调质工艺在中厚板产品开发方面的应用探讨

调质工艺在中厚板产品开发方面的应用探讨李梅广（济南钢铁股份有限公司技术中心，山东济南250101）摘要：中厚板进行调质处理的钢种有高强钢、压力容器和锅炉用钢、耐磨钢及油罐钢等，影响钢板淬火质量的关键因素是加热温度，保温时间，冷却条件，钢板头部、尾部和板角质量，喷淋水等。济钢应充分发挥新上调质线的作用，开发高强度结构钢、压力容器钢、低合金结构钢和耐磨耐候钢，增强济钢在高端产品上的国际竞争力。关键词：中厚板；调质钢；调质处理；淬火工艺中图分类号：TG162.83文献标识码：A文章编号：1004-4620（2007）06-0029-03DiscussionaboutApplicationofQuenchingandTemperingTechnologyinProductExploitationofMediumPlateLIMei-guang（TheTechnologyCenterofJinanIronandSteelCo.,Ltd.,Jinan250101,China）Abstract:Mediumplatesteeltypesneedingquenching-and-temperingincludehightensilesteel,pressurevesselsteel,boilersteel,wearresistantsteelandoiltanksteeletc.Thekeyfactorswhichaffectquenchingandtemperingqualityofplatesareheatingtemperature,holdingtime,coolingconditions,thehead,tailandangleofplate,spraywaterandsoon.Jinansteelshouldexertthefunctionofquenchingandtemperingproductionlinethatwasequipped,develophightensilestructuralsteel,pressurevesselsteel,low-alloystructuralsteelandwear-resistantandatmospherecorrosionresistingsteelforenhancingJinansteel’sinternationalcompetitivepowerinhigh-endproducts.Keywords:mediumplate;hardenedandtemperedsteel;quenchingandtempering;quenching1前言目前，为提高中厚板的综合力学性能，普遍在冶炼方面采取精炼及微合金化措施，在轧钢方面采取控轧控冷（TMCP）工艺等，并已经起到节能降耗、提高生产率的效果。但是，都存在一定程度的不足。比如：TMCP处理的钢板性能离散度较大，而且一些钢种要求很苛刻的临界轧制。上述工艺目前还不能在强度、韧性，特别在平坦度指标上达到令人满意的结果。因此，再要提高质量及强度级别，获得优异综合性能的钢板，如一些高强度、高韧性、易焊接等高级别钢板，尤其是要求性能均匀性比较高的锅炉压力容器钢板、桥梁钢板、高层建筑钢板、Ｚ向钢板等，传统的离线热处理方式仍然是难以替代的。总体来讲，热处理工艺水平的高低是钢铁企业先进技术的标志之一，要达到世界一流的水平，提高产品的附加值，热处理是应充分利用的重要工艺。因此，济钢作为一个定位于以生产高性能品种钢为主的国内最大的中厚板生产基地，建设一条现代化的中厚板热处理生产线是必由之路。中厚钢板热处理的方式主要有正火、调质（淬火+高温回火）、正火+控冷、正火+回火、回火、退火、直接淬火（DQ）、直接淬火+回火等。其中，用量最大的是经正火处理的板材，包括正火+回火，约占所有热处理产品的70％左右；其次是经调质处理的板材，约占15％；其它如回火等占15％[1]。