CN114395736B

CN114395736B - 一种q355b型钢钒微合金化生产方法

Info

Publication number: CN114395736B
Application number: CN202210045701.1A
Authority: CN
Inventors: 王建新; 赵亮; 刘俊国
Original assignee: Xinjiang Bayi Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Xinjiang Bayi Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-01-16
Filing date: 2022-01-16
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2042-01-16
Also published as: CN114395736A

Abstract

本发明公开了一种Q355B型钢钒微合金化生产方法，成分百分含量控制要求如下：C 0.14‑0.22、Si 0.20‑0.40、Mn 1.25‑1.45、S、P分别≤0.035、V 0.020‑0.035、CEV 0.35‑0.44、Pcm 0.21‑0.28；入炉铁水条件：Si≤1.2%，P≤0.13%，S≤0.06%；冶炼连铸要求钢包渣层厚度≤100mm；在转炉出钢过程加入钢水预脱氧剂、硅锰合金、硅铁、碳粉或增碳剂、钒氮合金，必须在出钢1/3时开始加入合金，在出钢3/4时合金全部加完；吹氩软吹时间大于4min；连浇炉次中包过热度5℃≤ΔT≤30℃；浇铸断面200×240mm、165×225mm、150×150mm，相应最高拉速分别是：1.5m/min、1.8m/min、3.2m/min；轧制加热温度：1200～1250℃,开轧温度：1120～1180℃,终轧温度：900～940℃。

Description

一种Q355B型钢钒微合金化生产方法

技术领域

本发明属于钢铁生产制造技术领域，涉及非精炼条件下的一种Q355B型钢钒微合金化生产方法。

背景技术

Q355B低合金高强度结构钢的优势主要体现在综合力学性能好，焊接性好，冷、热加工性能及耐腐蚀性能均较好,使用领域主要集中在桥梁、车辆、钢结构建筑等方面。相对于Q235系列钢种，Q355B的性能更高，在一般结构如厂房，输电塔架等焊接金属结构，Q355B相比Q235B具备强度高、焊接性能好、耐蚀性能强的优点，目前正逐步取代普通碳素钢成为主流。

Q355B低合金高强度结构钢的开发生产多集中在板、带钢的生产上，但在型钢生产上应用的不是很广泛。主要原因在于热轧型钢产品一般作为工程项目建设的辅材，其使用量仅占工程全部用钢量的5%左右，不容易引起足够的重视。但随着工程材料高强度、轻量化的发展需求,已不再局限于最初的Q235级别，开始向更高强度的Q355、Q390、Q420级别发展。Q355B型钢的主要用途集中在钢结构支撑件、隧道施工等行业，低合金结构钢在热轧型钢上的应用推广是很有意义的。

低合金高强度钢GB/T1591－2018版标准替代GB/T1591－ 2008版标准，于2019年2月1日开始实施。GB/T1591－2018标准Q355B化学成分见表1。

表 1 Q355B化学成分标准

在影响材料性能的诸多因素中，化学成分是起主要作用的。不同的元素及其含量与其它元素配合等都决定了材料的基本性能。从化学成分来看，合金高强度钢GB/T1591－2018国家标准只规定了上限值，没有规定下限，但在实际的应用中必须对下限控制，否则很难满足性能的要求。C、Si、Mn这三个元素都能使钢筋的强度得到提高，但是也会使钢筋的延性和韧性下降，且标准对三个元素上限和碳当量是有要求的，当三个元素的含量过高，碳当量过高，会影响到钢筋的焊接性能。基于以上分析，一般采用微合金化工艺来开发生产Q355B型钢。微合金化生产工艺是在原有主要元素C、Mn、Si的基础上，添加微合金化元素，获得强度高、韧性好的钢材产品。钢中最常用的微合金化元素钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb），其强化作用主要是细化晶粒和沉淀强化。钢的控制轧制、控制冷却工艺对微合金钢有一定影响，钢的微合金化和控轧制控制冷却技术相辅相成，是微合金化钢设计和生产的重要前提。

晶粒细化: Nb、V、Ti等元素在钢中形成细小碳化物和氮化物,通常细小碳氮化物质点钉扎晶界作用,在再加热钢坯过程中阻止奥氏体晶粒长大;在再结晶控轧过程中阻止形变奥氏体的再结晶,延缓再结晶奥氏体晶粒长大，显著提高微合金化钢的强度。沉淀强化:在低合金钢中加入微量Nb、V、Ti，就可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，在轧制中或轧后冷却时析出，起到第二相沉淀强化作用。第二相的沉淀过程即是过饱和固溶体的分解过程。

