低合金結構鋼 Q345B 420mm 特厚板的研發

楊東  唐鄭磊  李紅洋  張 濤  徐昭

（南陽漢冶特鋼有限責任公司技術中心鋼研所  河南南陽  474500）

摘  要：闡述了南陽漢冶特鋼通過合理的成分設計、模鑄澆注、鋼錠加熱、3800 軋機軋制及熱處理，成功地在轉爐—LF+VD 精煉—模鑄澆注—加熱—軋制—正火熱處理生產線開發出了 420mm 特厚保性能、保探傷低合金結構鋼Q345B鋼板。熱處理后鋼板性能檢測，屈服強度在 305～350 MPa，抗拉強度在 500～555 MPa，伸長率在 23%-28%，20℃縱向沖擊功在 109～287J，性能指標均達到了 250mm 厚 Q345B 標準要求。

關鍵詞：成分設計；模鑄澆注；420mm 特厚板；性能

Development of Q345B Thicker Low-alloy Structural

Steel of 420mm

YANG Dong ,TANG-Zhenglei ,LI-Hongyang, ZHANG Tao , XU Zhao

(Iron and Steel Research Institute of NanYang HanYe Special Iron and Steel Co．Ltd．NanYang, HeNan , China,474500)

Abstract: The paper expounds how the 420mm super thick low alloy structural steel Q345B steel plate with mechanical properties and flaw detection guaranteed was developed in Nangyang Hanye Special Steel Co.，Ltd.by appropriate composition design，mold casting，ingot heating，3800mm mill rolling and heat treatment, on the production line of converter—mold casting—rolling—normalizing. After heat treatment, the steel plate was inspected. The results showed that the yield strength was 305 to 350 MPa ,the tensile strength 500 to 555 MPa , percentage elongation 23% to 28% and the longitudinal impact energy at 20℃ was 109 to 287 J. The properties satisfied the demand of the specification for 250 thick Q345B steel.

Keywords: composition design；mould casting rolling；420mm super-thick steel plate；properties

1 前言

Q345B低合金高強度結構鋼一般用于車輛、起重機、礦山機械、電站、橋梁等承受動荷的結構、機械零件、建筑結構、一般金屬結構件。傳統的高強度厚板生產工藝是微合金鋼軋制+軋后熱處理工藝，生產成本高^[1-2]。本文研究了在不添加微合金元素Nb、V和Ti,僅加入適量ALs的條件下，采用合適的定型、合理的工藝，成功研制出厚度達420mm厚的Q345B保性能、保探傷、低成本特厚鋼板，彌補了國內外特厚板高強度結構鋼的空缺。

2 工藝路線

鐵水 KR 脫硫—100 t 轉爐—LF 精煉—VD 真空脫氣—模鑄澆注—鋼錠脫模—鋼錠加熱—除鱗— 3800mm 軋機軋制—緩冷—表面檢查—精整—熱處理—探傷—性能檢測—入庫。

3 工藝開發重點

3.1  Q345B 標準要求

Q345B 鋼種為低合金結構鋼，其成分及性能按 GB/T 1591-2008 執行。其中，保性能 Q345B 鋼種在標準中極限厚度為 250mm，其機械力學性能要求見表 1。此次開發的 420mm 厚 Q345B，其力學性能滿足 250mm 厚 Q345B 性能標準。

表1  250mm厚Q345B 機械力學性能要求

Table 1  The demand for the mechanical properties of 250mm thick steel plate

3.2 工藝設計

鋼板化學成分設計方面，采用不添加 Nb、V、Ti 等細化晶粒元素，僅加入 ALs 細化晶粒，以及合適的 C、Mn 成分，減少冶金成本及鋼水夾雜物含量。應用的強化機理為組織強化、細晶強化、析出強化和固溶強化。

為獲得較好的內部質量，確保特厚板三級探傷要求，須控制好鋼水中夾雜物及有害氣體。其中脫硫采取鐵水預脫硫工藝，確保入爐鐵水 S 含量≤0.005%；冶煉時 LF 精煉爐強化造白渣進行二次脫硫。嚴格控制轉爐終點 C%含量、強化擋渣出鋼，提高鋼水純凈度。充分利用 LF 精煉爐，采用高溫、高堿度、高渣量低氧化鐵造渣工藝充分脫氧，再者需在 VD 真空條件下保壓足夠時間以充分脫氣。成品鋼板堆垛緩冷可以消除鋼板因為快速冷卻產生的殘余應力, 同時可以降低鋼板中氫的含量，鋼板堆垛緩冷之前的溫度應高于 400℃^[3]，鋼板下線后堆冷 96 小時。

澆注采用 48～50 噸銅板結晶器水冷模澆注，鑄錠厚度 980mm，軋制 420mm 厚鋼板，確保壓縮比≥2.3。鋼錠完全透燒，并采用 AR 一次軋完。開軋溫度控制在 1000～1120℃之間，采用高溫低速大壓下軋制，加大軋制滲透，道次壓下量不小于 45mm，終軋溫度＜950℃，軋制完畢不過 ACC。軋后鋼板采用正火+風冷熱處理工藝，正火溫度為 Ar3+(30-50℃)^[4]，控制正火保溫溫度為 900±10℃，保溫時間為 2min/mm，確保鋼板完全透燒，鋼板出爐后采用風冷至室溫。

