正火工藝對Q345R鋼板組織及性能的影響

王琨銘,張亞君,劉 覲

(1.新余鋼鐵股份有限公司,江西 新余 338001; 2.江西省科學院應用物理研究所,江西 南昌 300029)

Q345R鍋爐容器板具有良好的強韌性匹配和焊接性能,廣泛應用于中高溫壓力容器、工業鍋爐、反應器和儲氣罐制造等領域,尤其是應用于對鋼板質量等級要求高的場景時,往往需要進行正火熱處理以進一步提升材料組織和性能均勻性。為適應鋼鐵行業內日趨激烈的競爭,各大鋼廠均在工序能耗和生產成本等方面開展創新工作[1]。本文針對正火交貨狀態的Q345R鋼板,在某鋼廠3800 mm生產線進行正火工藝試驗,以期為提升正火產量、降低能源消耗提供理論依據。

1 試驗材料及方法

選取同一冶煉爐號生產的厚度30 mm和60 mm的Q345R鋼板各6塊,其化學成分見表1。軋制工藝均采用兩階段軋制,每個厚度鋼板分別進行入爐溫度為20、300和600 ℃的正火試驗,正火保溫溫度均為900 ℃,30 mm的Q345R鋼板存爐時間分別為34 min和51 min,60 mm的Q345R鋼板存爐時間分別為101 min和131 min,出爐空冷,具體軋制和正火工藝參數見表2和表3。每個規格鋼板的軋制溫度均控制在10 ℃范圍內,確保軋制工藝對后續熱處理結果無影響。同一厚度的鋼板分別進行不同入爐溫度和存爐時間的試驗,研究入爐溫度和存爐時間對鋼板組織和性能的影響。其中1#和7#實驗鋼板分別為某鋼廠厚度30 mm和60 mm 的Q345R鋼板的現有正火工藝。

表1 Q345R鋼板的化學成分(質量分數,%)

表2 Q345R鋼板的軋制工藝

表3 Q345R鋼板的正火工藝

正火后在Q345R鋼板兩端寬度1/4處各取一塊試樣進行常規拉伸、橫向-20 ℃沖擊試驗和金相組織觀察。按照標準GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》要求,采用TSE605D全自動拉伸試驗機進行拉伸性能檢測;按標準GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》要求,采用PIT452H沖擊試驗機進行沖擊性能檢測;采用DM2700M金相顯微鏡進行金相組織觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 30 mm實驗鋼板的力學性能

正火后1#～6#實驗鋼板頭尾性能見表4和圖1。對比1#、2#和3#實驗鋼板,存爐時間均為51 min,隨著入爐溫度的提高,其屈服強度略有下降,下降幅度為5%;抗拉強度無明顯差異;-20 ℃橫向沖擊性能明顯下降,沖擊功值下降最大為45%。對比4#、5#和6#實驗鋼板,存爐時間均為34 min,隨著入爐溫度的提高,其屈服強度略有下降,下降幅度為5%;抗拉強度無明顯差異;-20 ℃橫向沖擊性能明顯提高,沖擊功值提高最大為90%。因此,采用現有正火工藝的1#實驗鋼板的綜合性能最好;采用600 ℃帶溫進爐、存爐時間34 min的6#實驗鋼板的綜合性能與1#實驗鋼板性能最接近。

圖1 厚度30 mm實驗鋼板-20 ℃橫向沖擊功平均值

表4 厚度30 mm的Q345R鋼板力學性能

2.2 30 mm實驗鋼板的顯微組織

圖2為1#～6#實驗鋼板正火后的顯微組織。由圖2可知,正火后實驗鋼板的顯微組織均為多邊形鐵素體+珠光體,晶粒度為8.5～9.5級。4#、5#和6#實驗鋼板中帶狀組織明顯,隨著入爐溫度的提高,多邊形鐵素體增加,珠光體減少,帶狀組織有所緩解。與4#、5#和6#實驗鋼板相比,1#、2#和3#實驗鋼板的帶狀組織明顯減少,組織中存在聚集的塊狀珠光體,鐵素體晶粒更粗,隨著入爐溫度的提高,鐵素體晶粒明顯增大[2]。

