一种低锰微合金Q355结构钢及其制备工艺的制作方法

本发明涉及一种低锰微合金q355结构钢及其制备工艺，属于钢材加工技术领域。

背景技术：

低合金高强钢q355系列钢板强韧性、加工性及焊接性能良好，主要应用在工程机械、风电、造船和钢结构等领域。尽管近几年来已经对该钢种进行了合金减量降本，但由于近年来的市场的激烈竞争，导致该钢板价格一降再降，导致该产品亏损越来越严重。另一方面，为了降低成本，占绝大部分的40mm以下规格q355已经将钢中的nb、v、ti等合金全部去掉，常规合金降本工作触底，成本无法再继续降低。同时减合金后由于钢失去了微合金化作用，目前合金减量后的钢板表面和中心组织差异大，时常出现用户进厂复检强度及冲击不合质量异议。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新的低锰微合金q355结构钢及其制备工艺，来解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低锰微合金q355结构钢，化学元素组分百分含量为，c0.14~0.20%、si0.15~0.50%、mn0.75~1.0%、p≤0.020%、s≤0.020%、als0.015～0.035%、ti0.040~0.050%、n≤0.005%、o≤0.003%，其余为fe和不可避免杂质。

本发明技术方案的进一步改进在于：低锰微合金q355结构钢化学元素组分百分含量为，c0.16%、si0.40%、mn0.85%、p≤0.020%、s≤0.020%、als0.030%、ti0.045%、n≤0.005%、o≤0.003%，其余为fe和不可避免杂质。

本发明技术方案的进一步改进在于：厚规格钢材在薄规格钢材的基础上添加b，添加量为0.0015～0.0025%。

一种低锰微合金q355结构钢的制备工艺，包括以下工艺步骤，包括炼钢工序和轧钢工序；其中炼钢工序的工艺为，kr铁水预处理→转炉冶炼→脱氧合金化→cas→精炼→lf炉精炼→连铸制钢坯；其中轧钢工序的工艺为，铸坯红送→加热→轧制→冷却→矫直→自然冷却。

本发明技术方案的进一步改进在于：炼钢工序中的cas过程早化渣，转炉底吹全程吹氩，不吹氮气；

在精炼过程中控制过程温度为1540-1580℃及出站温度为1550-1565℃，用铝充分脱氧后加入钛铁，最后加硼；

钢包出精炼位后的lf炉精炼的操作为，进行钙处理同时保证软吹氩时间大于20min；连铸机制钢坯时连铸控制过热度10～20℃，并且全程氩气保护浇铸。

本发明技术方案的进一步改进在于：轧钢工序中的加热步骤，装炉温度不低于650℃，加热温度1200～1250℃，加热时间7～11min/cm，钢坯出炉温度1050～1150℃。

本发明技术方案的进一步改进在于：轧钢工序的轧钢阶段包括粗轧和精轧。

本发明技术方案的进一步改进在于：粗轧阶段开轧温度采用高温低速大压下工艺，压下量为25～32mm；精轧阶段终轧温度820～830℃。

本发明技术方案的进一步改进在于：精轧完成后控制冷却，终冷温度在640～660℃，冷速4～6℃/s。

本发明技术方案的进一步改进在于：矫直过程中的矫直力为400～500吨。

本发明技术方案的进一步改进在于：钢板厚度在30mm以下时，终矫温度低于550℃。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

本发明对钢板的化学元素成分进行了设计，在制作工艺方面对炼钢的工艺参数、轧钢的工艺参数、水冷方式及参数进行了合理的优化设计，在大幅降低合金成本的同时，改善了q355系列组织，提高了q355结构钢的强度和性能。

附图说明

图1是本发明的实施例中的金相组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明公开了一低锰微合金q355结构钢以及该结构钢的制备工艺。本发明主要是设计了该结构钢的化学元素组分，并且设计合理的炼钢和轧钢的工艺参数，来得到具有良好性能的q355结构钢。

