Q345B鋼是一種中等強(qiáng)度高韌性碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有抗低溫、抗塑性和易焊接等綜合力學(xué)性能，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件、建筑材料等各類結(jié)構(gòu)件。
以往國內(nèi)生產(chǎn)Q345B普遍應(yīng)用的是C-Mn成分設(shè)計(jì)思路，這就需要在生產(chǎn)30mm~35mm Q345B熱軋板時(shí)通過調(diào)節(jié)鋼中錳含量來改變綜合性能。但當(dāng)錳含量提高至屈服強(qiáng)度滿足要求時(shí)，會出現(xiàn)延伸率不合格的現(xiàn)象；而降低錳含量至延伸率滿足要求時(shí)，會出現(xiàn)屈服強(qiáng)度不合格的現(xiàn)象，這就會導(dǎo)致板材合格率較低，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。針對以上問題，我國某鋼企研究人員進(jìn)行自主開發(fā)，通過對Q345B的成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，摒棄傳統(tǒng)C-Mn成分的設(shè)計(jì)路線，提出了全新的鈦微合金化Q345B設(shè)計(jì)思路，生產(chǎn)出的Q345B各項(xiàng)理化指標(biāo)完全符合要求，取得了良好效果，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
試驗(yàn)方案
鈦強(qiáng)化機(jī)理。鈦是強(qiáng)碳化物形成元素，和氮、氧、碳都有極強(qiáng)的親和力。另外，鈦和硫的親和力大于鐵和硫的親和力，因此在含鈦鋼中優(yōu)先生成硫化鈦，降低了生成硫化鐵的幾率，可以減少鋼的熱脆性。鈦與氮形成的碳化物結(jié)合力極強(qiáng)、極穩(wěn)定、不易分解，只有當(dāng)加熱溫度達(dá)1000℃以上時(shí)，才開始緩慢地溶入固溶體中。在未溶入前，TiN微粒有阻止鋼晶粒長大粗化的作用。鈦是極活潑的金屬元素，鈦還能與鐵和碳生成難溶的碳化物質(zhì)點(diǎn)，富集于鋼的晶界處，阻止鋼的晶粒粗化，鈦也能溶入γ和α相中，形成固溶體，使鋼得到強(qiáng)化。在奧氏體中析出的TiN粒子由于Ostwald熟化而長大，粒子粗化動力學(xué)可由Wagner等式來描述。
上述分析說明，鈦加入量過多，易形成粗大的Ti（C，N）夾雜物，可能對鋼的韌性不利。在保證性能要求的前提下，盡可能按下限控制鈦含量。這樣既能達(dá)到控制晶粒度，減少鋼中夾雜物，提高鋼材質(zhì)量的目的，又可以降低成本。
化學(xué)成分設(shè)計(jì)。錳可以改變鋼相變后的微觀組織，提高韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度；但錳含量過高會引起中心偏析和各向異性，對于連鑄機(jī)無電磁攪拌與輕壓下的情況，為減少錳的中心偏析和各向異性，錳含量應(yīng)該較原設(shè)計(jì)降低。碳是低碳鋼中傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素，鋼的強(qiáng)度隨碳含量的增加而提高，降錳后提高碳含量可以彌補(bǔ)因?yàn)樘己拷档投鴵p失的屈服強(qiáng)度。不同鈦含量對力學(xué)性能的影響如圖1所示。
鈦含量小于0.045%時(shí)，隨著鈦含量的增加，鐵素體晶粒細(xì)化；鈦含量超過0.045%后，細(xì)化晶粒的作用不明顯；鈦微合金化鋼的強(qiáng)化機(jī)理主要是細(xì)晶強(qiáng)化和TiC的沉淀強(qiáng)化。在綜合考慮產(chǎn)品性能和冶煉成本的基礎(chǔ)上，將Q345B鋼中的錳含量目標(biāo)值由原來的1.40%降低至0.95%，加入0.04%左右的鈦，提高0.01%的碳，其他元素含量保持原Q345B鋼的設(shè)計(jì)。Q345B鋼的冶煉成分設(shè)計(jì)見表1所示，力學(xué)性能要求見表2所示。
工藝設(shè)計(jì)。鈦微合金化Q345B鋼的生產(chǎn)流程為：鐵水罐→120噸轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→全程保護(hù)澆鑄→板坯精整→板坯加熱→控制軋制→成品。
冶煉采用120噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，冶煉周期為38分鐘~48分鐘之間，其中供氧時(shí)間為14分鐘~16分鐘，出鋼采用雙擋渣操作。全程底吹氬，終點(diǎn)壓槍操作，確保轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水[C][O]積在平衡值附近；出鋼前測溫、取樣分析鋼中化學(xué)成分，終點(diǎn)溫度為1620℃~1680℃。
精煉時(shí)間為30分鐘~35分鐘，鋼包出精煉位后軟吹氬時(shí)間5分鐘~8分鐘，連鑄中包鋼水過熱度在10℃～25℃的范圍內(nèi)。鈦鐵必須在鋼液用鋁充分脫氧后才能加入，因?yàn)殁伜脱跤兄軓?qiáng)的親和力，否則形成的氧化鈦將降低有效鈦的含量，減小隨后鈦的沉淀強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用。鈦的收得率大于63%~68%。
澆注采用立彎式連鑄機(jī)，大包開澆后，在中包10噸、14噸時(shí)測溫，正常澆鑄時(shí)鋼水的過熱度按25℃～35℃控制。保護(hù)澆注：控制好密封氬氣流量，加好中間包覆蓋劑并且每澆鑄五爐鋼中間包進(jìn)行排渣操作。
為避免鈦合金鋼產(chǎn)生熱裝裂紋，要求鑄坯下線堆冷4小時(shí)，檢驗(yàn)合格后供軋。
鈦微合金化有助于提升鋼種性能
顯微組織。研究人員觀察在光學(xué)顯微鏡下觀察到的同一厚度原成分與鈦微合金化的鋼板距離邊部1/4厚度處縱截面典型的顯微組織發(fā)現(xiàn)，組織均以鐵素體+珠光體組成，鈦微合金化晶粒度為9.5~10.5級，原成分的晶粒度為8.2~8.5級。使用鈦微合金化的鋼板晶粒度較小，證實(shí)鈦具有明顯的細(xì)化晶粒的作用，從而提高鋼的強(qiáng)度和韌性。
力學(xué)性能。按國標(biāo)GB2975-1982鋼材力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)取樣規(guī)定以及國標(biāo)GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法對鋼帶進(jìn)行了力學(xué)性能檢測，拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)全部規(guī)格取橫向試樣。鈦微合金化性能見表3。
通過試驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，采用鈦微合金化技術(shù)生產(chǎn)的Q345B鋼屈服強(qiáng)度在350MPa~423MPa，抗拉強(qiáng)度496MPa~557MPa，伸長率24.5%~29.5%。性能均勻穩(wěn)定完全滿足使用要求。鈦微合金化Q345B的組織均以鐵素體+珠光體組成，晶粒度為9.7~9.8級，晶粒均勻、細(xì)小；鈦具有一定的細(xì)化晶粒的作用。此外，進(jìn)行鈦合金化后，綜合性能合格率達(dá)到100%，同時(shí)，降低低合金高強(qiáng)度鋼板的生產(chǎn)成本17.57元/噸鋼。