钛微合金化Q345C中厚板的研制与开发

于爱民　李　娜　温　斌

(安阳钢铁股份有限公司)



钛微合金化Q345C中厚板的研制与开发

于爱民李娜温斌

(安阳钢铁股份有限公司)

通过对钛微合金化技术的研究，在普通低合金钢的基础上添加钛微合金化元素，结合板材控轧、控冷技术控制微合金元素的析出行为，获得良好的力学性能，在中厚板机组上成功研制出钛微合金化Q345C钢，并作为一种低成本的低合金高强度钢批量应用于中厚板生产。

钛微合金化Q345C中厚板成分轧制工艺组织性能

0　前言

随着钢铁生产技术向优质高效和低耗方向发展，微合金元素在钢铁产品中的应用越来越广泛，钛是钢中的重要合金元素之一，随着冶炼技术的进步，Ti微合金化的低成本以及所产生的优异性能日益显现，导致钛微合金化具有广阔的应用前景。近年来，Ti的细晶强化和析出强化作用得到了重视，Ti作为单一微合金元素添加在卷板上得到了大力应用，但在中厚板生产中Ti主要与其他元素一起复合添加，弥补一些其它微合金元素的不足，没有作为单一元素进行微合金化工艺生产。根据钛在钢中的作用，笔者主要研究中厚板机组钛微合金化Q345C钢的开发与应用。

1　钛微合金化在Q345钢的技术思路

1.1钛微合金化理论基础

钛容易形成氧化物，在脱氧完全的情况下，先后形成氮化物、碳硫化物、碳氮化物和碳化物，在钢中主要以TiC或Ti(C、N)的形式存在。当钛含量较低时，钛首先结合钢中的氮，几乎全部形成TiN，钢中的硫以MnS形式存在，当含量增加到3.4N%时，开始形成Ti4C2S2，此时MnS和Ti4C2S2共存。当钛含量增加到可将钢中的氮和硫全部固定时，MnS全部被Ti4C2S2代替，其沉淀强化作用很小。而钛含量继续增加，多余的钛与碳结合形成TiC，细小而弥散的TiC在低温时析出起沉淀强化作用。

钛的固溶度非常低，在钢材Ti含量适宜(0.01%～0.02%)时才能同时满足各方面的要求。钢中添加Ti含量范围不同，对钢材力学性能的影响机理也不同。已有研究和报道中，钢中添加的Ti含量以钛(Ti)/氮(N)=3．42(理想化学配比)为界：当钢中钛(Ti)/氮(N)小于3．42时，高温形成的细小TiN粒子，当钢再加热时和热变形过程中，借助于它们的“溶质拖曳”效应，有效阻止奥氏体晶粒的长大[1]；当钢中钛(Ti)/氮(N)大于3．42时，多余的Ti以固溶钛或以细小TiC质点形式存在，起到细化品粒和析出强化的作用[2]。

1.2钛单一微合金化难点

Ti作为单一的微合金化元素添加到钢中，其含量必须达到一定量(>0．04%)才能起到析出强化的作用。但当Ti含量较高时(>0．02%)，在通常的N含量下(约为0．007%)，液态析出的TiN迅速长大，形成尺寸为几微米的夹杂，对材料的韧性带来不利影响[3]。

由于Ti的活性强，易和C、O、S、N反应，影响有效Ti作用的公式Ti(有效钛)=Ti(全)-3.4N-3S从式中可以看出，钢中Ti的含量只有超过3.4%N+3%S时，Ti才能与C结合形成TiC，TiC粒子的析出强化作用才体现出来。当钢水中的O、S、N含量波动较大时，实际起强化作用的Ti的含量变化较大，导致钛微合金化钢的性能不稳定[4]。

1.3钛微合金化Q345钢的技术思路

虽然钛微合金钢性能波动较大，中厚板钛单独作为微合金化元素应用也比较少，但已经有很多学者对在不同钢种中单独添加 Ti 进行了大量可行性研究,表明TiC 对强度提高起到了主要作用[5]。钛微合金化钢的关键是让TiC粒子的析出强化作用体现出来，其冶炼连铸控制和控轧控冷工艺非常重要，必须对氧、氮、硫等元素要严格控制，否则连铸过程中析出的TiN迅速长大，形成尺寸为几微米的夹杂，对材料的韧性带来不利影响。

2　生产实验

2.1生产实验工艺路线

工艺实验的生产条件：安钢第一炼轧厂100 t转炉-LF精炼—2800 mm中厚板轧机。

2.2实验用钢成分

考虑钛微合金元素对强度的贡献和对韧性的不利影响，钢种选择在低合金Q345B、C钢中加入适量的钛，冶炼连铸造过程严格控制氮、硫含量，同时降低锰含量，结合适当的加热工艺、轧制工艺和层冷工艺，利用形变诱导析出，得到弥散细小的TiC，起到析出强化的作用，从而满足性能要求。试验钢化学成分见表1。