一种低锰微合金q355结构钢，化学元素组分百分含量为，c0.14~0.20%、si0.15~0.50%、mn0.75~1.0%、p≤0.020%、s≤0.020%、als0.015～0.035%、ti0.040~0.050%、n≤0.005%、o≤0.003%，其余为fe和不可避免杂质。在上述化学元素组分百分含量的范围内，最优的化学元素组分的百分含量为，c0.16%、si0.40%、mn0.85%、p≤0.020%、s≤0.020%、als0.030%、ti0.045%、n≤0.007%、o≤0.003%，其余为fe和不可避免杂质。

厚规格钢材在薄规格钢材的基础上添加b，添加量为0.0015～0.0025%，b的最佳含量为0.0020%。厚规格钢材和薄规格钢材，按该领域的规定进行判定。

本发明设计化学元素组分的思路如下：

锰含量降低，增加钛，实现合金降成本，通过对调整后的成分优化工艺来提高其性能。c高些可以增加tic的含量，同时由于ti对n的固定，奥氏体中的n相对少些，也会增大c在奥氏体中的溶解度，由于tin/tic的作用奥氏体晶粒相对细小，故冷却时c扩散也不会形成尺寸较大的珠光体，对钢板的冲击及延伸影响不大，故c选择国标允许的上限。

si不超0.5%对钢板的冲击影响不大，但可提高强度，更重要的是si可以减少由于轧后冷却不均匀引起的变形，从而弥补3500线acc冷却不均与的问题。

锰对含钛微合金钢性能的影响主要体现在对奥氏体形变诱导tic析出的抑制作用，从而使更多细小的tic在随后的轧制及冷却过程中析出，沉淀强化效果更好。随着钢中锰质量分数的增高，tic的析出动力学曲线向右移动，析出过程被延缓。含锰钢中tic在奥氏体中的平衡固溶度积锰可以降低γ→α相变点温度，能提高转变后铁素体中碳质量分数，使更多的tic在铁素体中析出，该析出会占用大量的游离碳原子，使fe3c析出数量显著降低。考虑到mn在0.80%左右对冲击性能最好，同时考虑成本因素，现将mn控制到0.7～0.9%。

一种低锰微合金q355结构钢的制备工艺，从整体上主要包括炼钢工序和轧钢工序。

其中炼钢工序的工艺为，kr铁水预处理→转炉冶炼→脱氧合金化→cas→精炼→lf炉精炼→连铸制钢坯。

铁水100%进行kr脱硫处理，保证低s，目标0.003%以下。处理完成后加入脱氧剂和相应的合金，进行脱氧，并且使铁水的组分符合上述设计要求。

在炼钢工序中的cas的过程需要尽早化渣，转炉底吹全程吹氩，不吹氮气。

在精炼过程中控制好过程温度及出站温度，过程温度控制在1540-1580℃范围内，出站温度控制在1550-1565℃范围内。精炼过程中，用铝充氧后加入钛铁，最后加硼。

