低成本低锰钛微合金化结构钢的开发

袁婷婷

(山东钢铁集团日照有限公司，山东 日照 276800 )

在钢铁行业供过于求的市场形势下，产能过剩问题突出，随着近期原料市场价格上涨，钢材利润空间不断被压缩，低成本战略依然是企业取胜的重要途径。在保证质量的前提下，对量大面广的结构钢开展低成本制造技术研发，对钢铁企业成本下降有重要意义。根据以往经验，如果将Q345B钢中的Nb、V、Ti等合金全部去掉，钢将失去微合金化作用，厚度方向组织性能差异巨大，表面与心部的晶粒度差异能达到2级，且心部偏析严重，尤其是MnS夹杂物较多。本文通过研究降低Mn、微钛合金技术以降低成本、保证质量，提高企业的市场竞争力。

1 Q345B成分设计

钛的化学性质较活泼，易与钢中的O、S、N等杂质元素结合形成尺寸较大的化合物，因此钢中O、S、N质量分数的波动会造成化学成分的波动，最终导致产品性能波动，因此需对O、S、N进行分析。有效Ti的公式如下：w(Ti)有效=w(Ti)全 -3.4w(N)-3w(S)[1]，氮、硫含量越低，则有效钛含量越高。根据实际炼钢冶炼水平，[N]可控制在0.007%以下，[S]可控制在0.010%以下，保证[Als]≥0.015%即保证脱氧效果。为保证有足够的有效Ti，设定[Ti]≥0.040%。但Ti过量也存在问题，液相中析出的TiN一般为微米级，而固相中析出的TiN为100 nm左右，TiN的尺寸与钢中钛质量分数有关，钛质量分数越高，析出TiN粒子越大。由于尺寸较大，液相析出的TiN既不能细化奥氏体晶粒，也无沉淀强化作用[2]。因此Ti含量控制在0.040%～0.050%之间。

提高C的含量可以增加TiC的含量，同时由于Ti对N的固定，奥氏体中的N相对少些，也会增大C在奥氏体中的溶解度。由于TiN/TiC的作用奥氏体晶粒相对细小，故冷却时C扩散也不会形成尺寸较大的珠光体，对钢板的冲击及延伸影响不大，因此C选择国标允许的上限。

锰对含钛微合金钢性能的影响主要体现在对奥氏体形变诱导TiC析出的抑制作用，从而使更多细小的TiC在随后的轧制及冷却过程中析出，沉淀强化效果更好。研究表明，随着钢中锰质量分数的增高，TiC的析出动力学曲线向右移动，析出过程被延缓。锰可以降低γ→α相变点温度，能提高转变后铁素体中碳质量分数，使更多的TiC在铁素体中析出，该析出会占用大量的游离碳原子，使Fe3C析出数量显著降低。考虑到Mn 在0.80%左右时冲击性能最好，同时考虑成本因素，现将Mn控制到0.75%～0.9%。综合考虑，Q345B钢的成分设计见表1所示。

表1 Q345B化学成分(%)

2 生产工艺

为了使钢板获得均匀细小的晶粒组织，提高钢板的综合性能，根据Ti的碳氮化物固溶析出规律，设定合理的温度制度、变形制度和冷却制度对产品的组织性能至关重要。

2.1 工艺路线

KR铁水预处理→转炉冶炼→脱氧合金化→CAS精炼→LF炉精炼→(VD/RH)→连铸机→铸坯红送→加热→控制轧制→控制冷却→矫直→自然冷却→切割→取样→检查→喷号→入库。

2.2 成分控制

保持铁水100%进行KR脱硫处理，保证低S，目标0.003%以下；吹炼过程早化渣，转炉底吹全程吹氩，不吹氮气；在精炼过程中控制好过程温度及出站温度，用铝充分脱氧后再加入钛铁；钢包出精炼位后进行钙处理，同时必须保证软吹氩时间大于20 min，确保合金成分均匀；连铸控制过热度10～20 ℃，稳定拉速，保持液面稳定，全程氩气保护浇铸，防止二次氧化及增氮，二冷区配水采用弱冷模式。

2.3 加热

高温液态形成的TiN颗粒为后续冷却过程中的TiC析出提供了形核点，从而使得优先形成的TiN析出物粗化，得到Ti(C，N)复合析出物。该析出物强烈阻碍奥氏体晶粒长大，故较高的加热温度也不会使奥氏体晶粒急速长大。但加热温度过高，会使原始奥氏体晶粒过分长大，造成最终铁素体晶粒的粗大。若加热温度偏低，则TiC不能完全溶解，将减少轧制后冷却过程TiC的析出量，导致钢强度的下降。设计钢坯加热时间8～10 min/cm，出炉温度控制在1100～1180 ℃，以保证Ti的充分固溶。

2.4 轧制及水冷温度

开轧温度采用高温低速大压下工艺，加大道次变形量，使部分钛以Ti(C，N)应变诱导析出阻碍奥氏体晶粒长大，获得再结晶细晶强化的效果。中间坯按照2.5～4倍成品厚度控制，以提高精轧阶段未再结晶区的累积压下量，为下一步铁素体相变提供更多的晶核。精轧温度设计为820～840 ℃，设计冷速6～12 ℃/s，终冷温度650～720 ℃， 使TiC充分、均匀析出，提高基体强度。

3 试验结果及分析

此产线生产的普通Q345B屈服强度富余量一般在20 MPa左右，性能有波动。采用低锰钛微合金化技术后，试验结果表明性能比较稳定，且屈服强度富裕量在40 MPa以上，延伸率富余量也基本都在5%以上，冲击均值大部分在150 J以上，板型全部一次合格入库。普通Q345B力学性能见表2，低锰微钛合金化Q345B钢力学性能见表3。

从试验钢金相组织(见图1)可见，组织类型为多边形铁素体+珠光体，晶粒度为10级，晶粒细小均匀，轻微带状组织。与普通Q345B组织相比，晶粒度细约2级，带状组织较轻。

从试验钢扫描电镜(见图2)可见，铁素体中可见尺寸较小弥散分布TiC，TiC颗粒直径基本都在5～50 nm，这是基体强度高的主要原因。并且发现Ti的硫化物，也呈球状存在。

表2 普通Q345B力学性能

表3 试验钢力学性能

图1 试验钢金相组织 图2 试验钢扫描电镜图像

4 合金成本分析

原合金计划FeMn68Si18 锰硅合金22 kg/t，采用低锰微钛设计后：FeMn68高碳锰铁12.3 kg/t，同时增加FeSi75-C硅铁1.9 kg/t，增加FeTi30-B钛铁2.3 kg/t(收得率按67%计算)。按照目前合金价格FeMn68Si18锰硅合金6759元/吨、FeTi30-B钛铁12053元/吨计算，吨钢降成本29.2元。

5 结论

(1)低锰微钛Q345B较普通Q345B综合性能好，组织晶粒度细2级左右，钢板各向异性好。

(2)低锰微钛合金化技术措施不仅适用于Q345B钢板，还可以延伸到其他钢种，以降低成本，改善钢板内部组织，提升产品质量。