美标结构钢A572Gr50成分优化及实施效果

裴庆涛，贾改风，王朔阳

（河钢邯钢一炼钢厂，河北 邯郸 056015）

引言

美标低合金高强度结构钢A572Gr50作为河钢邯钢CSP产线热轧产品主要牌号，多用于制造建筑工程用结构件，年产量较大，前期主要使用碳锰体系进行强化，生产成本较高，且较多锰合金也带入钢水一定的P、S、N等有害元素，通过成分调整，适当的降低锰合金加入量，可在降低生产成本的同时，起到改善钢水质量的作用。

1 工艺优化方案

前期CSP产线美标结构钢A572Gr50采用中碳、低锰成分体系，屈服强度≥345 MPa，抗拉强度≥470 MPa，主要以热轧钢卷状态交货，与常规热连轧产线工艺相近。CSP产线由于采用薄板坯连铸机，铸坯凝固速度和温度梯度远远大于常规的板坯，其铸坯组织和晶粒组织更为细小[1-3]，同工艺下由于细晶强化作用更为明显，拉伸强度高于传统板坯。本文结合CSP产线产品晶粒细的特点，提出通过加入少量微合金Nb元素进一步提升钢板细晶强化作用，达到替代部分锰合金元素的工艺调整方法。主要元素工艺调整方案见表1。

2 生产试制

首次实验由邯钢CSP产线完成2炉生产试制，其中：炼钢采用100 t转炉，出钢过程才有滑板出钢+挡渣锥操作方式，减少出钢下渣，钢水出钢1/4时加入生石灰等辅料进行造渣，出钢1/2是加入低碳锰铁、高碳锰铁、硅铁、铝块等合金料进行脱氧合金化，出钢温度控制在1 560~1 600℃；利用LF精炼炉对钢水进行精炼处理，主要利用生石灰进行造渣脱硫、去夹杂精炼、电极加热升温，同时加入低碳锰铁、铌铁等合金并进行合金元素微调；连铸过程采用CSP薄板坯立弯式连铸机，钢包下水口采用长水口+吹氩保护避免二次氧化，中间包采用浸入式水口将钢水导入结晶器，中间包钢水过热度控制20~40℃，结晶器采用中碳钢保护渣，中间包采用中碳覆盖剂进行钢水保温和吸附夹杂，连铸机采用立弯式连铸机，结晶器为漏斗型结晶器，结晶器出口厚度90 mm，扇形段采用凝固阶段重压下模式，成品铸坯厚度70 mm，铸坯拉速3.7~4.0 m/min；铸坯经摆剪切断后直接进入加热炉，铸坯入炉温度700~800℃，加热过程为辊底式加热炉，铸坯边行进边加热，炉内加热时间40~60 min，出炉温度控制在1 150℃左右；轧制过程采用1+6轧制模式，粗轧终轧温度1 050℃，精轧终轧温度870℃，轧制过程采用CVC窜辊技术控制板形；轧后采用前段常规层流冷却模式，冷速20~40℃/s，卷取为地下强力卷取机，保证产品板型和卷形良好，产品厚度规格3~11 mm，宽度规格1 000~1 550 mm。

首次试制性能合格后，按本工艺进行批量生产，当月共完成生产101卷共2 400 t，轧制厚度5~9.75 mm，轧制宽度1 250~1 500 mm，与原工艺相比，屈服强度和抗拉强度得到有效提升，工艺调整前后拉伸性能对比情况见表2和下页图1。

表2 工艺调整前后性能对比情况

通过上述对比可以看出，采用新工艺调整之后，产品平均屈服强度提高45 MPa，平均抗拉强度提高19 MPa，断后延伸率略有提升，但提升幅度不大。证明通过成分调整，邯钢CSP产线美标结构钢A572Gr50在实现成本降低20元/t的前提下，产品强度得到一定的提升。

3 原理分析

细晶强化是现代钢铁生产中较为典型的强化方式，其强化机制是利用晶界上原子排列不规则，杂质和缺陷较多，能够很好地阻碍位错通过的原理，通过增多晶界达到提高强度的目的[4]。细晶强化的关键在于晶界对唯一的阻滞效应，当位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒取向、杂质、缺陷等增大了晶界附近的滑移阻力，位错不易穿过晶界形成塞积，提高了材料的强度，晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，材料的强度就越大。由于材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力和对位错阻碍力的大小，因此细晶强化可以显著提高材料的屈服强度。著名的Hall-Petch公式的提出表明了晶粒大小对材料强度的影响[5]。

式中：σy为流变应力；σo为晶格摩擦力；d为晶粒直径；k为与材料相关的参数；指数n常取0.5。可以看出，随着晶粒直径的减少，材料流变应力提高，从理论上证明了材料细晶强化的作用。

连铸连轧产线相较常规热连轧产线，由于其采用薄板坯连铸工艺，具有铸坯厚度薄、连铸拉速快、铸坯原始晶粒小等特点，主要体现为成品晶粒细小，屈强比较高。因为其产品主要强化方式为细晶强化，特别是热轧低碳钢SPHC，在低碳低锰成分体系无明显合金强化的情况下，带钢屈服强度可达到270 MPa以上，明显高于常规热连轧产线SPHC的190~220 MPa屈服强度。

因此对于结构钢A572Gr50，为达到要求的345 MPa屈服强度，通常选择在连铸连轧产线细晶强化的基础上，通过加入适量C、Mn固溶强化元素，提高组织强度达到标准要求。本文则采用另外一种低成本强化方式，即加入微合金Nb元素得到更高程度细晶强化+C元素细晶强化（钢板晶粒度可由常规产线7~8级提升至8.5级以上，细晶强化作用提升18.8%），通过减少锰合金加入量降低制造成本。从结果来看，减少0.4%质量分数的锰元素加入量同时加入0.007%质量分数的铌元素，产品产品平均屈服强度提高45 MPa，平均抗拉强度提高19 MPa，断后延伸率提升1%，产品强度和韧性均有所提升。新工艺A572Gr50金相组织照片如图2所示。

4 结论

连铸连轧产线热轧结构钢产品A572Gr50加入微合金元素提升细晶强化作用替代部分锰合金固溶强化作用是可行的，可以在降低制造成本的同时，对产品强度和韧性均有所提升，达到满足用户和标准要求的质量水平。