Q345R容器钢伸长率低原因分析及改进措施探讨*

王文斌 王志国 张雷 曹巍 曾强国

(安阳钢铁股份有限公司)

Q345R容器钢伸长率低原因分析及改进措施探讨*

王文斌 王志国 张雷 曹巍 曾强国

(安阳钢铁股份有限公司)

针对低合金容器板伸长率偏低问题，通过对钢材的组织、成分进行检测分析和生产工艺监督等手段进行原因查找。结果表明在影响Q345R伸长率的众多因素中，铸坯中心存在C、Mn、S元素偏析、中心疏松，MnS塑性夹杂尺寸较大且分布集中等内部质量缺陷是导致钢板伸长率低的直接原因。并结合生产实际情况，通过引入电磁搅拌、凝固末端轻压下，轧制环节精确控制等手段加以改进。

低合金容器板 伸长率 检测分析 生产工艺

0 前言

随着锅炉、容器行业的迅猛发展，压力容器用钢板的市场需求量不断增加，Q345R低合金压力容器用钢凭借自身良好的力学性能和工艺性能赢得了大量市场，是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。然而，在生产过程中低合金压力容器板偶尔也会出现伸长性能偏低的现象，导致废品和改判量增加，影响到经济效益。针对低合金压力容器板伸长率偏低这一问题，笔者结合Q345R的生产实际情况，通过采用低倍检验、金相分析、工艺监督等手段，对压力容器板伸长率偏低的原因进行了全面的分析和研究。

1 工艺路线

试验钢坯选自100 t转炉和150 t转炉，其生产工艺路线为:

100t转炉—LF—连铸—中板轧机。

150t转炉—LF(VD)—连铸—中板轧机。

1.1 Q345R 成分控制

Q345R低合金压力容器用钢化学成分控制要求见表1。

表1 试样钢的化学成分 wt%

1.2 力学性能要求

控制标准(16 mm～36 mm):Rel≧335 N/mm2，Rm/510 N/mm2～630 N/mm2，A% ≧ 21，0 ℃夏比(V型缺口)冲击功≧38 J，180°弯曲试验d=3a，冷弯良好，试样外表面无肉眼可见裂纹。

1.3 工艺参数

在现场条件下，选取5炉钢进行生产跟踪，并对轧制工艺参数和力学性能情况进行追踪和记录，详见表2、表3。

表2 轧制工艺参数

表3 试样力学性能

2 检验结果

2.1 板材低倍检验

将试样放入1∶1的盐酸水溶液中，在80℃热浸30 min，取出后用清水冲洗、吹干表面。如图1所示。

图1 试样酸洗后照片

从图1中可以看出，试样断口处的颈缩不是很明显，断口周围有开裂和分层现象。其中，中心分层(编号1#、4#、5#)较为常见，是钢板伸长率不合格普遍存在的缺陷形式，另一种是整个断面呈现出的分层(编号2#、3#)，其断口颜色大多为亮白色或浅灰色。从试样侧面中心线及附近可以看到明显的裂纹和疏松，只有距离钢板上下表面约1/4厚度范围内存在致密组织，这也反映出铸坯本身的疏松情况。试样在拉伸过程中要经历弹性变形、塑性变形和断裂三个过程，依照滑移理论解释断口分层原因:金属材料塑性变形主要以滑移方式进行，具有体心立方晶格结构的铁素体在滑移时沿着密度最大的晶面和晶向上进行，而珠光体是由铁素体片层和渗碳体片层组成，由于组织结构的不同，珠光体塑性变形时的滑移方式必然与铁素体不同。正是基于这种内部微观结构差异，导致铁素体与珠光体的塑性变形具有不同时性，宏观上便呈现出这种参差不齐的层状断口(编号2#、3#)，也就是说带状组织级别越高，各条带宽度越宽，这种分层越明显。同样道理可以解释钢板中心分层(编号1#、4#、5#):钢板心部聚集大量马氏体等硬组织相，与基体组织之间形成的显著差异，是钢板拉伸试验时产生中心分层的重要原因。

2.2 微观组织分析

依据GB/T13299－91《钢的显微组织评定》，GB/T6394－2002《金属平均晶粒度测定》，利用金相显微镜在放大100倍条件下，测定试样钢的带状组织及晶粒度情况见表4。编号1#～5#试样钢中心组织对应如图2所示。

