Q420GJD高建钢的开发与研究

刘奉家 ，向华 ，赵虎

（1.新疆八一钢铁股份有限公司 2.宝钢集团八钢公司制造管理部）

1 前言

随着国家“一带一路”经济圈战略推进，新疆及中亚邻国对中厚板的需求日益旺盛，尤其是超高层建筑、大型场馆、大功率风力发电机组等设施对厚钢板的强度等级由Q345提升到Q390、Q420。针对新疆乌鲁木齐宝能城超高层建筑项目的需求，八钢公司在4300mm/3500mm中厚板机组开发了Q420GJD建筑结构钢板，在冶炼过程中通过添加少量合金元素，使其在控轧过程中发挥细晶强化、析出强化和固溶强化效果，保证钢板综合性能，满足高层建筑的使用要求。随着建筑结构朝着大型化、减重化趋势发展，以及为了降低工程焊接量等因素，高强度建筑结构钢Q420GJ的各项优势将会体现的越来越明显，市场需求也会越来越旺盛。

2 化学成分设计

国标GB/T 19879-2015中对Q420GJD高建钢的力学性能要求见表1所示。

表1 Q420GJD的性能要求

对于低合金结构钢，钢的转变温度与强度的关系[1]见图1。因此，生产过程中通过控制轧制工艺以获得Q420GJD的基本组织-铁素体+珠光体，控制好轧后钢板冷却速度，避免出现贝氏体组织。

图1 转变温度与强度的关系

Q420GJD高建钢化学成分根据屈服强度测算公式[2]进行设计：

为满足Q420GJD高建钢的低温冲击韧性、抗层状撕裂性能以及探伤等要求，通过成分设计和控轧工艺相结合，通过多种强化方式组合来获得细小均匀的组织结构。Q420GJD设计以C、N化合物的析出强化和 Mn、Si的固溶强化为主，Nb、V、Ti的碳氮化物在析出强化的同时，对低温韧性有良好的贡献。

采用低温大压下使钢板在未再结晶区充分变形而获得。变形奥氏体中产生高的缺陷累积，大幅度提高了奥氏体中的位错密度，轧制过程中发生的回复和再结晶细化了原奥氏体晶粒。冷却过程中，Nb、V和Ti等微合金元素以(Nb,V,Ti)x(C,N)y等不同化学计量比的碳氮化物在晶界、亚晶界和位错处析出的第二相粒子，钉扎了晶粒中的位错和亚晶界，稳定了如位错墙等亚结构。促使相变时大量的新相晶粒在原奥氏体晶粒内形核。有利于相变后形成细小均匀的组织结构[3]。

Q420GJD板坯化学成分设计见表2。

表2 Q420GJD板坯熔炼成分 wt,%

3 工艺流程设计

根据八钢低合金结构钢板的生产经验，为保证钢板的低温冲击韧性、探伤性能等要求，关键过程控制包括：钢水纯净，P、S元素和气体含量要控制在一定的范围内，S＜0.005%、P＜0.012%，连铸坯中心疏松和中心偏析程度尽可能低，小于曼内斯曼标准3.0级，钢板组织晶粒均匀、尽可能晶粒细小，大于ASTM 9级。

全工序生产流程：铁水预处理→120吨转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→全程保护浇铸（电磁搅拌+轻压下）→板坯精整→板坯加热→控制轧制→精整→标识、检验入库。

3.1 炼钢过程关键控制点

3.1.1 氢元素控制

层状撕裂的主要原因在于夹杂物的分布和应力状态，当氢含量达到一定值时，就会聚集在夹杂物的间隙处，使该部启裂并扩展，从而使夹杂物与基体金属脱开，氢对层状撕裂起到了诱发作用。控制钢中氢含量的措施：严格控制原辅料和合金中的水分含量；控制好造渣埋弧和采用适当的氩气搅拌强度，避免钢液裸露造成吸氢，出站前的喂线工艺要求控制好喂线量和喂线的深度和部位；通过RH本处理，氢含量控制在（1.5～2.2）×10-6；连铸过程中做到全程保护浇注，使用专用的保护渣，防止吸氢和钢水的二次氧化；采用铸坯落地下线堆冷措施，氢会通过扩散而析出。