表1　试验钢化学成分

2.3生产过程关键控制

由于该钢种对N含量有要求，严禁大氩气、长时间搅拌，快速造白渣，硫含量达到要求后，禁止大氩气搅拌。钛铁的加入应在其他合金调整完毕后加。连铸要做好全程保护浇注，尤其做好大包到中包保护浇注，要求氩封良好，长水口垫石棉套。为保证钛的应变诱导析出和析出强化，轧制工艺采用较低的二开温度和终轧温度，二开温度小于920 ℃，终轧温度750 ℃～860 ℃(根据钢板不同厚度设定)。

3　实验结果及生产应用

3.1钛微合金化钢连铸坯的质量

采用钛微合金化后铸坯质量得到明显改善，大大提高探伤合格率。钛微合金化低合金与碳锰低合金的铸坯低倍对比如图1所示。

3.2不同轧制温度条件下钛微合金化钢性能

对比不同轧制温度条件下，不同规格钛微合金化Q345C钢的性能，从而制定合适的大生产工艺参数。不同轧制工艺条件下实验钢的性能见表2。

(a) 钛微合金化Q345C

(b) 碳锰Q345C

批号规格/mm二开温度/℃终轧温度/℃Rel/MPaRm/MPaA/%Akv(0℃)/J4M10460MA208658013684863367,67,1074M10460MA2083077537249928126,112,1184M10460LA2586882037248828.586,83,894M10460LA2583479637948228105,96,1064M10460MB1688679434947726.5133,139.1374M10460MB1683979135747225167,162,1574M10460LB408778063314723162,74,824M10460LB4083080233647133109,104,86

由表2可以看出，采用钛微合金化Q345C钢性能满足标准要求，同时配合严格的控轧工艺可以提高材料的韧性。

3.3钛微合金化钢批量实物性能控制

3.3.1实际生产钛、硫、氮的控制

根据钢中有效钛的公式从实际生产的钛、硫、氮含量计算有效钛和对应性能统计结果表明(见表3)，钛微合金化低合金有效钛至少要在0.018%以上，当钢水中的S、N含量波动较大时，实际起强化作用的Ti的含量变化较大，导致钛微合金化钢的性能不稳定。以公司目前S和N的控制水平，S基本在0.005%，N为0.007%则应加入的钛为0.058%，较好水平是S在0.004%，N为0.006%则钛的含量为0.052%。

表3　不同Ti、N、S对应的有效钛钛含量及对应性能

图2屈服强度对比图

图3抗拉强度对比图

图4延伸率对比图

图5冲击功值对比图

3.3.2钛微合金化钢的实物质量

根据生产实验和钛在微合金化钢中的作用，进行成分调整和生产工艺优化，在中厚板产线成功开发出钛微合金化Q345C钢。通过对钛微合金化Q345C钢进行批量统计分析(如图2～图5所示)，整体性能较好，并与锰低合金钢相比，屈服强度略好集中在390 MPa～410 MPa，抗拉强度略低集中在500 MPa～520 MPa，延伸性能与锰低合金钢相当但较厚规格延伸略低， 0 ℃冲击基本在100 J以上但较离散， 30 mm冲击会出现低值60 J～90 J，比正常低合金钢冲击值低，说明钛对微合金化钢强度的贡献但对韧性有一定的影响。

4　结论

1)采用合适的成分设计和轧制工艺，在中厚板可以实现生产满足标准要求的钛微合金化Q345C低合金钢板。

2)根据批量生产统计结果表明，钛对冲击韧性有一定影响，因此在钛微合金化生产中必须严格冶炼连铸工艺，严格控制氮含量，保证氮的稳定和钛微合金元素的强化作用。

3)低温轧制有利于改善冲击韧性。因此在以满足强度和韧性要求，批量化生产时除保证成分稳定外，轧制工艺要严格控制。

[1] 黄杰，徐洲．V．Ti微合金钢的轧后冷却相变及第二相析出行为[J]．上海金属．2005，27(1)：14-17．

[2]赵晓婷，宋国斌，李红斌.Ti含量对碳锰钢厚板力学性能的影响[J]．热加工工艺.2012，41(14)：79.

[3]许峰云，白秉哲，方鸿生.低合金高强度钢钛微合金化进展[J]． 金属热处理，2007，32(12)：29-33．

[4]毛新平. 薄板坯连铸连轧微合金化技术[M] . 北京: 冶金工业出版社,2008:67-162.

[5]周家林, 赖春明, 潘成刚，等.钛微合金化 Q345R 容器板的强化机理[J]． 钢铁钒钛，2014，35(1)：54-55．

PREPARATION AND DEVELOPMENT OF TI MICRO ALLOYED Q345C PLATE

Yu AiminLi NaWen Bin

( Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd )

Through the study of Ti micro alloying technology, micro alloying elements Ti are added on the basis of ordinary low alloy steel, and the precipitation behavior of micro alloying elements is controlled by controlled rolling and controlled cooling technology to obtain good mechanical properties, the Ti micro alloyed Q345C steel is successfully developed on medium and heavy plate production line. As a low cost low alloy high strength steel, it is used in the production of medium and heavy plate.

Ti micro alloying technologyQ345Cmedium and heavy platecompositionrolling processstructureproperty

民，高级工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁股份有限公司技术中心；

2016—4—29