目前国内钢铁企业一般采用转炉冶炼—LF炉外精炼—连铸工艺生产Q355B钢板，在转炉出钢过程中基本完成锰、硅等的合金化，在LF精炼工序实现钢水温度调整、合金微调以及纯净度调节，最后上连铸进行浇铸。

国内一些企业用钛微合金化工艺生产Q355B钢板：刘敏等人在《山东冶金》2019年第6期发表的论文“Ti微合金化Q355B组织和性能分析”介绍了日照钢铁控股集团有限公司基于铁水预处理→复吹转炉冶炼→LF精炼→连铸流程进行了Q355B钢板钛微合金化工艺的生产实践，成品C:0.13-0.19%、Si含量0.15-0.25%、Mn含量0.47-0.70％、Alt≥0.02%、Ti含量（未公开），采用精轧终轧温度（815-850℃）和卷取温度（605-625℃），成品性能较为稳定。

李铁等人在《山东冶金》2020年第1期发表论文“钛微合金化低合金高强钢Q355MB的生产实践”，介绍山东泰山钢铁集团有限公司工艺流程：铁水预处理→复吹转炉冶炼→LF精炼→连铸流程，以钛微合金化工艺生产Q355B钢板，成品C:0.08-0.12%、Si含量0.05-0.15%、Mn含量0.50-0.70％、Ti≤0.04%，采用精轧终轧温度（820℃左右）和卷取温度（630℃左右），成品性能较为稳定。

国内也有企业以铌微合金化工艺生产Q355B钢板，卢凤飞等人在<河北冶金>2021年第4期发表论文“利用 Nb 微合金化及柔性轧制工艺生产低合金Q355B中厚钢板”，介绍了河北普阳钢铁有限公司采用铌微合金化生产Q355B中厚钢板，成品C:0.15-0.18%、Si含量0.25-0.45%、Mn含量0.80-0.90％、Nb含量0.009-0.011%，采用精轧终轧温度（800-840℃左右）和轧后ACC冷却选择强冷工艺，冷却至 630 ～650℃，然后空冷。

由上述信息可知：国内冶金企业微合金化工艺生产Q355B钢板的资料很多，采用的工艺路线是：转炉冶炼→LF炉外精炼→连铸工艺→板坯加热→粗轧→连轧。

但是还未发现采用转炉冶炼→钢包吹氩→方坯连铸（钢包敞开浇注）→万能轧机轧制的工艺路线，以微合金化工艺生产Q355B型钢。

技术难点，先简要介绍本厂的设备情况如下：炼钢设备：40t氧气顶吹转炉，4机4流小方坯连铸机，浇铸断面为150×150mm²、200×240 mm²、165×225 mm²，钢包敞开浇注，连铸结晶器保护渣浇铸。万能轧机：推钢式加热炉，额定产量60t/h（冷装），轧线采用9架轧机，半连续轧制。其中粗轧1架，精轧机8架。轧机主传动电机采用直流电机。轧机最大保证轧制速度5m/s。有一台50×16m步进齿条式冷床对型钢进行冷却。难点在于：转炉只有钢包底吹氩系统（无喂丝），无LF精炼炉，连铸钢包浇注是敞开浇注，无法保护浇铸。万能轧机的控轧控冷能力远不如生产钢板的热轧轧机。

1、钛微合金化生产工艺，钛元素具有显著的强化效果，但钛微合金化工艺难度较大，主要原因：钛元素非常活泼，易与钢中氧元素反应，如果加入不当，保护浇铸稍有疏忽，会造成钛元素氧化殆尽；如加入过多，产生析出物，致使钢水粘度增大，连铸浇铸困难，生产无法正常进行。这主要涉及钛加入时机和保护浇铸问题。在40t转炉进行钛合金试验，但是试验没有成功，主要原因是40t转炉只有钢包底吹氩系统（无喂丝），无LF精炼炉，连铸钢包浇注是敞开浇注，钛元素非常活泼，在连铸工序钢包敞开浇注，无法保护浇铸，造成钛元素几乎氧化殆尽，成品钢的钛含量在0.005%以下，起不到强化作用。因此，现有炼钢设备不具备钛微合金化生产工艺条件。

2 、铌微合金化生产工艺：

（1）试验方案，按照低合金高强度钢GB/T1591－2018标准,碳当量CEV≤0.45%,确定Q355B的化学成分，见表2。

表2 化学成分控制要求

注： Ni、 Cu、 Cr含量均小于0.15%，Mo≤0.1%。

轧制控制要求：加热温度：1200～1250℃,开轧温度：1120～1180℃,终轧温度：900～940℃。

（2）试验结果，在40t转炉进行试验，成分符合要求，见表3。

表3 Q355B试验钢的化学成分

万能轧机轧制Ⅰ22、25工字钢，屈服强度、延伸率符合要求，但抗拉强度不稳定，最低455MPa，最高675MPa，超过国标上限630MPa和下限470MPa。力学性能见表4。

