低成本S500 MC热轧板卷的研制

供稿|王旭生，詹恒科，陈宇 / WANG Xu-sheng, ZHAN Heng-ke, CHEN Yu

随着国家资源的开发和科学研究水平的提高，钒、钛、铌等合金元素作为开发低合金钢的有效元素得到了广泛的应用。我国微合金元素储量丰富，氧化钒的储量达2500万t，居世界第3位；氧化钛的储量为6万亿t，占世界储量的45%；氧化铌储量为388万t。因此我国具有发展微合金化钢的巨大资源优势。随着冶金生产设备和工艺技术的更新与变革，微合金元素的使用已使低合金高强度钢领域的品种发生了深刻的变化，微合金元素的开发与应用充实了低合金钢的物理冶金内容和强韧化原理[1]。宝钢、鞍钢[2]等企业先后完成系列化钢种的研发和生产。

随着冶炼技术和控轧控冷技术的日趋成熟、钛微合金钢中含钛第二相析出理论的逐渐完善，以及当前钛铁的经济性，与铌铁、钒铁相比在价格上的优势，采用钛微合金化具有更低的成本。钛的作用主要体现在如下几个方面：Ti能与N、C结合，形成稳定的氮化物、碳化物，组织奥氏体晶粒长大，从而改善材料的焊接性能；Ti能变质钢中的硫化物，改善材料的纵横向性能的差异及冷成型性能；Ti含量较高时（Ti含量≥0.04%）[2]，结合合适的热加工工艺，能形成弥散细小的TiC，起到析出强化作用。

钛含量较高的钢种对化学成分和工艺参数非常敏感，同时钢种加入钛的控制难度较大，因此，含钛钢性能波动大[3]。目前突出钛强化的钢种多见于600 MPa以上的钢种，强度级别较低的钢种多以铌钛复合、突出铌强化。

原S500MC采用Mn-Nb 系、微钛，此成分体系对工艺波动适应性强，力学性能稳定，易于批量生产，但由于铌合金价格高造成成本偏高。采用Mn-Ti-Nb系设计S500MC，提高Ti含量≥0.04%，可大幅降低Mn和Nb含量，同时保障高强度，大幅降低生产成本。

S500MC力学性能要求

S500MC要求屈服强度≥500 MPa，抗拉强度550～700 MPa，延伸率根据厚度不同有优速差别，具体要求见表1。

表1 S500MC热轧钢带性能要求

S500MC工艺设计

S500MC采用低碳Mn-Ti-Nb系设计，主要成分见表2。与传统工艺相比，主要区别是提高Ti含量，降低Nb含量和Mn含量，突出Ti的强化作用；炼钢生产注重纯净钢冶炼，轧钢生产注意各点温度的稳定性控制。

表2 主要化学成分（质量分数） %

生产控制难点：Ti含量范围控制、减少TiN在钢水中析出形成较大尺寸夹杂物、轧钢工艺稳定性（包括通卷稳定性、不同卷的工艺重复性）、终轧温度和卷取温度波动范围小。

试验生产

首次试验生产

S500MC首次试验生产1炉，化学成分控制较为理想，主要成分C：0.08%、Mn：1.30%、Nb：0.030%、Ti：0.060%。精炼时添加Ti合金，精炼和中包检验Ti含量变化不大；炼钢工序未刻意控制铁水和钢水纯净度，N、O含量不高。

浇铸成厚度230 mm的铸坯，加热至1200 ℃[4]，保温20 min，避免奥氏体晶粒迅速长大的同时，尽量多的固溶Ti和Nb。经5道次粗轧轧制成45 mm的中间坯，1100 ℃进入精轧机组轧制，成品厚度10.0 mm，终轧温度870 ℃，层流冷却水强制冷却至600 ℃。

钢卷冷却后，在板宽1/4处用水焊枪切取大试样块，大试样块经剪切机切成力学性能毛坯样：纵向拉伸试样：板厚×35 mm×300 mm、横向冷弯试样：板厚×35 mm×260 mm，纵向冲击试样：板厚×15 mm×55 mm。毛坯样加工成标准试样后检验，检验结果如表3和表4所示。

