趙虎，宋維兆，朱豪，向華

（新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠）

1 前言

Q460C鋼板主要用于制造煤礦液壓支架、刮板輸送機(jī)等工程機(jī)械。礦用機(jī)械的制造工藝和使用環(huán)境特殊，要求鋼板有較高的強(qiáng)度、塑性和低溫韌性，以及良好的焊接性能和低的缺口敏感性。隨著TMCP技術(shù)日益成熟，“水是最廉價(jià)的合金元素”這一觀點(diǎn)已被普遍接受，低合金高強(qiáng)鋼的合金減量化的低成本生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)[1]。Q460C鋼板的生產(chǎn)工藝由最初的高碳高合金的調(diào)質(zhì)或控制軋制，逐步向低碳微合金化的控軋控冷工藝方向發(fā)展。

八鋼公司在120t轉(zhuǎn)爐和4200/3500mm中厚板產(chǎn)線生產(chǎn)厚度16～30mmQ460C鋼板時(shí)，最初采用控制軋制工藝生產(chǎn)，添加了較多的Nb、V、Ti等合金元素，依然存在強(qiáng)度余量不足。過高的碳含量在提高鋼板強(qiáng)度的同時(shí)，容易引起延伸率、低溫韌性、焊接性能等指標(biāo)變差。為了提高Q460C鋼板的綜合性能，并降低生產(chǎn)成本，開展了控軋控冷工藝和組織性能的試驗(yàn)研究，通過工藝制度的優(yōu)化，生產(chǎn)出了合格的Q460C鋼板，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

2 Q460C鋼板的工藝開發(fā)

2.1 化學(xué)成分和性能要求

國(guó)標(biāo)GB／T1591--2008所規(guī)定的力學(xué)性能如表1所示，化學(xué)成分如表2所示。

表1 Q460C鋼板國(guó)標(biāo)力學(xué)性能指標(biāo)

表2 Q460C國(guó)標(biāo)化學(xué)成分 wt，%

2.2 工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)

相關(guān)研究及生產(chǎn)完成表明[2-4]，熱軋態(tài)屈服強(qiáng)度390MPa鋼板，利用ACC控冷工藝，組織為鐵素體+珠光體時(shí)強(qiáng)度可升高30～50MPa，組織為貝氏體+鐵素體或貝氏體時(shí)強(qiáng)度可提高100MPa以上，可以達(dá)到Q460C鋼板性能要求，在不增加合金成分的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)鋼種升級(jí)。采用C-Mn-Nb成分體系、兩階段控軋及軋后快速冷卻工藝生產(chǎn)，鋼板組織為表層細(xì)晶或貝氏體，化學(xué)成分、精軋累計(jì)壓下量、終軋溫度、冷卻溫度等參數(shù)是影響鋼板組織性能的主要因素。結(jié)合八鋼公司低合金結(jié)構(gòu)鋼板的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[5-6]，在C-Mn-Nb成分系Q345基礎(chǔ)上，通過成分調(diào)整和工藝優(yōu)化，開發(fā)生產(chǎn)厚度16～30mmQ460C鋼板。薄規(guī)格軋后空冷溫降大于厚規(guī)格，為保證開冷溫度，需要提高終軋溫度，控軋效果減弱。16mm鋼板的屈服強(qiáng)度下線比厚規(guī)格高20MPa，需要按厚度分檔設(shè)計(jì)不同的化學(xué)成分和工藝參數(shù)。

2.3 Q460C產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)

2.3.1 工藝流程

Q460C鋼板采用120t轉(zhuǎn)爐冶煉的厚度250mm板坯，在4200/3500mm中厚板生產(chǎn)線軋制。工藝路線：鐵水預(yù)脫硫—120t轉(zhuǎn)爐冶煉—LF精煉—RH精煉—板坯連鑄—加熱—高壓水除鱗—4200mm粗軋機(jī)軋制—3500mm精軋機(jī)軋制—ACC冷卻—矯直—剪切—取樣—檢驗(yàn)—入庫(kù)。

2.3.2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

Q460C鋼板采用C—Mn—Nb成分系，化學(xué)成分設(shè)計(jì)以獲得鐵素體/貝氏體為主線，綜合考慮焊接性能，并適量添加有利于提高控軋控冷效果的合金元素。降低C含量并控制碳當(dāng)量可改善鋼板的塑性和焊接性能。增加Mn含量有促進(jìn)鋼貝氏體化的作用，可以降低Ar3溫度，同時(shí)Mn通過多種機(jī)制有效地提高鋼的強(qiáng)度。適量添加Nb—V—Ti復(fù)合微合金化，通過合理工藝控制可有效細(xì)化晶粒、增強(qiáng)析出強(qiáng)化作用，Nb還能抑制加熱過程中晶粒長(zhǎng)大和提高奧氏體再結(jié)晶溫度。此外，煉鋼過程中，采用潔凈鋼冶煉技術(shù)和鈣處理，嚴(yán)格控制鋼中的S、P、O含量及夾雜物形態(tài)，有助于提高沖擊韌性。

