CN104988429B

CN104988429B - 屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板及其生产方法

Info

Publication number: CN104988429B
Application number: CN201510407828.3A
Authority: CN
Inventors: 刘敏; 邹德辉; 黄海娥; 程吉浩; 董中波; 罗毅; 郭斌
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2035-07-13
Also published as: CN104988429A

Abstract

本发明公开了一种屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板及其生产方法，该钢板化学成分的重量百分数为：C：0.040～0.080％，Si：0.20～0.25％，Mn：1.50～1.65％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Nb：0.040～0.050％，Ti：0.006～0.018％，Cr：0.25～0.35％，Mo：0.25～0.30％，Cu：0.30～0.40％，Ni：0.20～0.30％，其余为Fe及不可避免的夹杂，并满足焊接裂纹敏感性组合Pcm≤0.22，碳当量CEV≤0.50，10C+4Mn+Cr＝6.5～7.5。通过本发明工艺设计生产的屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板，具有良好的强韧性，本发明钢板的屈服强度Rel≥690MPa，抗拉强度Rm≥770MPa，延伸率A≥18％，‑40℃低温冲击性能≥100J，与现有桥梁钢技术相比，大大提高了强度级别。另外，本发明方法通过严格控制碳当量CEV≤0.50，Pcm≤0.22来提高钢板的焊接性能。

Description

屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金工业中桥梁用结构钢技术领域，具体涉及一种屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板及其生产方法。

背景技术

随着我国交通建设的飞速发展，桥梁的跨径、运营荷载、行车速度等均在逐步提高，因而对桥梁钢提出更高的技术要求。顺应桥梁工程发展需要的高强高韧、优异焊接性能、抗疲劳性能以及良好耐候性能的高性能桥梁钢将是其发展的主要方向。使用强度级别高的钢材能够较好地满足大跨度钢桥或某些受力大的结构需求，减轻钢板厚度和减少普通强度级别钢材的用量，在满足使用要求的同时能够降低桥梁自重，从而实现大跨度化、减少焊缝和节点以及改善作业性能；同时，从提高桥梁钢焊接性能的角度出发，还要求降低桥梁钢的碳当量和焊接裂纹敏感系数来提高焊接性能。而优异的焊接性能能够实现焊前不预热和焊后不需要热处理，简化焊接工艺，降低成本。

经检索，申请号为201110123433.2的中国发明专利公开了一种桥梁结构钢及其生产方法，所得的桥梁结构钢的化学成分按重量计包含：C：0.11～0.16％、Si：0.10～0.45％、Mn：1.35～1.70％、S≤0.010％、P≤0.020％、Nb：0.025～0.060％、Ti：0.008～0.030％、V：0.025～0.080％、Ni：0.10～0.50％、Als：0.015～0.060％、N≤40×10^-6、O≤40×10^-6、H≤2×10^-6，其余为铁和不可避免的杂质，Als表示酸溶铝。该发明钢板的屈服强度不低于370MPa，抗拉强度不低于510MPa，屈强比不高于0.75，断后伸长率不低于30％，-40℃纵向AKV不低于240J，能满足高速复线铁路桥梁的制造要求，也可推广用于建筑、交通、海洋平台等工程结构。该发明的不足之处在于强度过低，同时碳含量过高，碳含量的升高会增加钢板的碳当量，难以保证钢板良好的焊接性能。

申请号为201210239313.3的中国发明专利公开了一种超宽薄规格桥梁用结构钢板及其生产方法，所述超宽薄规格桥梁用结构钢板的化学成分按重量计包含：C：0.12～0.17％、Si：0.20～0.45％、Mn：1.25～1.50％、S≤0.010％、P≤0.020％、Nb：0.010～0.040％、Ti：0.008～0.030％、Als：0.015～0.050％、N≤40×10^-6、O≤20×10^-6、H≤2×10^-6，其余为铁和不可避免的杂质。该发明方法包括以下步骤：冶炼和铸造，在冶炼和铸造过程中，采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸或模铸。一方面，该发明的铸造的成本较高，另一方面，生产的钢板屈服强度仅为350～400MPa，同时含碳量高达0.12％～0.17％。

对已公开的专利和文献分析发现，目前桥梁用结构钢主要存在两个问题：一是强度级别较低，多集中于500MPa以下桥梁钢的研究；二是发明钢种的含碳量高，这严重影响了桥梁钢的可焊接性，增加了桥梁建造成本。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板及其生产方法，以连铸坯为基础，通过合理控制钢板成分、轧制工艺、冷却工艺和调质工艺的方法来生产制造焊接性能良好屈服强度为690MPa桥梁用结构钢板。本发明的突出优势在于大大提高了桥梁钢的屈服强度，减轻钢板厚度和减少普通强度级别钢材的用量，在满足使用要求的同时能够降低桥梁自重，从而实现桥梁大跨度化，另一方面在提高桥梁钢屈服强度的同时，还大大降低了Pcm和CEV，改善了桥梁钢的焊接性能，简化了焊接工艺。

