钢板Q390B板材屈服强度偏低的原因分析

CAUSE ANALYSIS OF LOW YIELD STRENGTH OF Q390B PLATE

摘要:针对河钢唐钢中厚板公司生产的 Q390B 屈服强度偏低的情况, 利用能谱分析仪、全相显微镜, 分别对试样的化学成分、断口形貌、显微组织及夹杂物进行了分析, 并与合格试样进行对比, 确定 Q390B中厚板屈服强度低的主要原因为钢组织中含有大量的混晶, 且硫化物夹杂较多。 通过采取增加 RH 真空精炼工序,连铸中间包加设挡渣坝、挡渣堰,轧钢过程采用粗轧高温大压下及降低终轧温度等措施, 保证了钢板内部组织均匀细小无异常,综合力学性能得到有效提高。关键词:Q390B;屈服强度;混晶;硫化物夹杂;终轧温度;夹杂物.

Abstract: In view of the low yield strength of Q390B produced by Tangsteel Medium and Heavy Plate Com-pany of HBIS Group, the chemical composition, fracture morphology, microstructure and inclusions of the samples were analyzed by energy spectrum analyzer and full - phase microscope. Compared with the quali-fied samples, the main reason for the low yield strength is that there are a lot of mixed crystals in the steel structure and more sulfide inclusions. By measures of increasing RH vacuum refining process, adding slag dam and slag barrier in tundish, adopting high temperature large reduction in rough rolling, and decreasing the final rolling temperature, the uniform and fine internal structure of steel plate is ensured, and the compre-hensive mechanical properties are effectively improved. Key Words: Q390B; yield strength; mixed grain; sulfide inclusion; finish rolling temperature; inclusion.

拉伸性能是金属材料重要的机械性能之一, 通过拉伸性能试验检测出的屈服强度、抗拉强度等性能指标,对把握金属材料的性能、应用和科学研究有着重要意义 [1] 。 其中, 屈服强度是钢的一项重要拉伸性能指标,主要用于衡量钢材抵抗变形的能力, 屈服强度越大, 钢材抵抗变形的能力 越强。 2018 年1 月 ,河钢唐钢中厚板厂 Q390B 板材出现屈服强度偏低的现象,导致其性能合格率仅 60% 。 针对此情况,从成分、工艺、显微组织等方面对此批 30 mm 厚Q390B 钢板进行了分析, 找到其屈服强度不合格的原因,并提出改进措施,降低损失。

1 化学成分

随机抽取部分屈服强度不合格的 Q390B 钢板,整理得到其力学性能如表1 所示。

由表1 可知, 抽检的 6 组试样板材屈服强度值均低于国标 GB /T 1591 - 2008 要求, 为不合格品。取 1#钢板制作金相样进行能谱分析, 检测其化学成分如表2 所示。

由表2 可知,试样的成分符合国标 GB/T1591-2008 要求。 利用 Micro - image Analysis & Process 金相图像分析系统,对试样进行微观组织观察。

2 显微组织

2. 1 断口形态

对屈服强度不合格试样的拉伸断口进行宏观观察发现,其主要特征为断口 较平齐, 缩颈不明显( 见图 1( a) ) ,属于脆性断裂,而合格试样断口有明显的缩颈,呈韧窝状,属于韧性断裂( 见图 1( b) ) 。

2. 2 夹杂物

分别从屈服强度合格及不合格拉伸试样的夹持部位制取金相试样, 利用 Micro - image Analysis &Process 金相图像分析系统对钢中非金属夹杂物进行评定。 结果发现, 屈服强度不合格试样中含有较多硫化物夹杂,级别为 2. 5( 见图 2) 。

2. 3 金相组织

采用 4% 硝酸酒精溶液侵蚀试样, 观察合格品与不合格品的金相组织,结果如图3 所示。

对比金相组织发现, 不合格试样中心部位存在较为严重的混晶现象,含针状铁素体,并伴有中心裂纹;而合格品的金相组织为正常的铁素体 + 珠光体。

3 原因分析

3. 1 混晶组织

Q390B 钢板的理想组织为细小均匀的铁素体+ 珠光体,但在实际生产中,由于微区成分偏析以及轧制工艺不当易造成混晶。 混晶是钢板中的缺陷组织,会使钢板的强度降低、塑性及韧性变差, 导致钢板性能出现偏差 [2] 。 混晶组织的产生原因主要有以下两方面:

(1) 微区成分偏析。 一方面, 由 于炼钢过程中氩气搅拌不均匀,以及连铸坯凝固过程中心偏析, 造成微区成分( 主要是合金元素) 不均匀。 另一方面,起晶粒细化作用的合金元素( 如 Nb) 发生偏析, 使各处晶粒长大的倾向不同, 碳化物形成元素富化区易残留未溶碳化物, 降低碳原子扩散速度而抑制晶粒长大,贫化区晶粒则不受抑制更容易长大, 进而出现混晶组织 [3] 。