厚度25～30mmQ460C化學(xué)成分見表3，碳當(dāng)量0.36%～0.41%，抗裂紋敏感系數(shù)0.20%～0.26%。厚度16～20mm在該成分基礎(chǔ)上，Nb、V含量有所增加，以強(qiáng)化控制控冷效果。

表3 25～30mmQ460C化學(xué)成分 wt，%

2.3.3 軋制工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)表3的化學(xué)成分，控軋態(tài)鋼板的屈服強(qiáng)度為380～410MPa，抗拉強(qiáng)度 510～570MPa。需要通過控軋控冷工藝將屈服強(qiáng)度提高100MPa以上，才能達(dá)到Q460C鋼板的國(guó)標(biāo)要求。采用二階段控制軋制及軋后ACC快速冷卻工藝生產(chǎn)。主要工藝參數(shù)：加熱溫度1200～1260℃，加熱時(shí)間大于210分鐘；粗軋結(jié)束溫度大于980℃，中間坯厚度2.5～3.5倍成品厚度，道次壓下率8%～15%；精軋階段，16mm開軋溫度940℃，其余厚度規(guī)格均在900℃以下，終軋溫度小于830℃，道次壓下率10%～15%；鋼板終冷溫度570～620℃，返紅溫度 600～660℃，冷卻速度 5～13℃/s。

表4 Q460C鋼板軋制工藝參數(shù)

表5 Q460C鋼板性能檢驗(yàn)結(jié)果

2.4 產(chǎn)品性能檢測(cè)

2.4.1 軋制實(shí)績(jī)與性能

控軋控冷參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表4，力學(xué)性能結(jié)果見表5。冷彎和沖擊全部合格。與軋態(tài)相比，屈服提高118MPa，抗拉提高65MPa，延伸降低7%，性能檢驗(yàn)合格率96.3%。不同鋼板的性能離散度較大，16mm屈服強(qiáng)度合格率偏低，25mm和30mm延伸合格率偏低。

2.4.2 金相組織

對(duì)鋼板拉伸試樣取金相試樣，放大500倍觀察厚度1/4和1/2處的顯微組織見圖1和圖2，力學(xué)性能見表6。1#試樣厚度1/4處組織為F+P+B，心部厚度1/2處組織以鐵素體為主，在偏析帶上有粒狀貝氏體。2#試樣厚度1/4和1/2處主要以貝氏體為主。

圖1 1#試樣金相照片

圖2 2#試樣金相照片

表6 取樣鋼板金相檢驗(yàn)性能

3 分析與討論

3.1 控軋控冷溫度控制精度

根據(jù)生產(chǎn)結(jié)果，Q460C鋼板最佳的屈服強(qiáng)度和延伸率為：屈服強(qiáng)度480～530MPa、延伸率18%～22%，理想的組織為表層和1/4厚度為貝氏體，心部為鐵素體和珠光體。冷卻強(qiáng)度偏低時(shí)，組織為鐵素體和珠光體，鋼板強(qiáng)度偏低；冷卻強(qiáng)度偏高時(shí)，產(chǎn)生過多的貝氏體，延伸又會(huì)降低。根據(jù)公式（1）計(jì)算產(chǎn)生50%貝氏體需要冷卻到605℃，545℃時(shí)鋼板全厚度轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。因此，終冷溫度應(yīng)控制在580～610℃。

對(duì)比生產(chǎn)實(shí)績(jī)發(fā)現(xiàn)，終軋溫度、開冷溫度和終冷溫度的波動(dòng)幅度達(dá)到40℃，這也是造成性能異板差較大主要原因。在軋制和冷卻過程中，待溫厚度、開軋溫度、精軋道次數(shù)、ACC集管開啟組數(shù)、水量水比、輥道速度等參數(shù)均存在波動(dòng)，直接影響軋制和冷卻過程的溫度控制精度。

3.2 鋼板初驗(yàn)和復(fù)驗(yàn)的性能差異

在鋼板頭部圓弧切除200～300mm取樣，各鋼板的取樣部位相同。初驗(yàn)性能異常時(shí)需復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)與初驗(yàn)樣均在同一塊中樣上制取，通常在初驗(yàn)后12小時(shí)完成復(fù)驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)Q460C鋼板的初復(fù)驗(yàn)屈服強(qiáng)度和延伸率差異，如圖3和圖4所示，復(fù)驗(yàn)的屈服強(qiáng)度降低、延伸率升高。初驗(yàn)屈服強(qiáng)度小于460MPa時(shí)，復(fù)驗(yàn)性能變化較小。隨著屈服強(qiáng)度升高，復(fù)驗(yàn)后的屈服強(qiáng)度降幅和延伸率升幅均增加。初驗(yàn)屈服強(qiáng)度大于600MPa時(shí)，復(fù)驗(yàn)的屈服強(qiáng)度降幅可達(dá)40～50MPa，但16mm鋼板的延伸率升幅減小。

