薄规格Q355D钢板低温冲击不合格分析及成分优化

秦 军,王 勇,陈晓山

(新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部 )

前言

低合金高强度结构钢以其强度高、自重轻、低温冲击韧性好、焊接性能好的特点而被广泛应用于海洋平台、船舶、高层建筑、桥梁、压力容器、工程机械和天然气输送管线等领域。低合金中厚板产品是八钢公司生产的主导产品。14～20mm薄规格Q355D低合金高强度钢板材在生产过程中存在性能不稳定的情况,主要表现为冲击不合格。通过采用金相分析等方法,对造成低温冲击不合格的原因进行了分析并提出了改进措施。

1 Q355D生产流程及主要技术指标

生产流程:铁水→转炉冶炼→ LF 炉精炼→板坯连铸→加热炉加热→轧制

炼钢生产主要工艺控制:

(1) 转炉出钢后钢水条件S ≤0.030%,P≤0.018%;

(2)LF 精炼采用钙处理,加精炼渣,吹氩精炼方式;

(3)连铸采用全程保护浇铸。

其中,连铸机半径为9m,平均工作拉速为0.84m/min,铸坯断面为 250mm×1800mm。

热轧态14～20mmQ355D钢板执行 GB/T 15191-2018,主要成分要求及力学性能要求见表1。

表1 热轧态 14～20mmQ355D钢板主要成分及力学性能要求(GB/T1591-2018)

2 冲击不合格 Q355D 低合金的检测

随机选择5批典型冲击不合的14～20mm的Q355D,其冲击功统计见表 2,从表2可见,三个低温冲击值在13～221J波动,虽然总体均值达96.5J,但单个低温冲击值未满足34J的要求,可见钢材低温韧性波动较大。为查找原因,对出现低温冲击不合格的 Q355D 钢中厚板进行取样分析。

表2 热轧态14～20mmQ355D钢板异常批次冲击功统计

(1)化学成分检测。磨制试样,用 SPECRTOLAB M9 型光电直读光谱仪对钢板化学成分进行检测。

低温冲击不合的 Q355D 钢中厚板的化学成分分析见表3,均符合标准GB/T1591-2018要求。

表3 14～20mm热轧态Q355D钢板异常批次钢中化学成分 %

(2)金相分析。在样品缺陷部位分别截取金相试样磨制、抛光,在 GX51 金相显微上进行金相分析。

3 Q355D冲击不合格试样的组织分析

3.1 金相组织检验

从冲击不合批次中随机抽取2批进行金相组织。从检测结果表4可以看出,金相组织正常,晶粒度8.0级尚可,但是带状组织级别偏高,达 3.5级。

表4 14～20mm热轧态Q355D钢板冲击异常批次金相组织

3.2 非金属夹杂物检验

从非金属夹杂物检验结果表5看,A类、B类夹杂物≤ 1.0级,C类夹杂物未检出,D类夹杂物≤1.5级,非金属夹杂物控制较好,不是冲击异常的主要原因。

表5 14～20mm热轧态Q355D钢板冲击异常批次非金属夹杂物检验

3.3 分析结论

在普通碳素钢和低合金钢中,常见的带状组织是指沿轧制方向形成的,铁素体带和珠光体带相互堆叠而成的组织形态[1],在原因追溯中发现了较高级别的带状组织。根据有关文献[2],板带轧制过程中产生的带状组织虽然对强度性能没有重要影响,但是对塑性有负面影响,特别是对冲击韧性有重要影响。这与原因追溯的结果符合。

对于带状组织,通常除了由成分偏析导致的带状组织外,还有可能混有由于夹杂物偏析导致的带状组织。在实践中发现,如中心部份出现白色带状组织,则条带里肯定会分布有较多的夹杂物。中心偏析带经腐蚀后呈黑色一般以成分偏析为主,如呈白色则以夹杂物偏析为主[4]。金相照片3和6中显示的中心偏析带呈黑色显示以成分偏析为主,这与非金属夹杂物检验结果相一致。

通过以上分析,最终判定:成分偏析导致带状组织级别偏高是造成低温冲击不合的主要原因。

4 改进措施及效果

从表3可以看出,Nb成分为钢种痕迹量,原Q355D成分设计属C-Mn钢。实践表明,普通CMn钢 中C/Mn偏析是引起带状组织的主要因素[3]。

鉴于薄规格14mmQ355D在制作冲击试样时,其心部位置与钢板位置基本重合,故控制成分偏析重点为降低中心偏析。中心偏析是宏观偏析,往往与中心疏松相伴存在,降低了钢的韧性和耐蚀性。虽然不少文献提出从后道轧制工艺上采取静态相变温度附近终轧、降低 精轧开轧温度、增加未再结晶区总变形量等轧钢工艺优化的手段减轻板材的带状组织[5]。笔者认为这种方法治标不治本,而且缩小了轧制工艺窗口区间,增大了轧机负荷和生产难度,在现场实行难度大。因此,解决思路为对原生产成分进行优化。

根据现场经验,Q355D钢化学成分中0.01%C贡献约10MPa强度,0.01%Mn贡献约1MPa,0.010%Nb贡献约20MPa。考虑到Nb含量超过0.020%时会增加板坯角裂风险。结合生产成本分析,综合评估后,采取了适量添加Nb,同时优化C、Mn含量,即添加0.015%Nb,降低0.015%C、0.30%Mn, 预计强度波动不大。改进前后的内控成分对比见表6所示,改进前后的性能对比见表7所示。

表6 优化前后14～20mm热轧态Q355D成分对比

表7 优化前后14～20mmQ355D性能对比

从表6、表7可以看出,成分优化后合金成本虽然上升25元/t钢,但改进后Q355D的强度下降了约5MPa,延伸率略有上升,冲击功均值由原来的96J提高到137J,增加了 42.7%,低温冲击合格率由原来的83.6%提高到97.2%,减少废次降损失68元/t,总体经济效益43元/t,达到了预期的效果。

5 结束语

对14～20mmQ355D低温冲击不合格的组织检验分析表明,成分偏析导致带状组织级别偏高是造成薄规格Q355D低温冲击不合格要原因。

为解决Q355D低温冲击不合格的问题,根据八钢现场工艺控制特点及实践经验,对C-Mn钢的原成分进行优化:采用适量添加Nb,同时降低C、Mn成分含量。虽然合金成本略有上升,但成分优化后增强钢板低温冲击韧性,提高低温冲击合格率,强度基本不变,延伸率上升,废次降损失降低,总体经济效益为正值,达到了预期效果。