Q355B低合金高強度結構鋼圓鋼的開發試制和生產

廉京習，解洪超，賀繼勇，吳向明，李鵬超

（臨沂鋼鐵投資集團特鋼有限公司，山東 臨沂 276023）

1 前言

Q355B是一種低合金高強度結構鋼，廣泛應用于建筑、橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器、塔架、機械零件、特種設備、結構件等用途，具有良好的塑性、焊接性、冷沖壓性、可切削性等綜合力學性能，并具有一定的耐低溫、抗低溫性能［1］。

2 質量設計

結合用戶技術協議、產品用途，以及用戶加工工藝進行工藝制定和質量設計，下游用戶產品為高壓用熱軋無縫鋼管，對內部缺陷和沖擊性能提出較高要求。為確保新裝備首次新鋼種試軋開發成功，研發部門編制工藝文件和產品質量控制計劃，同時組織召開生產準備和技術分析會，安排部署，制定專項生產方案，系統研究生產工藝控制要點，深入分析該鋼種生產中的關鍵控制點、難點，對鐵水條件、成分指標、鑄機拉速、溫度控制等技術參數進行論證，細化生產組織、工藝操作等關鍵環節。

用戶生產工藝：下料→加熱→熱穿管→酸洗、磷化、皂化→冷拔→矯直→探傷→檢驗→成品。該用戶產品檔次較高，其中冷拔工序對產品表面質量和內部缺陷要求較高，結合該鋼種特殊特性，因此在成分設計、工藝制定、過程質量控制方面以消除缺陷和提高鋼質純凈度為重點。

3 生產工藝

Q355B 低合金高強度結構鋼嚴格按照用戶技術協議進行工藝規程、質量設計設置冶煉，冶煉全程工藝：120 t BOF→120 t LF→3#連鑄機CC 連鑄（165 mm×165 mm）→鑄坯檢查→坯料加熱爐加熱→高壓水除磷→粗軋軋制→飛剪切頭尾→精軋軋制→倍尺剪分段→冷床編組→鋸切定尺→端部倒棱→收集、打包、稱重→精整檢查→入庫。

煉鋼轉爐冶煉條件要求鋼包紅包出鋼，鋼包烘烤溫度≥850 ℃，轉爐總裝入量（142±2）t，保證鋼包安全空間400 mm；出鋼成分控制0.06%≤C≤0.12%，P≤0.015%；殘余元素控制在標準要求范圍內；出鋼結束采用滑板擋渣，大量下渣后進行倒渣處理，防止精煉過程“回P”導致成分超標。

精煉爐通電升溫化渣，第一時間脫氧造白渣，白渣保持時間≥15 min；本鋼種目標成分液相線溫度1 511 ℃，要求吹氬時間≥15 min，鋼水不得裸露。正常上臺吊包溫度，開澆爐1 610～1 620 ℃，連澆爐（1 565±10）℃。

連鑄使用干式料中間包，確保中間包烘烤溫度≥900 ℃，溫度均勻，內壁無脫落；開澆中包液面高度必須保證≥500 mm，方可開澆，浸入式水口安裝時套好密封墊且必須保證對中，插入深度100～140 mm，目標控制在110～130 mm；連澆爐鑄臺大包溫度1 565±10 ℃，本鋼種目標值液相線溫度1 511 ℃；拉速與溫度，配水及電磁攪拌見表1。

表1 165 mm規格方坯拉速與溫度，配水及電磁攪拌

軋鋼嚴格控制加熱時間和出鋼節奏（工藝見表2）。同時為了保證鋼坯加熱均勻和加熱加透，對不同加熱段規定了加熱溫度，控制總加熱時間和出鋼溫度，鋼坯除磷機出水壓力控制在16～20 MPa；嚴格控制各軋機參數，軋線在精軋后和KOCKS 三輥減定徑機組后，采用雙在線測徑儀對軋件尺寸進行實時檢測，隨時調整導衛尺寸、軋件尺寸，控制成品和半成品尺寸；軋制前認真檢查軋輥、導衛、輥道等，避免機械損傷鋼材表面，確保成品尺寸精度、不圓度、表面質量合格；為了保證低溫沖擊性能，圓鋼上冷床之間不空齒，加蓋保溫罩等措施，定尺采用鋸切分段，鋸切溫度≥650 ℃，端部毛刺通過倒棱機設備參數及成品規格設定運行速度，確保倒角角度和深度符合要求。