表4 组织情况对比

图2 1#～5#试样钢中心金相组织

由图2中心组织图像可以看出，试样钢均存在中心偏析，心部有马氏体、贝氏体等硬相组织。图2(a)硬组织上伴有MnS塑性夹杂，存在魏氏组织。图2(b)中可以清晰地看到一条白亮色偏析带，且有轻微裂纹。经分析该偏析带主要由贝氏体组成。通常情况下，这种组织的产生主要由C、Mn元素的偏析造成。虽然钢板心部与其它位置相比冷却速率最为缓慢，但由于C、Mn元素的偏析，增加了钢板心部的淬透性，导致中心偏析带组织为贝氏体，而基体组织为铁素体+珠光体。图2(c)中铁素体晶粒大小不均匀，有混晶现象。中心硬组织上伴有长条状MnS塑性夹杂。MnS的存在一定程度上破坏了基体连续性，易形成裂纹源。MnS夹杂的产生，同样是由于钢在连铸过程中，S、Mn元素在心部偏聚形成的。图2(d)、(e)中带状组织非常明显，从表中可以看出带状级别较高。带状组织的形成首先从凝固过中程枝晶偏析开始，由于枝间部分和枝干部分各元素含量不同，两者之间的Ar3温度也就不同，导致先共析铁素体析出具有不同时性。在连铸坯加热过程中，由于碳的扩散速度快，奥氏体化时碳能优先达到相对均匀，但Mn、Si等元素是不容易均匀化的，并且在一定程度上仍保持着枝晶偏析引起的带状偏析.钢在轧制冷却时，伴随先共析铁素体的析出，碳将不断向Ar3温度低的条带扩散，并在其中富集，最后在达到共析温度时，转变为珠光体。因此，带状组织就是这些元素引起的各带内Ar3点温度不同导致的［1］。

钢板拉伸断口扫描电镜分析显示［2］，断口分层位置处具有较深、较宽的沟槽。沟槽附近厚度方向上存在微观裂纹或孔洞，距沟槽越远，孔洞或裂纹尺寸越小。沟槽两侧的组织主要为铁素体和渗碳体片层相间分布的珠光体、马氏体以及少量贝氏体。沟槽沿着珠光体、贝氏体以及马氏体等组织扩展，且经过珠光体时与内部的片层分布方向呈一定角度。这从微观上描述了裂纹的形成路径，也说明断口中心分层处组织与图2中心组织相吻合的事实。

3 原因分析

1)铸坯内部质量差，MnS夹杂含量高、中心偏析、中心疏松严重，是造成钢板伸长率低的首要因素。疏松是钢液凝固收缩产生的小空隙。偏析是由于凝固过程中的选择结晶导致凝固后铸坯成分的不均匀现象。钢水在凝固初期，温度梯度大，钢液冷却速度快，表面形成细小的等轴晶区;凝固末期，由于选分结晶作用，最后凝固的钢液，必然含有较多杂质，尤其是钢中的易偏析元素S、P都聚集在此。再者钢液温度降低，钢液变粘，加上杂质元素偏聚，使固液两相区的钢液变的更粘稠，补缩无法进行。另外，凝固过程中气体不是均匀分布在钢坯各个部位，而是偏聚在钢中的薄弱环节。如在偏析、疏松处聚集;凝固后期，钢中 O、S元素浓度明显升高，并与Si、Mn发生反应，生成 SiO2，MnO 及 MnS等夹杂物残留在钢坯中［3］，综合作用影响钢材力学性能。

2)钢坯加热与轧制环节控制不理想。有研究表明，当钢坯再加热不充分时，容易在心部形成合金元素偏析，这种偏析不仅能促进带状组织形成，也会使局部奥氏体稳定程度增加，导致相变时产生魏氏组织［4］。另一方面，当变形过程不能充分渗透时，钢板心部仍存在尺寸较大的未充分再结晶细化的奥氏体晶粒，最终形成魏氏组织。由于微观组织的不均匀和魏氏组织的存在，当有外加载荷作用时，容易产生应力集中，导致钢板塑性降低。

3)机加工试样形状不符合规定标准，导致拉伸试验机钳口夹持力方向与试样轴线偏离，产生旋转扭矩等，也对拉伸试验结果产生一定偏差。

4 改进措施探讨

钢板伸长率低主要原因有中心偏析、疏松、非金属夹杂等。结合生产特点，提出以下改进措施:

1)调整成分，适当降低Mn含量，按标准下线控制。针对Mn含量的降低，可通过优化控轧工艺，精确操作等手段来弥补其减少量对钢板性能的影响。提高钢水纯净度，减少外来杂质对钢水的影响。降低钢中S含量，加强铁水深脱硫，提高脱硫稳定率。

