裴慶濤，賈改風(fēng)，王朔陽

（河鋼邯鋼一煉鋼廠，河北 邯鄲 056015）

引言

美標(biāo)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼A572Gr50作為河鋼邯鋼CSP產(chǎn)線熱軋產(chǎn)品主要牌號(hào)，多用于制造建筑工程用結(jié)構(gòu)件，年產(chǎn)量較大，前期主要使用碳錳體系進(jìn)行強(qiáng)化，生產(chǎn)成本較高，且較多錳合金也帶入鋼水一定的P、S、N等有害元素，通過成分調(diào)整，適當(dāng)?shù)慕档湾i合金加入量，可在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，起到改善鋼水質(zhì)量的作用。

1 工藝優(yōu)化方案

前期CSP產(chǎn)線美標(biāo)結(jié)構(gòu)鋼A572Gr50采用中碳、低錳成分體系，屈服強(qiáng)度≥345 MPa，抗拉強(qiáng)度≥470 MPa，主要以熱軋鋼卷狀態(tài)交貨，與常規(guī)熱連軋產(chǎn)線工藝相近。CSP產(chǎn)線由于采用薄板坯連鑄機(jī)，鑄坯凝固速度和溫度梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)的板坯，其鑄坯組織和晶粒組織更為細(xì)小[1-3]，同工藝下由于細(xì)晶強(qiáng)化作用更為明顯，拉伸強(qiáng)度高于傳統(tǒng)板坯。本文結(jié)合CSP產(chǎn)線產(chǎn)品晶粒細(xì)的特點(diǎn)，提出通過加入少量微合金Nb元素進(jìn)一步提升鋼板細(xì)晶強(qiáng)化作用，達(dá)到替代部分錳合金元素的工藝調(diào)整方法。主要元素工藝調(diào)整方案見表1。

2 生產(chǎn)試制

首次實(shí)驗(yàn)由邯鋼CSP產(chǎn)線完成2爐生產(chǎn)試制，其中：煉鋼采用100 t轉(zhuǎn)爐，出鋼過程才有滑板出鋼+擋渣錐操作方式，減少出鋼下渣，鋼水出鋼1/4時(shí)加入生石灰等輔料進(jìn)行造渣，出鋼1/2是加入低碳錳鐵、高碳錳鐵、硅鐵、鋁塊等合金料進(jìn)行脫氧合金化，出鋼溫度控制在1 560~1 600℃；利用LF精煉爐對(duì)鋼水進(jìn)行精煉處理，主要利用生石灰進(jìn)行造渣脫硫、去夾雜精煉、電極加熱升溫，同時(shí)加入低碳錳鐵、鈮鐵等合金并進(jìn)行合金元素微調(diào)；連鑄過程采用CSP薄板坯立彎式連鑄機(jī)，鋼包下水口采用長(zhǎng)水口+吹氬保護(hù)避免二次氧化，中間包采用浸入式水口將鋼水導(dǎo)入結(jié)晶器，中間包鋼水過熱度控制20~40℃，結(jié)晶器采用中碳鋼保護(hù)渣，中間包采用中碳覆蓋劑進(jìn)行鋼水保溫和吸附夾雜，連鑄機(jī)采用立彎式連鑄機(jī)，結(jié)晶器為漏斗型結(jié)晶器，結(jié)晶器出口厚度90 mm，扇形段采用凝固階段重壓下模式，成品鑄坯厚度70 mm，鑄坯拉速3.7~4.0 m/min；鑄坯經(jīng)擺剪切斷后直接進(jìn)入加熱爐，鑄坯入爐溫度700~800℃，加熱過程為輥底式加熱爐，鑄坯邊行進(jìn)邊加熱，爐內(nèi)加熱時(shí)間40~60 min，出爐溫度控制在1 150℃左右；軋制過程采用1+6軋制模式，粗軋終軋溫度1 050℃，精軋終軋溫度870℃，軋制過程采用CVC竄輥技術(shù)控制板形；軋后采用前段常規(guī)層流冷卻模式，冷速20~40℃/s，卷取為地下強(qiáng)力卷取機(jī)，保證產(chǎn)品板型和卷形良好，產(chǎn)品厚度規(guī)格3~11 mm，寬度規(guī)格1 000~1 550 mm。

首次試制性能合格后，按本工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)，當(dāng)月共完成生產(chǎn)101卷共2 400 t，軋制厚度5~9.75 mm，軋制寬度1 250~1 500 mm，與原工藝相比，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度得到有效提升，工藝調(diào)整前后拉伸性能對(duì)比情況見表2和下頁圖1。

