Q345B钢铸坯高温力学性能的应用

　　Q345B是低合金高强度结构钢的一种，在我国工程建筑设计中广泛运用，在结构钢中的比重逐年递增，市场前景及其广阔。本篇冶金论文研究Q345B钢铸坯高温力学性能，可以为该钢种连铸生产提供重要基础数据，有利地指导了生产实践。

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　　钢铁材料是人类社会日益进步和发展过程中不可取代的基础材料，是人类进步的标志。而人类对科学的追求反过来进一步促进了钢铁冶金技术的不断提升。然而伴随着全球工业化浪潮的兴起，没有任何一个国家和钢铁公司可以逃避日益激烈的市场竞争，要想在竞争中占有一席之地，必须提升自己的实力;另一方面人类空前发展的同时又无形的给地球带来了无法逃避的危机，特别是钢铁材料的生产是高能耗，环境负荷重过程，这就促使冶金工作者在利用现有冶炼技术和加工条件的基础上，通过结构的调整和新技术的开发及其应用来达到优质、低耗和高产的目标。通过钢的微合金化处理，细化组织晶粒目的提高材料强度的同时使其塑韧性增加，最终使材料的强度和韧性根据产品需求进行合理组合，达到综合机械性能优异的钢铁材料，是钢铁冶炼行业发展的新方向[1]。现在发达国家的钢结构建筑产业发展速度非常快，其中钢产量的30%之上用于建筑材料。在我国伴随着城市化进程速度的加快，越来越多的城市开始兴建高层钢结构建筑，这种情况下为低合金高强度钢的发展提供了很好的市场机会。

　　1. Q345B钢铸坯应用背景

　　随着我国经济建设步伐不断的加快，低合金高强度结构钢的应用范围不断拓宽。Q345B作为低合金高强度结构钢的一种，近几年成为了工程建筑设计的常用材料，由于它具有高韧性、高强度、抗冲击能力强、耐腐蚀好等优良综合特性，在实际中被广泛应用于桥梁建筑、船舶、车辆、锅炉、压力容器等，所以，低合金高强度钢产量在结构钢中的比重逐年递增，市场前景及其广阔。

　　Q345B结构钢是国内低合金钢中产量最大的钢种之一，具有良好的综合性能，具体表现为强度高韧性好、较好的耐疲劳腐蚀性能、深加工性能和焊接性能。铸坯各向异性要求较小，内部组织均匀。为了达到以上性能的要求，冶炼低合金高强度结构钢时具有严格的的技术条件.

　　2. Q345B钢铸坯生产工艺

　　低合金Q345B结构钢是我国低合金高强度钢的主要钢种之一。通过对最近几年国内外对合金钢理论以及冶炼工艺的发展趋势来看，降低钢中硫、磷含量以及夹杂物的含量，提高钢的纯净度是冶炼高性能低合金高强度钢的基础。此外，通过控制轧制控制冷却得工艺进一步强化微合金钢中合金元素的作用，利用细化晶粒的原理既要不降低韧性和焊接性等加工性能的同时，还要不断提高钢的强度。目前国内济钢生产Q345B生产主要流程、冶炼工艺如下：

　　(1)Q345B低合金高强度钢的生产工艺主要流程：低合金高强度Q345B结构钢的生产流程：高炉炼铁→铁水预处理→转炉冶炼→吹氩微调合金成分→钢包精炼(喂Si-Ca线)→连铸。

　　(2)Q345B低合金高强度钢的冶炼工艺：以济钢生产Q345B低合金高强度钢的生产技术为例说明，目前，济钢炼钢主要设备有3座120 t转炉、1座钢包精炼炉、1座真空吹氩脱气炉、2台中薄板坯连铸机，先进的自动化控制系统转炉具备冶炼高纯净度钢水的能力。利用铁水预处理进行镁基复合脱硫，可以保证入炉铁水的硫含量控制在不大于50ppm的范围内，高炉严格有效的控制硅和磷的含量，铁水中硅和磷含量可以达到小于0.45%和0.04%，这样进一步提高了炼钢的入炉铁水的质量，济钢的120t顶底复合吹炼转炉能够保证良好的复吹效果，终点出钢碳氧浓度接近平衡状态，使得出钢钢液中氧含量较低。经过炉外精炼可以对钢液进一步脱氧和脱硫，处理后的钢水硫含量达到小于10ppm，增氮量控制在小于5ppm，而碳的浓度基本保持不变。根据实际使用的低合金高强度结构钢Q345B具体性能要求，成分设计上遵循的原则是低碳、低硅、高锰，并尽最大限度的降低硫、磷含量。设计低碳、硅是为了降低屈强比、细化奥氏体晶粒、改善带钢的焊接性能、减少硅酸盐夹杂物的晶界偏析。钢液中的锰部分与铁互溶，形成铁素体或奥氏体固溶体，剩余部分和铁、碳化合形成渗碳体，能够起到强化铁素体和细化珠光体的作用。同时，由于锰和硫之间的亲和力要大于与铁的亲和力，易形成高熔点的MnS夹杂，减少或避免低熔点FeS夹杂在晶界的析出，降低热脆性产生的可能性，所以提高了热加工性能。一般情况下，硫、磷都归于钢中的有害元素，磷含量主要影响钢的塑性，硫含量主要影响钢的冲击韧性和韧-脆转变温度，钢中硫化物夹杂对钢材异向性能也会产生重要影响，因此在实际生产中要尽量降低硫、磷的含量。

