CN102021495A

CN102021495A - 420MPa高韧性耐候桥梁钢及其热轧板卷的制备方法

Info

Publication number: CN102021495A
Application number: CN2010105920346A
Authority: CN
Inventors: 李忠义; 朱涛; 王炜; 王莹; 赵勇; 蒲玉梅; 王海波; 王小燕
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2011-04-20

Abstract

本发明公开了一种420MPa高韧性耐候桥梁钢，其特征在于，其化学成分重量百分比(％)为：碳0.015～0.045％；硅：0.20～0.35％；锰：1.20～1.50％；磷：≤0.018％；硫：≤0.0005％；铌：0.030～0.050％；钛：0.010～0.020％；铝：0.015～0.040％；镍：0.25～0.40％；铬0.25～0.50％；铜：0.25～0.40％；B：0.0002-0.003％；氮：≤0.006％；氧：≤0.002％；余量为铁和微量杂质。本发明桥梁钢板卷的强度、韧性、焊接性、耐蚀性能优良，且生产成本适中。

Description

420MPa高韧性耐候桥梁钢及其热轧板卷的制备方法

技术领域

本发明涉及一种低合金耐腐蚀钢及其板卷制备方法，尤其涉及一种桥梁用高韧性耐候钢及其板卷制备方法。

背景技术

桥梁制造行业对桥梁钢的强度、韧性、焊接性和耐腐蚀性等不断提出更高的要求，这种发展势头在未来的几十年中仍将持续下去。近年来，随着东海大桥、杭州湾大桥的建设，桥梁制造业对桥梁钢性能的要求不仅在于提高材料强韧性能，而且对材料的耐海水腐蚀性能提出了明确的要求。

中国专利85108118、00133579.0、00121262.1都是具有一定耐大气腐蚀性能的低合金结构钢，为Cu-P-Cr-Ni或Cu-P-Ti-RE系耐候钢，屈服强度为350MPa级，且低温冲击性能较低。中国专利200410061112.4公开了一种针状组织高强度耐候钢及其生产方法，其组分为，低碳、Cu-Cr-Ni-Mo-Nb-Ti-Al-Zr-RE或Ca，该钢种虽然强度和低温韧性较好，但其同时添加Mo、RE、Zr，成本较高，同时冶炼难度较大。中国专利200510111858.6公开了一种高强度低合金耐大气腐蚀钢，其成分为碳0.05～0.1％；硅：≤0.75％；锰：1.0～1.6％；磷：≤0.02％；硫：≤0.01％；铝：0.01～0.05％；镍：0.12～0.40％；铬0.20～0.45％；铜：0.20～0.55％；钙：0.001～0.006％；氮：0.001-0.006％；铌：≤0.07％；钛：≤0.025％；钼≤0.35％，该钢种屈服强度可达550MPa，成本较200410061112.4低，但其低温冲击性能较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种420MPa高韧性耐候桥梁钢及其热轧板卷的制备方法，该耐候桥梁钢具有优良的耐腐蚀性能和低温冲击性能，且生产成本适中。

为解决上述技术问题，本发明提供420MPa高韧性耐候桥梁钢，其化学成分重量百分比(％)为：碳0.015～0.045％；硅：0.20～0.35％；锰：1.20～1.50％；磷：≤0.018％；硫：≤0.0005％；铌：0.030～0.050％；钛：0.010～0.020％；铝：0.015～0.040％；镍：0.25～0.40％；铬0.25～0.50％；铜：0.25～0.40％；硼：0.0002-0.003％；氮：≤0.006％；氧：≤0.002％；余量为铁和微量杂质。

本发明优选化学成分：碳0.015～0.025％；硅：0.32～0.35％；锰：1.43～1.50％；磷：≤0.018％；硫：≤0.0001％；铌：0.045～0.050％；钛：0.018～0.020％；铝：0.035～0.040％；镍：0.35～0.40％；铬0.45～0.50％；铜：0.35～0.40％；硼：0.0012-0.003％；氮：≤0.006％；氧：≤0.0011％。

本发明最优化学成分为：碳0.015％；硅：0.35％；锰：1.50％；磷：≤0.018％；硫：≤0.00009％；铌：0.050％；钛：0.020％；铝：0.040％；镍：0.40％；铬0.50％；铜：0.40％；硼：0.003％；氮：≤0.006％；氧：≤0.0008％。

