俄标C345系列结构钢板的轧制与开发

李 艳，麻 衡，李文强

（山东钢铁股份有限公司 莱芜分公司，山东 济南271104）

1 前 言

俄罗斯阿穆尔共青城某一加氢炼化钢结构项目从莱钢采购GOST 27772—1988《建筑钢结构用钢材》标准中的C345系列产品，针对用户提出采用1988版本的标准要求，莱钢技术研发人员深入研究1988 版和2015 版标准区别，并采用Nb-Ti-Ni 系合金化设计，通过洁净钢冶炼、控轧控冷工艺，开发了低温冲击韧性和冷弯性良好的8～60 mm厚度规格C345系列（包括C345-1和C345-3）结构用钢板，并实现产品的批量化和规模化。

2 试验材料及方法

2.1 化学成分设计

C345-1、C345-3 结构钢板的力学性能及工艺性能见表1。为保证钢板的强韧性、时效性、冷弯性和焊接性，其化学成分设计采取低碳中锰方案及Nb-Ti-Ni 微合金化处理［1］，同时严格控制钢中P、S等有害元素含量，钢板的化学成分见表2。

表1 C345系列钢的力学和工艺性能要求

2.2 生产工艺控制

冶炼工况：严格按照C345 系列结构钢设计成分进行冶炼，有害元素的控制目标：w（P）≤0.020%，w（S）≤0.010%，w（N）≤60×10-6，w（H）≤2.0×10-6，w（T.O）≤12×10-6。铸坯中心偏析控制在1.5 级以下，中心疏松控制在0.5级以下。

轧制工艺：板坯加热至1 160～1 250 ℃，采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段轧制工艺［2］，在4 300 mm宽厚板生产线上进行热轧。粗轧开轧温度1 120～1 220 ℃，终轧温度大于1 050 ℃，精轧终轧温度小于860 ℃。热轧后以6～9 ℃/s 的速率进行层流冷却，冷却后进行矫直。

2.3 性能测试

各项性能检测均从钢板宽度的1/4处垂直于轧制方向切取试板进行试样加工，且均为双倍试样。

拉伸性能检测：厚度≤25 mm 的钢板采用扁平试样，厚度＞25 mm 的钢板采用圆柱型试样，在型号为WAW-600D的微机控制电液伺服万能试验机上进行横向拉伸试验，测量量程为0～600 kN。

冲击韧性检测：厚度≥10 mm的钢板，冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。厚度＜10 mm 的钢板，冲击试样尺寸为10 mm×5 mm×55 mm，冲击缺口为U型。-40 ℃温度下至少保持15 min后在型号为ZBC-2602的摆锤冲击试验机上进行横向冲击试验，测量量程为0～600 J。

时效冲击韧性检测：试样拉伸10%后，在250 ℃温度下保温1 h，并在空气中自然冷却，20 ℃温度下至少保持15 min后在ZBC-2602摆锤冲击试验机上进行横向U型缺口冲击试验。

冷弯性能检测：厚度≥25 mm的钢板，弯曲试样厚度可机加工减薄至≮25 mm，且保留一个原表面；厚度＜25 mm 的钢板，弯曲试样厚度为原厚度，宽度均为20～50 mm。在型号为SBW-3000的连续弯曲试验机进行180°横向弯曲试验，测量量程为0～180°。肉眼观察弯曲后试样表面是否有裂纹。

3 试验结果及分析

3.1 显微组织

热轧后，在12 mm 厚度C345-1 钢板上切取全厚度试样，应用砂纸逐级打磨和机械抛光后，采用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀，通过光学显微镜对试样不同厚度处的显微组织进行观察分析，如图1所示。C345-1钢板的基体组织为铁素体+珠光体，心部晶粒较为均匀细小，基本在8.0～8.5 级，带状组织在1.5～2.0 级。夹杂物以Ds 类为主，等级在1.0～1.5级，夹杂物总和均在3级以下，说明钢质纯净度较好，均达到预期组织形态。