3.1.2 硫元素控制

MnS是钢中最常见的夹杂物之一，它对钢的塑性和韧性有显著的影响，极易引起钢板的层状撕裂。通过铁水脱硫预处理，从源头开始控制铁水硫含量小于0.026%；转炉出钢增加铝铁量加强钢水脱氧，出完钢，渣面采用铝渣球进行渣面扩散脱氧。在LF出站前喂入硅钙线进行钙处理，使已经生成的MnS夹杂转变为加工过程中不易变形的球状硫化物CaS。

3.1.3 板坯中心偏析控制

铸坯中心偏析对钢板的Z向性能影响非常明显。控制措施：降低钢中易偏析元素P、S的含量；连铸过程中采用低过热度浇注，过热度为8～25℃；采用凝固末端动态轻压下技术来补偿铸坯最后凝固的收缩，减轻或消除中心偏析。采用弱冷却制度，稳定拉速＜0.75m/min。

3.2 轧钢过程控制

3.2.1 控轧工艺

采用两阶段控轧工艺，在一阶段再结晶区轧制时，为控制变形奥氏体的再结晶数量,应尽可能达到完全再结晶，在高温区采取15%～20%的道次压下量，轧制温度控制在中下限，终轧温度尽可能接近Ar3，总压下率控制在40%～45%，单道次压下率和轧制速度尽可能高。相变后细小、均匀的晶粒组织是确保钢板低温韧性的关键。

开轧温度低于未再结晶温度，终轧温度高于Ar3+30℃，控轧工艺参数见表3。

表3 Q420GJD轧制工艺参数

4 工业性试制结果

4.1 铸坯质量

连铸坯断面尺寸220mm×1500mm，表面无缺陷，酸洗角样未发现裂纹。铸坯取硫印试样进行内部缺陷评级，连续抽检结果：中心偏析小于等于2.6级，中心疏松小于等于1级，其它缺陷未见，铸坯质量达到了预期目标。

4.2 板坯化学成分

板坯熔炼成分见表4。冶炼板坯的S含量均低于0.003%，达到了良好的控制水平。

表4 Q420GJD化学成分 wt，%

4.3 钢板力学性能分析

钢板拉伸试样采用全板厚，横向拉伸，纵向冲击，性能统计见表5。

表5 Q420GJD钢板力学性能

Q420GJD的屈服强度＞420MPa、抗拉强度＞530MPa，各项性能指标均符合国家标准要求。钢板延伸率＞25%钢板具有较高塑性，屈强比＜0.8抗震性能较好。-20℃低温冲击吸收功＞180J，具有良好的低温韧性。

对35mm钢板做Z向拉伸性能：断面收缩率分别为57.1%、53.2%、56.8%。具有良好的抗层状撕裂性能。钢板内部质量满足超声波Ⅰ级探伤检测。

4.4 钢板金相试验

（1）本次试制钢板厚度范围8～35mm，钢板组织均为铁素体+珠光体组织。在钢板宽度1/4处取金相试样抛光经硝酸酒精溶液腐蚀后，在金相显微镜下进行组织观察：图2是具有代表性的B641324000钢板的金相组织照片。

（2）对不同钢板的拉伸试样截取金相试样作夹杂物分析，4个规格的钢板夹杂物评级结果见表6。

图2 B641324000钢板不同厚度处的金相照片

表6 钢板夹杂物和组织

金相组织分析结果表明：钢板由表及里，带状组织逐渐加重，心部的带状组织中夹杂有少量粒状贝氏体；厚度越小，由于轧后冷速快，带状组织越明显，组织晶粒越细小。

5 结论

（1）炼钢采用恒拉速、低过热度、二段弱冷工艺，板坯中心偏析控制在3.0级以下，确保了钢板的低温韧性。对35mm钢板进行Z向拉伸试验，3个面缩率数值分别为 57.1%、53.2%、56.8%，达到Q420GJDZ35的性能要求。

（2）通过合理的成分设计、控制轧制工艺设计，获得了预期的组织结构和钢板力学性能，成功试制出Q420GJD高建钢，性能指标符合国家标准要求，为批量生产奠定了理论和实践基础。

（3）连铸坯的中心偏析及钢板轧后的冷却控制是导致钢板中心出现贝氏体组织的主要原因，它与带状组织共同作用会升高钢板的韧脆转变温度。

（4）八钢开发的Q420GJD高建钢，屈强比低，低温韧性稳定，符合高层建筑、大型场馆的设计、使用要求，同时也可应用于桥梁结构钢等领域，具有广泛的推广价值。本产品的成功开发，填补了新疆的产品空白，具有显著的经济效益和社会效益。