2中厚板调质处理产品简介一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，其机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织优良。硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200～350之间。调质钢的应用范围很广，建筑、桥梁、引水工程、钻井平台、石油化工、水火核电、船舶、工程机械等对钢板要求较高的产业中需要应用经过调质处理的钢板。涉及高强钢、锅炉压力容器钢、耐磨钢、厚壁结构钢、船体结构钢、耐腐蚀钢等钢种。2.1高强钢近几年来，钢铁工业中发展最迅速、最有活力的钢种是低合金高强度钢（HSLA），在桥梁、建筑、船舶、高压容器、管材及管线、工程机械及车辆等方面的广泛应用，逐渐使高强度低合金钢具有了如下突出特征:1）较高的屈服强度；2）良好的焊接性；3）高的断裂韧性以及低的韧脆转变温度；4）良好的冷成型性，特别是弯曲以及在板厚方向上的塑韧性能；5）良好的热加工性能。虽然，用TMCP等工艺已经成功开发出700～800MPa的高强钢，但调质型高强钢因其好的均匀性等优势仍然占据着主流市场。在调质线的应用上，如美标的A709/A709-03a高强低合金；A514高强调质钢系列；德标的DINEN10083系列等都必须进行调质处理。世界各国高强钢标准中以调质状态交货的占据了一半以上。2.2压力容器、锅炉用钢近年来我国生产的压力容器钢在强度、韧性及耐压性上有很大提高，但焊接性能、耐腐蚀性能与先进国家的品种相比，还有一定差距。由于锅炉是一种具有潜在危险性的特殊设备，所以对钢板的质量要求非常严格，多年来用户对锅炉板的质量异议较多，从一个侧面反映了锅炉板质量存在的问题。因调质钢具有高均匀性和稳定性等，从2005年开始，不少用户希望能提供调质型的压力容器钢，这对我国不少中厚板厂来说又是一个新的挑战。在世界各国标准中，因压力容器、锅炉用钢的特殊性，在这方面要求调质状态交货的也非常多。如中国的GB19189－2003压力容器用高强度调质钢，美标的A517/A517M-93压力容器用合金高强钢等均要求调质状态交货。在世界各国压力容器用钢标准中，要求调质状态交货的更是占了大多数。2.3耐磨钢随着煤炭、工程机械等装备制造业的发展，耐磨专用钢的需求量越来越大。当前生产耐磨钢板的著名厂家有：瑞典SSAB奥克隆德工厂生产的Hardox系列，硬度有HB400和HB500。还有德国迪林根的400V和500V。再就是日本的JFE－EH360、EH400和EH500。国内生产的主要厂家有舞钢、鞍钢、武钢等几个厂家，质量优良的是舞阳的NM360A/B和NM400A/B。上述钢种采用的都是淬火与低温回火相结合，总之都需要淬火线来处理。2.4油罐钢目前，我国大规模建造的10～15万m3的储罐，主要选用屈服强度490MPa，抗拉强度610MPa的大线能量焊接高强度调质板。610MPa级可以建造的储罐容积最大为17.5万m3。我国将建造20或30万m3石油储罐，610MPa钢已不能满足要求，需要强度级别更高的690MPa或780MPa大线能量焊接高强度调质板。日本已经开发成功此类钢，并有应用实例，目前我国的几家大钢厂正在进行此类钢种的开发。为了降低材料成本，油罐用钢量主要采用高强度调质板。如用屈服强度490MPa的大线能量焊接钢替代屈服强度350MPa的16MnR制造储罐，壁厚可以减薄25%～30%。为了降低制造成本，主要通过提高焊接效率，如储罐底层焊接时在焊缝中添加铁粉或碎焊丝，壁部施工中主要采用大线能量的气电立焊和埋弧焊横焊工艺。因此，石油储罐用高强度钢力学性能指标应满足如下要求：高屈服和抗拉强度、高韧性、高均匀性和稳定性等。所以一般采用调质钢。世界各国经国家权威部门认证可以用于油罐钢生产的钢种见表1。