正火轧制S420NL低温韧性结构钢板的开发实践

朱庆华，潘中德

（南京钢铁股份有限公司板材事业部，江苏 南京210035）

1 前 言

S420NL 作为欧洲标准EN 10025—3《正火、正火轧制焊接细晶粒钢技术交货条件》中高强度低温韧性结构钢，有着良好的低温韧性及稳定的焊接性能，适用于焊后热处理、热成型等苛刻条件下使用，是严寒区域重大工程建设的首选结构材料。此类钢材一般采用正火热处理工艺进行生产，导致钢种合金成本高、工序成本高，供货周期长，严重制约了低温苛刻环境服役的高性能钢板的产品竞争力。因此，非常有必要开展正火轧制工艺研究，实现高品质钢材产品的短流程制造，降低生产成本［1-4］。通过优化成分设计和轧制工艺，提出新型的成分设计思想和开发基于微观组织控制的短流程生产工艺路线，对比分析了钢板正火热处理后工艺性能的变化，开展了焊接工艺试验评价，取得了良好效果。

2 钢板生产工艺

2.1 钢板技术要求

S420NL 成分及力学性能要求满足欧洲标准EN 10025—3，具体S420NL钢板的主要化学成分和力学性能要求分别见表1和表2。

表1 S420NL 钢板的化学成分（质量分数） %

表2 S420NL钢板的力学性能

考虑到严寒地区服役环境要求和钢板的可焊接性能，部分工程项目还提出了-50 ℃纵向冲击≥40 J、CEV≤0.45%等更为苛刻的特殊技术要求。

2.2 工艺设计

欧洲标准EN 10025—3《正火、正火轧制焊接细晶粒钢技术交货条件》中，正火轧制定义为“最终变形是在某一温度范围内进行，使材料获得与正火后的性能相当的轧制工艺”。根据生产经验，采用低碳设计、控轧控冷技术可以生产屈服强度420 MPa、-50 ℃低温韧性钢板，但钢板正火后屈服强度会明显下降，甚至低于标准性能要求，该控轧控冷工艺与正火轧制有较大区别，因此正火轧制工艺设计上一般不采用低碳成分、加速冷却等设计思路［5］。

为保证正火轧制工艺钢板的性能满足标准及用户的各项要求，特别是低温冲击要求，要求保证轧制压缩比在3.5倍以上，工艺设计采用260 mm大厚度连铸板坯，充分发挥5 000 mm宽厚板轧机技术装备优势，使得轧制变形渗透至钢板心部；轧后钢板在空气中进行冷却，保证正火后钢板强度仍然能够满足标准要求。

2.3 成分设计

S420NL 钢板不但要求高强度、较好低温冲击性能，还要求良好的可焊接性能，同时钢板正火后强度仍然满足标准要求，因此需要足够的C含量和CEV来保证钢板的强度。具体成分设计：中碳钢成分和合理CEV 提高轧制钢板强度、焊接性能；适当的Mn、Si 元素增加钢的强度；通过Nb、V、Ti 等微合金元素的细晶强化、析出强化作用来提高强度及韧性；加入一定含量的Ni 含量来提高钢板的低温韧性；冶炼时低P、低S控制进一步提高综合性能。具体成分设计见表3。

表3 S420NL 钢板的成分设计（质量分数） %

2.4 轧制工艺

铸坯再加热工艺，加热温度控制在1 180～1 220℃，加热时间选择为10～15 min/cm。轧制工艺采用再结晶、非再结晶两阶段轧制，再结晶阶段采用高温低速大压下轧制工艺，粗轧最后2道次的压下率≥20%，变形更容易向心部渗透，减轻偏析对钢板综合性能的影响；非再结晶阶段尽量避开混晶区轧制，其中 16 mm 开轧温度≤960 ℃，40 mm 开轧温度≤920 ℃，同时采取了适当降低待温坯厚度、提高轧制速度等措施，保证轧制终了温度880～860 ℃；轧后钢板在空气中冷却至室温。

3 钢板产品质量

为全面了解S420NL 钢板的质量水平，在试制钢板宽度1/4处取样，进行拉伸、冲击等力学性能的测试。

3.1 力学性能

对试制16 mm、40 mm 厚 S420NL 钢板，按标准进行相关力学性能检验，轧制工艺采用正火轧制。钢板厚度1/4处横向拉伸、-50 ℃纵向冲击性能等，检验结果见表4。

表4 S420NL钢板的力学性能

从表4可以看出，正火轧制工艺生产钢板的屈服强度富余量在50～70 MPa，抗拉强度富余量在80～90 MPa，断后伸长率富余量在2%～4%，-50 ℃低温冲击值在80 J 以上，满足-50 ℃低温冲击值≥40 J的用户特殊技术要求。

