吾塔,李立民,吳軍,卜志勝,丁寅,劉軍威,程杰

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部;2.新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鋼廠）

1 前言

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是一類用途非常廣泛的鋼種，其強(qiáng)化元素通常為碳、錳。為了提高鋼的韌性，通常采用低碳、低錳，添加鈮、釩、鈦三種元素的一種或者兩種復(fù)合強(qiáng)化。板材生產(chǎn)中通常以鈮、釩強(qiáng)化為主。隨著市場(chǎng)的變化，用戶對(duì)鋼材的質(zhì)量要求更高，要求鋼材不僅要具備高強(qiáng)度，還要有良好的韌性。因此，既經(jīng)濟(jì)又能大幅度提高鋼材強(qiáng)度的鈦元素優(yōu)勢(shì)得以顯現(xiàn)。鈦?zhàn)鳛闊掍撨^(guò)程中重要的微合金化元素，同Nb、V一樣得到了廣泛應(yīng)用，但鈦的含量通常控制在0.01%～0.03%，主要作用是提高鋼材的韌性和焊接性能，較低的鈦含量對(duì)鋼材強(qiáng)度貢獻(xiàn)并不顯著。

由于鋼中的鈦可顯著細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度、韌性和改善鋼的焊接性能。隨著鈦的價(jià)格優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，鋼的鈦強(qiáng)化得到了關(guān)注。Nb、Ti、V在鋼中通常以氮化物或者碳、氮化物的形態(tài)析出。TiN或富氮的Ti(C,N)高溫穩(wěn)定性優(yōu)異，TiN和Ti(C,N)在鐵基體中的固溶積小，使其在高溫下仍會(huì)發(fā)生明顯的固溶從而保證仍具有足夠體積分?jǐn)?shù)的TiN或富氮的Ti(C,N)相存在，TiN或Ti(C,N)在高溫下的粗化速率小，從而可保證其平均尺寸足夠細(xì)小，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Nb、Ti、V，TiC 和 Ti(C、N)的強(qiáng)化效果明顯大于 Nb、V的碳氮化物。

在高氧含量鋼水中加入鈦，生成大顆粒鈦的氧化物夾雜，會(huì)惡化鋼材性能。同時(shí)，鋼水中高的氮含量容易使析出物TiN和Ti(C,N)粒度增大，形成大顆粒夾雜。因此，在冶煉過(guò)程中，根據(jù)鋼水碳、硅、錳含量選擇合適的脫氧合金化元素以及合適的鈦加入時(shí)機(jī)是研究的重點(diǎn)。

2 鈦強(qiáng)化低合金結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)工藝

根據(jù)低合金高強(qiáng)度熱軋鋼卷Q355D質(zhì)量要求，以合金元素減量化為設(shè)計(jì)原則。在降低錳含量的前提下，添加Ti元素進(jìn)行強(qiáng)化。根據(jù)鈦活性大，容易氧化的特點(diǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)爐出鋼不同的脫氧工藝試驗(yàn)，研究鈦強(qiáng)化對(duì)成品鋼水氧、氮含量及鋼中夾雜物類型及含量的影響，通過(guò)控軋、控冷工藝設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出成本低且具有良好內(nèi)部質(zhì)量及冷加工使用性能的Q355D熱軋鋼卷。

2.1 減量化成分設(shè)計(jì)

根據(jù)Orowan機(jī)制作用下鋼中第二相強(qiáng)化增量隨第二相體積分?jǐn)?shù)和平均尺寸的變化規(guī)律[1]。一部分鈦在高溫條件下以TiN形式存在阻止晶粒長(zhǎng)大外，其余的鈦主要以TiC或富碳的Ti(C,N)形式在形變奧氏體中應(yīng)變誘導(dǎo)析出或在卷取過(guò)程中在鐵素體中析出，奧氏體中形變誘導(dǎo)析出的TiC的尺寸通常約在10nm，而鐵素體中析出的TiC的尺寸可控制在2～5nm，可產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化效果。但高的氮含量提高了氮在溶液中的濃度，將使鋼中的TiN和Ti(C,N)微粒長(zhǎng)大，形成大顆粒夾雜惡化鋼的性能。TiN、TiC、AlN 在鋼水中析出順序?yàn)?TiN＞AlN＞TiC。為有效降低氮碳化鈦的大顆粒夾雜生成，控制鋼水中的氮含量為0.0040%～0.0060%；其次，在加入鈦合金前，先加入鋁進(jìn)行脫氧，部分鋁與氮結(jié)合，消耗一部分鋼水中的氮。鈦在鋼中形成的夾雜主要分鈦的氧化物夾雜和鈦與氮結(jié)合生成的大顆粒TiN和Ti(C、N)。為降低鈦的氧化物夾雜生成量，成分設(shè)計(jì)上確定鋼中的鋁含量控制在0.015%～0.040%；在降低錳含量的同時(shí)，根據(jù)鋼的強(qiáng)度要求,結(jié)合鈦的強(qiáng)化效果，設(shè)計(jì)鋼中鈦含量的目標(biāo)值為0.055%?？刂其撝械牡坎淮笥?.0060%，Q355D熱軋鋼卷成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 Q355試驗(yàn)鋼的成分控制要求 %

