歐標S355J0熱軋H型鋼研制開發

郭秀輝 方金林 谷鳳波 鄧存善

(萊蕪鋼鐵集團有限公司)

0 前言

近幾年中國香港地區的鋼結構設計、施工已廣泛應用歐洲標準S355系列熱軋H型鋼產品。隨著我國鋼結構產業的發展，國內開始大量承接歐洲和東南亞地區的鋼結構項目，這些項目大多采用歐洲標準認證的鋼材，加上一些歐洲公司在我國建設的海外工程項目要求使用歐標鋼材，使得歐標低合金結構鋼的使用越來越多，在一定程度上提高了國內對歐標H型鋼的需求［1］。通過生產實踐，萊鋼完成了歐標S355J0熱軋H型鋼的成分設計與工藝開發，實現了S355J0熱軋H型鋼的批量生產，從而滿足了國內外市場需要。

1 S355J0技術要求

1.1 化學成分

化學成分的具體要求見表1。

表1 化學成分要求wt.%

碳當量CEV(%)值的計算如下：

1.2 力學性能

力學性能要求應符合歐標EN10025-2：2004，具體見表2。

表2 力學性能要求

2 化學成分設計

對S355J0的成分設計應本著符合歐標EN10025-2：2004，滿足性能要求并降低生產成本的原則。S355J0低合金高強度結構鋼對強度和低溫(0℃)沖擊韌性有較高的要求。為保證H型鋼的沖擊韌性指標，設計微合金化工藝，在保證鋼材各項力學性能和焊接性能的前提下，充分發揮碳、硅、錳的強化作用。采用降C，Nb微合金化，降低P、S含量的技術路線來生產。

2.1 低碳、高錳

碳是鋼中對強度貢獻最大的元素，但為了保證鋼擁有良好的低溫韌性和焊接性能需要降低C含量。錳在鋼中部分與鐵互溶，形成固溶體(鐵素體或奧氏體)，部分和鐵、碳化合形成滲碳體，能夠強化鐵素體和細化珠光體。同時，由于錳和硫具有較大的親和力，能促使鋼中的硫形成熔點比FeS高的MnS，避免FeS在晶界析出，降低熱脆性，提高熱加工性能［2］。

2.2 Nb 微合金化

通過Nb微合金化來提高強度彌補鋼中降碳所損失的強度。Nb是強的碳氮化合物形成元素且不易氧化，在鋼中鈮與碳、氮形成碳化物、氮化物或碳氮化物產生細晶強化和沉淀強化作用，可以明顯提高鋼的強度并能提高鋼的沖擊韌性。由于H型鋼的低溫沖擊試樣從距翼緣端部1/3位置切取，而試制規格翼緣厚度較厚，為25 mm，精軋開始前，中間坯翼緣厚度92 mm，在精軋階段的累計壓下量只有72.83%，而軋制溫度偏高，為確保其低溫沖擊韌性，采用Nb微合金化工藝，再匹配以適宜的壓下規程，利用Nb的細晶強化作用來確保低溫沖擊性能滿足標準要求。

2.3 降低硫、磷含量

對于絕大多數鋼來說，S，P都是有害元素，［P］主要影響鋼的塑性，［S］主要影響鋼的沖擊韌性和韌-脆轉換溫度，另外，鋼中硫化物夾雜對鋼材不同方向的性能也會產生重要影響。

綜合以上分析，根據S355J0的特點，結合萊鋼實際情況，其化學成分設計見表3。

表3 S355J0設計化學成分wt.%

3 產品開發

3.1 工藝流程

主要生產工藝流程為：轉爐冶煉→LF精煉→異形坯連鑄→加熱→高壓水除鱗→BD開坯軋制→TM精軋→精整→入庫。

3.2 技術控制要點

根據標準要求制定各生產工序的控制要點，從冶煉、連鑄到軋制進行關鍵工藝參數的研究制定，并做到精細化操作。

3.2.1 轉爐冶煉

鋼水純凈度對H型鋼的韌性特別是低溫沖擊韌性有很大影響，是冶煉控制的關鍵。轉爐冶煉控制的重點是確保低的P、S含量，合理控制終點碳含量，防止鋼水氧化性過強。采用高拉碳一次補吹法控制終點C、P、S含量，同時控制好鋼水溫度，采用硅錳、高錳、鈮鐵進行合金化，采用硅鈣鋇脫氧，擋渣出鋼，有利于鋼水中夾雜物去除。

