分享：基于轧后水冷工艺的低锰微铌厚板开发

• 罗龙飞, 
 
• 刘卫航, 
 
• 吴荣华

• 宝钢湛江钢铁有限公司，湛江 524072

Q355系列牌号钢板在国内厚板结构钢中大量使用。为了达到-20 ℃以上温度冲击韧性的要求，钢板通常采用C-Mn成分的设计方式，因Nb元素价格较高，只有在较厚规格钢板设计时才会少量添加Nb元素，以抵消厚度效应导致的强度不足。为保证较厚规格钢板的强度，同时兼顾-40~-20 ℃冲击性能的要求，采用中碳高锰成分+轧后空冷工艺对某钢厂Q355系列牌号的钢板进行设计和生产，其中锰元素的质量分数大于1.5%。对厚度大于30 mm的钢板，则需要加入质量分数大于0.015%的铌元素。加入质量分数大于1.5%的锰元素后，Q355系列牌号钢板的成本大幅上涨且居高不下。另外，由于钢板轧制时采用2个阶段控温终轧和轧后空冷工艺，为确保钢板强度满足要求，不得不将钢板的终轧温度降低至Ar3（冷却时奥氏体开始析出铁素体的温度?）以下，以达到细晶强化的效果，然而低温终轧工艺会导致钢板的生产效率低、板形较差。 

为解决以上问题，笔者开发了中碳低锰加微铌合金化钢板，轧制工艺为较高终轧温度+轧后水冷。该成分设计和工艺利用微铌合金对钢板的晶粒细化和析出强化作用[1]，轧后喷水冷却时利用相变强化再进一步提升钢板的强度[2]，这样就可制造出满足性能要求的Q355D钢板，不仅提高了轧制效率，还降低了制造成本。 

1.   成分设计与制造工艺

1.1   成分设计

采用C元素含量适中、Mn元素含量较低、Si元素含量适中和有害元素P、S含量较低的化学成分设计开发钢板，并加入微量的Nb元素，以细化晶粒尺寸，起到沉淀强化的作用，同时改善钢板的低温韧性，以达到提高钢板强韧匹配性能的目的。该低锰微铌厚板为50 kg级别，厚度不大于80 mm，其化学成分如表1所示。 

Table  1.  低锰微铌厚板的化学成分

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Nb	C
实测值	≤0.20	0.1~0.5	≤1.0	≤0.018	≤0.001 5	≤0.02	≤0.40

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1.2   制造工艺

50 kg级低锰微铌厚板的制造工艺流程为: 高炉铁水→铁水预处理(脱硫)→转炉冶炼→钢水精炼(真空循环脱气法精炼)→板坯连铸→板坯加热→轧机轧制→MULPIC装置加速冷却→剪切→喷印标识→成品入库。 

厚板轧机工序采用TMCP（热机械控制工艺）生产钢板。板坯经低温加热后，采用两个阶段控制轧制、轧后加速冷却工艺，以获得细小的晶粒组织，提高材料强度，改善材料的低温韧性。将板坯出炉温度控制为1 050~1 200 ℃，可确保奥氏体均匀化和微铌合金的充分固溶，同时避免奥氏体晶粒快速长大，损害轧后钢板的强度和韧性[3]。 

钢板轧制的第一阶段是在奥氏体完全再结晶区域轧制，轧至中间坯厚度后，在辊道上待温度降至合适温度后进行第二阶段轧制，结合粗、精轧机的生产节奏，中间坯的厚度为1.8~5倍成品厚度。第一阶段轧制采用大压力，使中间坯获得较大变形量，使厚度方向形成均匀细小的再结晶奥氏体组织。第二阶段在奥氏体未再结晶区域轧制，避开奥氏体部分再结晶区域，防止因出现奥氏体混晶组织而对性能造成不利影响。终轧温度大于Ar3可以保证钢板轧后冷却过程的入水温度和最终组织获得最佳的强化效果。 

轧后钢板通过MULPIC控制冷却装置加速冷却，使变形奥氏体温度快速降低，部分组织转变为贝氏体；同时铁素体形核数量增多，从而抑制了相变后铁素体晶粒的长大，使珠光体分布均匀。为了平衡不同厚度钢板的强度、韧性和轧后板形之间的关系，开发钢采用较低的冷却速率，终冷温度为400~700 ℃。同时对一张钢板进行对比试验，在略高于Ar3的温度下对其进行终轧+轧后空冷，验证轧后冷却对钢板组织和性能的影响。 

