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1、低合金高强度结构钢板Q390E的研制【摘 要】采用Nb-Ti复合或V的微合金化两种不同成分设计，用TMCP控轧控冷工艺在天钢中厚板厂3500mm轧机上成功轧制出Q390E级钢板。对轧制的Q390E钢板进行机械性能、低温系列冲击性能检测,同时对该钢的显微组织、夹杂物及晶粒度进行分析。结果表明：研制的Q390E中厚钢板，力学性能满足GB/T1591-94要求，且低温冲击韧性较好。【关键词】Q390E 成分 微合金化 TMCP 显微组织 冲击韧性1.前言Q390E是我国低合金高强度结构钢标准中强度和韧性级别较高的一个钢种,且该钢种焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好。Q390E主要用于船舶，锅炉，压
2、力容器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件 1。由于其具有较高的强度、良好的韧性及焊接性能,具有广阔的应用前景，因此为适应国内市场的需要,天钢研制开发了Q390E级钢,并做了全面的检验分析,以及低温系列冲击,无论在强度、韧性和低温冲击韧性等方面,均达到了令人满意的效果。2.工艺流程铁水转炉LF炉连铸堆冷板坯检验加热高压水除磷粗轧精轧ACC冷却热矫精整钢板检验3.化学成分设计低合金高强度结构钢Q390系列分为A、B、C、D、E五个质量等级，它们的强度要求相同，但质量等级不同，Q390E质量等级最高。考虑到Q390E要求有较高的强度、良好的低温冲击韧性和焊接性能，故化
3、学成分设计采用微合金化及低碳高锰，降低硫磷含量的成分控制。碳是钢中对强度贡献最大的元素，降低碳含量可以提高塑性和焊接性能。锰在钢中部分与铁互溶，形成固溶体(铁素体或奥氏体)，部分和铁、碳化合形成渗碳体，能够强化铁素体和细化珠光体。同时，由于锰和硫具有较大的亲和力，能促使钢中的硫形成熔点比FeS高的MnS,避免FeS在晶界析出，降低热脆性，提高热加工性能。对于Q390E钢来说P、S都是有害元素，所以要尽量降低磷、硫含量。P主要影响钢的塑性，S主要影响钢的冲击韧性和韧一脆转变温度，另外，钢中硫化物夹杂对钢材不同方向的性能也会产生重要影响。在微合金的选用上，进行了两种不同的成分设计。设计一:加入Nb
4、-Ti。高温下固溶在钢中的Nb与奥氏体中的位错相互作用，阻止奥氏体晶粒发生再结晶，提高奥氏体再结晶温度。Ti可形成高温下稳定的氮化物，由于形成TiN而消除了钢中的自由氮，对钢的韧性是有益的，同时间接地提高了铌的作用。成分设计二:加入V。主要是考虑V在a转变过程中或转变后可大量析出，产生析出强化。基于以上几方面考虑，低合金高强度结构钢Q390E试轧设计的成分见表1，其中Q390E-1采用加Nb-Ti，Q390E-2采用加V。表1 Q390E的化学成分牌号标准化 学 成 分，%CSiMnSPAlTNbVTiQ390E国标0.200.551.001.600.0250.0250.0150.0150.0
5、600.020.200.020.20Q390E-1内控0.130.170.200.501.401.600.0100.0150.020.050.0250.0450.010.03目标0.140.301.500.0050.0150.0250.0300.02Q390E-2内控0.130.170.200.501.401.600.0100.0150.020.050.030.06目标0.140.301.500.0050.0150.0250.054.冶炼工艺4.1 转炉为了保证钢水质量满足要求，要控制入炉铁水S0.030%，P0.080%，Si0.85%。出钢时终点控制C0.06%，S0.015%，P0.01
6、0%，出钢温度控制在16501670。使用硅锰、钒铁、铌铁、钛铁脱氧合金化，使用硅铝钡终脱氧，挡渣出钢，有利钢水中夹杂物的去除。4.2 LF炉为了均匀成分、去除钢水中气体和夹杂等，对钢水吹氩处理。精炼渣料和还原剂分期分批加入，尽快形成白渣。白渣精炼时间10分钟。按内控要求控制成分，喂CaSi丝夹杂变性处理，保持软吹氩时间8分钟，钢水出站前定氧，出站温度控制在1570左右。实际冶炼的4炉次化学成分见表2。表2 Q390E的化学成分牌号炉号化 学 成 分，%CSiMnSPAlTNbVTiQ390E-110.1450.3591.5450.0030.0130.05420.03270.0177Q390E