表4 Q355B试验钢的力学性能

（3）原因分析，根据铌强化机理与现场数据的比对分析，可以确认Q355B性能波动大有两方面原因：一是铌是强碳氮化物形成元素，能有效地细化铁素体晶粒尺寸，具有非常明显的细化晶粒效果。钢中加入铌后,增大了过冷奥氏体的稳定性,使C曲线右移, 增强了钢的淬透性, 因而在相变时铁素体的形成被抑制,有利于细化铁素体, 同时也促进了贝氏体的形成，从而提高钢的强度。因此,铌微合金钢中存在少量的贝氏体是由铌在钢中的作用机理所决定的。铌在钢中的溶解度随温度的升高而升高，铌微合金化元素具有较高的溶入温度，在钢中只有铌充分固溶才能起到高的强化作用。

由现场数据表5可知，轧制过程中的加热温度波动较大，最高温度1272℃，最低温度1186℃，最大差别86℃，必然造成性能波动大，难以控制：加热温度较高时，铌充分固溶，起到高的强化作用，性能达到国标要求，甚至抗拉强度超过国标上限630MPa。加热温度较低时，铌得不到充分固溶，起不到强化作用，抗拉强度低于国标下限470MPa。

表5 加热炉均热段温度记录

二是万能轧机的控冷能力较差，或者说冷床没有控冷条件，通常采用空冷。控制贝氏体形成，只有保持适当的上冷床温度，保持冷床有一定温度，以便过冷奥氏体有足够的时间向铁素体和珠光体转变，形成少量的贝氏体，从而提高钢的强度。加热温度的波动大，必然导致终轧温度、上冷床温度较大的波动（上冷床温度高，在冷床冷却速度快，贝氏体形成多，钢材性能高；上冷床温度低，在冷床冷却速度慢，形成贝氏体太少或没有贝氏体，钢材性能低），这也是引起钢材性能波动大的重要因素。

综上所述，含铌钢对轧制工艺的要求较高，即：加热温度、上冷床温度范围较窄，轧制参数必须精准控制。万能轧机不具备这些条件，难以形成铌微合金化的稳定生产工艺。

发明内容

根据以上分析，结合现有炼钢、轧钢设备情况，考虑到万能轧机的控轧控冷能力较差、加热温度波动较大情况，本发明研究了一种Q355B型钢钒微合金化生产方法，在没有LF炉外精炼、连铸采用钢包敞开浇注的情况下，采用转炉冶炼→钢包吹氩→方坯连铸（钢包敞开浇注）→万能轧机轧制的工艺路线，以钒微合金化工艺生产Q355B型钢。

发明技术方案如下：一种Q355B型钢钒微合金化生产方法，

1）、成分设计，按照低合金高强度钢GB/T1591－2018标准，碳当量CEV≤0.45%，参考焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.29%，设计Q355B钢化学成分以质量百分含量计%，成分控制要求如下：C 0.14～0.22%、Si 0.20～0.40%、Mn 1.25～1.45%、S≤0.035%、P≤0.035%、V0.020～0.035%、CEV 0.35～0.44%、Pcm 0.21～0.28%；其余为铁及杂质；

2）、炼钢控制要求，铁水要求，入炉铁水条件：Si≤1.2%，P≤0.13%，S≤0.06%；冶炼要求：（1）严格出钢维护管理，采用挡渣出钢，严禁炉口和出钢口下渣；钢包渣层厚度≤100mm；（2）炼钢脱氧合金化工艺：在转炉出钢过程加入钢水预脱氧剂，钢水预脱氧剂的成分质量百分比构成为：CaC₂：55～75%、CaO：15～25%、CaF：5～10%；硅锰合金、硅铁、碳粉或增碳剂、钒氮合金，加入量分别是：钢水预脱氧剂：0.5-1.0kg/t、硅锰合金:21.4 kg/t、硅铁:0.5kg/t，碳粉或增碳剂根据钢水终点碳含量确定加入量，钒氮合金加入量为:0.35 kg/t，必须在出钢1/3时开始加入合金，在出钢3/4时合金全部加完；（3）吹氩软吹时间大于4min；（4）连浇炉次中包过热度 5℃≤ΔT≤30℃；（5）浇铸断面200×240mm、165×225mm、150×150mm，相应最高拉速分别是：1.5m/min、1.8m/min、3.2m/min；