钢包出精炼位后的进行lf炉精炼，具体的的操作为，进行钙处理同时保证软吹氩时间大于20min；连铸机制钢坯时连铸控制过热度10～20℃，并且全程氩气保护浇铸。

在lf炉精炼后可以根据需要选择是否vd/rh。

本发明制备方法中的轧钢工序的工艺为，铸坯红送→加热→轧制→冷却→矫直→自然冷却。在加热完成后一般有除鳞步骤，在加热出炉后尽快进除鳞箱，保证除鳞干净。

其中加热步骤中的装炉温度不低于650℃，加热温度为1200～1250℃，加热时间7～11min/cm，钢坯出炉温度1050～1150℃。

在连铸机轧制钢坯时连铸控制过热度10～20℃，并且全程氩气保护浇铸。

轧钢工序的轧钢阶段包括粗轧和精轧。其中，粗轧阶段开轧温度采用高温、低速、大压下工艺，加大道次变形量，道次压下量为25~32mm。

精轧阶段控制中间坯厚度按成品厚度3倍以上，为避免tic颗粒析出尺寸过大，开轧后连续轧制，严禁中间道次待温，精轧终轧温度820～830℃。

在精轧完成后控制冷却，采用acc技术，终冷温度在640～660℃，控制冷速为4～6℃/s。

在矫直过程中，控制矫直力为400～500吨。钢板厚度在30mm以下时，终矫温度低于550℃。整体的矫直道次为3道。

本发明制备工艺的设计思路如下：

本发明的制备工艺中，原料组分设计的tic的固溶温度范围为1190～1240℃左右，如果加热温度偏低，则tic不能完全溶解，将减少轧制后冷却过程tic的析出量，导致钢强度的下降。而加热温度过高，又会使原始奥氏体晶粒过分长大，造成最终铁素体晶粒的粗大。采用1200～1250℃，并配合1050～1150℃能够使tic充分溶解并且控制原始奥氏体晶粒大小合适，最终使钢材具有良好的结构强度。

本发明的制备工艺中，轧钢阶段的开轧温度采用高温低速大压下工艺，加大道次变形量，道次压下量限制放到32mm，减少轧制道次，保证变形渗透，破碎中心不良组织，保证第一道次及转钢首道次的除鳞，再在由机前到机后最后带负荷一道除鳞，确保表面质量。轧制道次能够从10道次减少到8道次。

轧制及水冷温度设计中，在粗轧过程的高温段，低速大压下量，使部分钛以ti（cn）应变诱导析出阻碍奥氏体晶粒长大，获得再结晶细晶强化的效果。低终轧温度和快速冷却，可以增加未再结晶区形核率，也推迟铁素体相变，同时还可有效抑制tic在低温轧制阶段和冷却过程中的析出，避免tic在不同温度析出导致粒子尺寸不一，控制钢板上冷床温度接近tic析出动力学曲线的鼻尖温度，使tic充分、均匀析出。

以下为具体的实施例：

实施例1

低锰微合金q355结构钢，设计化学元素组分百分含量为，c0.15%、si0.29%、mn0.84%、p0.015%、s0.004%、als0.034%、ti0.04%、n0.002%、o0.002%，其余为fe和不可避免杂质。

按以下工艺进行炼钢，kr铁水预处理→转炉冶炼→脱氧合金化→cas→精炼→lf炉精炼→连铸制钢坯。

铁水100%进行kr脱硫处理，保证低s。处理完成后加入脱氧剂和相应的合金，进行脱氧，并且使铁水的组分符合上述设计要求。

在炼钢工序中的cas的过程尽早化渣，转炉底吹全程吹氩，不吹氮气。

在精炼过程中控制好过程温度及出站温度，过程温度控制为1540℃，出站温度控制为1550℃。精炼过程中，用铝充氧后加入钛铁。

钢包出精炼位后的进行lf炉精炼，具体的的操作为，进行钙处理同时保证软吹氩时间大于20min；连铸机制钢坯时连铸控制过热度10～20℃，并且全程氩气保护浇铸。

然后进行轧钢工序，钢板规格为：14*2800*10000mm*2。

控制装炉温度不低于650℃，加热温度控制在1200～1250℃之间，加热时间8min/cm出炉温度为1100℃。粗轧道次压下量为30mm，共轧制6个道次。中间坯厚度为55mm，精轧开始温度为900℃，精轧终轧温度为803℃。

使用acc技术冷却，acc开冷温度为750℃，终冷温度为640℃，控制冷速为4～6℃/s。

矫直过程中的矫直力为400～500吨，终矫温度为540℃。

经测试该钢板具有良好的屈服强度、抗拉强度以及延伸性能。

实施例2

低锰微合金q355结构钢，设计化学元素组分百分含量为，c0.14%、si0.50%、mn0.75%、p0.012%、s0.005%、als0.035%、ti0.05%、n0.003%、o0.002%，其余为fe和不可避免杂质。

