低合金高强度结构钢板Q390E的研制；【摘要】采用Nb-Ti复合或V的微合金化两种不同；出Q390E级钢板；【关键词】Q390E成分微合金化TMCP显微组织；1.前言；Q390E是我国低合金高强度结构钢标准中强度和韧；2.工艺流程；铁水―转炉―LF炉―连铸―堆冷―板坯检验―加热―；3.化学成分设计；低合金高强度结构钢Q390系列分为A、B、C、D；碳是钢中对
低合金高强度结构钢板Q390E的研制 【摘
要】采用Nb-Ti复合或V的微合金化两种不同成分设计，用TMCP控轧控冷工艺在天钢中厚板厂3500mm轧机上成功轧制出Q390E级钢板。对轧制的Q390E钢板进行机械性能、低温系列冲击性能检测,同时对该钢的显微组织、夹杂物及晶粒度进行分析。结果表明：研制的Q390E中厚钢板，力学性能满足GB/T1591-94要求，且低温冲击韧性较好。 【关键词】Q390E
冲击韧性 1.前言 Q390E是我国低合金高强度结构钢标准中强度和韧性级别较高的一个钢种,且该钢种焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好。Q390E主要用于船舶，锅炉，压力容器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件 [1]。由于其具有较高的强度、良好的韧性及焊接性能,具有广阔的应用前景，因此为适应国内市场的需要,天钢研制开发了Q390E级钢,并做了全面的检验分析,以及低温系列冲击,无论在强度、韧性和低温冲击韧性等方面,均达到了令人满意的效果。 2.工艺流程 铁水―转炉―LF炉―连铸―堆冷―板坯检验―加热―高压水除磷―粗轧―精轧―ACC冷却―热矫―精整―钢板检验 3.化学成分设计 低合金高强度结构钢Q390系列分为A、B、C、D、E五个质量等级，它们的强度要求相同，但质量等级不同，Q390E质量等级最高。考虑到Q390E要求有较高的强度、良好的低温冲击韧性和焊接性能，故化学成分设计采用微合金化及低碳高锰，降低硫磷含量的成分控制。 碳是钢中对强度贡献最大的元素，降低碳含量可以提高塑性和焊接性能。锰在钢中部分与铁互溶，形成固溶体(铁素体或奥氏体)，部分和铁、碳化合形成渗碳体，能够强化铁素体和细化珠光体。同时，由于锰和硫具有较大的亲和力，能促使钢中的硫形成熔点比FeS高的MnS,避免FeS在晶界析出，降低热脆性，提高热加工性能。 对于Q390E钢来说P、S都是有害元素，所以要尽量降低磷、硫含量。P主要影响钢的塑性，S主要影响钢的冲击韧性和韧一脆转变温度，另外，钢中硫化物夹杂对钢材不同方向的性能也会产生重要影响。 在微合金的选用上，进行了两种不同的成分设计。设计一:加入Nb-Ti。高温下固溶在钢中的Nb与奥氏体中的位错相互作用，阻止奥氏体晶粒发生再结晶，提高奥氏体再结晶温度。Ti可形成高温下稳定的氮化物，由于形成TiN而消除了钢中的自由氮，对钢的韧性是有益的，同时间接地提高了铌的作用。成分设计二:加入V。主要是考虑V在γ／a转变过程中或转变后可大量析出，产生析出强化。 基于以上几方面考虑，低合金高强度结构钢Q390E试轧设计的成分见表1，其中Q390E-1采用加Nb-Ti，Q390E-2采用加V。 表1
Q390E的化学成分 化
分，% 牌号 标准 C≤ Q390E 国标 0.20 0.13~0.17 Si≤ 0.55 0.20~0.50 Mn 1.00~1.60 1.40~1.60 S≤ 0.025 0.010 P≤ 0.025 0.015 AlT≥ 0.015 0.02~0.05 Nb 0.015~0.060 0.025~0.045 V 0.02~0.20 － Ti 0.02~0.20 0.01~0.03 Q390E-1 内控 189
目标 0.14 0.13~0.17 0.14 0.30 0.20~0.50 0.30 1.50 1.40~1.60 1.50 0.005 0.010 0.005 0.015 0.015 0.015 0.025 0.02~0.05 0.025 0.030 － 0.03~0.06 0.05 0.02 内控 Q390E-2 目标 － － － － 4.冶炼工艺 4.1 转炉 为了保证钢水质量满足要求，要控制入炉铁水S≤0.030%，P≤0.080%，Si≤0.85%。出钢时终点控制C≥0.06%，S≤0.015%，P≤0.010%，出钢温度控制在℃。使用硅锰、钒铁、铌铁、钛铁脱氧合金化，使用硅铝钡终脱氧，挡渣出钢，有利钢水中夹杂物的去除。 4.2 LF炉 为了均匀成分、去除钢水中气体和夹杂等，对钢水吹氩处理。精炼渣料和还原剂分期分批加入，尽快形成白渣。白渣精炼时间≥10分钟。按内控要求控制成分，喂CaSi丝夹杂变性处理，保持软吹氩时间≥8分钟，钢水出站前定氧，出站温度控制在1570℃左右。 实际冶炼的4炉次化学成分见表2。 表2
