Q460C中厚钢板控轧控冷工艺开发

赵虎，宋维兆，朱豪，向华

（新疆八一钢铁股份有限公司轧钢厂）

1 前言

Q460C钢板主要用于制造煤矿液压支架、刮板输送机等工程机械。矿用机械的制造工艺和使用环境特殊，要求钢板有较高的强度、塑性和低温韧性，以及良好的焊接性能和低的缺口敏感性。随着TMCP技术日益成熟，“水是最廉价的合金元素”这一观点已被普遍接受，低合金高强钢的合金减量化的低成本生产成为现实[1]。Q460C钢板的生产工艺由最初的高碳高合金的调质或控制轧制，逐步向低碳微合金化的控轧控冷工艺方向发展。

八钢公司在120t转炉和4200/3500mm中厚板产线生产厚度16～30mmQ460C钢板时，最初采用控制轧制工艺生产，添加了较多的Nb、V、Ti等合金元素，依然存在强度余量不足。过高的碳含量在提高钢板强度的同时，容易引起延伸率、低温韧性、焊接性能等指标变差。为了提高Q460C钢板的综合性能，并降低生产成本，开展了控轧控冷工艺和组织性能的试验研究，通过工艺制度的优化，生产出了合格的Q460C钢板，并实现批量生产。

2 Q460C钢板的工艺开发

2.1 化学成分和性能要求

国标GB／T1591--2008所规定的力学性能如表1所示，化学成分如表2所示。

表1 Q460C钢板国标力学性能指标

表2 Q460C国标化学成分 wt，%

2.2 工艺设计的依据

相关研究及生产完成表明[2-4]，热轧态屈服强度390MPa钢板，利用ACC控冷工艺，组织为铁素体+珠光体时强度可升高30～50MPa，组织为贝氏体+铁素体或贝氏体时强度可提高100MPa以上，可以达到Q460C钢板性能要求，在不增加合金成分的基础上，可以实现钢种升级。采用C-Mn-Nb成分体系、两阶段控轧及轧后快速冷却工艺生产，钢板组织为表层细晶或贝氏体，化学成分、精轧累计压下量、终轧温度、冷却温度等参数是影响钢板组织性能的主要因素。结合八钢公司低合金结构钢板的生产经验[5-6]，在C-Mn-Nb成分系Q345基础上，通过成分调整和工艺优化，开发生产厚度16～30mmQ460C钢板。薄规格轧后空冷温降大于厚规格，为保证开冷温度，需要提高终轧温度，控轧效果减弱。16mm钢板的屈服强度下线比厚规格高20MPa，需要按厚度分档设计不同的化学成分和工艺参数。

2.3 Q460C产品的工艺设计

2.3.1 工艺流程

Q460C钢板采用120t转炉冶炼的厚度250mm板坯，在4200/3500mm中厚板生产线轧制。工艺路线：铁水预脱硫—120t转炉冶炼—LF精炼—RH精炼—板坯连铸—加热—高压水除鳞—4200mm粗轧机轧制—3500mm精轧机轧制—ACC冷却—矫直—剪切—取样—检验—入库。

2.3.2 化学成分设计

Q460C钢板采用C—Mn—Nb成分系，化学成分设计以获得铁素体/贝氏体为主线，综合考虑焊接性能，并适量添加有利于提高控轧控冷效果的合金元素。降低C含量并控制碳当量可改善钢板的塑性和焊接性能。增加Mn含量有促进钢贝氏体化的作用，可以降低Ar3温度，同时Mn通过多种机制有效地提高钢的强度。适量添加Nb—V—Ti复合微合金化，通过合理工艺控制可有效细化晶粒、增强析出强化作用，Nb还能抑制加热过程中晶粒长大和提高奥氏体再结晶温度。此外，炼钢过程中，采用洁净钢冶炼技术和钙处理，严格控制钢中的S、P、O含量及夹杂物形态，有助于提高冲击韧性。

厚度25～30mmQ460C化学成分见表3，碳当量0.36%～0.41%，抗裂纹敏感系数0.20%～0.26%。厚度16～20mm在该成分基础上，Nb、V含量有所增加，以强化控制控冷效果。

表3 25～30mmQ460C化学成分 wt，%

2.3.3 轧制工艺参数设计

根据表3的化学成分，控轧态钢板的屈服强度为380～410MPa，抗拉强度 510～570MPa。需要通过控轧控冷工艺将屈服强度提高100MPa以上，才能达到Q460C钢板的国标要求。采用二阶段控制轧制及轧后ACC快速冷却工艺生产。主要工艺参数：加热温度1200～1260℃，加热时间大于210分钟；粗轧结束温度大于980℃，中间坯厚度2.5～3.5倍成品厚度，道次压下率8%～15%；精轧阶段，16mm开轧温度940℃，其余厚度规格均在900℃以下，终轧温度小于830℃，道次压下率10%～15%；钢板终冷温度570～620℃，返红温度 600～660℃，冷却速度 5～13℃/s。

表4 Q460C钢板轧制工艺参数

表5 Q460C钢板性能检验结果

2.4 产品性能检测

2.4.1 轧制实绩与性能

控轧控冷参数统计见表4，力学性能结果见表5。冷弯和冲击全部合格。与轧态相比，屈服提高118MPa，抗拉提高65MPa，延伸降低7%，性能检验合格率96.3%。不同钢板的性能离散度较大，16mm屈服强度合格率偏低，25mm和30mm延伸合格率偏低。

