夏志升 王新志 张振申 王中岐

( 安阳钢铁股份有限公司 )

低成本厚规格耐候钢Q355NHD的生产实践

夏志升 王新志 张振申 王中岐

( 安阳钢铁股份有限公司 )

介绍了厚规格耐候钢Q355NHD的生产工艺，成分体系上采用提碳去铌代替常规的低碳加铌成分体系，生产工艺上采用了合适的冶炼和轧制工艺，生产的产品性能优异。试验结果表明：Q355NHD组织为典型的F+P，晶粒度在9级左右；屈服强度在370 MPa以上，抗拉强度在540 MPa以上，伸长在26%以上；-20 ℃冲击功在170 J以上，整体工艺力学性能良好，完全满足产品技术要求。通过成本核算，低成本成分体系相对传统低碳加铌成分体系耐候钢成本降低约40 元/t，说明该产品具有较低的成本优势。

厚规格 耐候钢 Q355NHD

0 前言

耐腐蚀钢是指通过添加铜、磷、铬、镍等耐腐蚀合金元素，使其在大气中或者其他介质中具有良好的耐腐蚀性能的合金钢，耐腐蚀钢的耐腐蚀性能为普通碳素钢的2～8倍，并且使用时间越长，耐蚀作用越明显。耐腐蚀钢除具有良好的耐腐蚀性外，还具有优良的力学、焊接等使用性能。耐腐蚀钢因其良好的耐腐蚀性，在国内外广泛应用于集装箱、桥梁、铁路车辆、汽车、锅炉、烟草、电力、建筑和海洋工程等行业[1]。

在耐候钢标准GB/T 4171-2008中，为保证耐候钢的耐蚀性和焊接性能，限制了碳的加入量，Q355NH系列钢碳的上限为0.16%。又因当碳含量在0.09%～ 0.15%区域属于铁-碳的包晶反应区间，此区间发生包晶反应，铸坯出现裂纹的概率极高，因此，生产厂生产耐候钢采用避开碳的包晶反应区间的设计理念，采用低碳的化学成分体系；但对于厚规格耐候钢(厚度大于30 mm)会产生一定的弊端，采用低碳成分，为保证钢板所需要的强度，需要加入大量的强化性合金元素，这就大大增加了钢的合金成本。笔者采用了提高碳含量去铌成分体系，充分利用高性价比的碳锰合金的强化作用，并添加适量的耐蚀性元素，进行了低成本的耐候钢生产试验研究。

1 产品技术要求及成分设计

1.1 产品技术要求

依据耐候钢标准GB/T 4171-2008，Q355NHD成分要求见表1，其力学性能和工艺性能要求见表2。

表1 Q355NHD化学成分要求

表2 Q355NHD力学性能和工艺性能要求

1.2 成分设计

根据Q355NHD的产品技术要求，其化学成分设计依据如下：

1)C、Mn合金含量。为保证此钢板具有较好的焊接性能，需要选择较低的碳，同时碳作为强化性元素，太低会提高生产成本，且本产品为厚规格产品，满足强度指标的难度更大，因此选择碳和锰的加入量为靠近标准上限。

2)耐蚀性元素。为提高耐蚀性，除C、Si、Mn、P、S五大合金元素外，需要加入一定量的Cr、Cu、Ni等耐蚀性元素。Cu对提高钢板的耐蚀性能有利，因Cu起到活化阴极的作用，促使钢阳极发生钝化，因而减缓腐蚀；同时Cu可以在钢表面形成一层富铜层，在钢的表面腐蚀层与铜的富集层之间形成紧密的氧化铜中间层，形成致密、完整的双层结构的锈层，阻碍腐蚀介质进一步腐蚀钢板内部[2]。Cr能在钢板表面形成致密的氧化膜提高钢的钝化能力，Cr、Cu复合加入，耐蚀效果更佳。另外，由于Cu、是低熔点元素，且极易在晶界偏聚，形成微裂纹，为减轻其影响程度，加入一定量的Ni合金，因为Ni和Cu形成高熔点的Cu-Ni复合相，一般Ni的加入量为Cu加入量的1/2～1/3。

2 生产装备及工艺

2.1 主要生产装备

1) 150 t顶底复吹转炉。采用顶底复吹，拥有副枪及动静态模型等可以实现转炉钢水在线检测和控制。炉后设有吹氩站，可对钢水进行底吹氩搅拌、喂线，这些先进技术的应用使得钢水成分、洁净度控制水平大大提高。