表2 Q355B鋼（連鑄坯坯型165 mm×165 mm）加熱工藝 ℃

4 實物質量檢測

4.1 化學成分

Φ50 mm規格Q355B鋼化學成分見表3。

表3 Φ50 mm規格Q355B鋼化學成分（質量分數） %

Q355B 屬于包晶鋼，表面裂紋敏感鋼種，連鑄坯一旦產生表面裂紋，后期軋制和加工均會導致缺陷擴展，發生批量性質量問題，裂紋缺陷的產生不但影響了成材率指標，而且后期增加了精整控制難度和修磨挑揀成本。為了避免連鑄坯表面裂紋的產生，在該鋼種中特意添加了0.010%～0.040%的Ti，Ti的加入有助于避免或減少連鑄坯表面裂紋的產生，改善鑄坯表面質量；同時為了細化晶粒和凈化鋼液，在該鋼種中還特意加入0.020%～0.040%一定含量的Al。另外研究表明，當鋼中的Ti含量控制在0.010%～0.040%時，會和C 反應生成細小彌漫的TiC 細小晶粒，細小彌漫的TiC 會對鋼的沖擊韌性得以提高［2］。

從表3檢測分析數據可以看出，所檢驗成分數據指標均滿足協議要求，而且鋼中添加一定含量的Ti、Al，不但細化晶粒，而且有助于提高該鋼種的沖擊韌性。另外，加做該鋼種O含量最大為15×10-6，H含量最大為0.68×10-6，N含量最大為68×10-6，鋼質比較純凈。

4.2 夾雜物檢驗

按照用戶技術協議，該鋼種按照GB/T 10561鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法進行非金屬夾雜物檢驗和評定，夾雜物檢驗結果見表4。各項夾雜物檢驗結果最大為1.0，較多數值為0.0，鋼質非常純凈。為避免夾雜物控制穩定，采取冶煉該鋼種時對開澆后的頭爐、尾爐以及生產異常情況下的鑄坯剔除，改判為國標材及低端產品用戶使用，液面波動超過±3 mm時，做好鑄坯異常標識，進行加做檢驗根據檢驗結果和產品用途進行評審處置。

表4 Φ50 mm規格Q355B鋼夾雜物檢驗結果

4.3 奧氏體晶粒度和金相組織檢驗分析

用戶技術協議要求晶粒度不粗于5級，通過生產Φ50 mm 規格軋材取樣檢驗。從檢驗結果看，奧氏體晶粒度為8.5 級（見圖1），奧氏體晶粒度細小，滿足用戶協議要求。成分設置中添加少量Ti、Al對該鋼種的晶粒細化起到了不可缺少的作用；金相基體組織為F+P，帶狀組織3.5級，屬于正常合格金相組織（見圖2）。

圖1 Q355B鋼奧氏體晶粒度200×

圖2 Q355B鋼帶狀組織100×

4.4 低倍檢驗

因首次在新投產設備、新工藝前提下，按照用戶技術協議規定要求，對軋材取樣檢驗，同時并加做連鑄坯低倍，均按GB/T 226—2015鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法、GB/T 1979 結構鋼低倍組織缺陷評級圖標準進行評定；經檢驗連鑄坯和軋材橫截面酸浸低倍組織均無肉眼可見的縮孔、白點、分層、裂紋、翻皮、夾雜、氣泡等缺陷，低倍組織一般疏松、中心疏松和中心偏析最大為1.5 級，完全滿足用戶協議標準要求的不大于2.0級別（結果見表5）。

表5 Q355B鋼低倍檢驗結果

4.5 拉伸性能

按照用戶技術協議要求，Φ50 mm 規格Q355B軋制圓鋼產品拉伸樣坯采取在線鋸切形式取樣，為獲取初次生產的結果更具代表性，分別在軋材同爐號頭、尾支截取≥500 mm 長兩支樣坯，拉伸試樣的加工制備按GB/T 2975—2018鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣R4Φ10 mm 類型加工（見圖3），樣坯距棒材表面12.5 mm位置制備加工試樣，然后按照GB/T 228.1—2010 金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法進行檢驗，拉伸性能檢驗結果如表6所示，各項結果均滿足用戶要求。

圖3 規格Φ＞25 mm圓形試樣取樣位置和試樣類型

表6 Q355B拉伸性能結果

4.6 沖擊性能

根據用戶技術協議要求，該鋼種要求檢驗V型缺口0 ℃沖擊試驗，Φ50 mm 規格Q355B 圓鋼沖擊試樣距棒材表面≤2 mm 處取樣，取樣一組3 個，沖擊試樣尺寸取10 mm×10 mm×55 mm的標準試樣（見圖4）；按照GB/T 229金屬材料夏比沖擊擺錘沖擊試驗方法檢測，結果按一組3個的算術平均值進行計算，但不應低于規定值的70%，結果沖擊試驗結果見表7。首次生產并加做常溫23 ℃沖擊，檢測結果均滿足用戶技術協議和國家標準要求。