3.2 系列温度冲击试验

结合EN 10025—3 标准及用户特殊技术要求，在-60、-50、-40、-30、-20、-10、0 ℃等7个温度，对正火轧制工艺生产40 mm 厚度S420NL钢板进行系列温度冲击试验，其结果见图1。

图1 40 mm S420NL钢板系列低温冲击试验

从图1可以看出，正火轧制工艺生产的S420NL钢板，-40 ℃低温韧性较好；在-50 ℃冲击值有所下降，但冲击值仍高于100 J；-60 ℃冲击值迅速下降、出现冲击值低于100 J情形。

3.3 正火工艺性能

根据正火轧制定义要求，对正火轧制工艺生产钢板进行进一步正火热处理试验，验证正火热处理后的性能变化情况。试制钢板正火热处理温度880～920 ℃，16 mm 在炉时间 20～30 min，40 mm 在炉时间60～80 min，钢板出炉后在空气中冷却至室温，可采用风冷等进行适当加速冷却，提高钢板强度。钢板正火热处理后检验结果见表5。

表5 S420NL钢板正火后力学性能

从表5 可以看出，钢板正火热处理后屈服、抗拉强度均呈降低趋势，断后伸长率呈上升趋势，其中屈服强度富余量在15～30 MPa，抗拉强度富余量在50～70 MPa，断后伸长率富余量在6.5%～8%；低温韧性有所提高，-50 ℃低温冲击值在100 J以上。

4 钢板金相组织及焊接性能

通过光学显微镜在放大500倍情况下，对试制40 mm 厚S420NL 钢板进行了厚度1/4 处金相组织分析，观察钢板微观组织特点。图2a 为正火轧制工艺生产钢板金相组织形貌，图2b 为钢板正火热处理后金相组织形貌。

图2 40 mm S420NL钢板的金相组织

从图2 看出，正火轧制工艺生产S420NL 钢板金相组织主要为铁素体和少量珠光体组织，晶粒度8.0～9.5级，存在部分大晶粒尺寸现象；钢板经正火热处理后，组织更加均匀及细小，晶粒度9.0～10.5级，是-50 ℃低温韧性提升的关键所在［6］。

为制订合理的焊接工艺提供依据，试制40 mm S420NL 钢板取样进行埋弧焊（SAW）的工艺试验，埋弧焊丝为伊萨OK Autrod 13.27（Φ4.0 mm，PV628489013），焊剂为伊萨 OK Flux 10.62（PNS13508）。采取较大的热输入量为35 kJ/cm，焊接完成后进行探伤测试，并分别对焊接接头焊缝金属的拉伸性能、侧弯性能、焊接接头各部位-50 ℃夏比V型缺口冲击功进行了测定和分析［7-8］。

焊后试样探伤按NB/T47013.3标准Ⅰ级判定合格；焊接接头的拉伸试验、弯曲试验结果满足标准要求，其中焊缝拉伸试验抗拉强度为584、578 MPa，断裂部位在母材；试样在D=4a、180°弯曲条件后侧弯试验结果完好；焊接接头低温韧性优异，冲击试验结果表明，试制40 mm 厚度S420NL 钢板在埋弧焊焊接热输入量为35 kJ/cm情况下，焊接接头的综合力学性能优良。

5 结 论

5.1 南钢采用中碳、Nb+V+Ti 微合金化等成分设计，完成了正火轧制工艺生产16、40 mm 厚度S420NL 低温结构钢板的试制，钢板的屈服强度富余量在50～70 MPa，抗拉强度富余量在80～90 MPa，断后伸长率富余量在2%～4%，-50 ℃低温冲击值在80 J以上，钢板综合力学性能优异。同时试制钢板经正火热处理后，屈服强度、抗拉强度有所下降，低温冲击韧性有所提高，正火后仍能够满足EN 10025—3标准要求。

5.2 金相组织分析表明，正火轧制工艺生产S420NL钢板金相组织主要为铁素体和少量珠光体，晶粒度8.0～9.5级，存在部分大晶粒尺寸现象；钢板经正火热处理后，组织更加均匀及细小，晶粒度9.0～10.5级，是-50 ℃低温韧性改善的关键所在。

5.3 焊接试验表明，在埋弧焊焊接热输入量为35 kJ/cm情况下，试制40 mm 厚度的S420NL钢板焊后抗拉强度高于标准要求，焊缝各个位置的-50 ℃低温冲击韧性优异，焊接接头的综合力学性能优良。