2.   显微组织与强韧性能分析

2.1   显微组织

取低锰微铌钢板的20 mm全厚度试样，将该试样置于光学显微镜下观察。试样经过研磨、抛光后，用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀，钢板横截面1/2厚度位置纵向（沿轧制方向）的显微组织形貌如图1所示。由图1可知：略高于Ar3温度终轧+轧后空冷钢板的显微组织以多边形铁素体和珠光体为主，呈片层结构分布，带状组织明显；800 ℃以上终轧+轧后加速冷却钢板的显微组织以铁素体+少量贝氏体为主，带状组织明显减少，产生部分针状铁素体，晶粒分布更加均匀，晶粒尺寸细小。 

图  1  不同生产工艺下低锰微铌厚板的显微组织形貌

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2.2   铌化物成分和形态

取低锰微铌钢板试样，按照GB/T 21638—2008《钢铁材料缺陷电子束显微分析方法通则》和GB/T 17359—2023《微束分析 原子序数不小于11的元素能谱法定量分析》，采用扫描电镜（SEM）和能谱仪对钢板中铌化物的形态和成分进行观察和分析，结果如图2所示。由图2可知：低锰微铌钢板中铌化物主要以NbC的形式析出，粒度约为1 μm，铌元素质量分数约为60%。 

图  2  低锰微铌钢板的铌化物SEM形貌和能谱分析结果

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2.3   力学性能

按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》对低锰微铌钢板进行拉伸试验。试验采用矩形截面试样，试样方向为横向（垂直于轧制方向），板厚为20 mm，板宽为25 mm，平行段长度L0=$5.65\sqrt{S_0}$（S0为试样横截面积），拉伸试验结果如表2所示。由表2可知：钢板的上屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均符合GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》的要求。开发的钢板拉伸性能良好，且钢板性能分布均匀，轧后冷却的工艺稳定性较好；轧后空冷钢板的拉伸性能同样满足GB/T 1591—2018对Q355B/NB等牌号钢板的要求。 

Table  2.  低锰微铌钢板的拉伸试验结果

工艺	厚度/mm	位置	上屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率/%
轧后空冷	20	头部	386	512	27
		中部	388	497	30
		尾部	380	505	28
轧后水冷	20	头部	411	561	24
		中部	403	545	27
		尾部	422	555	24

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按照GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》对低锰微铌钢板进行冲击试验。在开发的低锰微铌钢板上截取一块钢板，将其加工成规格为10 mm×10 mm×55 mm（长度×宽度×厚度）的夏比冲击试样，试样方向为纵向（平行于轧制方向），缺口形状为V型，测试-20 ℃下试样的冲击性能，其结果如表3所示。由表3可知：钢板试样的-20 ℃冲击性能符合GB/T 1591—2018对50 kg级别D级钢的要求。 

Table  3.  -20 ℃下低锰微铌钢板的冲击性能测试结果

工艺	厚度/mm	位置	冲击吸收能量
			实测值	平均值
轧后空冷	20	头部	178，177，176	177
		中部	178，189，183	183
		尾部	193，204，209	202
轧后水冷	20	头部	204，195，188	196
		中部	159，178，209	182
		尾部	174，179，194	182

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3.   焊接性能评价

针对开发的厚度为20 mm的低锰微铌钢板，在50 kJ/cm的线能量下进行埋弧焊评价，对焊接接头进行拉伸、弯曲、冲击、硬度试验及金相检验，结果如表4所示。由表4可知：该钢板的焊接性能良好。 

Table  4.  低锰微铌钢板的焊接性能检测及判定结果

项目	抗拉强度/MPa	裂纹长度/mm	冲击吸收能量/J	硬度/HV	显微组织
焊接接头实测结果	536，539	无裂纹	均值 ≥164，单值≥148（20 ℃）；均值 ≥123，单值≥100（0 ℃）；均值 ≥102，单值≥59（-20 ℃）	158.7~198.6	母材至热影响区的晶粒较细、过渡均匀
判定结果	合格	合格	合格	合格	合格
标准要求	470~630	≤3	均值≥34（-20 ℃）；单值≥27（-20 ℃）	≤350	焊接接头晶粒不过分粗大

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4.   结论

（1）在中碳、低锰、较低P元素和S元素含量的成分体系钢中添加Nb微合金元素，采用两个阶段控轧控冷工艺，成功研制出最大厚度为80 mm的50 kg级低锰微铌钢板。对钢板进行轧后水冷，原始多边形铁素体和珠光体片层的带状组织被打碎，部分组织转变为贝氏体，多边形组织减少，针状组织增多，晶粒更均匀。 

（2）对开发的低锰微铌钢板进行拉伸性能、冲击性能和焊接性能测试，结果表明，开发的低锰微铌钢板具有良好的力学性能和焊接性能，拉伸和冲击性能符合标准对Q355D钢的要求，同时满足50 kJ/cm大线能量的焊接要求。