按以下工艺进行炼钢，kr铁水预处理→转炉冶炼→脱氧合金化→cas→精炼→lf炉精炼→连铸制钢坯。

铁水100%进行kr脱硫处理，保证低s。处理完成后加入脱氧剂和相应的合金，进行脱氧，并且使铁水的组分符合上述设计要求。

在炼钢工序中的cas的过程尽早化渣，转炉底吹全程吹氩，不吹氮气。

在精炼过程中控制好过程温度及出站温度，过程温度控制为1560℃，出站温度控制为1565℃。精炼过程中，用铝充氧后加入钛铁。

钢包出精炼位后的进行lf炉精炼，具体的的操作为，进行钙处理同时保证软吹氩时间大于20min；连铸机制钢坯时连铸控制过热度10～20℃，并且全程氩气保护浇铸。

然后进行轧钢工序，钢板规格为：16*2300*10000mm*2。

控制装炉温度不低于650℃，加热温度控制在1200～1250℃之间，加热时间11min/cm出炉温度为1050℃。粗轧道次压下量为25mm，共轧制8个道次。中间坯厚度为65mm，精轧开始温度为956℃，精轧终轧温度为830℃。

使用acc技术冷却，acc开冷温度为750℃，终冷温度为660℃，控制冷速为4～6℃/s。

矫直过程中的矫直力为400～500吨，终矫温度为550℃。

经测试该钢板具有良好的屈服强度、抗拉强度以及延伸性能。

实施例3

低锰微合金q355结构钢，设计化学元素组分百分含量为，c0.16%、si0.40%、mn0.85%、p0.010%、s0.002%、als0.030%、ti0.045%、n0.002%、o0.002%，其余为fe和不可避免杂质。

按以下工艺进行炼钢，kr铁水预处理→转炉冶炼→脱氧合金化→cas→精炼→lf炉精炼→连铸制钢坯。

铁水100%进行kr脱硫处理，保证低s。处理完成后加入脱氧剂和相应的合金，进行脱氧，并且使铁水的组分符合上述设计要求。

在炼钢工序中的cas的过程尽早化渣，转炉底吹全程吹氩，不吹氮气。

在精炼过程中控制好过程温度及出站温度，过程温度控制为1580℃，出站温度控制为1560℃。精炼过程中，用铝充氧后加入钛铁。

钢包出精炼位后的进行lf炉精炼，具体的的操作为，进行钙处理同时保证软吹氩时间大于20min；连铸机制钢坯时连铸控制过热度10～20℃，并且全程氩气保护浇铸。

然后进行轧钢工序，钢板规格为：14*2500*10000mm*2。

控制装炉温度不低于650℃，加热温度控制在1200～1250℃之间，加热时间7min/cm出炉温度为1150℃。粗轧道次压下量为30mm，共轧制８个道次。中间坯厚度为60mm，精轧开始温度为925℃，精轧终轧温度为820℃。

使用acc技术冷却，acc开冷温度为760℃，终冷温度为640℃，控制冷速为4～6℃/s。

矫直过程中的矫直力为400～500吨，终矫温度为550℃。

经测试该钢板具有良好的屈服强度、抗拉强度以及延伸性能。

实施例4

低锰微合金q355结构钢，设计化学元素组分百分含量为，c0.18%、si0.30%、mn0.95%、p0.020%、s0.002%、als0.025%、ti0.042%、n0.004%、o0.003%、b0.0025%，其余为fe和不可避免杂质。