Q390E的化学成分 化
分，% 牌号 Q390E-1 Q390E-1 Q390E-2 Q390E-2 炉号 C≤ 1 2 3 4 0.145 0.136 0.141 0.141 Si≤ 0.359 0.318 0.356 0.324 Mn 1.545 1.547 1.561 1.555 S≤ 0.003 0.004 0.004 0.003 P≤ 0.013 0.01 0.011 0.012 AlT≥ 0. 0.1 Nb 0.7 － － V － － 0.5 Ti 0.9 － － 由表2看出Q390E钢的化学成分在冶炼中控制得较好，主要元素C、Si、Mn 的含量各炉之间波动很小，基本达到平均值，磷、硫的含量也很低，尤其是硫含量控制在0.005 %以下，这为获得良好的机械性能奠定了基础。 4.3 连铸 奥钢联全弧形板坯连铸机，动态轻压下技术，连铸过程采用全程保护浇铸，使用铝碳套管，专用保护渣，保持钢水过热度15-30℃，拉速范围在0.9-1.1m/min之间。 铸坯取低倍试样分析，低倍显示铸坯内在质量较好，其缺陷级别为中心疏松为1.0级，B类偏析和角裂为0.5级，没有其它低倍缺陷。而且铸坯的表面质量也较好。
5.TMCP轧制工艺 Q390E钢板的轧制在天钢3500mm中厚板轧机上进行。试轧选用的连铸坯厚为250mm，成品钢板厚度分别为20mm、30mm、40mm，每种厚度规格的钢板轧12块。为了提高钢板的性能，采用TMCP控轧控冷工艺。轧制[2]采用两阶段控制轧制，分别为粗轧阶段的再结晶区轧制和待温后精轧阶段的未再结晶区轧制，且对两阶段单道次压下量及总压下量进行合理控制。要求粗轧单道次压下率≥12%，且最后2~3道次的单道次压下率要＞15%，粗轧总压下率＞60%；精轧的累计变形率不小于60%，最后3道次的累计压下率≥45%。轧后要求快速进入层流冷却，防止晶粒长大。 实际轧制过程中，试轧钢坯出炉温度在1200℃左右,粗轧开轧温度在1160℃左右,粗轧终轧温度在1090℃左右,粗轧后待温,然后进入精轧。实际控制轧制的工艺参数见表3所示。 190
Q390E TMCP工艺参数 牌号 Q390E Q390E Q390E 成品规格/mm 20 30 40 控轧开轧 温度℃ 930-950 900-920 870-890 终轧温度℃ 开冷温度℃ 850-880 840-870 830-860 810-850 800-840 800-840 终冷温度℃ 670-690 660-680 650-670 冷却水组数 4-6 7-9 11-13 轧制道次 粗轧-精轧 7--9 9--11 7-9 6.力学性能与金相组织 6.1 拉伸与冲击性能 表4为Q390E国家标准（GB/T1591-94）值，表5、表6为本次试轧的Q390E钢板拉伸和冲击力学性能。表中数据显示，成品厚度规格20mm、30mm、40mm Q390E钢板的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率和冷弯等性能均满足国家标准GB/T1591-94中Q390E性能要求，特别是低温冲击韧性值较高，且屈服强度等力学性能指标稳定，不随厚度增加而明显降低。 表4
Q390E力学性能国标要求 质 牌号 量 等 级 ≤16 >16~35 >35~50 >50~100 不 小 于 390 E 390 370 350 330 490~650 20 27 屈服点σs，MPa 抗拉强厚度（直径，边长），mm 度σb MPa 不 小 于 伸长率 δ5，% 冲击功，AkV，180°弯曲试验d=弯曲直径；J（纵）-40℃ a=试样厚度（直径） 钢材厚度（直径），mm ≤16 d=2a >16~100 d=3a % 表5