3.2.2 精煉脫氧與成分控制

全程底吹氬攪拌，根據爐渣的粘度、顏色及泡沫化程度，用硅鈣鋇、碳化硅、碳化鈣等調整爐渣，出站前頂渣應達到白渣或黃白渣。通過成分微調，確保終點成分準確控制。

3.2.3 連鑄

連鑄大包長水口澆注，加密封圈，敞開澆注。采用BB12-ZT保護渣。拉速控制在0.70 m/min～1.2 m/min。

3.2.4 軋制工藝

所用坯料為異形坯，斷面尺寸為BB1，產品截面尺寸見表4。

1)加熱制度。加熱溫度主要取決于微合金元素的溶解度和奧氏體晶粒粗化溫度。加熱過程要求較高的溫度和足夠的時間以溶解碳化物及均勻組織。一般坯料加熱溫度略高于按歐文公式計算的Nb(C，N)完全溶解溫度，該溫度取決于NbC的溶解積。Mn對Nb固溶的Wagner相互作用參數較大，而S355J0的Mn含量達到1.47%，因此必須考慮Mn對NbC在奧氏體固溶度公式的影響，綜上所述，Nb的碳化物的固溶度由以下公式表示［3］：

表4 截面尺寸 mm

將S355J0的化學成分C、Mn、Nb含量分別代入公式(2)，成分按設計化學成分中限計算，可以得到NbC的完全固溶溫度為1171℃。由此可知，當鋼中Nb含量為0.015% ～0.025%時，其均熱溫度控制在1150℃～1180℃即可滿足NbC的固溶析出要求。為了讓Nb的化合物溶解充分，亦考慮到晶粒的長大及實際軋制過程中的軋機負荷，將加熱時間定為3 h～3.5 h，并適當提高異形坯加熱制度，試驗加熱制度見表5。

表5 S355J0加熱制度

2)軋制制度。粗軋采用BD軋機軋制，經BD軋機往復軋制7個道次。精軋采用TM軋機軋制，采用5道次可逆軋制。由于H型鋼軋制變形復雜，軋機實際負荷有限，因此設定粗軋開軋溫度不低于1150℃，終軋溫度控制在1040℃以上。精軋開軋溫度不低于960℃，終軋溫度控制在830℃ ～850℃。根據成品規格選擇合適的壓下規程進行軋制。軋制在軋機負荷允許并保證成品尺寸合格的前提下，盡量加大3、4道次的壓下量，以充分發揮Nb的細晶強化作用。

4 試制結果及分析

根據標準要求及各生產工序的控制要點進行了S355J0熱軋H型鋼的生產試制。熔煉成分得到了較好控制，全部符合標準及設計要求，鑄坯表面質量良好，屈服強度平均在410 MPa以上，抗拉強度平均在520 MPa以上，斷后伸長率在22%以上，0℃縱向沖擊功在80J以上，均滿足標準要求。具體熔煉成分、力學性能檢驗結果見表6和表7。

表6 S355J0熔煉成分wt%

表7 S355J0力學性能

金相組織主要為鐵素體+珠光體，輕微帶狀組織，平均晶粒度為7.5～8級。沖擊試樣斷口呈韌窩狀，鋼材韌性較好。金相組織及掃描電鏡分析如圖1、圖2所示。

圖1 金相顯微組織100×

圖2 沖擊斷口SEM形貌

5 結語

實踐證明Nb微合金化工藝及合理的軋制制度保證了S355J0熱軋H型鋼的低溫沖擊及力學性能穩定性。

通過制訂合理的成分設計、冶煉、連鑄以及軋制工藝參數，成功試制歐標S355J0熱軋H型鋼，并實現了歐標S355J0熱軋H型鋼的批量化生產，產品質量完全符合標準要求。

［1］ 杜士青，洪永昌，孫希慶.歐標低合金結構鋼粗晶熱影響區組織和韌性的熱模擬研究［J］.熱處理，2010，25(2)：35-41.

［2］ C.F.Cooper，J.A.Kitchener.The foaming of molten silicates［J］.Journal of the iron and steel linstitute，1959，193：48-55.

［3］ 雍崎龍.鋼鐵材料中的第二相(第三章)［M］.北京：冶金工業出版社，2006：28-30.