本发明还提供420MPa高韧性耐候桥梁钢热轧板卷的制备方法，包括冶炼、精炼、轧制、控冷工序，其特征在于，转炉冶炼前先进行铁水脱硫至S≤0.00005％，转炉冶炼后经过钢包吹氩、LF炉精炼、RH真空处理后连铸，连铸坯再加热后，进入两机架R1和R2粗轧，再经7机架2250连轧机组生产线进行热机械控轧控冷。

所述加热温度为：1180℃～1220℃；所述热机械控轧控冷工序为：粗轧开轧温度1150℃～1180℃，精轧开轧温度1000℃～950℃，精轧终轧900℃～800℃，精轧终轧后水幕层流冷却，冷却速度20℃/S～35℃/S，600℃～450℃终止冷却并卷取。

本发明的设计思想如下：

本发明所设计的420MPa耐候桥梁钢对低温韧性、焊接性能、耐大气和耐海水腐蚀性能有严格的要求，因此从成分设计、轧制和冶炼三个关键环节从严控制。第一，采用超低碳，降低碳含量，可显著提高相变温度，有利于针状组织的形成，超低碳可有效减少偏析以保证厚钢板组织的均匀性，减少后期固态相变带来的有害组织，低的碳含量可以使δ相温度区间扩大，由于溶质元素在δ相区扩散速度是γ区的100倍，因此成分更加均匀，减少了碳含量的加入，可以提高奥氏体中固溶铌的含量，从而可实现高温轧制，保证高温时奥氏体再结晶的充分程度，改善非再结晶区高温控轧效果，使高温高压下厚钢板中心组织得到细化；通过锰、铬、铝、硼及超低碳的组合可获得均匀、极细的超低碳针状铁素体组织，使得钢的强度、韧性、焊接性、耐蚀性能优良；第二，设计轧制、冷却工艺，综合微合金化、固溶强化和组织强化等方法，获得以针状铁素体为主的复相组织，同时提高强度和塑性；第三，通过超纯净冶炼最大限度降低硫和氧的含量，减少硫化锰和其他夹杂物来提高韧性和耐腐蚀性能。

特别地，本发明要求不加入钒，钢中仅含有残余钒元素。根据马钢工业生产实践，钒元素的加入会显著降低碳贝氏体钢的冲击韧性水平和稳定性。

本发明各元素含量的控制思想为：

碳：降低碳含量，可显著提高相变温度，有利于针状铁素体组织的形成，超低碳可有效减少偏析以保证厚钢板组织的均匀性，减少后期固态相变带来的有害组织，提高耐腐蚀性能、冲击韧性、焊接性能，其含量控制在0.015％～0.025％。

锰：高锰有利于针状铁素体组织形成，但其含量过高会影响焊接性能及耐蚀性能，故其含量控制在1.20％～1.50％。

硅：可以脱氧、提高钢的强度，但其含量过高会影响焊接性能和韧性，为保障焊接性能和韧性，本发明采用较低含量的硅，控制在0.20％～0.35％。

硫：高硫含量不仅降低钢的低温韧性，还促进钢板的各向异性，并且硫化物夹杂还显著降低钢的耐腐蚀性能，故本发明将其含量控制在≤0.0005％的极低范围。

铝：铝与硼结合有利于细小针状铁素体的生成，但铝含量过高会降低钢的韧性，其含量控制在0.015％～0.040％为宜。

铬：铬不仅能提高淬透性，促进针状铁素体的生成，其含量大于0.2％时还能提高钢的耐腐蚀性能，但其含量过高会恶化焊接性能，故其含量控制在0.25％～0.50％为宜。

硼：硼是提高淬透性元素，当硼含量大于0.0002％时促进针状铁素体的生成，硼与铝结合还有利于细小针状铁素体的生成，但当硼含量大于0.004％容易出现硼化合物脆性相，降低韧性，故其含量控制在0.0002-0.003％为宜。

铌：铌是强碳化物形成元素，通过控制控冷可以细化晶粒，提高钢的强度和韧性，铬与铌配合使用，可以促进铌的析出，提高铌的析出强化作用，但铌价格较高，结合成本考虑，铌含量控制在0.030％～0.050％为宜。