Q390E的拉伸性能 牌号 炉号 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 成品 规格/mm 20 20 20 20 30 30 30 30 40 40 40 40 坯号 2 3 3 3 22 22 23 23 33 32 33 34 晶粒 度/级 10 10 10 9.5 9 9.5 9.5 9.5 9 9.5 9.5 10 屈服强度/Mpa 纵 410 410 425 395 390 410 415 405 390 390 395 410 横 410 400 435 380 415 425 425 415 425 380 410 415 抗拉强度/MPa 纵 545 550 555 520 550 565 540 520 565 595 575 535 横 545 550 565 525 575 580 560 525 595 600 590 545 延伸率% 纵 横 屈强比 纵 横 Q390E-1 27.5 26.5 0.75
29.5 30 27 29 0.77
Q390E-2 Q390E-1 27.5
26 26 25 23.5 0.77
Q390E-2 Q390E-1 26.0
27.5 28 24 25.5 0.69
Q390E-2 表6
Q390E的冲击性能 牌号 Q390E-1 炉号 1 成品 规格/mm 20 坯号 2 0℃冲击功/J 纵 横 -20℃冲击功/J 纵 横 -40℃冲击功/J 纵 横 -60℃冲击功/J 纵 横 冷弯 纵 横 238.33
2 Q390E-2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 20 20 20 30 30 30 30 40 40 40 40 3 3 3 22 22 23 23 33 32 33 34 243.67
210.33 155.00
合格 226.67
合格 211.33
合格 Q390E-1 182.00
合格 205.33
合格 230.00
合格 208.33
合格 212.67
合格 188.33
145.00 214.00
215.33 173.00
167.67 118.33 合格 合格 合格 Q390E-2 Q390E-1 Q390E-2 6.2 显微组织 Q390E钢板显微组织基本上为铁素体和珠光体，晶粒度基本上在9-10级之间，钢中夹杂物为硫化物夹杂，级别为A细0.5-1.0级。从钢板不同部位的显微组织看出钢板边部比心部晶粒细小，比较不同的成分设计，看出含Nb-Ti合金比含V合金的钢板心部晶粒更加均匀细小，同时看出不同规格的钢板随厚度的增加，晶粒出现略微的粗化。
40mm 含V合金 边部
40mm 含V合金 心部
30mm 含Nb-Ti合金 边部
30mm 含Nb-Ti合金 心部
20mm 含Nb-Ti合金 心部
20mm 含V合金 心部 7.结果分析 对于两种不同合金的成分设计，试轧的Q390E级20mm、30mm、40mm钢板各项性能及显微组织均取得了较好的效果。分析钢板的轧制主要采用了两阶段控轧工艺,第一阶段是在高温奥氏体再结晶区轧制，是变形与再结晶同时进行的阶段，单道次变形量增大到足以发生完全再结晶，且总压下率在60%以上,通过多次变形再结晶，使粗大的原始奥氏体晶粒显著细化。第二阶段在低温奥氏体未再结晶区轧制，是形变能累积阶段，在这个阶段，奥氏体晶粒被拉长，同时产生滑移带。奥氏体晶界的增加和滑移带的出现，为铁素体形核提供了有利条件，进而得到细晶粒铁素体。 控制冷却是利用钢材轧后余热进行热处理的工艺，其实质就是控制奥氏体向铁素体和珠光体转变的相变过程。该过程通过冷却速度、辊道速度、终冷温度的合理控制，得到均匀细小的铁素体和珠光体组织，从而提高钢板的综合力学性能。 8.结论 8.1 天钢采用Nb-Ti或V微合金化及TMCP技术，成功开发了厚度20mm、30mm、40mm的Q390E级中厚钢板，两种成分设计轧制的钢板各项力学性能指标全部达到国标要求，特别是低温冲击韧性好。 8.2 合理的成分设计结合TMCP工艺，可以保证20mm、30mm、40mm规格 Q390E钢板各项性能指标均匀稳定，不随厚度规格的变化而产生性能波动。 8.3 各规格钢板边部比心部晶粒细小，各规格钢板随厚度的增加，晶粒出现略微的粗化。含Nb-Ti合金比含V合金钢板显微组织略好。 参考文献 [1] 薛祖德、陈进文、林冬华，低合金高强度结构钢的发展及应用[J]，造船技术，-20。 [2] 王有铭、李曼云、韦