圖4 25 mm＜d≤50 mm圓形試樣取樣位置和V型試樣類型

表7 Q355B沖擊性能結果 J

在化學成分中，P 含量對低溫脆性轉變溫度的影響很大，P 含量越低，鋼的沖擊韌性越好。為保證該用戶的低溫沖擊性能，煉鋼在成分設計上要求P≤0.020%，實際生產控制為≤0.015%，對該協議冶煉鋼種的低溫沖擊韌性非常有利，實際的控制含量均低于國家標準該鋼種指標。同時鋼中的固溶N 含量過高容易引起鋼氮脆，也對鋼的沖擊韌性產生不利影響，出于細化晶粒的要求，Q355B 鋼中添加（60～100）×10-6的N，實際N 含量最大為68×10-6，而鋼中的Al 和N 反應生成AIN，具有固氮的作用，可有效控制N 的數量，顯著提高鋼的沖擊韌性，同時鋼中添加少量的Ti 和N 反應成TiN，也有固氮的作用。因此，N 和Al、Ti生成的AIN 和TiN 也是導致鋼中晶粒細化的主要因素，Q355B 鋼奧氏體晶粒度8.5 級，晶粒較細，這與AIN 和TiN 的生成產生的晶粒細化作用密切相關。綜上所述的改善晶粒細化的控制，不但改善了該鋼種的內、外部缺陷，也顯著提高該鋼種低溫沖擊的韌性［3］。

如表7 所示的0 ℃低溫和23 ℃常溫沖擊吸收功均非常高，這與鋼在冶煉過程添加少量的Ti、N、Al 元素晶?；虯l、Ti 元素的固氮、大幅降低固溶N數量密不可分的。

4.7 表面硬度

用戶為了滿足下料加工等要求，對Q355B原材料表面提出硬度要求（技術協議要求Q355B圓鋼表面硬度145～187 HBW），軋鋼生產工藝采取圓鋼上冷床之間不空齒，加蓋保溫罩等措施。硬度檢測表明，本次首次開發生產Φ50 mm 圓鋼經取樣檢測表面硬度分別為166、168、165 HBW，滿足用戶技術協議145～187 HBW標準范圍。

4.8 熱頂鍛檢驗和表面質量

因用戶產品工藝為穿管工藝，未對熱頂鍛提出技術要求，但考慮到新裝備、新工藝首次試制，為了保證產品表面質量，軋鋼開軋前嚴格按軋鋼操作規程仔細檢查各軋機輥道、導衛、裙板的裝配并空載運行，軋制前并投入兩支廢坯進行對導衛、輥道等部位的磨合和尺寸的調整，對在線生產時就對成品頭兩支產品圓鋼取樣2 支進行1/3 熱頂鍛檢驗，檢驗均全部合格，成品下線后人工散件進行逐支目視檢查表面質量，成品表面均無裂紋、折疊、結疤、翹皮、劃傷等外部缺陷類型，表面質量檢查均全部合格。

4.9 尺寸外形及偏差控制情況

Q355B 圓鋼尺寸外形嚴格按照用戶技術協議要求，達到GB/T 702—2017熱軋鋼棒尺寸、外形、重量及允許偏差標準精度2 組以上精度控制。臨沂鋼鐵投資集團特鋼有限公司小棒線減定徑軋機是PSM 三輥軋機，尺寸控制精度高，尤其不圓度偏差小，實際生產控制達到了最大值≯0.30 mm精度，通過測量多組數據來看，PSM三輥軋機生產的圓鋼尺寸控制精確優越與兩輥軋制產品。

4.10 跟蹤用戶加工后IR和UT探傷結果

跟蹤用戶穿管后IRT 外部和UT 內部探傷結果，IRT 外傷探傷檢驗合格率為97.45%，UT 內傷探傷檢驗合格率為100%，說明外傷是Q355B 產品不合格的主要原因。外傷不合的管材個別支有1～3點不等的外傷翹皮、結疤小缺陷，外傷缺陷不連續，影響外傷不合的因素主要是產品運輸倒運、用戶下料、入爐出爐及生產過程表面磕碰傷導致。通過對缺陷部位進行人工點磨處理，修磨后經檢驗，外傷檢驗合格率達到100%，表面質量和缺陷指標完全滿足用戶后期冷拔工藝要求。

5 結語

臨沂鋼鐵投資集團特鋼有限公司試制生產充分發揮先進的裝備優勢和合理工藝設計，首次試制就成功開發出滿足用戶需求的Q355B 低合金高強度結構鋼，其化學成分、力學性能、沖擊性能、非金屬夾雜物、組織、尺寸外形、表面質量等指標均滿足技術協議要求，遠遠高于該鋼種國家標準，已實現批量生產。優化了臨沂鋼鐵投資集團特鋼有限公司產品結構，創造出較好的經濟效益。