3）、热轧轧制，轧制控制要求：加热温度：1200～1250℃,开轧温度：1120～1180℃,终轧温度：900～940℃。

本发明生产方法，钒在钢中主要起沉淀强化作用及晶粒细化作用。钒是强碳化物和氮化物形成元素，在钢中添加适量的钒以固溶或析出形式存在，提高钢材的强度、韧性性能。钢中的微合金化元素均通过形成微合金化碳、氮化物来起作用。由于钢中氮化物比碳化物具有更高的稳定性,析出相更细小弥散,其强化效果明显提高。大量的研究结果已表明,氮是含钒钢中十分有效的合金元素。通过充分利用氮元素, 可显著提高含钒钢的强化效果。杨才福、张永权等人在《钢铁》2001年第5期发表论文“钒、氮微合金化钢筋的强化机制”研究表明：钒、氮微合金化与钒微合金化的固溶强化作用基本相同, 但是钒、氮微合金化的沉淀强化和细晶强化作用比钒微合金化钢明显提高, 其中细晶强化作用高出约23MPa,沉淀强化作用高出89MPa,两者之和达112MPa。由此可见,钢中增氮后,充分地发挥了钒在钢中的沉淀强化和细晶强化作用,使钢的强度显著提高。由于钒微合金化炼钢冶炼收得率高而且稳定，而且对轧制工艺适应性强，弥补了万能轧机的短板，因此采用钒氮合金生产Q355B型钢。

本发明方法的效果验证：在40t转炉试验，成分全部命中，C含量范围0.15-0.20%，Si含量范围0.25-0.35%，Mn含量范围1.31-1.44%，碳当量CEV范围0.39-0.44%,焊接裂纹敏感指数Pcm范围0.24-0.28%，CEV、Pcm符合要求。见表7。

表7 Q355B的化学成分

在万能轧机轧制工字钢，力学性能满足要求，屈服强度在400-465MPa、抗拉强度555-616MPa、延伸率28-37%，性能较稳定。力学性能见表8。

表8 Q355B的力学性能

根据以上分析，按照本发明方法生产的 Q355B 低合金高强度型钢，性能全部满足GB/T 1591－2018标准的要求，形成了炼钢、轧钢稳定的批量生产工艺，能够满足实际生产需要。

具体实施方式

一种Q355B型钢钒微合金化生产方法，

3）、热轧轧制，轧制控制要求：加热温度：1200～1250℃，开轧温度：1120～1180℃，终轧温度：900～940℃。

Claims

1.一种Q355B型钢钒微合金化生产方法，其特征在于：

采用转炉冶炼→钢包吹氩→方坯连铸、钢包敞开浇注→万能轧机轧制的工艺路线，以钒微合金化工艺生产Q355B型钢；转炉只有钢包底吹氩系统、无喂丝，无LF精炼炉，连铸钢包浇注是敞开浇注，无保护浇铸；在万能轧机轧制工字钢，力学性能满足要求，屈服强度在400～465MPa、抗拉强度555～616MPa、延伸率28～37%，性能较稳定；

1）、成分设计，按照低合金高强度钢GB/T1591－2018标准，碳当量CEV≤0.45%，参考焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.29%，设计Q355B钢化学成分以质量百分含量计%，成分控制要求如下：C 0.14～0.22%、Si 0.20～0.40%、Mn 1.25～1.45%、S≤0.035%、P≤0.035%、V 0.020～0.035%、CEV 0.35～0.44%、Pcm 0.21～0.28%；其余为铁及杂质；

2）、炼钢控制要求，铁水要求，入炉铁水条件：Si≤1.2%，P≤0.13%，S≤0.06%；冶炼要求：（1）严格出钢维护管理，采用挡渣出钢，严禁炉口和出钢口下渣；钢包渣层厚度≤100mm；（2）炼钢脱氧合金化工艺：在转炉出钢过程加入钢水预脱氧剂，钢水预脱氧剂的成分质量百分比构成为：CaC₂：55～75%、CaO：15～25%、CaF：5～10%；硅锰合金、硅铁、碳粉或增碳剂、钒氮合金，加入量分别是：钢水预脱氧剂：0.5-1.0kg/t、硅锰合金:21.4 kg/t、硅铁:0.5 kg/t，碳粉或增碳剂根据钢水终点碳含量确定加入量，钒氮合金加入量为:0.35 kg/t，必须在出钢1/3时开始加入合金，在出钢3/4时合金全部加完；（3）吹氩软吹时间大于4min；（4）连浇炉次中包过热度 5℃≤ΔT≤30℃；（5）浇铸断面200×240mm、165×225mm、150×150mm，相应最高拉速分别是：1.5m/min、1.8m/min、3.2m/min；