光，钢材的控制轧制和控制冷却[M]，北京:冶金工业出版社，。 193
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低合金结构钢的类型和使用范围
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低合金结构钢也称为低合金高强度钢，按照国家标准《低合金高强度结构钢》，根据屈服强度划分，其共有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690等8个强度等级。 低合金结构钢是在普通钢中加入微量合金元素，但硫、磷杂质的含量保持普通钢的水平，而具有较好的综合力学性能。主要适用于锅炉汽包、压力容器、压力管道、桥梁、重轨和轻轨等制造。
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JIS标准牌号组成 牌号第一部分 前缀字母表示材质，符号S表示钢 牌号第二部分 苒文字母或罗马字表示用途和种类 牌号第三部分 数字表示最低抗拉强度或最低屈服强度，或钢类和钢材序号 后缀符号 后缀符号表示生产方法或热处理状态 根据我国标准GB/T13304《钢分类》，日本JIS标准中与我国低合金钢近似的部分有关牌号的表示方法如下表所示： 表2
我国与日标低合金钢近似牌号 我国分类 一般结构用轧制钢材 焊接结构用轧制钢材 焊接结构用耐大气腐蚀轧制钢材 高耐大气腐蚀轧制钢材 一般结构用轻型钢材 日本标准表示 SS SM SMA SPA-H（热轧） SPA-C（冷轧） SSC 我国分类 一般结构用碳素钢管 一般结构用矩形钢管 链条用圆钢 汽车用良好成型性能的冷轧高强度钢板和钢带 钢筋混凝土用棒材 日本标准表示 STK STKR SBC SPFC SR、SD 3.德国牌号命名方式 DIN是德国工业标准（Deutsche Industrie Norm）。关于DIN标准的牌号表示方法，有DIN 17006体系和DIN 17007体系两种。 根据DIN 17006对牌号表示方法的规定，它的牌号由三部分组成： ①表示钢的强度或化学成分的主体部分；②冠在主体前面表示冶炼或原始特性的缩写字母；③附在主体后面的代表保证范围的数字和处理状态的缩写字母。不过②、③两部分在非必须时可予省略。 DIN 17006低合金高强钢的牌号主体是由表示含碳量为万分之几的数字合金元素符号和表示合金元素含量值的数字组成，合金元素采用化学符号来表示，并按其含量的多少依次排列，当含量相同时则按字母次序排列。合金元素含量值的表示方法如下表所示： 表3
低合金钢合金元素含量值的表示方法 合金元素 Cr、Co、Mn、Ni、Si、W Al、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V C、N、P、S 指数（平均含量的百分数乘以） 4 10 100 DIN 17007体系数字代号（W―Nr.）是德国标准委员会提出的。这套用数字体系表示材料牌号的方法，是在20世纪40年代德国钢铁工业大发展时期建立起来的，以后经过多次修改。1959年后，联邦德国标准委员会把各部分金属材料的数字代号表示分别订为正式标准，后又根据1974年欧洲标准E20―74对钢的分类和命名作了合理修订。现在DIN 17007数字代号和DIN 17006字母―数字体系的牌号这两种表示方法，在钢铁和其他金属材料标准中间时并列，广泛应用。 数字代号（W―Nr.）系由7位数字组成，数字所表示的含义如下：
数字代号第1位数字中：0―生铁和铁合金；1―钢和铸钢；2―重金属（除钢铁外）；3―轻金属；4-8―非金属材料。 钢和铸钢的数字代号体系第一位数字为“1”，而第四位和第五位数字是任意确定的，并不代表钢种成分。第六位和第七位数字为附加数字，在标准中常常不使用，具体含义如下： 表4
