首钢SQ700MCD高强工程机械用钢热轧板卷的研制
来源:    发布时间: 2019-01-20 17:58   25 次浏览   大小:  16px  14px  12px
首钢SQ700MCD高强工程机械用钢热轧板卷的研制

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  受益于2008年国家经济刺激政策的实施,工程机械领域迎来了快速发展阶段,各大工程机械加工企业的主打产品不断升级,如徐工集团相继开发出500、800、1200吨汽车起重机;中联重科股份公司(简称中联重科)400、500吨汽车起重机已具备量产能力,2000吨汽车起重机已成功试车;三一重工股份有限公司开发出臂长72、86m混凝土泵车。以徐工、中联重科和三一重工为代表的工程机械龙头企业在自身产品不断创新升级的同时,对钢铁材料的强度等级和质量稳定性提出了更高的要求。

  在工程机械行业处于快速发展的大环境下,2010年,随着首钢迁钢公司进口强力开平机组调试完毕,首钢具备了生产屈服强度700MPa级高强工程机械用钢开平板的设备条件,随即启动了在中联重科的认证工作。针对中联重科SQ700MCD供货技术条件要求,依托迁钢公司2250和1580热轧生产线及强力开平机组,设计了合理的成分体系和生产工艺,开发出了具有良好塑韧性和焊接性能的SQ700MCD高强工程机械用钢,并实现对中联重科稳定批量供货。

  技术条件要求:中联重科对700MPa级高强钢的力学性能要求在同行业中最为严格,要求材料必须满足纵向拉伸下屈服强度不低于700MPa和-20℃横向冲击吸收功不低于47J。对于热轧高强钢,由于晶粒压扁导致的力学性能各向异性,材料的纵向拉伸强度和横向冲击性能为薄弱环节,开发中联重科用SQ700MCD高强钢的难度相当于开发要求横向屈服强度不低于800MPa的E级钢板。在对母材力学性能要求严格的同时,中联重科供货技术条件中规定材料的焊接接头抗拉强度不允许低于750MPa,即使进口DOMEX700MCD钢板也未能达到此项要求。因此,焊接热影响区失强率的要求对材料的化学成分设计、组织和析出物状态的控制也提出了更加严格和苛刻的要求。

  产品设计思路:SQ700MCD热轧板卷化学成分体系的设计综合考虑了中联重科力学性能要求、首钢工装设备条件、成本控制和产品市场竞争力等因素,确定采用低成本钛微合金化体系。SQ700MCD热轧板卷通过添加较高含量的钛进行微合金化,充分发挥纳米级TiC的析出强化效果,同时添加适量的铌,结合严格的TMCP工艺细化晶粒,使材料达到预期强韧性要求;为保证材料的焊接性能,创造性地提出了复合添加钼和硼,显著提高了焊接热影响区的淬透性,保证了焊接接头抗拉强度达到中联重科在较大焊接线能量下的要求,并大幅降低了材料的合金成本,使首钢SQ700MCD热轧板卷合金成本低于国内其他钢厂同类产品水平。

  为保证SQ700MCD达到较高的强韧性要求,在冶炼方面,采用洁净钢冶炼和无缺陷连铸坯生产技术,控制带状组织和夹杂物,严格控制有害元素含量,并实现化学成分窄范围控制,为后续生产提供合格的连铸坯;在轧制方面,充分利用迁钢公司轧制和冷却能力细化晶粒,控制相变产物和析出物状态,将TMCP工艺技术与各种强化机制紧密结合。通过进行再结晶曲线、析出曲线及CCT(连续冷却转变)曲线的测定等基础研究工作,设计了合理的TMCP工艺参数,材料的目标组织为均匀细化的铁素体组织,弥散分布大量直径小于10nm的TiC析出物,使材料具有良好的强度和塑韧性。

  生产SQ700MCD热轧板卷主要TMCP工艺包括再加热工艺、控制轧制工艺和控制冷却工艺。

  再加热工艺:板坯的再加热温度对Nb(CN)和Ti(CN)的固溶量有很大影响。根据固溶度积经验公式可计算出首钢SQ700MCD高强钢中Nb(CN)的溶解温度约为1180℃,TiC的溶解温度约为1185℃。为摸索出合适的再加热温度,进行了1180—1250℃电阻炉模拟加热试验,试验结果显示,随着再加热温度的提高,析出物回溶数量增加。当再加热温度为1250℃时,50nm以下析出物已全部回溶。结合理论计算和模拟加热试验结果,首钢在SQ700MCD热轧板卷的实际生产中,根据不同板卷的最终厚度规格设计了大于1240℃的再加热温度。如此,既可保证连铸坯中大多数析出物回溶,又满足了产品后续TMCP工艺控制的温度要求。

