成分节约型Q345的生产工艺研究

摘要

随着全球钢铁产能的过剩和资源危机的出现，钢铁行业正面临着前所未有的挑战，主要体现在合金成本升高和企业利润大幅下滑之间的矛盾，为此需要减少钢铁产品中微合金元素的添加量，以满足降低生产成本和节约合金资源的发展要求。
　　本文结合某钢厂中板厂与东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室联合研发项目“成分节约型低合金产品的生产工艺研究”课题，在对Q345钢奥氏体高温变形行为及连续冷却转变行为进行研究的基础上，采用基于超快速冷却的新一代控制轧制与控制冷却工艺，开发出成分节约型低合金Q345级别的钢板，实现在不添加Nb，V，Ti等合金元素的前提下，Mn含量降低0.3％～0.5％。论文主要工作及研究成果如下：
　　(1)对实验钢进行了不同参数的单道次压缩实验，研究了变形温度、变形量及应变速率对实验钢再结晶行为及组织演变的影响规律。结果表明，高变形温度和低应变速率有利于发生奥氏体动态再结晶，通过回归确定了变形抗力数学模型。
　　(2)在Gleeble3800热模拟实验机上对实验用Q345钢进行热模拟实验，研究了过冷奥氏体在连续冷却条件下的相变行为，通过组织观察和热膨胀法测定了连续冷却转变曲线，并分析了冷却速率等因素的影响。结果表明:随着冷却速率的增加，组织中铁素体的体积分数明显减少，组织由铁素体和珠光体两相组织逐渐过渡到铁素体、珠光体和贝氏体三相组织，最终转变为铁素体和贝氏体两相组织。
　　(3)在实验室Φ450轧机上进行热轧实验，通过对铸坯加热制度控制、轧制温度制度控制、变形制度控制和冷却制度控制的讨论，分别采用了不同终轧温度、不同终冷温度和不同冷却速度等不同的工艺制度组合，在超快速冷却并且结合冷却路径控制条件下，对比了各工艺条件对轧件的组织和性能影响，为现场Q345级钢板超快冷工艺的应用提供了参考。
　　(4)首先，对实验钢进行标准拉伸实验和标准冲击实验，得到不同工艺下的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率和断后收缩率以及0℃、-20℃、-40℃和-60℃的冲击吸收功，并对拉伸和冲击断口进行扫描，观察断口的微观形貌，分析断口夹杂物的成分组成。结合不同工艺制度条件下的金相组织和扫描组织，分别比较在不同终轧温度、终冷温度和冷却速度条件下的性能和组织的变化规律，得出如下结论:实验钢的终轧温度控制在800～820℃，终冷温度控制在590～610℃，冷却速度控制在8～10℃/s时，能得到较好的组织和性能要求。其次，对实验钢进行成分面扫电子探针分析和EBSD分析，可知，作为非碳化物形成元素的硅和弱碳化物形成元素的锰，几乎完全溶解于基体中，起到固溶强化的作用。各晶粒之间存在较大的取向差，并具有较高的大角晶界分布密度，显著提高了低温冲击韧性。最后，对实验钢组织进行透射分析，组织中的纳米渗碳体析出物可以起到析出强化的作用。
　　(5)采用基于超快速冷却的新一代控制轧制与控制冷却工艺进行工业化试验，开发出低成本、良好组织性能的Q345级中厚钢板，实现Mn元素含量降低0.3％～0.5％，吨钢成本减少30元～35元，产品的一次性能合格率提高到99％以上，钢板返矫率降低到15％以下，达到稳定生产的目的。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 材料的强化方式

1．2．1 位错强化

1．2．2 细晶强化

1．2．3 析出强化(第二相强化)

1．2．4 固溶强化

1．2．5 相变强化

1．3 钢的微合金化及减量化的意义

1．4 新一代TMCP工艺

1．4．1 工艺特点和优势

1．4．2 超快速冷却技术

1．5 C-Mn钢成分减量化设计的理论分析

1．5．1 C的间隙固溶和Mn的置换固溶

1．5．2 渗碳体的析出强化

1．5．3 合金的减量化设计

1．6 本文研究的背景及内容

1．6．1 研究背景

1．6．2 研究内容

第2章 低合金Q345的高温热变形行为研究

2．1 实验材料

2．2 实验方法

2．3 实验结果及分析

2．3．1 变形温度对变形抗力的影响

2．3．2 变形速率对变形抗力的影响

2．3．3 变形程度对变形抗力的影响

2．3．4 变形抗力数学模型的建立

2．4 本章小结

第3章 低成本Q345奥氏体连续冷却转变行为研究

3．1 实验材料

3．2 实验原理

3．3 实验工艺

3．4 实验结果分析

3．4．1 动态显微组织分析

3．4．2 连续冷却益线分析

3．5 本章小结

第4章 低合金Q345碳素钢实验室轧制研究

4．1 实验材料化学成分及实验设备

4．2 控制轧制和控制冷却工艺参数的控制原则

4．2．1 铸坯加热制度控制

4．2．2 轧制温度制度控制

4．2．3 变形制度控制

4．2．4 冷却制度控制

4．3 厚度为20mm的钢板的轧制工艺制定

4．4 实验室轧制结果

4．5 本章小结

第5章 实验室热轧钢板组织性能检测及分析

5．1 拉伸实验

5．1．1 标准拉伸实验方法

5．1．2 标准拉伸实验结果

5．1．3 拉伸试样断口扫描

5．1．4 拉伸试样断口夹杂物成分分析

5．2 冲击实验

5．2．1 标准冲击实验方法

5．2．2 标准冲击实验结果

5．2．3 冲击试样断口扫描

5．2．4 冲击试样断口夹杂物成分分析

5．3 实验室热轧Q345钢板显微组织对比分析

5．3．1 终轧温度对Q345钢显微组织与力学性能的影响

5．3．2 终冷温度对Q345钢显微组织与力学性能的影响

5．3．3 轧后冷却速度对Q345钢显微组织与力学性能的影响

5．4 EBSD分析

5．5 电子探针面扫分析

5．6 透射组织及分析

5．6．1 珠光体、位错和纳米渗碳体的透射组织形貌

5．6．2 纳米渗碳体的强化方式分析

5．6．3 实验钢中夹杂物的透射形貌与成分分析

5．6．4 实验钢组织中纳米级渗碳体的衍射花样分析

5．7 本章小结

第6章 Q345的工业化生产

6．1 Q345的减量化成分设计

6．2 Q345的工业试制工艺

6．3 力学性能检测

6．4 组织形貌分析

6．4．1 金相组织

6．4．2 扫描组织

6．4．3 透射组织

6．4．4 元素分布

6．5 Q345的批量化生产

6．6 近八个月的一次板形瓢曲率统计

6．7 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