7、-120.1360.3181.5470.0040.010.0470.03170.0179Q390E-230.1410.3561.5610.0040.0110.02970.0504Q390E-240.1410.3241.5550.0030.0120.04910.0545由表2看出Q390E钢的化学成分在冶炼中控制得较好，主要元素C、Si、Mn 的含量各炉之间波动很小，基本达到平均值，磷、硫的含量也很低，尤其是硫含量控制在0.005 %以下，这为获得良好的机械性能奠定了基础。4.3 连铸奥钢联全弧形板坯连铸机，动态轻压下技术，连铸过程采用全程保护浇铸，使用铝碳套管，专用保护渣，保持钢水过热度15-
8、30，拉速范围在0.9-1.1m/min之间。铸坯取低倍试样分析，低倍显示铸坯内在质量较好，其缺陷级别为中心疏松为1.0级，B类偏析和角裂为0.5级，没有其它低倍缺陷。而且铸坯的表面质量也较好。 5.TMCP轧制工艺Q390E钢板的轧制在天钢3500mm中厚板轧机上进行。试轧选用的连铸坯厚为250mm，成品钢板厚度分别为20mm、30mm、40mm，每种厚度规格的钢板轧12块。为了提高钢板的性能，采用TMCP控轧控冷工艺。轧制采用两阶段控制轧制2，分别为粗轧阶段的再结晶区轧制和待温后精轧阶段的未再结晶区轧制，且对两阶段单道次压下量及总压下量进行合理控制。要求粗轧单道次压下率12%，且最后23道
9、次的单道次压下率要15%，粗轧总压下率60%；精轧的累计变形率不小于60%，最后3道次的累计压下率45%。轧后要求快速进入层流冷却，防止晶粒长大。实际轧制过程中，试轧钢坯出炉温度在1200左右,粗轧开轧温度在1160左右,粗轧终轧温度在1090左右,粗轧后待温,然后进入精轧。实际控制轧制的工艺参数见表3所示。表3 Q390E TMCP工艺参数牌号成品规格/mm控轧开轧温度终轧温度开冷温度终冷温度冷却水组数轧制道次粗轧-精轧Q390E20930-950850-880810-850670-6904-67-9Q390E30900-920840-870800-840660-6807-99-11Q390
10、E40870-890830-860800-840650-67011-137-96.力学性能与金相组织6.1 拉伸与冲击性能表4为Q390E国家标准（GB/T1591-94）值，表5、表6为本次试轧的Q390E钢板拉伸和冲击力学性能。表中数据显示，成品厚度规格20mm、30mm、40mm Q390E钢板的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率和冷弯等性能均满足国家标准GB/T1591-94中Q390E性能要求，特别是低温冲击韧性值较高，且屈服强度等力学性能指标稳定，不随厚度增加而明显降低。表4 Q390E力学性能国标要求牌号质量等级屈服点s，MPa抗拉强度bMPa伸长率5，%冲击功，AkV，J（纵）-4
11、0180弯曲试验d=弯曲直径；a=试样厚度（直径）厚度（直径，边长），mm161635355050100不 小 于钢材厚度（直径），mm不 小 于1616100390E3903703503304906502027d=2ad=3a表5 Q390E的拉伸性能牌号炉号成品规格/mm坯号晶粒度/级屈服强度/Mpa抗拉强度/MPa延伸率%屈强比纵横纵横纵横纵横Q390E-112021041041054554527.526.50.75 0.75 22031041040055055028.0 29.0 0.75 0.73 Q390E-232031042543555556529.5270.77 0.77 42
12、039.539538052052530290.76 0.72 Q390E-113022939041555057527.5 24.5 0.71 0.72 230229.541042556558028.0 25.5 0.73 0.73 Q390E-2330239.541542554056026250.77 0.76 430239.54054155205252623.50.78 0.79 Q390E-114033939042556559526.0 26.0 0.69 0.71 240329.539038059560023.0 24.5 0.66 0.63 Q390E-2340339.53954105