表1石油储罐建设的钢种生产企业及工艺钢种名称或牌号生产企业JFE-HITEN610EJFE钢铁株式会社WT-610EQ，NT-490EQ，N-TUF490，WEL-TEN610SCF，WEL-TEN610CF新日本制铁株式会社NK-HITEN610U2L（低温用）；NK-HITEN610U2；RiverAce610L（低温用）JFE钢铁株式会社SUMITEN610F-LT；SUMITEN610F日本住友金属工业株式会社12MnNiVR调质高强度板舞阳钢铁有限责任公司大线能量焊接用WH610D2钢板武汉钢铁（集团）公司07MnCrMoVR鞍山钢铁公司JGR610E济南钢铁集团公司B610E宝山钢铁集团公司由表1可以看出：上述钢种的生产除济钢、JFE和新日铁的薄规格等产品是在线淬火调质外，其它的基本都是传统的离线调质。因此调质线在生产油罐钢等高端产品方面可以大有作为。2.5合金钢和碳素钢传统调质钢为含碳量0.30%～0.60%的中碳碳结钢和合金结构钢。一般在调质状态下使用，常用钢号有：30、35、40、45、50号钢用于制造螺母、螺栓及各类轴；30Mn、40Mn、45Mn、35Mn2、45Mn2制造重要螺母、螺栓、支重轮轴和导向轮轴；30Cr、40Cr、45Cr制造转向齿轮轴、传动齿轮等。35CrMo、42CrMo制造重型汽车曲轴及连杆，其中40Cr钢应用最广泛。另外，国外标准中，如日标的JISG4105-1979铬钼钢等，很多都要求必须调质。调质处理线可以在开发合金钢和碳素钢方面发挥主导作用。除了上述钢种外，还有船舰、耐腐蚀等方面用钢有一些也需调质。3影响钢板淬火质量的关键因素分析调质工艺主要包括淬火和回火，其中淬火是最容易出现问题的环节，如淬火裂纹，板形不好等。3.1加热温度实践证明，钢板的淬火加热温度不是一个固定不变的参数，一般来说，需根据钢的临界点来确定。亚共析钢采用Ac3+（30～50℃），过共析钢采用Ac1+（30～50℃）。这个选择方法称淬火加热温度选择原则。亚温淬火是亚共析钢在略低于Ac3（5～10）℃的温度下奥氏体化后淬火，可提高钢的韧性，降低脆性转变温度，并可消除回火脆性。其淬火加热温度应接近Ac3，以免出现过多铁素体而影响钢的强度。同时，由于淬火温度的降低，钢的淬裂倾向大大减小。对于低碳钢及中碳钢，可适当提高淬火加热温度，以便淬火后获得较多的板条状马氏体或使全部马氏体呈板条状，使它们的韧性显著提高。对于高碳工具钢，易采用低温淬火工艺，这有助于减少变形开裂，还可提高韧性，减少折断和崩刃，延长使用寿命。3.2保温时间保温时间是指在热处理时，钢板热透或保证组织转变基本完成所需的时间。确定淬火温度下的保温时间，需考虑钢板的厚度、钢板在炉内的排布方式、是否预热、钢板的化学成分等诸多因素。一般来说，高合金钢、高速钢、高合金模具钢的淬火加热保温时间要适当延长，以保证碳化物的溶解和奥氏体化。其中高合金铬钢需要保温的时间最长。3.3冷却条件淬火冷却是决定淬火效果的重要环节。要确保淬火获得全部马氏体组织，其冷却速度必须大于临界冷却速度。钢的临界冷却速度也是成分的函数，对于实际钢板还受截面大小的影响，要全面考虑。钢的临界冷却速度与成分之间的经验公式为[2]：lgv（℃/ｈ）=9.81-（4.26C+1.05Mn+0.54Ni+0.5Cr+0.66Mo）+0.00183PA，其中PA为奥氏体参数（加热温度与时间之积）。适用成分：0.1％＜C＜0.5％，Si＜1%，Mn≤2％，Ni≤4%，Cr≤3%，Mo≤1%，V＜0.2％，Cu＜0.5%，Mn+Ni+Mo≤5%。以上公式仅适用于截面较小的钢板。因为淬火冷却质量效应的影响，钢板截面增大，蓄热量相应增多，同样条件下冷却速度也就随之下降。所以，必须了解工件截面大小对冷却速度的影响程度。3.4辊子传送过程中，钢板的下表面要比上表面冷却得快，这是由于在使用辊子对钢板进行输送时，热量会从钢板的底部传递到与之相接触的辊子上。在钢板被传送到淬火中心位置的过程中，钢板头部要比其尾部经过更多的辊子，这就使得钢板头部要比尾部冷却得快。另外，钢板被定位到具有相对较小面积的辊子上