2)LF精炼。150 t钢包精炼炉具有电弧加热、造渣、吹氩搅拌、合金化和钢中夹杂物的变性处理等功能，可保证钢水成份、温度及夹杂物的有效控制。

3)3250 mm超宽板坯连铸机。拥有动态配水、动态软压下、漏钢预报、液面自动控制等先进的工艺技术，可生产断面150 mm×(1600～3250 )mm，保证铸坯质量良好。

4)3500 mm炉卷轧机。3500 mm炉卷轧机的轧制压力高达70000 kN，轧后配有层流冷却，可调整冷却速率，最高冷却速率达到25 ℃/s，可满足在轧制工艺上使用TMCP工艺的需要。

2.2 生产工艺

采用的工艺流程：铁水预处理—150 t转炉—LF精炼—3250 mm超宽板坯连铸机—3500 mm炉卷轧机。具体各工序的主要控制要求如下。

2.2.1 冶炼连铸工艺

1) 转炉。在铁水硫大于0.040%需要进行铁水预脱硫处理，保证转炉入炉铁水成分和温度。转炉冶炼采用中低碳钢冶炼模式，控制转炉终渣碱度在3.0以上，终点温度不低于1620 ℃，终点[C]小于0.08%出钢。使用铝铁脱氧，硅锰和硅铁合金化，Cr一次配加完成，吸收率按95%计算， LF不再配加铬铁，镍板和铜板随废钢一起加入，吸收率按100%计算。

2)LF精炼。主要目的是控制夹杂物和脱硫，精炼过程中要求白渣保持时间大于20 min，弱搅拌时间控制在8 min以上，弱搅拌流量控制在吨钢0.8 Nl/min-2.5 Nl/min，白渣形成后，取钢水样做全分析，微调成分和温度。

3)连铸。由于该钢种的碳含量是属于包晶钢范围，铸坯容易产生表面裂纹、偏析、气隙等缺陷，另外加入的低熔点合金含量较高，铸坯缺陷发生的概率将更高。在连铸时，连铸保护渣采用包晶钢专用保护渣，且采用弱冷配水，按合适的比水量控制，拉速控制在0.8 m/min～1.2 m/min，实施点拉速控制，保证了铸坯表面和内部质量。

铸坯低倍观察结果，中心偏析B类1级，中心疏松1级，其它缺陷未见；铸坯表面质量检查发现，铸坯表面质量良好，表面出现裂纹的概率较低，在2.0%以内。

2.2.2 热轧工艺

1)加热工艺。该钢种由于Cu含量较高，容易产生热脆，所以加热时采取高温快烧的加热工艺，加热炉微正压控制且炉内气氛采用还原性气氛。又因该钢种加入一定量的Ni合金，钢坯极易由于温度波动或加热时间过长，造成板坯表面质量缺陷和表面粘性氧化铁皮除鳞不净，因此要避免各段炉温波动和板坯在炉时间过长，加热时间一般控制在3 h以内，加热温度控制1200 ℃～1250 ℃。

2)轧制工艺。由于该钢种板坯表面的氧化铁皮粘性较大，容易造成除鳞不尽，轧制时要保证除鳞水的压力。轧制工艺采用再结晶区和未再结晶区两阶段控制轧制工艺。板坯开轧温度为1060 ℃左右，再结晶区轧制温度控制在1000 ℃以上，通过轧制道次间的反复再结晶，充分细化奥氏体组织。再结晶区轧制完成后，中间坯采用空冷待温。未再结晶区轧制在950 ℃以下，通过未再结晶区内的变形，增加相变形核位置，要保证未再结晶区累积变形量大于50%。终轧温度在850 ℃以下，结合理论常识，终轧温度较高时，则奥氏体在高温下容易回复，储存能降低，相变驱动力减小，使得相变后铁素体晶粒粗大；终轧温度低时，终轧温度尽可能接近Ar3相变温度时，使轧制过程产生的变形带、位错和晶粒压扁保持至相变以后，使得相变后的晶粒细化。

3) 冷却工艺。该钢种Cr的加入量在0.5%以上，碳含量在0.15%左右，按照碳当量计算公式计算该成分体系的碳当量在0.5%左右，相比低碳系列，碳当量要高，碳当量计算公式如式(1)所示。

Cev= C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

(1)

Cr为提高钢板淬透性元素，对于本钢种碳当量高，如果冷却速率过大容易出现贝氏体硬相组织，恶化韧性。因此，该钢种的冷却速率要适当，以防止相变后出现贝氏体硬相组织，实际生产实践终冷温度控制在680 ℃以上。