2.2 生產(chǎn)工藝流程及關(guān)鍵控制點(diǎn)

生產(chǎn)工藝流程：鐵水脫硫預(yù)處理—120t轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹冶煉—LF精煉—板坯連鑄

由于鈦元素活潑，若鋼中氧、硫、含量高，會(huì)導(dǎo)致鋼的性能不穩(wěn)定，鈦與氧、氮、硫等元素結(jié)合生成大顆粒的Ti2O3、Ti4C2S2等析出物，降低了有效鈦，減弱了析出強(qiáng)化效果。因此，生產(chǎn)鈦強(qiáng)化結(jié)構(gòu)鋼Q355D，采用鐵水脫硫預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉，并經(jīng)LF精煉工藝快速深脫氧、脫硫，控制鋼水增氮，避免含鈦的大顆粒復(fù)合夾雜物生成。根據(jù)鈦在鋼中的強(qiáng)化機(jī)理結(jié)合煉鋼生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)。在成分設(shè)計(jì)上確定鋼水中的鈦、氮含量控制在合理的范圍，達(dá)到最佳的強(qiáng)化效果。其次，提高鋼水純凈度，降低鋼液中的氧含量。首先采用鋁脫氧，鋁可與氮結(jié)合消耗鋼水中的一部分氮，再加入鈦鐵可提高鈦的回收率，獲得更多細(xì)小的TiC、Ti(C,N)和TiN析出物，阻止析出物晶粒的長(zhǎng)大，起到細(xì)晶強(qiáng)化的效果。

通過(guò)分析研究，結(jié)合煉鋼裝備狀況，確定工藝控制要點(diǎn)：（1）鐵水預(yù)脫硫，脫硫后鐵水硫含量不大于0.005%。

（2）轉(zhuǎn)爐吹煉控制吹煉次數(shù)，轉(zhuǎn)爐留碳操作，出鋼碳含量不小于0.08%，防止出鋼過(guò)程鋼水增氮，轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程降低鋁鐵加入量，避免劇烈反應(yīng)導(dǎo)致鋼水過(guò)量增氮。

（3）LF采用CaO-Al2O3-SiO2-CaF2-MgO五元渣系，LF終渣成分控制在 CaO 50%～60%，SiO2≤15%；TFe≤1.2%；Al2O315%～30%；MgO≤5%，CaF2≤5%。

（4）連鑄保護(hù)澆鑄措施，采用長(zhǎng)水口和下水口氬封保護(hù)澆鑄，中間包高堿度覆蓋劑,保溫隔離空氣防止鋼水二次氧化。連鑄恒拉速，投入板坯輕壓下以降低板坯中心偏析，提高板坯內(nèi)部質(zhì)量。

3 試驗(yàn)分析

3.1 成分控制效果

試驗(yàn)鋼成分控制實(shí)績(jī)見(jiàn)表2。由于Q355鋼生產(chǎn)的難點(diǎn)是鈦的氧化。因此，鋼中鋁、鈦含量的穩(wěn)定性是控制的重點(diǎn)。對(duì)試驗(yàn)鋼成品鋁、氮含量進(jìn)行了成分的單值-移動(dòng)極差控制分析,見(jiàn)圖1、圖2。

表2 試驗(yàn)鋼成分控制實(shí)績(jī) %

不同爐次[C]最大偏差小于0.023%，[Si]最大偏差小于0.10%，[Mn]最大偏差小于0.049%，[Ca]最大偏差不大于0.0047%。不同爐次之間鋁鈦含量穩(wěn)定，波動(dòng)范圍小，鋼中Ti含量在0.051%～0.059%，Ti最大偏差為0.008%；鋼中Al含量在0.022%～0.029%,Al含量最大偏差不大于0.007%，為軋制后鋼材的性能穩(wěn)定性創(chuàng)造了條件。鋼材氧氮抽檢結(jié)果顯示，氮含量0.0039%～0.0055%，最大偏差為0.0016%，氧含量小于0.0030%

