劉奉家 ，向華 ，趙虎

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司 2.寶鋼集團八鋼公司制造管理部）

1 前言

隨著國家“一帶一路”經(jīng)濟圈戰(zhàn)略推進，新疆及中亞鄰國對中厚板的需求日益旺盛，尤其是超高層建筑、大型場館、大功率風(fēng)力發(fā)電機組等設(shè)施對厚鋼板的強度等級由Q345提升到Q390、Q420。針對新疆烏魯木齊寶能城超高層建筑項目的需求，八鋼公司在4300mm/3500mm中厚板機組開發(fā)了Q420GJD建筑結(jié)構(gòu)鋼板，在冶煉過程中通過添加少量合金元素，使其在控軋過程中發(fā)揮細(xì)晶強化、析出強化和固溶強化效果，保證鋼板綜合性能，滿足高層建筑的使用要求。隨著建筑結(jié)構(gòu)朝著大型化、減重化趨勢發(fā)展，以及為了降低工程焊接量等因素，高強度建筑結(jié)構(gòu)鋼Q420GJ的各項優(yōu)勢將會體現(xiàn)的越來越明顯，市場需求也會越來越旺盛。

2 化學(xué)成分設(shè)計

國標(biāo)GB/T 19879-2015中對Q420GJD高建鋼的力學(xué)性能要求見表1所示。

表1 Q420GJD的性能要求

對于低合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼的轉(zhuǎn)變溫度與強度的關(guān)系[1]見圖1。因此，生產(chǎn)過程中通過控制軋制工藝以獲得Q420GJD的基本組織-鐵素體+珠光體，控制好軋后鋼板冷卻速度，避免出現(xiàn)貝氏體組織。

圖1 轉(zhuǎn)變溫度與強度的關(guān)系

Q420GJD高建鋼化學(xué)成分根據(jù)屈服強度測算公式[2]進行設(shè)計：

為滿足Q420GJD高建鋼的低溫沖擊韌性、抗層狀撕裂性能以及探傷等要求，通過成分設(shè)計和控軋工藝相結(jié)合，通過多種強化方式組合來獲得細(xì)小均勻的組織結(jié)構(gòu)。Q420GJD設(shè)計以C、N化合物的析出強化和 Mn、Si的固溶強化為主，Nb、V、Ti的碳氮化物在析出強化的同時，對低溫韌性有良好的貢獻。

采用低溫大壓下使鋼板在未再結(jié)晶區(qū)充分變形而獲得。變形奧氏體中產(chǎn)生高的缺陷累積，大幅度提高了奧氏體中的位錯密度，軋制過程中發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶細(xì)化了原奧氏體晶粒。冷卻過程中，Nb、V和Ti等微合金元素以(Nb,V,Ti)x(C,N)y等不同化學(xué)計量比的碳氮化物在晶界、亞晶界和位錯處析出的第二相粒子，釘扎了晶粒中的位錯和亞晶界，穩(wěn)定了如位錯墻等亞結(jié)構(gòu)。促使相變時大量的新相晶粒在原奧氏體晶粒內(nèi)形核。有利于相變后形成細(xì)小均勻的組織結(jié)構(gòu)[3]。

Q420GJD板坯化學(xué)成分設(shè)計見表2。

表2 Q420GJD板坯熔煉成分 wt,%

3 工藝流程設(shè)計

根據(jù)八鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼板的生產(chǎn)經(jīng)驗，為保證鋼板的低溫沖擊韌性、探傷性能等要求，關(guān)鍵過程控制包括：鋼水純凈，P、S元素和氣體含量要控制在一定的范圍內(nèi)，S＜0.005%、P＜0.012%，連鑄坯中心疏松和中心偏析程度盡可能低，小于曼內(nèi)斯曼標(biāo)準(zhǔn)3.0級，鋼板組織晶粒均勻、盡可能晶粒細(xì)小，大于ASTM 9級。

全工序生產(chǎn)流程：鐵水預(yù)處理→120噸轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→全程保護澆鑄（電磁攪拌+輕壓下）→板坯精整→板坯加熱→控制軋制→精整→標(biāo)識、檢驗入庫。

3.1 煉鋼過程關(guān)鍵控制點

3.1.1 氫元素控制

層狀撕裂的主要原因在于夾雜物的分布和應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)氫含量達到一定值時，就會聚集在夾雜物的間隙處，使該部啟裂并擴展，從而使夾雜物與基體金屬脫開，氫對層狀撕裂起到了誘發(fā)作用?？刂其撝袣浜康拇胧簢?yán)格控制原輔料和合金中的水分含量；控制好造渣埋弧和采用適當(dāng)?shù)臍鍤鈹嚢鑿姸?，避免鋼液裸露造成吸氫，出站前的喂線工藝要求控制好喂線量和喂線的深度和部位；通過RH本處理，氫含量控制在（1.5～2.2）×10-6；連鑄過程中做到全程保護澆注，使用專用的保護渣，防止吸氫和鋼水的二次氧化；采用鑄坯落地下線堆冷措施，氫會通過擴散而析出。