氧：钢中氧含量高将增加夹杂物的数量，影响钢的韧性、焊接性能、耐蚀性能，因此，应尽量降低钢种氧含量，考虑到成本，本发明氧：≤0.002％即可。

钛：本发明添加钛是为了固氮，减少或消除氮对硼的影响，其含量控制在0.018％～0.020％即可。

铜、镍：添加0.25～0.40％铜是为了提高钢的耐腐蚀性能，添加0.35％～0.40％的镍可克服铜引起的龟裂。

本发明的控轧控冷工艺制度为：

1.轧制道次分配：采用两机架可逆轧机粗轧、再进行7机架热连轧精轧，最后进行轧制后层流冷却、卷取。在奥氏体再结晶区和未再结晶区多道次控制轧制，加热温度1180℃～1220℃、粗轧开轧温度1150℃～1180℃、精轧开轧温度1000℃～950℃、精轧终轧温度900℃～800℃、精轧后冷却，卷取温度600℃～450℃。

2.冷却方式：水幕层流冷却，冷却速度20℃/S～35℃/S。

本发明桥梁钢的TMCP工艺制度的依据是：

热机械轧制(TMCP)是以再结晶、相变等冶金工艺为基础，在规定的变形和温度条件下完成固溶强化、沉淀强化、位错强化和晶粒细化等硬化处理，从而使轧制状态钢板性能达到最佳化。为节约资源，减少合金元素的加入量，获得强度和韧性的合理匹配，充分发挥七机架热连轧机组的轧制和冷却能力，耐候桥梁钢采用控制轧制和加速冷却的方式生产，它通过高温奥氏体区形变再结晶、低温奥氏体未再结晶区的变形以及轧后的加速冷却来获得最佳效果。

在组织上，采用超低碳针状铁素体组织。通过控制TMCP工艺及其他有利于针状组织形成的因素，沿奥氏体晶界或奥氏体晶内先期产生少量针状铁素体，分割奥氏体晶粒为若干小空间，在随后的板条贝氏体相变中，由于转变速度很快，分割后的空间限制了板条束的长大，从而得到进一步细化的组织。由于超低碳针状组织的生长位置和方向不具有选择性，界面间残余奥氏体量很少，因此组织均匀性好，组织间电极电位低，具有较强的耐腐蚀能力。另外，超低碳针状组织更接***衡组织而转变更加充分，因此M/A岛易于控制，冲击韧性的稳定性更好。

本发明通过锰、铬、铝、硼及超低碳的组合获得均匀、极细的超低碳针状铁素体组织，使得钢的强度、韧性、焊接性、耐蚀性能优良，通过降低硫、氧的含量，进一步提高钢的韧性和耐腐蚀性能。采用本发明生产的高韧性耐候桥梁钢性能为：屈服强度ReL：450～470MPa，抗拉强度Rm：560～585MPa，ReL/Rm≤0.85，延伸率A 24.4％-28.3％。-60℃夏比冲击功305-358J、-60℃夏比冲击剪切面积(SA％)100％，周期浸润试验72小时相对腐蚀率36.13％-37.82％，144小时相对腐蚀率43.41％-49.85％。

具体实施方式

下面采用5个实施例详细说明本发明，铁水经预处理脱硫后经300吨转炉冶炼，再经过钢包吹氩、LF炉精炼、RH真空处理和连铸，连铸坯加热后，进入两机架R1和R2粗轧，经7机架2250连轧机组进行热机械控轧，轧后水幕层流冷却后卷取，热轧厚度规格13.5mm和15.5mm。本发明桥梁钢化学成分见表1，TMCP工艺制度见表2，力学性能见表3，周期浸润试验结果见表4，对比用Q345C钢成分见表5。

表1.耐候桥梁钢实施例1-5的化学成分(％)

