan Branch of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The designed steel compositions,heating,rolling and heat treatment processes of 150-200 mm European Standard S355J2+ N extra thick plates by“welding continuous casting slabs and rolling-bonding”technology was introduced in the paper.The extra thick plates were successfully developed by rolling with high temperature-low speed-large reduction,stacking cooling,normalizing treatment.The plates have good mechanical property,as well as have good interior quality.The quality of the plates was better than the demands of EN 10025-2:2004 Standard and satisfied the requirements of consumers.

S355J2+N steel;extra thick plate;continuous casting slab vacuum welding;rolling-bonding;mechanical property

TG335.5+1

A

1004-4620（2017）02-0001-03

2016-12-01

尹世友，男，1982年生，2008年畢業(yè)于東北大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)，碩士?，F(xiàn)為山鋼股份濟(jì)南分公司寬厚板廠工程師，從事鋼鐵冶金及軋鋼工藝技術(shù)工作。