13、7559027.5240.69 0.69 44034104104155355452825.50.77 0.76 表6 Q390E的冲击性能牌号炉号成品规格/mm坯号0冲击功/J-20冲击功/J-40冲击功/J-60冲击功/J冷弯纵横纵横纵横纵横纵横Q390E-11202238.33 190.67 226.67 175.67 220.00 135.33 204.00 144.33 合格2203243.67 168.00 225.67 171.00 210.33155.00 165.67 100.00 合格Q390E-23203226.67 195.00 228.33 201.67 198.33
14、170.00 176.67 135.67 合格4203211.33 170.00 235.67 142.00 176.00 120.33 155.67 72.33 合格Q390E-113022182.00 221.33 172.33 241.67 142.67 220.67 100.33 175.33 合格23022205.33 245.67 198.00 242.33 175.67 214.00 168.33 153.00 合格Q390E-233023230.00 203.00 206.33 195.67 233.00 155.67 187.00 121.33 合格43023208.33 1
15、96.33 245.67 159.33 215.33 115.00 170.67 111.67 合格Q390E-114033212.67 224.00 186.00 236.67 148.00 220.67 121.33 115.67 合格24032188.33 221.00 150.33 193.67 123.00 158.33 102.00 89.33 合格Q390E-234033225.67 218.00 205.33 175.33 178.67 160.00 183.67 145.00合格44034214.00 190.67 215.33173.00 210.33 148.67 167
16、.67118.33合格6.2 显微组织Q390E钢板显微组织基本上为铁素体和珠光体，晶粒度基本上在9-10级之间，钢中夹杂物为硫化物夹杂，级别为A细0.5-1.0级。从钢板不同部位的显微组织看出钢板边部比心部晶粒细小，比较不同的成分设计，看出含Nb-Ti合金比含V合金的钢板心部晶粒更加均匀细小，同时看出不同规格的钢板随厚度的增加，晶粒出现略微的粗化。40mm 含V合金 边部 40mm 含V合金 心部 30mm 含Nb-Ti合金 边部 30mm 含Nb-Ti合金 心部 20mm 含Nb-Ti合金 心部 20mm 含V合金 心部7.结果分析对于两种不同合金的成分设计，试轧的Q390E级20mm、3
17、0mm、40mm钢板各项性能及显微组织均取得了较好的效果。分析钢板的轧制主要采用了两阶段控轧工艺,第一阶段是在高温奥氏体再结晶区轧制，是变形与再结晶同时进行的阶段，单道次变形量增大到足以发生完全再结晶，且总压下率在60%以上,通过多次变形再结晶，使粗大的原始奥氏体晶粒显著细化。第二阶段在低温奥氏体未再结晶区轧制，是形变能累积阶段，在这个阶段，奥氏体晶粒被拉长，同时产生滑移带。奥氏体晶界的增加和滑移带的出现，为铁素体形核提供了有利条件，进而得到细晶粒铁素体。控制冷却是利用钢材轧后余热进行热处理的工艺，其实质就是控制奥氏体向铁素体和珠光体转变的相变过程。该过程通过冷却速度、辊道速度、终冷温度的合理
18、控制，得到均匀细小的铁素体和珠光体组织，从而提高钢板的综合力学性能。8.结论8.1 天钢采用Nb-Ti或V微合金化及TMCP技术，成功开发了厚度20mm、30mm、40mm的Q390E级中厚钢板，两种成分设计轧制的钢板各项力学性能指标全部达到国标要求，特别是低温冲击韧性好。8.2 合理的成分设计结合TMCP工艺，可以保证20mm、30mm、40mm规格 Q390E钢板各项性能指标均匀稳定，不随厚度规格的变化而产生性能波动。8.3 各规格钢板边部比心部晶粒细小，各规格钢板随厚度的增加，晶粒出现略微的粗化。含Nb-Ti合金比含V合金钢板显微组织略好。参考文献1 薛祖德、陈进文、林冬华，低合金高强度结构钢的发展及应用J，造船技术，2002，6:15-20。2 王有铭、李曼云、韦 光，钢材的控制轧制和控制冷却M，北京:冶金工业出版社，1995,99-126。193