实施例	碳	硅	锰	磷	硫	铌	钛	铝	镍	铬	铜	硼	氧	氮
															1	0.015	0.35	1.50	0.018	0.00009	0.05	0.02	0.040	0.40	0.50	0.40	0.003	0.0008	0.006
2	0.025	0.32	1.43	0.016	0.0001	0.045	0.018	0.035	0.35	0.45	0.35	0.0012	0.0011	0.005
															3	0.031	0.29	1.35	0.010	0.0003	0.040	0.016	0.026	0.30	0.40	0.30	0.0008	0.0016	0.0045
4	0.040	0.24	1.25	0.012	0.0005	0.035	0.013	0.021	0.29	0.35	0.28	0.0005	0.0019	0.003
															5	0.045	0.21	1.20	0.014	0.00025	0.030	0.011	0.016	0.25	0.25	0.25	0.0002	0.0018	0.0025

表2.实施例1-5 TMCP工艺制度

表3实施例1-5力学性能检验结果

周期浸润试验

将实施例桥梁钢板按照《TB 2375-1993铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》加工成标准试样，并与Q345C钢做对比，进行72小时和144小时周期浸润试验，试验结果如表4所示，对比用Q345C钢成分见表5。

表4周期浸润试验结果

编号	72小时	144小时	72小时相对腐蚀率	144小时相对腐蚀率
					实施例1	1.089	0.702	36.13％	43.41％
实施例2	1.105	0.734	36.67％	45.39％
					实施例3	1.124	0.753	37.29％	46.57％
实施例4	1.135	0.775	37.66％	47.93％
					实施例5	1.140	0.806	37.82％	49.85％
对比Q345C	3.014	1.617	100％	100％

表5对比用Q345C钢成份(wt％)

牌号

C

Si

Mn

P

S

Als，

Nb

Ti

Q345C

0.12

0.20

1.45

≤0.020

≤0.008

0.023

0.046

0.016

将Q345C和实施例桥梁钢经过72小时和144小时后的腐蚀率进行对比，结果在72小时时，本发明桥梁钢与Q345C的相对腐蚀率为36.13％-37.82％，144小时的相对腐蚀率为43.41％-49.85％，耐蚀性能显著。

Claims

1.一种420MPa高韧性耐候桥梁钢，其特征在于，其化学成分重量百分比(％)为：碳0.015～0.045％；硅：0.20～0.35％；锰：1.20～1.50％；磷：≤0.018％；硫：≤0.0005％；铌：0.030～0.050％；钛：0.010～0.020％；铝：0.015～0.040％；镍：0.25～0.40％；铬0.25～0.50％；铜：0.25～0.40％；B：0.0002-0.003％；氮：≤0.006％；氧：≤0.002％；余量为铁和微量杂质。

2.如权利要求1所述420MPa高韧性耐候桥梁钢，其特征在于，其化学成分重量百分比(％)为：碳0.015～0.025％；硅：0.32～0.35％；锰：1.43～1.50％；磷：≤0.018％；硫：≤0.0001％；铌：0.045～0.050％；钛：0.018～0.020％；铝：0.035～0.040％；镍：0.35～0.40％；铬0.45～0.49％；铜：0.35～0.40％；B：0.0012-0.003％；氮：≤0.006％；氧：≤0.0011％；余量为铁和微量杂质。

3.如权利要求1或2所述420MPa高韧性耐候桥梁钢，其特征在于，其化学成分重量百分比(％)为：碳0.015％；硅：0.35％；锰：1.50％；磷：≤0.018％；硫：≤0.00009％；铌：0.050％；钛：0.020％；铝：0.040％；镍：0.40％；铬0.50％；铜：0.40％；B：0.003％；氮：≤0.006％；氧：≤0.0008％；余量为铁和微量杂质。

4.如权利要求1至3之一所述420MPa高韧性耐候桥梁钢的热轧板卷制备方法，包括冶炼、精炼、轧制、控冷工序，其特征在于，转炉冶炼前先进行铁水脱硫至S≤0.00005％，转炉冶炼后经过钢包吹氩、LF炉精炼、RH真空处理后连铸，连铸坯再加热后，进入两机架R1和R2粗轧，再经7机架2250连轧机组生产线进行热机械控轧控冷。

5.如权利要求4所述420MPa高韧性耐候桥梁钢的热轧板卷制备方法，其特征在于，所述加热温度为：1180℃～1220℃；所述热机械控轧控冷工序为：粗轧开轧温度1150℃～1180℃，精轧开轧温度1000℃～950℃，精轧终轧900℃～800℃，精轧终轧后水幕层流冷却，冷却速度20℃/S～35℃/S，600℃～450℃终止冷却并卷取。