4 420mm 厚 Q345B 研發方案

4.1 成分設計

鋼板化學成分設計方面，采用不添加 Nb、V、Ti 等細化晶粒元素，僅加入 ALs 細化晶粒，減少冶金成本及鋼水夾雜物含量。具體成分設計如表 2 所示。

表 2 特厚 Q345B 成分設計

Table 2  The chemical design of super thick Q345B steel plate

4.2 冶煉工藝

4.2.1 鐵水要求

保證入爐鐵水條件：[S]≤0.005%，[P]＜0.080%；要求扒渣徹底，保證渣層厚度＜20mm。

4.2.2 轉爐

保證轉爐冶煉終點 C≥0.06%，出鋼 P≤0.018%，保證冶煉終點 C～T～P 協調出鋼。

4.2.3 LF 精煉

脫氧劑采取電石、鋁線、鋁粒、硅鐵粉脫氧為主；白渣成渣后確保白渣保持時間≥15min。

4.2.4 VD 真空脫氣

當真空度達到 67Pa 后，保壓時間≥20min；破真空后調小氬氣量軟吹＞5min，以鋼液面不裸露為主；離站鋼水澆注溫度控制在：液相線溫度+（30±5）℃為主。

4.2.5模鑄澆注

表3 模鑄澆注工藝

Table 3The moluld casting procedure

4.3 加熱

裝鋼錠后，燜鋼 2 小時，最高加熱溫度≤1320℃；加熱時注意升溫速度，1000℃以下時升溫速度≤100℃/h, ≥1000℃升溫速度不限；保證鋼錠均勻燒透，嚴禁鋼錠過熱、過燒。

4.4 軋制

適當使用四輥高壓水，除凈氧化鐵皮，保證表面質量良好；采用 AR 熱軋不晾鋼直接軋完,開軋溫度控制在 1000～1120℃之間，道次壓下量控制在 45mm 以上，以大軋制力破碎晶粒，終軋溫度＜950℃。

4.5 堆冷工藝

采用高溫堆冷工藝可有效避免因快速冷卻產生的殘余應力，同時可大大降低鋼板中氫的含量，改善鋼板探傷缺陷。堆冷溫度≥450℃，堆冷時間≥96h。

4.6 熱處理工藝

因軋制鋼板厚度為 420mm，軋制后不采用 ACC 層流冷卻，為確保鋼板力學性能合格，采用熱處理工藝細化晶粒、消除帶狀組織，改善鋼板綜合力學性能。鋼板采用正火+風冷熱處理工藝，正火保溫溫度為 900±10℃，保溫時間為 2min/mm，鋼板出爐后放涼鋼臺架上風冷至室溫。

5 試制結果分析

5.1 成分控制分析

420mm 厚 Q345B 鋼板成分控制范圍見表 4，為保證良好的綜合性能，控制碳當量 Ceq 在 0．42以下。C 主要與其他元素形成碳化物，起組織強化和析出強化的作用，使鋼板強度增加，但碳含量過高，不利于鋼板焊接，成分上按 0.14%-0.17%控制； Mn 是細化晶粒元素之一，主要起固溶強化和降低相變溫度，用以提高強度，但 Mn 含量不易過高，否則對韌性和焊接性能不利，所以 Mn 含量控制在 1.45%-1.55%范圍；AL 主要起細晶強化作用，相比于細晶強化元素 Nb、V、Ti，其價格比較便宜，采用模鑄澆注時，也不會產生裂紋，成分控制方面，ALs 目標值控制在 0.045%左右；P、S 含量控制在一個較低的范圍內。總之，整體成分控制穩定，滿足 420mm 厚 Q345B 成分設計要求。

表4  420mm 厚 Q345B 鋼板成分控制范圍

Table 4The chemical analysis of 420mm thick Q345B steel plate

5.2 機械力學性能分析

本次共生產 420mm 厚 Q345B15 批，其中：屈服強度控制在 305～350 MPa，平均達到了 335 MPa；抗拉強度控制在 500～555 MPa，平均達到了 530 MPa；伸長率控制在 23%-28%，平均達到 26%；20℃縱向沖擊功控制在 109～287，平均達到了 198 J，性能指標均達到了 250mm 厚 Q345B 標準要求。表 5 為 420mm 厚 Q345B 鋼板性能實物水平。

表5 420mm 厚 Q345B 鋼板性能實物水平

Table 5The actual mechanical properties of 420mm thick Q345B steel plate

5.3 高倍組織

（d）距表面 20mm 正火組織       （e）厚度 1/4 正火組織         （f）厚度 1/2 正火組織

圖1 控軋、正火狀態各部位組織

Fig.1 The different position organization of controlled rolling and normalizing state

6 結束語

實踐證明：按本工藝方案生產的的鋼板具有較好的綜合性能，鋼種冶煉不需添加 Nb、V、Ti、Cr、Ni 等合金元素，減少鋼水成本，采用正火+風冷工藝，不進行調質處理，簡化生產工序，縮短生產周期，適合大批量生產。

南陽漢冶特鋼通過進行合理的成分設計，合理的工藝冶煉、模鑄澆注、軋制及熱處理，成功的100 t 轉爐—模鑄澆注—3800 mm 軋機—正火熱處理生產線開發了 420mm 特厚 Q345B 鋼板，三級探傷合格率達到 80%，性能合格率達到 100％，順利完成客戶合同。該規格鋼種的開發不僅拓寬了公司品種結構，也滿足了工程制造行業較高要求，尤其是一些國家重點工程建設設備，創造了良好業績，為我公司增強市場競爭力，提高產品市場占有率起到了積極的作用。

參考文獻

[1] 王國棟．劉桐華．日本中厚板生產技術的發展和現狀[J]．軋鋼．2007．24(2)：l-5．

[2] 代曉莉．范建文，謝瑞萍．等．Nb-Ti微合金化鋼板的工業試制[J]．軋鋼．2005．22(1)：l1-13．

[3] 李欣，黃波.中厚板生產中除氫工藝的合理應用[J].軋鋼.2005.（22）5：36-37.

[4] 劉增沛，張建華．熱處理工藝學[M]．北京：科學普及出版社，1986：267．