第六、七位数字含义 第六位数字用来表示“钢的获得方法”（冶炼方法和浇注方法） 0 不定的或无意义的 1 沸腾碱性转炉钢（托马斯钢） 2 镇静碱性转炉钢（托马斯钢） 3 特殊冶炼方法沸腾钢，例如特殊精炼转炉钢 4 特殊冶炼方法镇静钢，例如特殊精炼转炉钢 5 沸腾平炉钢 6 镇静平炉钢 7 沸腾氧气吹炼钢 8 镇静氧气吹炼钢 9 电炉钢 第七位数字用来表示“处理状态” / / 1 正火 2 软化退火 3 热处理后具有良好的可切削性 4 韧性调质 5 调质 6 硬性调质 7 冷变形 8 弹簧硬化冷变形 9 根据特殊规定的处理 4.国内外低合金高强度结构钢牌号对照 表5
低合金高强度结构钢世界牌号对照表 国家 品名 中国 GB Q345A Q345B 牌号 Q345C Q345D 美国 AST Cr50 GrB.C.D.A A808M Cr50 Gr.50 Gr.A Gr.C，Gr.D A808M Gr50 日本 JIS SPFC590 SPFC590 SPFC590 SPFC590 德国 DIN DINEN E335 S355JR S335J0 S355JR 英国 BS BSEN S345GWH E335 S355JR S335J0 SE55JR 法国 NF NFEN E335 S355JR S335J0 S355JR 国际标准化组织 ISO 630 E355C HS355C E355CC HS355C E355DD E355CC Q345E Q390A Q390B Q390C Q390E Q420A Q420B Q460C Q460E GrC.D.GrA TYPe7 Type7 Gr.50
Gr60 GrE GrB Cr60 Gr.E Gr65(450)
SPFC590 STKT540 STKT540 SEV295 SEV345 SM570 SMA570W SMA570P S355NL S355ML
S420NL S420ML S460NL S460ML S355NL S355ML
S420NL S420ML S460NL S460ML S355NL S355ML
S420NL S420ML S460NL S460ML E355E E355DD E390CC E390DD HS390 E420CC HS420D S420C E420CC E460CC E460DD HS460D 五、低合金高强度钢用途 GB/T中部分低合金高强度结构钢主要性能及应用举例如表下所示： 表6
GB/T中部分低合金高强钢主要性能及应用举例 牌号 Q345 Q390 Q420 Q460 主要特性 综合力学性能好，焊接性、冷、热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性 强度高，特别是在正火或正火加回火状态有较高的综合力学性能 强度最高，在正火，正火加回火或淬火加回火状态有很高的综合力学性能，全部用铝补充脱氧，质量等级为C、D、E级，可保证钢的良好韧性 应用举例 船舶，锅炉，压力容器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件 大型船舶，桥梁，电站设备，中、高压锅炉，高压容器，机车车辆，起重机械，矿山机械及其他大型焊接结构件 备用钢种，用于各种大型工程结构及要求强度高，载荷大的轻型结构 1.我司低合金高强度钢产品 我司低合金高强度结构钢代表钢种Q345B、Q345E、Q345ES等，涉及Φ75mm-Φ800mm规格不等棒材、连铸圆坯、钢锭。 2.我司低合金高强度钢生产流程 炼钢工艺流程：废钢+铁水→电炉→钢包→LF炉→VD炉→①连铸→连铸坯
②模铸→钢锭 轧钢工艺流程：连铸坯、钢锭→加热炉→初轧→连续轧制→退火→精态→探伤→成品 3.我司主要产品规格及使用单位 表7
我司主要产品规格及使用单位
规格 主要使用单位 连铸圆坯 Φ380、Φ500、Φ600、Φ800mm （下一步开发Φ700、Φ900mm） 碾环厂、管厂、锻圆厂、电渣重熔厂 棒材 Φ75 ~Φ450mm 管厂、轴承厂、齿轮厂、能源产品加工厂、机械厂 钢锭 4.5~27吨 锻圆厂、锻件厂和碾环厂 4.我司低合金高强钢用途 我司低合金高强度结构钢主要用于锻制环形件、热轧无缝钢管、管道球形阀体以及车辆、包含总结汇报、外语学习、人文社科、行业论文、办公文档、IT计算机、文档下载、教程攻略以及低合金高强度结构钢简要等内容。本文共2页
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