  控制轧制工艺:SQ700MCD热轧板卷控制轧制工艺需综合考虑细晶强化、析出强化及位错强化等强化机理,粗轧阶段利用反复再结晶细化原始奥氏体晶粒,增大奥氏体再结晶区的道次压下量,减少粗轧轧制道次。粗轧温度控制关键为RT2(粗轧末道次出口)温度的设定,若RT2温度设定过高,则使最终组织中出现混晶,导致热轧板卷的冲击韧性大幅下降;若RT2温度设定过低,则不利于整个热轧过程的连贯性,严重影响生产效率,同时摆钢过程会发生铌和钛的高温析出,造成合金的浪费以及最终产品性能下降。精轧阶段的终轧温度是决定材料最终组织状态的关键参数,选择低的终轧温度可增加奥氏体未再结晶区总变形量,从而得到更加均匀细小的铁素体晶粒,但过低的终轧温度会增加轧制过程中奥氏体中碳化物的析出,导致最终产品纳米级析出物数量减少和材料强度降低。

  在SQ700MCD热轧板卷开发过程中,分别测定了再结晶曲线和析出曲线,综合研究了在整个轧制过程中材料的再结晶和析出规律,根据不同产品规格设计了合适的轧制温度区间并在生产过程中严格控制,板卷的强度和低温冲击韧性匹配良好。

  控制冷却工艺:SQ700MCD热轧板卷控制冷却工艺的关键为冷却模式和卷取温度的选择,采用热模拟方法测定了SQ700MCD高强钢CCT曲线。根据热模拟试验结果,在迁钢公司热轧生产线MCD高强钢时,缩短了轧后高温停留时间,并提高了冷却速度,以有效提高铁素体的形核速率和形核数量,使最终组织铁素体晶粒得到细化,同时可避免珠光体组织出现,提高材料的强韧性。

  对于钛微合金化高强钢,目标卷取温度的设定除要考虑相变组织外,更重要的是保证纳米级TiC在铁素体中的充分析出。进行了SQ700MCD热轧板卷在不同卷取温度下析出物研究,试验结果显示,当卷取温度为540℃—570℃时,材料中的析出被抑制;当卷取温度升高至580—600℃时,观察到大量纳米级析出物。结合CCT曲线及大量组织、析出物观察结果,确定了合适的目标卷取温度,既可保证得到大量10nm以下尺寸的TiC析出物,又可得到均匀细小的铁素体组织。在实际的批量生产过程中,控制通卷卷取温度波动区间小于30℃,可保证热轧板卷通卷力学性能均匀。

  目前,迁钢公司已可稳定、批量生产供中联重科4—10mm厚700MPa级SQ700MCD高强工程机械用钢开平板,材料的平均屈服强度为772MPa、平均抗拉强度为832MPa、平均延伸率为21.5%、-20℃平均冲击吸收功为109J。该产品热轧板卷金相组织为多边形铁素体,晶粒尺寸小于4μm;透射电镜观察析出物状态组织中存在大量尺寸在10nm以下的(Ti,Nb)C析出物。

  焊接性能方面,对于钛微合金化高强钢,由于焊接热影响区组织粗化及纳米级析出物的回溶,必将导致焊接接头抗拉强度大幅下降。焊接性能评价结果显示:选用中联重科用CARBOFILNiCrMo焊丝,当焊接线kJ/cm时,首钢SQ700MCD热轧板卷焊接接头的抗拉强度仍大于750MPa,满足中联重科700MPa级高强工程机械用钢焊接接头抗拉强度大于750MPa的要求;在相同焊接线MCD热轧板卷焊接接头抗拉强度比瑞典SSAB公司DOMEX700MCD热轧板卷焊接抗拉强度高50MPa。同时,首钢SQ700MCD热轧板卷焊缝处的冷弯性能和焊接热影响区的冲击韧性均满足要求。

  首钢SQ700MCD高强工程机械用钢热轧板卷采用低成本钛微合金化成分设计,通过TMCP工艺参数的合理选择和严格控制保证了材料具有良好的强韧性。在焊接性能方面,依靠钼和硼复合添加显著提高了焊接热影响区的抗拉强度。该产品已通过中联重科、三一重工和北汽福田雷萨泵车公司产品质量认证。2012年,首钢迁钢公司已完成对中联重科批量供货700MPa级SQ700MCD高强工程机械用钢开平板1.2万吨,厚度规格覆盖4—10mm;2012年首钢高强钢热轧板卷供货量位居国内钢铁企业第3名,为首钢打造高强工程机械用钢良好品牌奠定了基础。

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