圖3 初復(fù)驗(yàn)的屈服差異

圖4 初復(fù)驗(yàn)的延伸率差異

控冷鋼板存在明顯的時(shí)效。屈服強(qiáng)度460MPa時(shí)鋼板全厚度組織均為F+P，屈服強(qiáng)度在500～550MPa時(shí)表層和1/4厚度存在貝氏體，屈服強(qiáng)度大于600MPa時(shí)全厚度均為貝氏體。鋼板的貝氏體組織含量越高，時(shí)效越明顯，而且厚鋼板的時(shí)效大于薄鋼板。

3.3 堆緩冷對(duì)性能的影響

萬(wàn)德成等人的研究認(rèn)為[7]，對(duì)貝氏體鋼進(jìn)行250～350℃回火處理，可以獲得良好的強(qiáng)度和塑韌性。鋼板軋后快速下線堆緩冷，可以達(dá)到低溫回火的效果。Q460C鋼板經(jīng)過ACC水冷，熱矯直機(jī)矯直后，在滾盤式冷床上空冷降溫。實(shí)測(cè)鋼板空冷溫降過程，從610～630℃降低到250℃，16mm鋼板需20分鐘，20mm鋼板需30分鐘，25mm鋼板需40分鐘，20、25和30mm鋼板具備堆緩冷條件。20mm鋼板180～230℃堆冷，25mm 和 30mm 鋼板 247～280℃堆冷，12～24小時(shí)后剪切取樣，性能檢測(cè)結(jié)果如表7。與直接剪切的性能相比，屈服強(qiáng)度略有降低，延伸率上升，屈服和延伸性能匹配性增強(qiáng)，性能離散度減小，合格率提高。

表7 堆緩冷鋼板的性能

4 生產(chǎn)工藝改進(jìn)與優(yōu)化

4.1 改進(jìn)方案

表8 軋制工藝參數(shù)

Q460C鋼板生產(chǎn)出現(xiàn)的性能異常及較大的波動(dòng)，主要原因是為達(dá)到強(qiáng)度和塑性的合理匹配，組織必須是表層貝氏體和心部鐵素體，工藝窗口較窄，控軋和控冷的溫度精度難以控制在30℃以內(nèi)，再加上化學(xué)成分及其它過程參數(shù)的波動(dòng)，使組織性能的穩(wěn)定性降低。根據(jù)鋼板的初復(fù)驗(yàn)對(duì)比和堆緩冷測(cè)試，強(qiáng)度越高、延伸率越低的鋼板，堆緩冷后存在明顯的強(qiáng)度衰減和延伸率上升，且趨于收斂。因此，提高冷卻強(qiáng)度，軋后200～300℃堆緩冷，有利于擴(kuò)大工藝窗口，并減小性能離散度。改進(jìn)后的軋制工藝參數(shù)見表8。

4.2 產(chǎn)品性能檢測(cè)

工藝改進(jìn)后，共生產(chǎn)檢驗(yàn)560批次，各厚度規(guī)格的試軋鋼板的性能統(tǒng)計(jì)見表9，性能趨于穩(wěn)定，綜判合格率99.3%，性能過程控制能力指數(shù)CPK值提高，見圖5。

圖5 鋼板的過程能力指數(shù)

表9 堆緩冷鋼板的性能合格率

5 結(jié)論

（1）采用C-Mn-Nb成分體系和控軋控冷工藝生產(chǎn)的16～30mmQ460C鋼板，碳當(dāng)量小于0.41%，改善了鋼板的焊接性能和強(qiáng)韌性。與原熱軋態(tài)Q460C鋼板相比，碳降低0.026%，錳降低0.10%，Nb降低0.015%，釩降低0.014%。

（2）Q460C鋼板為獲得良好的屈服和延伸性能，鋼板組織應(yīng)為表層貝氏體，控軋控冷工藝的溫度波動(dòng)必須控制在30℃以內(nèi)。較穩(wěn)定的工藝參數(shù)為：開冷溫度 740～770℃，終冷溫度 580～610℃，通過固化坯型、待溫厚度、待溫溫度等措施來(lái)提高上述參數(shù)的控制精度。

（3）實(shí)際生產(chǎn)中，化學(xué)成分、變形條件、溫度控制等過程參數(shù)均存在波動(dòng)，會(huì)造成同板和異板的組織性能差異。通過增加ACC冷卻強(qiáng)度和軋后200～300℃堆緩冷，有利于擴(kuò)大工藝窗口，并減小性能離散度。