钛微合金化工艺解决钢卷翘皮缺陷的研究与应用

秦治国，程丽娟

（1.河钢集团河钢股份有限公司，河北 石家庄 050023；2.河北卓学公司，河北 石家庄 050023）

Q550E 属于高强度结构板，主要应用于重要的（低温）高强度结构件、工程机械、矿山钢结构件等。高强度结构件、工程机械、矿山钢结构件用钢是以C—Mn 钢为基础加入Mo、Nb、V、Ti 等微合金元素的低合金高强度钢。开平过程中，残余应力在板形影响很大，为了减小或消除残余应力的影响，板卷在生产过程中多采用平整矫直和热处理工艺，其工序复杂。河钢承钢利用具有得天独厚的钒钛资源优势，在钢中添加Nb、V、Ti，进行固溶强化，通过控轧控冷处理生产出低成本性能优良的高强板卷。

1 首次生产成分设计及工艺路线

本次生产所遵循的工艺路线是，铁水预处理（脱硫）→150 t 转炉提钒（可选）→150 t 转炉冶炼→LF 精炼→保护浇注→1 780 生产线板坯加热→高压水除鳞→粗轧→热卷箱卷取（可选）→精轧→层冷→卷取→检验→包装→检斤→入库。

1.1 首次化学成分设计（如表1 所示）

表1 化学成分设计 %

1.2 冶炼生产过程及控制

冶炼入炼钢转炉前半钢w（S）≤0.040%，化渣时间≤4 min，出钢前要进行后搅90 s，确保取样准确。终点成份最佳控制：w（S）≤0.020%，w（P）≤0.010%，w（C）≤0.04%。出钢铌铁、钒铁等进行合金化，要求100%挡渣出钢，下渣量≤50 mm。出钢时间≥5 min。LF 炉精炼，造还原渣精炼，一次加热后形成白渣，白渣保持时间不低于12 min。钢液钙处理，要求m（Ca）/m（Als）≥0.10。弱吹氩过程严禁钢液面裸露，保证弱吹氩时间大于12 min。连铸执行全程吹氩保护，结晶器液面控制使用自动控制，连铸机最小拉速控制在1 m/min，拉速波动不大于±0.01 m/min。

本次生产成分控制见表2。

表2 生产成分控制 %

本次生产铸坯情况，肉眼观察铸坯表面振痕较深，且不规则并形成沟状，铸坯经轧制后，钢卷表面存在缺陷，为表面翘皮缺陷，并对生产铸坯取样做扒皮试验，铸坯表面存在明显的横裂纹，实物缺陷形貌如图1 和图2 所示。

图1 翘皮

图2 铸坯横裂纹

对缺陷卷板取样做金相试验，金相观察表明在卷板缺陷处存在较长的裂纹，裂纹中间夹杂氧化铁，如图3 和图4 所示。

图3 卷板裂纹

图4 夹杂

2 铸坯横裂纹形成的因素

经研究分析此次生产轧制后的卷板表面出现翘皮缺陷的现象，为板坯表面横裂纹所导致，影响铸坯横裂纹形成的因素如下：

1）w[C]为0.10%～0.15%的亚包晶钢，坯壳厚度不均匀性强，表面易产生凹陷，振痕深，易产生横裂纹；w[C]为0.15%～0.20%时，振痕浅了，铸坯横裂纹减少。

2）钢中第二相质点的析出，温度高于1 000 ℃时，铸坯具有良好的热塑性；低温时，铸坯具有明显的低塑性区，由于在发生γ→α 相变温度区，奥氏体晶界析出α 铁素体薄膜，由于α-Fe 强度仅为γ-Fe的1/4，使变形集中在晶界而产生裂纹。Al 作为常用的脱氧剂，由于AlN 在晶界的析出，增加了钢的脆性，对铸坯表面横裂纹的产生有不利影响，钢中加钛可使AlN 质点在晶界变得粗大，改善延性，减轻横裂纹。

3）Nb 含量分析：铌作为一种微合金主要目的是用来提高钢的屈服强度。但是，铌的加入也带来了连铸坯裂纹敏感性，尤其表面横裂纹，不含铌钢第Ⅲ脆性区为900～700 ℃，而铌的加入使钢的第Ⅲ脆性区向高温区移动，铌可以通过沉淀硬化又可以通过铁素体晶粒进一步细化来提高强度，形成细小的碳化物和氮化物，抑制奥氏体晶粒的长大。

3 改进并优化措施

针对首次试制Q550E 含铌钢特点及生产铸坯存在的裂纹缺陷，对成分进行优化降低了碳、铌、钒的含量，在原有成份的基础上，加入钛进行钛微合金化处理，从而解决在轧制后钢卷表面无翘皮缺陷的问题，关键调整点：

1）优化调整成分，严格控制钢水果热度在15～25 ℃保证铸机拉速稳定及工艺要点中最小拉速要求，提高铸坯矫直温度达到950 ℃以上。

2）减小二次冷却比水量，保证铸坯矫直区温度避开含铌钢的第Ⅲ脆性区温度。

3）控制氮含量（质量分数）在60×10-6以下。

4）w（Als）应在0.01%～0.025%之间。

优化后的生产成分见表3。

表3 优化后钢种的成分 %

此次生产所遵循的工艺路线与首次相同，不同是在LF 工序生产过程中，加入钛铁进行钛合金化。通过改进优化措施，本次生产铸坯表面无横裂纹等其它缺陷，轧制后钢卷表面质量良好，性能均满足标准要求。在线取样和缓冷72 h 后取样性能良好。从各项检验结果来看，与首次试制钢卷的性能结果相比（见表4），在成品表面质量、冷弯、拉伸、晶粒度和带状组织上均有了很大改善。

表4 钢卷的性能

4 结论

1）高强工程机械用钢Q550E，通过加入钛元素进行微合金复合强化，由铌、钒强化改为铌、钒、钛复合强化，在降低了碳含量同时，也避开了亚包晶钢表面易产生横裂纹的区域。

2）降铌含量，铌作为一种微合金主要目的是用来提高钢的屈服强度。但是，铌的加入也带来了连铸坯裂纹敏感性，尤其表面横裂纹，NbC NbN 的析出温度为950 ℃，正好落在奥氏体相低温区域，导致铸坯的高温延申性变差。

3）加钛，钢中加钛进行钛合金化处理，可以改善奥氏体低温区的塑性，能够减轻含铌钢的脆化，可使钢中AlN 质点在晶界变得粗大，改善延性，减轻横裂纹。用Ti 固定N 生成粗大的TiN 质点，从而改善钢种的裂纹敏感性，且使钢材具有良好的焊接性及其他的优质的特殊性能。