3.1.2 硫元素控制

MnS是鋼中最常見的夾雜物之一，它對鋼的塑性和韌性有顯著的影響，極易引起鋼板的層狀撕裂。通過鐵水脫硫預(yù)處理，從源頭開始控制鐵水硫含量小于0.026%；轉(zhuǎn)爐出鋼增加鋁鐵量加強鋼水脫氧，出完鋼，渣面采用鋁渣球進行渣面擴散脫氧。在LF出站前喂入硅鈣線進行鈣處理，使已經(jīng)生成的MnS夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸み^程中不易變形的球狀硫化物CaS。

3.1.3 板坯中心偏析控制

鑄坯中心偏析對鋼板的Z向性能影響非常明顯?？刂拼胧航档弯撝幸灼鲈豍、S的含量；連鑄過程中采用低過熱度澆注，過熱度為8～25℃；采用凝固末端動態(tài)輕壓下技術(shù)來補償鑄坯最后凝固的收縮，減輕或消除中心偏析。采用弱冷卻制度，穩(wěn)定拉速＜0.75m/min。

3.2 軋鋼過程控制

3.2.1 控軋工藝

采用兩階段控軋工藝，在一階段再結(jié)晶區(qū)軋制時，為控制變形奧氏體的再結(jié)晶數(shù)量,應(yīng)盡可能達到完全再結(jié)晶，在高溫區(qū)采取15%～20%的道次壓下量，軋制溫度控制在中下限，終軋溫度盡可能接近Ar3，總壓下率控制在40%～45%，單道次壓下率和軋制速度盡可能高。相變后細(xì)小、均勻的晶粒組織是確保鋼板低溫韌性的關(guān)鍵。

開軋溫度低于未再結(jié)晶溫度，終軋溫度高于Ar3+30℃，控軋工藝參數(shù)見表3。

表3 Q420GJD軋制工藝參數(shù)

4 工業(yè)性試制結(jié)果

4.1 鑄坯質(zhì)量

連鑄坯斷面尺寸220mm×1500mm，表面無缺陷，酸洗角樣未發(fā)現(xiàn)裂紋。鑄坯取硫印試樣進行內(nèi)部缺陷評級，連續(xù)抽檢結(jié)果：中心偏析小于等于2.6級，中心疏松小于等于1級，其它缺陷未見，鑄坯質(zhì)量達到了預(yù)期目標(biāo)。

4.2 板坯化學(xué)成分

板坯熔煉成分見表4。冶煉板坯的S含量均低于0.003%，達到了良好的控制水平。

表4 Q420GJD化學(xué)成分 wt，%

4.3 鋼板力學(xué)性能分析

鋼板拉伸試樣采用全板厚，橫向拉伸，縱向沖擊，性能統(tǒng)計見表5。

表5 Q420GJD鋼板力學(xué)性能

Q420GJD的屈服強度＞420MPa、抗拉強度＞530MPa，各項性能指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼板延伸率＞25%鋼板具有較高塑性，屈強比＜0.8抗震性能較好。-20℃低溫沖擊吸收功＞180J，具有良好的低溫韌性。

對35mm鋼板做Z向拉伸性能：斷面收縮率分別為57.1%、53.2%、56.8%。具有良好的抗層狀撕裂性能。鋼板內(nèi)部質(zhì)量滿足超聲波Ⅰ級探傷檢測。

4.4 鋼板金相試驗

（1）本次試制鋼板厚度范圍8～35mm，鋼板組織均為鐵素體+珠光體組織。在鋼板寬度1/4處取金相試樣拋光經(jīng)硝酸酒精溶液腐蝕后，在金相顯微鏡下進行組織觀察：圖2是具有代表性的B641324000鋼板的金相組織照片。

（2）對不同鋼板的拉伸試樣截取金相試樣作夾雜物分析，4個規(guī)格的鋼板夾雜物評級結(jié)果見表6。

圖2 B641324000鋼板不同厚度處的金相照片

表6 鋼板夾雜物和組織

金相組織分析結(jié)果表明：鋼板由表及里，帶狀組織逐漸加重，心部的帶狀組織中夾雜有少量粒狀貝氏體；厚度越小，由于軋后冷速快，帶狀組織越明顯，組織晶粒越細(xì)小。

5 結(jié)論

（1）煉鋼采用恒拉速、低過熱度、二段弱冷工藝，板坯中心偏析控制在3.0級以下，確保了鋼板的低溫韌性。對35mm鋼板進行Z向拉伸試驗，3個面縮率數(shù)值分別為 57.1%、53.2%、56.8%，達到Q420GJDZ35的性能要求。

（2）通過合理的成分設(shè)計、控制軋制工藝設(shè)計，獲得了預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)和鋼板力學(xué)性能，成功試制出Q420GJD高建鋼，性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，為批量生產(chǎn)奠定了理論和實踐基礎(chǔ)。

（3）連鑄坯的中心偏析及鋼板軋后的冷卻控制是導(dǎo)致鋼板中心出現(xiàn)貝氏體組織的主要原因，它與帶狀組織共同作用會升高鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

（4）八鋼開發(fā)的Q420GJD高建鋼，屈強比低，低溫韌性穩(wěn)定，符合高層建筑、大型場館的設(shè)計、使用要求，同時也可應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)鋼等領(lǐng)域，具有廣泛的推廣價值。本產(chǎn)品的成功開發(fā)，填補了新疆的產(chǎn)品空白，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。