　　3. 研究Q345B钢铸坯高温力学性能的方法

　　至从上个世纪70年代以来，钢铁高温力学性能的研究成为国内外众多冶金行业研究者主攻方向，经过不断的理论研究和实验探索，取得了现在优异的成就。Adams教授在1971年第一次提出利用断面收缩率(RA)代替断口直径来研究钢铁材料热塑性的高低，并且以抗拉强度表示钢在不同温度下的强度指标。这两个性能指标的提出，为以后研究高温力学性能提出了具体的参考标准。而且一直沿用至今。1972年，Lankford博士首次系统的分析了凝固坯壳所承受的复杂应力状态，包括结晶器内钢液坯壳的摩擦力、钢水的静压力、凝固的热应力、矫直弯曲的矫直力及其坯壳的组织应力，并且给出了铸坯受力分析的定性概念，为研究连铸高温力学性能奠定了力学基础。在此期间，美国学者Weiss等人采用热模拟实验机Gleeble对钢铁材料的热塑性进行了研究，提出材料的内部组织变化与宏观力学性能的之间的关系，测试了Tr→0.6Tr(Tr为材料的熔点)温度范围内材料的强度与塑性，同时，提出了零强度温度与零塑性温度的定义，以及在加工过程中材料内部应力的变化是不断形变的强化与软化过程相互作用的结果。而真正利用Gleeble热模拟试验机进行热拉伸实验是日本新日铁的铃木洋夫(H.Suzuki)博士，他对金属材料的高温力学性能进行系统的研究并且成功的应用于模拟连铸过程。Suzuki博士在1975年开始了这项研究，实验过程中不断改进和完善了热塑性试验技术及方法，并且系统研究并总结出三个温度区Tr-1200℃(Ⅰ)、1200℃-900℃(Ⅱ)、 900℃-600℃(Ⅲ)钢的强度及塑性变化规律，分段分析了化学成分、保温时间、应变速率、冷却速度对材料高温力学性能的影响，并对钢的断口形貌及断裂机理进行了深入研究。1977年，Brimacombe和Sorimachi以前人科学研究为基础，提出在高温下钢存在三个明显的脆化区(钢在这个区间内，强度或塑性有显著下降，很容易形成裂纹)，并分析了不同因素对钢坯高温力学性能的影响以及钢高温力学性能与铸坯裂纹形成概率的关系。80年代以后，英国伦敦城市大学的B.Minz教授也对连铸钢的高温力学性能进行了系统的研究，并在前人研究的基础上，提出采用数学模型的方法计算和预测连铸钢的奥氏体转变温度。

　　总而言之，国外冶金工作者对连铸坯高温力学性能的研究是比较全面和深入的。较之国外的研究，国内冶金工作者还没有系统深入地研究铸坯高温力学性能。目前国内的研究者中，北京科技大学的蔡开科和王新华等人所做的工作最为深入，他们从从铸坯的热拉伸实验的温度制度、化学成分和应变速率等方面入手，较为深入的研究了铸坯的力学性能;他们研究表明碳素钢、硅锰钢及不锈钢的在熔点到600℃左右的温度区间内存在三个脆性温度区，这三个脆性区的发现有利地指导了生产实践，为今后改进钢材的质量提供了理论依据。这三个脆性温度区不是绝对不变的，随着钢的化学成分、形变速率的变化，温度脆性区出现脆性的温度区间会有所变动，并且不一定均出现脆性。

　　4. 研究Q345B钢铸坯高温力学性能的意义

　　当前材料的高温力学性能研究是一个较热门的课题之一，材料的高温性能包括材料在高温下和高温冷却后的力学性能。然而，目前国内外有关机构尚未对高温钢材力学性能的试验方法作具体规定，有关高温钢材力学性能研究的报道也较少。近年来，在连铸凝固过程方面，国内外对铸坯的高温力学性能的研究做了一些工作，但总的说来所做工作并不多，也不够深入，不够全面。

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