2)控制低过热度的浇铸，以减少柱状晶带宽度，采用电磁搅拌，凝固末端轻压下技术等，来减轻中心偏析。选择合适的拉坯速度，二冷区采取弱冷却制度和电磁搅拌技术，阻止柱状晶生长，以减少中心疏松，改善铸坯致密度。其中，凝固末端轻压下技术对减少中心偏析和疏松很有效，是一种很常见和成功的技术。不少文献报导了将轻压下技术与其它改善偏析的手段联合使用的情况。如轻压下与结晶器电磁搅拌，轻压下与二冷区电磁搅拌等［5］，多种手段综合应用的效果更好。

3)执行合理的加热制度，防止钢的原始晶粒过分长大。可以使钢坯在具有较细化的奥氏体晶粒的温度下进行轧制，进而使基体组织得到细化。该钢种含有微量元素Nb，选择合理的温度制度，可以控制Nb(C、N)元素的适量析出，即能增加强化作用，又能保证钢的韧、塑性。

4)优化轧制工艺，调整轧制节奏，合理控制终轧和终冷温度。通过再结晶区轧制获得细小、均匀的奥氏体晶粒，在未再结晶区合理安排压下规程，严格控制精轧开轧温度和终轧温度，避免两相区轧制。在轧机能力允许的范围内，最大限度地利用低温轧制来获得应变积累，增加奥氏体晶内缺陷(滑移带、位错等)，使晶粒细化。现场条件下，粗、精轧机之间辊道供待温长度短，轧制节奏快，二阶段待温时间不足，导致钢板终轧温度偏高，使奥氏体晶粒粗大，相变后得到不良组织。可以根据Q345R的生产条件适当降低轧制节奏，增加二阶段待温时间，控制合理的终轧温度和冷却速率，便于得到理想的相变组织。以提高钢板综合性能。经分析对于轧制h≥20 mm规格容器钢板，选择近3倍成品厚度的中间坯，二开控制在920±10℃温度范围内较为理想。轧制16 mm≤h＜20 mm规格时，考虑到设备条件、降温速率等因素，可适当提高二开温度， 但最高不要超过950℃。

5)对于带状组织级别较高的钢板，可采用轧后正火或退火+正火的热处理方法消除和减轻带状组织，以提高钢的韧、塑性。

6)加强设备点检，加强标准化管理。加大对钢板轧制，取、制样，检测等环节的监管力度，避免人为因素产生的影响。

5 改进效果

经电磁搅拌系统上线、轧制工艺优化等一系列措施实施后，连铸坯中心偏析、疏松程度显著降低，内部质量得到明显改善，Q345R容器钢板的伸长率较以前大幅提高。经数据统计:改进后容器板伸长率不合格比例呈现出明显的降低趋势(如图3所示)。由于伸长率指标的提升，一定程度上也带动了其它重要指标的提高。既保证了产品性能的稳定，又提高了劳动生产率，增加了经济效益。

图3 伸长率不合格比例

6 结语

对铸坯轧制过程及实物检测分析发现:影响Q345R伸长率的因素较多。其中，铸坯中心偏析、疏松、夹杂物含量高是导致容器板伸长率低的直接原因。在生产过程中发现的问题具有普遍性，探讨连铸、轧制等环节存在的问题与不足并加以分析和改进，为同系列产品的生产提供经验，对企业今后开发新产品、探索管理新模式具有重要意义。

［1］张爱民，陈晔，苗钊.16MnR容器钢板带状组织的研究.山东冶金，2002，24(6):38 －39.

［2］陈炳张，朱伏先.A36船板用钢拉伸试样断口分层的原因分析.轧钢，2010，27(5):5 －7.

［3］安守勇，赵展鹏，郭弘.60 kg级高强度钢板探伤不合的原因分析及改进措施.宽厚板，2009，15(1):5 －6.

［4］崔风平，孙玮，刘彦春，等.中厚板生产与质量控制.北京:冶金工业出版社，2008:445.

［5］阎朝红.凝固末端轻压下技术在连铸中的应用.宝钢技术，2001(5):51－55.

DISCUSSION ON LOW ELONGATION RATIO OF Q345R CONTAINER STEEL PLATE AND ITS IMPROVEMENT MEASURES

Wang WenBin Wang Zhiguo Zhang LeiCao WeiZeng QiangGuo
(Anyang lron and Steel Stock Co.，Ltd)

ABSTRAC Low elongation of low－alloyed container plate is checked through structure，composition examination and production supervision.Results show that the C，Mn，S central segregation，central looseness，large size MnS inclusions and centralized distribution etc internal quality defects are the main reasons.They can be improved by electro － magnetical stirring，soft reduction on solidification terminal and accurate rolling control process on the basis of actual production.

low－alloyed container plate elongation examination and analysis production process

:2011—10—19