3 结果与分析

3.1 化学成分

低成本Q355NHD大生产试验的化学成分见表3，低碳系列Q355NHD的化学成分见表4。

表3 低成本Q355NHD的化学成分

表4 低碳系列Q355NHD的化学成分

由表3可知，实际生产中C的含量接近标准要求的0.16%的上限，能够最大发挥C的强化作用效果，减少其他强化性合金的加入量；另外也提高Mn的加入量，更好的发挥Mn的固溶强化效果，因为相对其他强化性合金元素，锰合金相对较便宜；同时本成分体系中未加Nb，Nb属于较昂贵的合金。

对比表3和表4可知，低成本Q355NHD成分体系中由于提高了碳含量的加入量，未添加昂贵的铌合金。对比两成分体系，低成本体系碳含量提高0.09%，锰含量提高了0.15%，未添加铌，通过合金成本计算，低成本成分体系较低碳成分体系合金成本降低约40元/t。

3.2 力学性能

使用该成分体系生产了厚度为35 mm、45 mm、50 mm的钢材，产品最终的性能见表5。

表5 Q355NHD的力学性能

由表5可知，产品的屈服强度在370 MPa以上，能够满足标准335 MPa的下限规定，且有一定的富余量，同时抗拉强度、延伸率、冲击性能均能满足标准要求。批量试验结果表明，该产品的性能合格率达到100%。

3.3 金相组织

板厚方向不同位置的的金相组织如图1所示，钢板厚度为50 mm。

(a) 表层 (b) 板厚1/4处 (c) 芯部

图1 Q355NHD金相组织 由图1可见，不同位置的组织均为典型的铁素体+珠光体，表层未见贝氏体组织，晶粒度为9级，表层组织稍细，芯部组织稍微粗大，但未发现异常的硬相组织。

3.4 耐蚀性能

通过对该成分体系耐蚀指数计算，并采用耐候钢Q355NHD与低合金钢Q345B进行对比腐蚀试验，结果表明Q355NHD具有较好的耐蚀性能，具体如下。

1)耐蚀指数。钢材具有较好的耐蚀性能，要求耐蚀指数在6.0以上，耐蚀指数越高，耐蚀性越好。国外Legault和Leckie公布了暴露于不同大气环境下15.5年后的低合金钢的腐蚀情况公式，修订后业内公用的耐大气腐蚀指数公式见式2。

I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-

9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)

(2)

按照式(2)对实际的成分体系计算的耐蚀指数为6.15，满足耐候钢耐蚀指数大于6的规定，说明该产品具有较好的耐蚀性能。

2)腐蚀试验。对Q355NHD进行了腐蚀性试验，采取的试验方法为周浸加速腐蚀试验；腐蚀环境为模拟工业大气环境，具体为浓度为0.01 mol/L的NaHSO3的溶液，PH值为4.4～4.8；采取以Q345B作为对比钢种。通过多次试验计算出两种钢的腐蚀速率，两种钢的腐蚀速率见图2。

由图2可知，Q355NHD的腐蚀速率为Q345B的50%左右，这一指标与国内同类产品耐蚀性能相当。说明Q355NHD具有较好耐蚀性能，满足耐候钢产品的耐蚀性能要求。

4 结语

大生产试验结果表明，采用低成本成分体系生产的耐候钢Q355NHD，综合性能优良，产品性能能够满足该产品的技术要求。另外，低成本成分体系较低碳成分体系碳含量提高了0.09%，锰含量提高了0.15%，未添加铌，通过合金成本计算，合金成本降低约40元/t。

图2 Q355NHD和Q345B的腐蚀速率

[1] 于千.耐候钢发展现状及展望[J].钢铁研究学报, 2007,19(11):1-4.

[2] 李娜.铜在钢中的作用综述[J].辽宁科技大学学报, 2011,34(2):157-161.

PLANT PRACTICE OF HEAVY WEATHER RESISTANT STEEL Q355NHD WITH LOW-COST COMPOSITION SYSTEM

Xia Zhisheng Wang Xinzhi Zhang Zhenshen Wang Zhongqi

( Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd )

This paper introduced the heavy weather resistant steel Q355NHD production process with low-cost composition system instead of low carbon and niobium, the slab quality was well by adopting proper smelting and rolling technology. The test results show that , organization were typical Ferrite and pearlite, grain size about 9 magnitude; yield strength was more than 370 MPa; tensile strength was more than 540 MPa, elongation was more than 26%; - 20 ℃ impact energy was more than 170 J, mechanical performance was good, completely met the requirements of product standards. Through the cost accounting, the cost was lower 40 yuan/t than low carbon and niobium composition system, so that the product has lower cost advantage.

heavy plate weather resistant steel Q355NHD

�升，工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁股份有限公司技术中心；

2015-9-17