(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#;(e)5#;(f)6#

正火存爐時間越長,組織奧氏體化越均勻,合金元素擴散動能越高,珠光體帶狀組織得到弱化,尤其是鋼板帶溫進爐時,鋼板溫度越高,升溫至奧氏體化溫度時間越短,保溫時間越長。由于實驗鋼中未添加Nb、V、Ti等微合金化元素,軋后鋼中沒有有效抑制晶粒長大的第二相粒子,當保溫時間過長時,奧氏體晶粒極易長大,導致正火后鐵素體晶粒粗大,低溫韌性下降。減少正火存爐時間,奧氏體均勻化不充分,正火后保留了一定的軋態組織,珠光體帶狀組織隨著鋼板入爐溫度的提高而減少,組織更加均勻從而改善低溫韌性[3-6]。

2.3 60 mm實驗鋼板的力學性能

正火后7#～12#實驗鋼板頭尾性能見表5和圖3。對比7#、8#和9#實驗鋼板,存爐時間均為131 min,隨著鋼板入爐溫度的提高,其屈服強度略有下降,下降幅度為6%;抗拉強度無明顯差異;-20 ℃橫向沖擊性能明顯下降,沖擊功值下降最大為41%。對比10#、11#和12#實驗鋼板,存爐時間均為101 min,隨著鋼板入爐溫度的提高,屈服強度略有下降,下降幅度為4%;抗拉強度無明顯差異;-20 ℃橫向沖擊性能明顯提高,沖擊功值提高最大為85%。因此,采用現有正火工藝的7#實驗鋼板的綜合性能最好;采用600 ℃帶溫進爐、存爐時間101 min的12#實驗鋼板的綜合性能與7#實驗鋼板性能最接近。

圖3 厚度60 mm實驗鋼板-20 ℃橫向沖擊功平均值

表5 厚度60 mm的Q345R鋼板力學性能

2.4 60 mm實驗鋼板的顯微組織

圖4為7#～12#實驗鋼板正火后的顯微組織。由圖4可知,正火后實驗鋼板的顯微組織均為多邊形鐵素體+珠光體,晶粒度8.0～9.0級。對于7#、8#和9#實驗鋼板,由于存爐時間較長,帶狀組織得到了明顯改善;同時隨著入爐溫度的提高,鐵素體晶粒逐漸變大,這是導致沖擊性能下降的主要原因[7-8]。對于10#、11#和12#實驗鋼板,存爐時間縮短了30 min,組織中帶狀組織有一定殘留,隨著入爐溫度的提高,鋼板達到奧氏體化溫度的時間縮短,奧氏體化更加均勻,C元素擴散充分使得帶狀組織逐漸減少,晶粒更加均勻,沖擊性能提高[9-10]。

(a)7#;(b)8#;(c)9#;(d)10#;(e)11#;(f)12#

通過對Q345R鋼板的組織和性能進行分析,對于厚度30 mm和60 mm的Q345R正火鋼板,利用軋后鋼板余熱,入爐溫度600 ℃左右,保溫溫度不變的情況下,縮短了正火存爐時間,其強度和沖擊性能均能接近現有正火工藝的水平。因此,采用帶溫正火工藝替代常規冷裝進爐正火工藝,能降低能源消耗,提高生產效率。

3 結論

1)對于厚度30 mm的Q345R正火鋼板,保溫時間為51 min時,常溫入爐工藝強韌性匹配最佳,隨著鋼板入爐溫度的提高,強度基本不變,沖擊性能逐漸降低。

2)對于厚度60 mm的Q345R正火鋼板,保溫時間為131 min時,常溫入爐工藝強韌性匹配最佳,隨著鋼板入爐溫度的提高,強度基本不變,沖擊性能逐漸降低。

3)對于厚度30 mm和60 mm的Q345R鋼板,正火后組織均為多邊形鐵素和+珠光體,當存爐時間較長時,帶狀組織得到了明顯改善,隨著入爐溫度的提高,鐵素體晶粒逐漸長大;縮短存爐時間,帶狀組織部分殘留,隨著入爐溫度的提高,帶狀組織逐漸減少,組織晶粒更加均勻。

4)對于厚度30 mm和60 mm的Q345R鋼板,入爐溫度為600 ℃,正火溫度為900 ℃,存爐時間分別為34 min和101 min,能夠獲得良好的強韌性匹配,該工藝縮短存爐時間20%～33%,有效降低生產成本,提高生產效率。