2.4.2 金相组织

对钢板拉伸试样取金相试样，放大500倍观察厚度1/4和1/2处的显微组织见图1和图2，力学性能见表6。1#试样厚度1/4处组织为F+P+B，心部厚度1/2处组织以铁素体为主，在偏析带上有粒状贝氏体。2#试样厚度1/4和1/2处主要以贝氏体为主。

图1 1#试样金相照片

图2 2#试样金相照片

表6 取样钢板金相检验性能

3 分析与讨论

3.1 控轧控冷温度控制精度

根据生产结果，Q460C钢板最佳的屈服强度和延伸率为：屈服强度480～530MPa、延伸率18%～22%，理想的组织为表层和1/4厚度为贝氏体，心部为铁素体和珠光体。冷却强度偏低时，组织为铁素体和珠光体，钢板强度偏低；冷却强度偏高时，产生过多的贝氏体，延伸又会降低。根据公式（1）计算产生50%贝氏体需要冷却到605℃，545℃时钢板全厚度转变为贝氏体。因此，终冷温度应控制在580～610℃。

对比生产实绩发现，终轧温度、开冷温度和终冷温度的波动幅度达到40℃，这也是造成性能异板差较大主要原因。在轧制和冷却过程中，待温厚度、开轧温度、精轧道次数、ACC集管开启组数、水量水比、辊道速度等参数均存在波动，直接影响轧制和冷却过程的温度控制精度。

3.2 钢板初验和复验的性能差异

在钢板头部圆弧切除200～300mm取样，各钢板的取样部位相同。初验性能异常时需复验，复验与初验样均在同一块中样上制取，通常在初验后12小时完成复验。统计Q460C钢板的初复验屈服强度和延伸率差异，如图3和图4所示，复验的屈服强度降低、延伸率升高。初验屈服强度小于460MPa时，复验性能变化较小。随着屈服强度升高，复验后的屈服强度降幅和延伸率升幅均增加。初验屈服强度大于600MPa时，复验的屈服强度降幅可达40～50MPa，但16mm钢板的延伸率升幅减小。

图3 初复验的屈服差异

图4 初复验的延伸率差异

控冷钢板存在明显的时效。屈服强度460MPa时钢板全厚度组织均为F+P，屈服强度在500～550MPa时表层和1/4厚度存在贝氏体，屈服强度大于600MPa时全厚度均为贝氏体。钢板的贝氏体组织含量越高，时效越明显，而且厚钢板的时效大于薄钢板。

3.3 堆缓冷对性能的影响

万德成等人的研究认为[7]，对贝氏体钢进行250～350℃回火处理，可以获得良好的强度和塑韧性。钢板轧后快速下线堆缓冷，可以达到低温回火的效果。Q460C钢板经过ACC水冷，热矫直机矫直后，在滚盘式冷床上空冷降温。实测钢板空冷温降过程，从610～630℃降低到250℃，16mm钢板需20分钟，20mm钢板需30分钟，25mm钢板需40分钟，20、25和30mm钢板具备堆缓冷条件。20mm钢板180～230℃堆冷，25mm 和 30mm 钢板 247～280℃堆冷，12～24小时后剪切取样，性能检测结果如表7。与直接剪切的性能相比，屈服强度略有降低，延伸率上升，屈服和延伸性能匹配性增强，性能离散度减小，合格率提高。

表7 堆缓冷钢板的性能

4 生产工艺改进与优化

4.1 改进方案

表8 轧制工艺参数

Q460C钢板生产出现的性能异常及较大的波动，主要原因是为达到强度和塑性的合理匹配，组织必须是表层贝氏体和心部铁素体，工艺窗口较窄，控轧和控冷的温度精度难以控制在30℃以内，再加上化学成分及其它过程参数的波动，使组织性能的稳定性降低。根据钢板的初复验对比和堆缓冷测试，强度越高、延伸率越低的钢板，堆缓冷后存在明显的强度衰减和延伸率上升，且趋于收敛。因此，提高冷却强度，轧后200～300℃堆缓冷，有利于扩大工艺窗口，并减小性能离散度。改进后的轧制工艺参数见表8。

4.2 产品性能检测

工艺改进后，共生产检验560批次，各厚度规格的试轧钢板的性能统计见表9，性能趋于稳定，综判合格率99.3%，性能过程控制能力指数CPK值提高，见图5。

图5 钢板的过程能力指数

表9 堆缓冷钢板的性能合格率

5 结论

（1）采用C-Mn-Nb成分体系和控轧控冷工艺生产的16～30mmQ460C钢板，碳当量小于0.41%，改善了钢板的焊接性能和强韧性。与原热轧态Q460C钢板相比，碳降低0.026%，锰降低0.10%，Nb降低0.015%，钒降低0.014%。

（2）Q460C钢板为获得良好的屈服和延伸性能，钢板组织应为表层贝氏体，控轧控冷工艺的温度波动必须控制在30℃以内。较稳定的工艺参数为：开冷温度 740～770℃，终冷温度 580～610℃，通过固化坯型、待温厚度、待温温度等措施来提高上述参数的控制精度。

（3）实际生产中，化学成分、变形条件、温度控制等过程参数均存在波动，会造成同板和异板的组织性能差异。通过增加ACC冷却强度和轧后200～300℃堆缓冷，有利于扩大工艺窗口，并减小性能离散度。