圖1 鈦強(qiáng)化Q345試驗(yàn)鋼鋼中鋁含量的J-MR控制圖

圖2 鈦強(qiáng)化Q345試驗(yàn)鋼鋼中Ti含量的J-MR控制圖

3.2 冶煉過(guò)程控制分析

3.2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉

由于鈦的活性大，與氧結(jié)合的能力強(qiáng)，為有效防止鈦的氧化物生成，在轉(zhuǎn)爐出鋼進(jìn)行預(yù)脫氧并對(duì)鋼包頂渣還原改質(zhì)，為有效防止鈦的氧化物生成，轉(zhuǎn)爐出鋼嚴(yán)格控制下渣量，出鋼量達(dá)到1/4采用電石等復(fù)合脫氧劑和鋁鐵脫氧；[2]為防止鋼水反應(yīng)劇烈反應(yīng)導(dǎo)致鋼水增氮，轉(zhuǎn)爐出鋼進(jìn)行了鋁全脫氧和半脫氧對(duì)比試驗(yàn)各5爐，過(guò)程氮含量5爐的均值見(jiàn)圖3。鋼材氮含量檢測(cè)結(jié)果顯示，半脫氧氮低于全脫氧。兩種脫氧方案都能滿足鈦強(qiáng)化低合金高強(qiáng)鋼對(duì)氮含量的要求。

圖3 轉(zhuǎn)爐出鋼不同脫氧方案的過(guò)程氮含量

3.2.2 LF精煉

（1）LF精煉初始溫度≥1530℃。

（2）LF精煉初期補(bǔ)加鋁鐵快速深度脫氧、脫硫，達(dá)到控制鋼水增氮和有效除去鋼水中非金屬夾雜的目的,避免了LF長(zhǎng)時(shí)間處理造成鋼水增氮。

（3）LF精煉處理加入復(fù)合脫氧劑（主要成分為活性石灰、電石、螢石）和碳化硅造買弧渣，LF精煉終渣成分控制范圍：CaO含量50%～58%、SiO2含量5%～12%、Al2O3含量18%～27%、CaF2含量3%～5%。增加了終渣量，渣量控制在5～6kg/t鋼。通過(guò)大渣量和泡沫渣埋弧操作，實(shí)現(xiàn)了快速脫硫，有效控制了鋼水增氮。

（4）在LF深脫氧后的處理鋼水中加入鈦鐵合金化，鋼包底吹氬攪拌成分均勻后進(jìn)行鈣處理，鋼中的鈣含量控制在0.0015%～0.0040%，鋼水中鈦含量控制在0.050%～0.060%，鈦的回收率大于65%。

3.3 連鑄過(guò)程控制

（1）由于鋼水含鈦量較高，易被氧化，必須強(qiáng)化保護(hù)澆鑄，連鑄過(guò)程開(kāi)澆溫度在1575℃～1585℃。

（2）板坯連鑄過(guò)程控制，開(kāi)澆前中間包充氬氣降低氮的濃度，鋼包長(zhǎng)水口和中間包下水口采用氬封保護(hù)澆鑄，中包加入高堿度鋼水覆蓋劑保溫、隔絕空氣的效果，連鑄過(guò)程鋼水增[N]≤0.00080%,鋼水[Al]的損失（LF精煉結(jié)束鋼水TAl含量與連鑄成品鋼水鋁含量的差值）小于0.0080%。

（3）連鑄鋼水的液相線溫度為1520℃。過(guò)熱度控制在15～35℃，板坯拉速控制在1.0～1.3m/min。

（4）連鑄過(guò)程采用板坯動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，對(duì)連鑄板坯進(jìn)行壓下處理，改善板坯中心偏析，板坯低倍檢測(cè)中心偏析不大于2.6(曼內(nèi)斯曼標(biāo)準(zhǔn))。生產(chǎn)出的板坯熱裝軋制。

4 鋼中夾雜物分析

Q355D鋼材的純凈度分析，通過(guò)對(duì)鋼板試樣全斷面掃描電鏡分析，鋼中夾雜物進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，大顆粒夾雜和形狀特殊的夾雜通過(guò)能譜儀進(jìn)行分析。