按以下工艺进行炼钢，kr铁水预处理→转炉冶炼→脱氧合金化→cas→精炼→lf炉精炼→连铸制钢坯。

铁水100%进行kr脱硫处理，保证低s。处理完成后加入脱氧剂和相应的合金，进行脱氧，并且使铁水的组分符合上述设计要求。

在炼钢工序中的cas的过程尽早化渣，转炉底吹全程吹氩，不吹氮气。

在精炼过程中控制好过程温度及出站温度，过程温度控制为1568℃，出站温度控制为1559℃。精炼过程中，用铝充氧后加入钛铁。

钢包出精炼位后的进行lf炉精炼，具体的的操作为，进行钙处理同时保证软吹氩时间大于20min；连铸机制钢坯时连铸控制过热度10～20℃，并且全程氩气保护浇铸。

然后进行轧钢工序，钢板规格为：60*2600*12000mm*2，该钢板为厚钢板，加入了b。

控制装炉温度不低于650℃，加热温度控制在1200～1250℃之间，加热时间9min/cm出炉温度为1140℃。粗轧道次压下量为32mm，共轧制8个道次。中间坯厚度为63mm，精轧开始温度为956℃，精轧终轧温度为830℃。

使用acc技术冷却，acc开冷温度为760℃，终冷温度为640℃，控制冷速为4～6℃/s。

矫直过程中的矫直力为400～500吨，终矫温度为550℃。

经测试该钢板具有良好的屈服强度、抗拉强度以及延伸性能。

实施例5

低锰微合金q355结构钢，设计化学元素组分百分含量为，c0.20%、si0.15%、mn1.0%、p0.020%、s0.002%、als0.015%、ti0.045%、n0.005%、o0.003%、b0.0020%，其余为fe和不可避免杂质。

按以下工艺进行炼钢，kr铁水预处理→转炉冶炼→脱氧合金化→cas→精炼→lf炉精炼→连铸制钢坯。

铁水100%进行kr脱硫处理，保证低s。处理完成后加入脱氧剂和相应的合金，进行脱氧，并且使铁水的组分符合上述设计要求。

在炼钢工序中的cas的过程尽早化渣，转炉底吹全程吹氩，不吹氮气。

在精炼过程中控制好过程温度及出站温度，过程温度控制为1563℃，出站温度控制为1551℃。精炼过程中，用铝充氧后加入钛铁。

钢包出精炼位后的进行lf炉精炼，具体的的操作为，进行钙处理同时保证软吹氩时间大于20min；连铸机制钢坯时连铸控制过热度10～20℃，并且全程氩气保护浇铸。

然后进行轧钢工序，钢板规格为：60*2600*12000mm*2，该钢板为厚钢板，加入了b。

控制装炉温度不低于650℃，加热温度控制在1200～1250℃之间，加热时间9min/cm出炉温度为1145℃。粗轧道次压下量为32mm，共轧制8个道次。中间坯厚度为63mm，精轧开始温度为958℃，精轧终轧温度为830℃。

使用acc技术冷却，acc开冷温度为750℃，终冷温度为650℃，控制冷速为4～6℃/s。

矫直过程中的矫直力为400～500吨，终矫温度为550℃。

经测试该钢板具有良好的屈服强度、抗拉强度以及延伸性能。

上述各个实施例中，钢板的屈服强度富裕量在40mpa以上，延伸率富余量也基本都在5以上，冲击均值大部分在150j以上。

经检测钢板的金相组织，各厚度规格组织都基本相同，表面至中心都为细晶粒的多边形铁素体+块状珠光体，无带状组织，也无明显的mns夹杂物，组织比较理想。图1为钢板的金相组织图，图中的晶粒较细。

本发明对钢板的化学元素成分、加热方式及参数、轧制方式及参数、水冷方式及参数进行了合理的优化设计，在大幅降低合金成本的同时，改善了q355系列组织。

本发明的低锰微合金q355较普通q355强度、延伸、冷弯、冲击都要好的多；组织晶粒度细2级左右；各向异性好。各试样宽度、冷弯直径冷弯检验均合格。