低合金钢低成本无缺陷铸坯生产实践

黄传根,张立鑫,王 泉,范海宁,周亚辉,张 炯

(马钢股份公司 安徽马鞍山 243000 )

Q345B属低碳合金钢，是典型的常规板带产品，市场需求量较大，目前国内大多数Q345B钢种成分设计碳含量处在包晶区范围内(0.08～0.16%)，裂纹敏感性较强，Q345B钢种的铸坯存在不同程度的角部裂纹缺陷[1]、[2]。马钢生产的低碳合金钢Q345B成分C含量(0.16%)同样处于包晶区内，一直以来，为解决铸坯角裂缺陷需对铸坯进行火焰清角处理，导致金属损失较大；其次，由于清角的特殊要求，铸坯无法热装入炉，进一步增加了加热时间，降低了热利用率；同时，清角处理增加了板坯库存，严重影响了板坯库铸坯周转能力，增加了生产管理成本。由于板坯清理量大，限制了其他需要清理钢种的生产能力。因此，解决Q345B钢种铸坯角裂问题对生产顺行和降低成本均有重要的意义。

1 成分设计和工艺优化

1.1 成分设计

马钢Q345B采用C-Mn成分设计体系，属于包晶钢范围。为满足产品性能要求，在成分设计时提高了钢中Mn元素的含量，但Mn含量的提升，易引起MnS 偏析，导致带状组织加剧，进而增加成品冷弯开裂几率的质量问题[3]、[4]。针对上述问题，本研究对Q345B成分进行重新设计，为避开包晶区，降低铸坯裂纹敏感性，将钢中C含量降低至0.07%以下， Mn含量降低至0.6%以下，为弥补因C、Mn元素含量减少而导致固溶强化贡献的削弱，本研究采用价格相对低廉的微合金化元素Ti进行补偿。有关研究表明[5]：Ti作为单一微合金化元素加入钢中，其含量低于0.045%时，随着钛含量的提高，铁素体晶粒明显细化，但对强度影响不大；当钛含量大于0.045%时，对晶粒细化作用不大，但强度会明显提高，主要因为纳米尺寸TiC的沉淀强化效果。本研究设计Q345B成分时，引入有效Ti含量的概念，有效Ti=Ti(全)-3.42N-1.5S。通过提高Ti含量，利用TiC在铁素体区充分的细晶强化及沉淀强化作用的方式弥补C、Mn含量降低导致的强度降低[6]，经过多轮试验制定具体成分见表1。

表1 Q345B国标要求及原钢种和试验钢种成分 wt/%

2.2 冶炼工艺优化

马钢生产Q345B的工艺流程如下：

铁水预处理→转炉→合金微调站→LF炉→连铸→热轧

由于Ti元素的金属性强，易与N、S、O等元素优先结合形成复杂的含Ti化合物。根据含Ti化合物的固溶度和生成自由能，在钢中析出顺序为TiN→Ti4C2S2→TiC[7]。Ti元素首先跟钢中的N元素结合形成TiN，其次跟钢液中的S元素形成Ti4C2S2。由相分析结果，在钢中Ti和S的亲和力大于Mn和S，因此钢中Ti4C2S2化合物会随着钛含量的增加而逐渐增多，并取代钢中MnS夹杂，使钢中形貌为长条状的MnS夹杂演变成球状夹杂，改善钢的带状组织，提高钢的塑性及韧性。随着Ti含量继续增加，Ti和C将会结合形成TiC，在低温中析出并起到析出强化作用[8]。因此，控制钢水中N、S、O的含量对稳定控制有效钛含量起着至关重要的作用，其中控制N含量最为关键，制定如下措施：

(1)严格控制转炉下渣量；

(2)优化出钢过程渣料及合金加入顺序；

(3)LF埋弧升温、控制升温次数、微正压操作；

(4)适当控制造渣及合金化过程底吹强度；

(5)优化合金化及钙处理制度；

(6)连铸全程保护浇铸技术。

3 试验结果分析

3.1 铸坯角部酸洗和低倍试样对比

(1)铸坯角部质量

通过对试验钢铸坯角部取样，并同原钢种角部质量进行验证，检验结果见图1：

图1 角部酸洗样照片：(a)试验钢种；(b)原钢种

根据检验结果，试验成分生产的铸坯角部质量良好，未发现角裂，而原钢种则存在角裂现象，因此试验钢种生产铸坯满足不清理直接轧制的需求。

(2)铸坯低倍检验

试验钢铸坯与原钢种低倍试样检验结果见图2：

图2 铸坯低倍样照片：(a)试验钢种；(b)原钢种

试验钢种铸坯低倍样显示中心偏析和疏松情况明显优于原Q345B钢种铸坯。

3.2 成品力学性能

对轧后带钢进行取样并进行拉伸、弯曲和冲击等力学试验，检测结果见表2：

表2 试验前后力学性能比较

由表2可以看出，试验钢生产Q345B屈服强度360 Mpa-560 Mpa，平均430 Mpa，富余量较大，比原钢种平均提高49 Mpa；抗拉强度和延伸率跟原钢种接近，冲击性能也优于原钢种；对试验前后带钢进行取样做冷弯实验，试验钢冷弯性能明显优于原钢种，未发生折弯开裂现象。综上所述，试验钢生产Q345B钢种各项力学性能均能满足设计要求。

3.3 微观组织

图3为试验钢轧制后的金相组织图片，由图3可知，进行Ti微合金化的组织为铁素体+少量珠光体，晶粒度级别为11.0级，带状组织级别均为0，验证了通过采用Ti微合金化的析出强化和细晶强化作用，有效保证了带钢铁素体晶粒尺寸细小均匀。由于钢中Mn与S元素易结合生成的MnS夹杂，形成带状组织，降低钢的韧性。通过降低钢中Mn含量及合理设计Ti含量，带钢中MnS含量明显降低，对不同厚度带钢取样观察微观组织，钢中无明显的带状组织，极大的改善了带钢组织均匀性[8]。

图3 金相组织图片：(a)100X；(b)500X

3.4 效果分析

经过对冶炼过程的精细化控制，LF终点钛铁合金的收得率能够稳定控制在82%-85%范围内，钢水N含量的波动也较小，加上全工序对硫的控制，实现了有效Ti的稳定控制，成品各项性能均满足标准要求，且整体性能更加稳定，实现了不清角和热装轧制，吨钢降本约63元，同时加快了板坯库铸坯周转，释放了板坯库存，为生产的高效顺行提供了有力支撑。

4 结论

采用低碳、低锰、高钛成分替代原Q345B钢种组成分组织生产，解决了铸坯角裂问题，实现了无缺陷铸坯不清角轧制和热装生产；

新成分生产Q345B性能较原钢种性能更加稳定，各项力学性能均满足Q345B国标要求，冷弯性能均合格，无带状组织；

不清角轧制解决了板坯库周转问题，释放了板坯库存，为生产高效顺行提供了有力支撑，实现了吨钢降低成本约63元。