圖4Al-S-TI三元相圖

圖5 Al-S-Mn三元相圖

圖4顯示，對(duì)鋼板截面掃描顯示Al-S-Ti三元相圖中，存在細(xì)小0～10μm的MnS、Al2O3和Ti的氧化物的復(fù)合夾雜。對(duì)鋼板截面掃描顯示圖5，Al-S-Mn三元相圖中，存在0～10μm的MnS和Al2O3的復(fù)合夾雜。

圖6Al-S-Ca三元相圖

圖7Al-Ti-N三元相圖

圖6顯示，對(duì)鋼板截面面掃描顯示Al-S-Ca中，存在細(xì)小的0～10μm硫、鋁、鈣的復(fù)合夾雜，其中鋁、鈣以氧化物形態(tài)存在，硫以硫化錳形態(tài)存在。圖7顯示，對(duì)鋼板截面面掃描顯示Al-Ti-N中，存在細(xì)小的氮化鈦，顯示氮化鋁大顆粒夾雜極少。存在細(xì)小的0～10μm的氮化鈦夾雜，氮化鋁的夾雜基本不存在，其中鋁、鈦有一部分以氧化物形態(tài)存在氮碳化鈦大顆粒夾雜的控制方法。

圖8 類型1球形夾雜

圖9 類型2方形夾雜

圖8中的夾雜最大直徑達(dá)到12μm，是Al2O3、CaO、MnS、TiC的復(fù)合夾雜。圖9中的夾雜形貌為規(guī)則的正方形，其成分顯示為Ti(C、N)。上述兩類夾雜，類型1為不規(guī)則的夾雜，粒度相對(duì)較大；類型2為球形夾雜，其中含有高熔點(diǎn)的Al2O3、TiC。這兩類夾雜，在LF精煉末期鋼水經(jīng)過(guò)鈣處理后，保證軟吹時(shí)間大于8分鐘，通過(guò)鋼包底吹氬弱攪拌，改善鋼包的脫硫、去夾雜動(dòng)力學(xué)條件，增加夾雜的碰撞機(jī)率，可以大幅度降低氧化物夾雜，大于30μm的夾雜可以完全去除。類型2為Ti(C、N)夾雜，由于鈦的碳氮物在鋼水中析出順序?yàn)門iN、AlN、TiC。為有效降低氮、碳化鈦的大顆粒夾雜生成，控制鋼水中的氮含量不大于0.006%。在鋼水充分脫氧的LF處理末期，并加入一定的固氮元素鋁，再加入鈦鐵，經(jīng)鋼包底吹氬弱攪拌鋼水混勻和夾雜物上浮去除。

5 鋼材的韌性對(duì)比分析

由于通過(guò)鈦強(qiáng)化成分設(shè)計(jì)降低了碳含量，Q355D熱軋鋼卷的卷取溫度從550℃提高到610℃。在卷取溫度更高的情況下，鈦強(qiáng)化沖擊功值顯著高于鈮強(qiáng)化，見(jiàn)表3。

表3 鈦強(qiáng)化與鈮強(qiáng)化的Q355D沖擊功對(duì)比

6 結(jié)論

Q355D熱軋卷鈦強(qiáng)化夾雜物控制的研究表明：

（1）以減量化合金設(shè)計(jì)為原則，充分發(fā)揮了鈦元素在鋼中細(xì)化晶粒的強(qiáng)化作用，在降低合金成本的同時(shí)，鋼材的韌塑性提高、冷加工成型性能改善。

（2）確定鈦強(qiáng)化低合金高強(qiáng)鋼夾雜物的控制措施：鐵水深脫硫、轉(zhuǎn)爐降低再吹次數(shù)、LF精煉埋弧操作，控制鋼水生產(chǎn)全程的增氮。轉(zhuǎn)爐出鋼首先加入硅錳、鋁鐵脫氧合金化，在鋼水深度還原和頂渣變性處理后的LF精煉末期加入鈦鐵，連鑄采取大包中間包長(zhǎng)水口吹氬保護(hù)措施，減少大顆粒TiN或Ti(C、N)夾雜的生成。

（3）鋼中的大顆粒夾雜通過(guò)延長(zhǎng)LF處理末期的低吹氬攪拌時(shí)間去除，存在直徑小于15μm夾雜，主要組成為 Al2O3、CaO、MnS、TiC；另一種夾雜為鈦的碳氮化物，最大寬度11.4μm，生產(chǎn)中通過(guò)嚴(yán)格控制鋼水過(guò)程增氮來(lái)控制這類大顆粒夾雜的形成。

（4）通過(guò)較高的鈦含量和錳含量的減量化設(shè)計(jì)，顯著提高Q355D熱軋卷的韌塑性，大幅度降低生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。