优化改善H型钢的横向冲击韧性的研究

江乾坤

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司型钢厂， 山东 济南 271104）

材料的强度、韧性等属性都离不开材料的化学成分以及制造工艺的影响。冶金行业在很长一段时间中都在对钢铁的设计、开发做出不断的努力，对于钢铁的各种微观性能也早就非常熟悉，并且已经从里面总结出了很多的改善材料韧性的方法。在这些方法中最为突出的便是微合金化以及控制轧制技术，这两种方法对钢铁材料的韧性提高效果最为明显，当然应用也最为广泛。在海洋石油开采的过程中，需要一个比较大的开采结构，而且对构造此结构的要求较高，需要选用刚度较大的材料。而且这个结构需要在海洋中长期使用，所以难免会受到海水、海风的影响以及海上冰块或者是一些其他漂浮物的撞击作用。另外如果海上发生地震的话，还会受到地震的影响。所以对于海上石油开采材料的选择要选用强度足够大的、韧性足够强的材料，而当前应用最多的就是H型钢。在海上石油开采材料选择H型钢后，为了提高H型钢的横向冲击韧性，采用了一系列的工艺，例如微合金成分分析、冶炼工艺优化、轧制控制等。通过这些工艺对H型钢的优化，使得H型钢能够满足海洋石油平台的需求。本文主要就是对石油在海洋上开采所采用的材料——H型钢的优化性进行研究。

1 对H型钢的技术要求以及生产现状分析

为了满足海洋开采的环境，对于H型钢的一些性能提出了非常苛刻的要求，例如低向恒温、高的横向韧性等，具体如下：要达到-20℃的低温横向，对H型钢中含有的硫、碳、氧等杂质含量做出要求；纵向冲击力大于34 J；具有良好的焊接性，即H型钢内的碳含量要低于0.4%[1]。

1.1 对于H型钢的成分要求

对于H型钢的具体成分要求见表1。

表1 化学成分要求 %

1.2 对于H型钢的机械性能要求

H型钢机械性能需要满足的要求见表2。

表2 机械性能要求

1.3 当前的生产现状

在目前海洋用H型钢一般为H300×300，这种对于-20℃横向冲击韧性有点问题，冲击功的数值较小，达不到要求。目前的实验数据表明，当前H型钢的横向冲击力仅仅能够达到20 J左右，距离要求的34 J还有很大的差距。

2 对出现此种现象的原因进行分析

2.1 通过实验进行检测

选择一个H型钢进行金相组织分析，即使用浓度为4%的硝酸酒精进行作用，可以发现其金相组织为铁素体和珠光体，晶粒比较细而且晶粒度也比较高，但是其带状组织比较严重。

2.2 对实验结果进行分析

由大量的实践以及理论分析可以知道，对晶粒进行细化是唯一能够对金属的强度以及韧性加以改善的方法。此种H型钢的晶粒度能够达到10级左右，按照理论分析应该具有很高的韧性，但是实验结果却表明其韧性不高。究其根本原因为，在H型钢中存在着严重的带状组织，对于H型钢的横向冲击韧性有着很大的影响。金属材料中的带状组织会对金属原有的性能产生影响，尤其是对于金属的横向韧性以及横向塑型的影响最为明显。如果金属的带状组织严重的话，会使得金属的横向韧性大幅度降低，从而引起加热时的形变量增加，使得金属的各向异性表现得更加明显。所以在改善海洋用的H型钢的横向韧性的时候，最重要的就是减小金属带状组织的严重程度。

3 H型钢中带状组织形成的原理

带状组织其实是在钢制作的过程中形成的一种枝晶偏析。这种现象是轧钢材料的一种缺憾，尤其会出现在热轧低碳钢中，主要是由铁素体晶粒与珠光体晶粒组成的一个平行的、成层状分布、形同条带的带状物，可在显微镜下观测到，所以被称为带状组织。带状组织被认为主要是由锰、硅等其他合金的元素偏析造成的影响，一般认为锰的偏析作用更强。在凝固的枝晶组织中，锰的含量分布并不均匀，一般是枝间含量最高，枝干含量最低。通过热轧这一过程，能够把凝固枝晶组织进行破碎、延伸以及拉长，但是由于锰没有完全被消除所以在最后会形成带状组织。而H型钢的轧制时间短、温度也不高，所以经常性地会形成带状组织。而带状组织的产生则会对H型钢的横向韧性等性质产生影响。

4 对带状组织的优化工艺

通过上面带状组织形成原理分析，可以发现，如果要对钢结构中的带状组织进行消除或减轻，就需要对钢材在进行热轧之前的杂质进行消除，例如枝晶偏析、硫化物的夹杂等。主要的优化工艺可以根据实际情况的不同进行选择，大概有以下几种[2]。

4.1 炼钢工艺

1）对于钢材料中的硫元素需要进行严格的控制，不得超过0.008%，并且对于钢材料中的硫化物进行处理。一般来说，在钢材料中硫化物最多出现的形式就是硫化锰，硫化锰会在凝固的时候以晶体的形状析出，在热轧的时候就会被轧成带状，使得钢材料的性能发生改变。如果利用钙来去除硫化锰的存在，那么处理后硫化锰不会形成带状，自然也就不会对钢材料的性能有影响。但是如果原始钢材料中的硫含量要大于0.008%的时候，千万不能够使用钙对它进行处理，因为含量过高的硫和钙反应不仅不能够消除带状组织，反而会产生有害物质。因为当钢材料中钙比硫的数量少的时候，不仅不能控制硫化物的形态，还会产生更多的夹杂物并且产生有害物质。所以在对钢材料中的硫化物进行处理的时候，首先要对钢材料中的硫的含量进行检测，根据不同的硫含量的范围来选择不同去除硫化物的方式。

2）进行低过热度浇注。通过低过热度的浇注方法能够有效改善偏析的现象，而且还能够提高细化晶率。根据大量的实验数据表明，钢材中形成的带状组织的大小和浇注的温度有一定的联系，如果浇注的温度越高那么带状组织的范围也越大。所以为了减少带状组织的范围，可以利用低温浇注的方式。低火热度浇注主要方式是把温度控制在20℃以下，和原过热度相比下调10℃左右。

3）控制二冷水区的冷却水的量。过大的二冷水区量会造成钢铁表面温度低，而横截面的温差比较大，有助于柱状晶体的生长，从而导致带状组织扩大。所以需要对二冷水区的冷却水的量进行一定的控制，来达到阻止带状组织扩大的目的。实验已经证实了这种方法具有可靠性。

4.2 加热制度

通过适当提高对钢材的加热温度或者适当延长加热时间的方式能够对带状组织中含有的杂质、残余矿物质的分散起到一定的作用。这种方法对于浇注过程中碳原子的分散有着一定的作用，但对于硅、锰等合金金属来说不起太大的作用。所以，不管是采用较高的温度还是采用较长的时间都无法完全消除掉带状组织，只能够减少。而且值得注意的是加热时间不能太长，因为如果加热时间太长的话，很容易造成氧化烧损增多等问题。根据大量的实验数据表明，把温度控制在1260℃到1280℃最为适宜。

4.3 轧制温度控制

对于轧制的温度进行控制，使奥氏体在没有结晶的时候就被拉长、压扁，能够有效地减小带状组织的产生。除此之外，还能够有效地达到细化晶粒、增大晶界面积的作用。通过实验以及理论的大量分析，认为把轧制温度控制在950℃以下，终态温度控制在830℃左右最合适。按照实验所得的最佳温度进行轧制，能够有效增强H型钢的横向韧性。