(2) 轧制工艺不当。 Q390 钢中 Nb 元素含量为0. 018% ,一般认为轧制含 Nb 微合金钢时, 在其部分再结晶区轧制是形成混晶的最重要原因。 Nb 是阻止奥氏体再结晶的最有效元素之一, 在一定温度范围内可阻止铸造枝晶向等轴晶转化以及组织的均匀化过程,直接引起严重的混晶现象。 若在奥氏体再结晶温度范围内终轧, 则通过回复再结晶可得到均匀的奥氏体晶粒; 若在奥氏体未再结晶温度范围内终轧, 则奥氏体不发生再结晶, 晶粒被拉长, 晶内出现变形带;但若是在奥氏体未完全再结晶温度范围内终轧,则一部分奥氏体发生再结晶,一部分奥氏体未再结晶,从而产生的晶粒大小不均,出现混晶组织。 高温终轧后若再进行高强度冷却, 则在奥氏体晶界处首先析出针状先共析铁素体, 更加重了组织的不均匀性,从而影响钢板的综合力学性能 [4] 。

3. 2 夹杂物及中心裂纹

夹杂物在裂纹扩展方向上的长度与钢的断裂韧性紧密相关。 夹杂物越细小,轧制变形也越小, 对钢的韧性的危害也就越小, 反之则大; 夹杂物含量越高,间距越小, 钢的韧性与塑性越低; 夹杂物呈球状时,对钢韧性危害较小,呈尖角状时对钢的韧性危害较大;沿轧制方向拉长的夹杂物,使钢的横向韧性与塑性明显下降。 夹杂物破坏了基体的连续性, 因其与基体结构不同, 导致两者之间应力传递的方式不同,使夹杂物与基体交界处即为强度最弱区, 受外界拉伸时易产生裂纹,从而导致钢板力学性能较差。综上分析, 试样显微组织中存在的混晶是导致钢板屈服强度低的主要原因, 同时硫化物夹杂级别偏高,并含有中间裂纹,这对试样的屈服强度也有一定的影响。

4 改进措施

( 1 ) 优化炼钢工艺, 增加 RH 真空处理工序。RH 精炼炉具有超强的脱气、去杂质的能力, 在提高钢水纯净度方面优于其他精炼方式。 Q390B 炼钢工艺路线为转炉→LF→RH→连铸,并保证软吹时间10 min 以上。

(2) 中间包设置挡渣坝、挡渣堰, 减少中间包钢液夹杂物入结晶器,并促进夹杂物上浮分离。

(3) 控制好钢水过热度。 浇注温度低能提供大量的晶核,较早地阻止柱状晶生长而导致粗大等轴晶形成,因此在接近钢的液相线温度浇注是扩大等轴晶区的有效手段, 并可在一定程度上降低微区成分偏析。

(4) 优化轧制工艺, 采取粗轧高温大压下、降低终轧温度等措施, 尽可能避免在奥氏体部分再结晶区轧制是改善混晶问题最有效的方法。 针对 20 ~30 mm 厚规格 Q390B 钢种,河钢唐钢采用粗轧温度> 1 050 ℃的高温大压下制度,终轧温度也由原来的830 ~860 ℃降低为 800 ~ 830 ℃, 以避免在奥氏体部分再结晶区轧制。

5 实施效果

(1) 改进措施实施后, 随机抽取部分 Q390B 板材进行力学性能检验,结果如表 3 所示。 经检定, 所有板材力学性能均符合国标要求, 且夹杂物级别均在 A1. 0 以下,金相组织正常, 无混晶。 Q390B 力学性能合格率由优化前的 60% 提高至 90% 以上。

(2) 选取 20 组 30 mm 厚 Q390B 板材, 作屈服强度 - 终轧温度散点图并做线性拟合, 结果如图 4所示。 可知,随着终轧温度的降低,板材屈服强度呈上升趋势。 说明降低终轧温度是改善钢板性能的有效方法。

6 结论

通过对河钢唐钢 Q390B 屈服强度不合格的钢板进行取样分析, 认为试样显微组织中存在的混晶是导致其强度不合格的主要原因。 因此, 需在冶炼工艺、轧制温度上进行控制, 采取的主要措施为: 炼钢后的精炼增加 RH 真空处理工序; 连铸中间包加设挡渣坝、挡渣堰;轧钢过程采用粗轧高温大压下技术,并降低终轧温度等。 以上措施的实施可使钢板内部组织均匀细小无异常, 从而保证钢板的综合力学性能。

参考文献

[1] 徐伟伟. 金属材料拉伸性能试验方法研究[ J] . 科技创新与应用,2012,(24) :99 ~ 101.

[2] 刘天佑. 奥氏体混晶对钢的力学性能的影响[ J] . 本溪冶金高等专科学校学报,2003,(9) :1 ~ 5.

[3] 余燕,谢利群,高吉祥,等. CSP 工艺热轧钢板显微组织混晶问题分析[ J] . 冶金丛刊,2008,(8) :10 ~ 12.

[4] 刘云旭. 低碳合金钢中带状组织的成因、危害和消除[ J] . 金属热处理,2000,(12) :1 ~ 3.

[5] 刘清友,董瀚,孙新军, 等. CSP 工艺中含 Nb 钢的混晶问题及改善方法[ J] . 钢铁,2003,(8) :16 ~ 19.

作者:

王丽云,王运苗,秦 坤,王丽霞,候 蕾

( 河钢唐钢中厚板材有限公司,河北 唐山 063100)

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