图1 C345-1钢板的光学显微金相组织

利用sigma500 扫描电镜进行微观组织观察分析，如图2 所示。从图2 可以明显地看出，钢板表面、1/4 厚度位置和芯部的珠光体组织主要以片状形态存在于基体中，且钢板厚度方向组织均匀，这为具有较好的强韧性提供了有利保证。

图2 C345-1钢板厚度方向扫描电镜显微组织

3.2 力学性能

对8、10、20、40、60 mm 几种典型厚度规格的C345-1和C345-3钢板进行拉伸试验，结果表明：屈服强度≥400 MPa，抗拉强度≥500 MPa，断后伸长率≥25.0%，钢板力学性能良好，不仅具有较高强度，而且断后伸长率较好，各厚度规格钢板性能稳定、均匀。

3.3 冲击韧性

影响钢材冲击韧性的因素有材料的化学成分、热处理状态、冶炼方法、内在缺陷、加工工艺及环境温度［3］。对8、10、20、40、60 mm 几种典型厚度规格的C345-1 和C345-3 钢板进行冲击试验，结果表明：钢板-40 ℃U 型冲击韧性良好，冲击韧性单值和均值都在200 J/cm2以上，甚至有的达到300 J/cm2以上，完全满足用户在低温寒冷环境中的使用要求。将12 mm 厚度C345-1 钢板分别在0 ℃（V 型）、-20 ℃（V 型）、-40 ℃（V 型）、-60 ℃（V 型）、-20 ℃（U 型）、-40 ℃（U 型）进行冲击试验，试验结果见图3。可见，试样的冲击韧性值随温度的降低呈下降趋势，其韧脆转变温度约为-60 ℃。相同温度下，试样U 型冲击韧性值高于V型冲击韧性值。

图3 12 mm厚C345-1钢各温度下冲击韧性

3.4 时效冲击韧性

时效的目的是消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等［4］。采用人工时效方式：试样拉伸10%后，在250 ℃温度下保温1 h，并在空气中自然冷却。时效后在室温（20 ℃）下进行U 型冲击试验，结果表明：时效后的冲击韧性较好，时效单值和均值都在160 J/cm2以上，但与未时效的冲击韧性相比，冲击韧性值有一定的降低。

3.5 冷弯性能

钢材的冷弯性能指标用试件在常温下能承受的弯曲程度表示。弯曲程度则通过试件被弯曲的角度和弯心直径对试件的厚度的比值来区分。试件采用的弯曲角度越大，弯心直径对试件厚度的比值越小，表示对冷弯性能的要求越高。冷弯试验试件的弯曲处会产生不均匀塑性变形，能在一定程度上揭示钢材是否存在内部组织的不均匀、内应力、夹杂物、未熔合和微裂纹等缺陷［5］。因此，冷弯性能可反映钢材的冶炼质量和焊接质量。几种典型规格的C345-1 和C345-3 钢板冷弯性能结果全部合格，表明钢板的冶炼质量较好。

4 结 论

4.1 根据俄罗斯标准和用户对结构用钢的性能要求，在C-Mn钢的基础上应用Nb-Ti-Ni微合金化设计了C345-1、C345-3钢板的化学成分，形成了一整套采用控轧控冷生产较高强度、具有良好低温韧性、时效性、冷弯性的低合金结构钢的控制理论和工艺技术。

4.2 C345-1、C345-3 结构钢的组织主要为铁素体和片状珠光体。8～60 mm 厚钢板板形良好，冷弯性能合格，钢板具有较好的时效冲击性，组织和性能在厚度方向上分布均匀。

4.3 不同规格C345系列钢板的研制成功表明，利用较低的合金元素配合相应轧制工艺能够生产出性能优良的工程结构用钢板，实现了工业化批量生产，填补了莱钢俄罗斯标准GOST 27772产品的空白。