表3 拉伸和冷弯试验结果

表4 系列冲击试验结果

在板宽中心部位取金相试样，研磨、抛光后用4%硝酸酒精溶液浸蚀，在光学显微镜下观看金相组织，如图1所示。金相检验未发现较大尺寸的夹杂物，硫化物夹杂1.0级，如图1所示。

图1 S500MC金相组织

首次试验分析

首次试验生产，炼钢工序未采取特殊控制，碳和钛含量控制稍高，其余成分命中较好，与Mn-Nb系S500MC相比未增加生产难度；轧钢工序生产较为平稳，成分变化未对模型产生影响，温度控制命中率95%以上。

根据首次试验的结果分析S500MC的微观组织为粒状贝氏体+铁素体+少量珠光体，力学性能满足。屈服强度和抗拉强度富余100 MPa以上，-40 ℃依然拥有良好的冲击韧性，总体强韧指标富裕较大。

S500MC首次试验生产的钢卷强韧指标满足标准要求，相比Mn-Nb系、微钛合金设计节省成本一百元以上；但实物质量达到了600 MPa的要求，性能超量设计。

图2 S500MC非金属夹杂物

工艺优化

根据首次试验的结果，结合化学成分的控制准确性和热轧机组的稳定生产能力，以及碳化钛析出强化的特点，对S500MC的工艺设计进行优化。

考虑到钛强化受工艺波动影响较大的因素，少量降低锰含量和铌含量，优化冷却模式及卷取温度；继续保持低硫低氮低氧控制，保持首次试验的层流冷却的冷却速度。

工艺优化后的性能

根据工艺优化生产的S500MC钢卷性能满足标准要求，如表5所示，拉伸性能和冲击功有一定富余量，对工艺波动的适用性较强。

工艺及成本讨论

生产控制的稳定是性能稳定的基础，同时试样的切取、加工和检验是反馈真实性能的前提，所有的环节稳定是Mn-Ti-Nb系S500MC性能稳定的保障。

Mn-Nb系、微钛S500MC的生产可操作性强，产品性能稳定，工业化生产难度相对较小；Mn-Ti-Nb系S500MC生产可操作性良好，炼钢工艺窗口相对较小，产品强韧性好，工业化生产难度相对较大，但未额外增加生产厂的负担。综合生产可操作性和产品性能，Mn-Ti-Nb系S500MC具备替代Mn-Nb系S500MC的条件，后续工艺优化应逐步完善。

表5 力学性能试验结果

随着Mn-Ti-Nb系S500MC生产量的不断增加，个别产品性能出现了较大的波动。由于有效Ti的生产使用经验不足，不排除个别产品性能波动较大的可能，性能波动可能对产品使用存在一定难度。

钛含量较高的S500MC的合金成本与常规工艺设计比，降低150元/t。虽然在生产中各工序加严控制增加了一定的生产成本，但总体能节省100元/t以上。从成本角度考虑，Mn-Ti-Nb系S500MC替代Mn-Nb系S500MC有较大空间。

结论

（1）Mn-Ti-Nb系设计可以获得高强度、高韧性、低成本的热轧钢卷。

（2）稳定的生产控制和精确的检验是钛含量较高S500MC性能稳定的基础。

（3）随着炼钢水平的迅速提高，成本优势将高钛引入企业的视线，随着理论研究和实践经验将逐步完善，产品由高强钢向较高强度扩大。

[1] 东涛, 孟繁茂, 王祖滨, 等. 神奇的Nb—铌在钢铁中的应用（迄今经验与未来发展）. 北京: 中信美国钢铁公司, 1999

[2] 林滋泉, 敖列哥, 郝森. 鞍钢钒、钛、铌微合金钢的应用与开发. 钢铁钒钛, 2001, 22(1): 1

[3] 杨才福, 张永权, 王宇杰. 钛含量对热轧带钢力学性能的影响. 钢铁, 1995, 30 (8): 48

[4] 杨颖, 侯华兴, 马玉璞, 等. 再加热温度对高Ti含Nb钢第二相粒子溶解及晶粒长大的影响. 钢铁研究学报, 2008, 20(7):38