良好低温韧性500 MPa级水电钢关键技术开发

张卫攀，管连生，刘红艳，徐桂喜，王青云

(河钢集团邯钢公司 技术中心，河北 邯郸 056000)

随着经济的飞速发展，水电用钢向着大型化、高强化、绿色化、节能化快速发展[1]。其中水电钢管主要用于向水轮机输送水量，并经常承受一定的冲击载荷，这就需要钢板具有良好的强度和低温韧性[2]。

1 高低温韧性500 MPa级水电钢化学成分及工艺路线设计

1.1 化学成分设计

为得到优异的综合性能，高低温韧性500 MPa级水电钢采用低碳、低锰和微铌合金化成分设计路线，具体化学成分见表1所示。

(1)化学元素碳。为保证钢的韧性、塑性、焊接等性能[3]，控制碳含量在0.15%以下。

(2)化学元素锰。锰的加入在提高强度的同时，起到细化晶粒的作用，并促进铁素体的生成。但是为保证良好的焊接性能、改善锰偏析，一般锰的质量分数控制在1.5%之内。

(3)化学元素铌。铌是水电钢中的重要元素，有细化晶粒和沉淀强化的作用[4]。

(4)化学元素磷、硫、氮。磷和硫都会影响水电钢的韧性，少量的氮能够与铌、钛等元素形成氮化物或碳氮化物，达到细化晶粒和强化的作用，但是过量的氮能降低水电钢的韧塑性，一般控制在50 ppm以内。所以在生产中要严格控制磷、硫和氮的含量。

1.2 工艺路线设计

高低温韧性500 MPa级水电钢工艺路线为：转炉初炼-LF精炼-RH精炼-板坯连铸-堆垛缓冷-加热炉-粗轧-精轧-冷却-矫直-精整-抛丸-正火-火切-喷标-入库。

表1 高低温韧性500 MPa级水电钢化学成分(%)

2 冶炼关键技术开发

2.1 转炉冶炼

前期快速造渣、低温操作进行脱磷，保证终点磷含量小于0.015%。为控制氮含量使用底吹氩工艺，碳含量均在0.10%以下。钢包加入铝块、锰铁、铌铁进行脱氧合金化，采用挡渣帽、挡渣锥和滑板进行挡渣操作，避免下渣增磷。

2.2 LF精炼

LF精炼全程采用微正压操作，前期脱氧造白渣，控制钢渣厚度180-220 mm，碱度在5.00-5.70之间，保证脱硫和夹杂物去除效果，之后进行微合金化操作，最终[S]≤0.006%。

2.3 RH精炼

RH精炼炉真空度达到100 Pa后，保证钢水循环脱气6 min以上，保证良好的脱气和去夹杂效果。最后进行钙处理，且底吹气量调整至渣面涌动而不裸露，确保净吹时间≥5 min。

2.4 板坯连铸生产

连铸过程全程保护浇注，使用超低碳覆盖剂，加强对夹杂物的吸附与良好的气体保护，提升浸入式水口密封性，减少过程钢水增氮。使用轻压下技术和电磁搅拌工艺保证铸坯良好的内部质量。对铸坯进行低倍评级，中心偏析为C1.0，中心疏松为1.0，良好的铸坯质量为最终水电钢优良的性能，创造了前提条件。

3 控轧控冷关键技术开发

为保证水电钢微合金固溶的同时防止奥氏体晶粒长大，在板坯加热过程中采用较低的加热、均热温度。

控制轧制分为两个阶段，分别为粗轧和精轧阶段。第一阶段粗轧过程，保证板坯的单道次压下量≥12%，且一轧程后三道单道次压下率≥15%，使钢板高温时发生充分再结晶，得到细小的初始奥氏体晶粒组织。第二阶段精轧过程，对中间坯施加适当的未再结晶累积压下率，终轧温度范围800-880 ℃，水电钢板形见图1所示。

采用ACC进行控制冷却。先共析铁素体对水电钢的强度和韧性均不利，为防止先共析铁素体生成，要保证开冷温度≥720 ℃，终冷温度≤670 ℃，冷却速度≥10 ℃/s，使钢板主要生成铁素体+珠光体组织，且晶粒尺寸细小、均匀，晶粒度评级为12级[5]，具体工艺见表2所示。

图1 水电钢板形

表2 水电钢关键控轧控冷参数

4 热处理关键技术开发

正火处理是将钢板加热到一定温度后，保温一段时间出炉空冷，可以显著改善钢板的韧性。正火时可在稍快的冷却中使钢材的结晶晶粒细化，不但可得到满意的强度，而且可以明显提高韧性。水电钢正火生产的工艺见表3所示。

5 高低温韧性500 MPa级水电钢性能检验及组织分析

5.1 常规力学性能

表4为水电钢常规力学性能，包括抗拉强度、屈服强度、伸长率。水电钢具有高强度、高伸长率的特点。

图2 正火炉

表3 水电钢关键热处理工艺参数

表4 水电钢常规力学性能

5.2 冲击性能

夏比冲击性能主要体现钢板韧性，具体表征为钢板冲击功的大小。表5为生产的水电钢韧性性能，主要包括夏比冲击。从表中可以看出，水电钢夏比冲击达到254 J以上，具有优异的韧性。

表5 水电钢冲击性能

5.3 微观组织分析

图3为水电钢的金相组织，a图为表面组织，b图为中心组织。由图可以看出，金相组织为铁素体+珠光体。表面组织和中心组织均匀，晶粒尺寸细小，晶粒度评级为12级，并且无带状组织，这不仅提升了钢板的强度，也为高低温韧性提供了条件，最终水电钢具有了优异的综合性能。

6 结论

(1)通过采用低碳、低锰和微铌合金化成分设计路线，高洁净度钢水和高质量铸坯的生产以及合理的控轧控冷正火工艺，成功开发出500 MPa级水电钢。

(a)表面组织

(b)中心组织图3 水电钢微观组织

(2)水电钢金相组织主要为铁素体+珠光体，且晶粒尺寸细小、均匀，晶粒度评级为12级，使得该水电钢具有高强度和高低温韧性的特点。