表2 工藝調(diào)整前后性能對(duì)比情況

通過上述對(duì)比可以看出，采用新工藝調(diào)整之后，產(chǎn)品平均屈服強(qiáng)度提高45 MPa，平均抗拉強(qiáng)度提高19 MPa，斷后延伸率略有提升，但提升幅度不大。證明通過成分調(diào)整，邯鋼CSP產(chǎn)線美標(biāo)結(jié)構(gòu)鋼A572Gr50在實(shí)現(xiàn)成本降低20元/t的前提下，產(chǎn)品強(qiáng)度得到一定的提升。

3 原理分析

細(xì)晶強(qiáng)化是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)中較為典型的強(qiáng)化方式，其強(qiáng)化機(jī)制是利用晶界上原子排列不規(guī)則，雜質(zhì)和缺陷較多，能夠很好地阻礙位錯(cuò)通過的原理，通過增多晶界達(dá)到提高強(qiáng)度的目的[4]。細(xì)晶強(qiáng)化的關(guān)鍵在于晶界對(duì)唯一的阻滯效應(yīng)，當(dāng)位錯(cuò)在多晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于晶界兩側(cè)晶粒取向、雜質(zhì)、缺陷等增大了晶界附近的滑移阻力，位錯(cuò)不易穿過晶界形成塞積，提高了材料的強(qiáng)度，晶粒越細(xì)小，晶界越多，位錯(cuò)被阻滯的地方就越多，材料的強(qiáng)度就越大。由于材料的屈服強(qiáng)度取決于使位錯(cuò)源運(yùn)動(dòng)所需的力和對(duì)位錯(cuò)阻礙力的大小，因此細(xì)晶強(qiáng)化可以顯著提高材料的屈服強(qiáng)度。著名的Hall-Petch公式的提出表明了晶粒大小對(duì)材料強(qiáng)度的影響[5]。

式中：σy為流變應(yīng)力；σo為晶格摩擦力；d為晶粒直徑；k為與材料相關(guān)的參數(shù)；指數(shù)n常取0.5?？梢钥闯觯S著晶粒直徑的減少，材料流變應(yīng)力提高，從理論上證明了材料細(xì)晶強(qiáng)化的作用。

連鑄連軋產(chǎn)線相較常規(guī)熱連軋產(chǎn)線，由于其采用薄板坯連鑄工藝，具有鑄坯厚度薄、連鑄拉速快、鑄坯原始晶粒小等特點(diǎn)，主要體現(xiàn)為成品晶粒細(xì)小，屈強(qiáng)比較高。因?yàn)槠洚a(chǎn)品主要強(qiáng)化方式為細(xì)晶強(qiáng)化，特別是熱軋低碳鋼SPHC，在低碳低錳成分體系無明顯合金強(qiáng)化的情況下，帶鋼屈服強(qiáng)度可達(dá)到270 MPa以上，明顯高于常規(guī)熱連軋產(chǎn)線SPHC的190~220 MPa屈服強(qiáng)度。

因此對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼A572Gr50，為達(dá)到要求的345 MPa屈服強(qiáng)度，通常選擇在連鑄連軋產(chǎn)線細(xì)晶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，通過加入適量C、Mn固溶強(qiáng)化元素，提高組織強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。本文則采用另外一種低成本強(qiáng)化方式，即加入微合金Nb元素得到更高程度細(xì)晶強(qiáng)化+C元素細(xì)晶強(qiáng)化（鋼板晶粒度可由常規(guī)產(chǎn)線7~8級(jí)提升至8.5級(jí)以上，細(xì)晶強(qiáng)化作用提升18.8%），通過減少錳合金加入量降低制造成本。從結(jié)果來看，減少0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的錳元素加入量同時(shí)加入0.007%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鈮元素，產(chǎn)品產(chǎn)品平均屈服強(qiáng)度提高45 MPa，平均抗拉強(qiáng)度提高19 MPa，斷后延伸率提升1%，產(chǎn)品強(qiáng)度和韌性均有所提升。新工藝A572Gr50金相組織照片如圖2所示。

4 結(jié)論

連鑄連軋產(chǎn)線熱軋結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品A572Gr50加入微合金元素提升細(xì)晶強(qiáng)化作用替代部分錳合金固溶強(qiáng)化作用是可行的，可以在降低制造成本的同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度和韌性均有所提升，達(dá)到滿足用戶和標(biāo)準(zhǔn)要求的質(zhì)量水平。