为实现上述目的，本发明所设计的屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板，其化学成分的重量百分数为：C：0.040～0.080％，Si：0.20～0.25％，Mn：1.50～1.65％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Nb：0.040～0.050％，Ti：0.006～0.018％，Cr：0.25～0.35％，Mo：0.25～0.30％，Cu：0.30～0.40％，Ni：0.20～0.30％，其余为Fe及不可避免的夹杂，为了保证本发明中桥梁用钢获得良好的焊接性能和强韧性能，其化学成分还需要满足：焊接裂纹敏感性组合Pcm≤0.22，碳当量CEV≤0.50，10C+4Mn+Cr＝6.5～7.5；其中，

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，

CEV＝C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Ni+Cu)/15。

其中，C、Mn和Cr复合添加的情况下，更利于提高钢的淬透性，但三者的含量过高又会导致钢的韧性降低，研究表明10C+4Mn+Cr<6.5时，试验钢的淬透性不够，较厚的钢板在调质时，往往不能得到较好的马氏体组织，导致调质后钢板强度不足；而当10C+4Mn+Cr>7.5时，试样钢的淬透性较好，但试验钢的韧性不足，往往导致冲击功不合；同时，本发明钢还通过严格控制Pcm值和碳当量CEV来有效的改善焊接性能。

作为优选方案，所述钢板化学成分的重量百分数为：C：0.042～0.065％，Si：0.21～0.24％，Mn：1.52～1.54％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Nb：0.045～0.050％，Ti：0.011～0.018％，Cr：0.28～0.33％，Mo：0.25～0.30％，Cu：0.34～0.37％，Ni：0.25～0.30％，其余为Fe及不可避免的夹杂；并且，满足焊接裂纹敏感性组合Pcm≤0.22，碳当量CEV≤0.50，10C+4Mn+Cr＝6.5～7.5。

作为更优选方案，所述钢板化学成分的重量百分数为：C：0.061％，Si：0.22％，Mn：1.53％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Nb：0.047％，Ti：0.015％，Cr：0.32％，Mo：0.25％，Cu：0.36％，Ni：0.28％，其余为Fe及不可避免的夹杂。

作为优选方案，所述钢板屈服强度R_el≥690MPa，抗拉强度R_m≥770MPa，延伸率A≥18％，-40℃低温冲击性能≥100J。

上述屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板的生产方法，包括如下步骤：

1)按照所述化学成分的重量百分数配比进行冶炼，控制钢水中合金含量并连铸成坯；

2)将步骤1)中得到的铸坯加热并保温，加热温度控制在1180～1220℃，保证在炉时间为250～400min，在温度为1180～1220℃下保温60～70min；

3)分段轧制：

粗轧：控制粗轧开轧温度为1100～1180℃，粗轧道次压下率≥15％，粗轧结束温度≥1000℃；

精轧：控制精轧开轧温度为850～870℃，精轧后三道累计压下率≥50％，精轧结束温度为810～830℃；

4)冷却：终轧后进行冷却，开始冷却温度控制在750～820℃，冷却速度为3～9℃/s；

5)调质处理：

淬火：淬火温度为900～940℃，保温时间为40～90min；

高温回火：回火温度为590～640℃，在炉时间为60～120min。

作为优选方案，所述步骤5)中，淬火时保温时间为板厚加25～40min，回火时保温时间为板厚加45～60min。例如制造板厚为16mm的钢板，则淬火时保温时间为41～56min，回火时保温时间为61～76min。

本发明中各元素及主要工序的作用：

本发明中C是提高钢材强度最有效、最经济的元素，随着碳含量的增加，钢的强度和淬透性也随着大幅度增加，但同时碳含量的增加会导致钢板延伸率和韧性下降，焊接性能减弱，综合考虑钢的强度和韧性，并考虑降低碳当量来提高焊接性能，将C含量的取值范围定为0.040～0.080％。

本发明中Si是炼钢脱氧的必要元素，可以提高钢的强度，降低钢中石墨化倾向，但同时会显著恶化钢的韧性和焊接热影响区的韧性，因此，将Si的含量控制在较低水平：0.20～0.25％。

本发明中在降低C含量的情况下，Mn是最重要的强韧化元素，它可以提高钢的淬透性，促进贝氏体/马氏体组织的形成，经验表明：1％的Mn大约可以提高100MPa的抗拉强度，但Mn含量过高易导致成分和组织偏析。综合考虑，Mn含量设计为1.55～1.65％。

本发明中Cu，Ni：Cu和Ni均为奥氏体形成元素，促进了奥氏体形成和稳定化，提高钢板抗拉强度。Cu的加入可以提高钢的耐蚀性、强度，改善实验钢的焊接性和机械加工性能。Ni的添加同时改善钢的低温韧性，但Ni含量过高会恶化钢板的焊接性能。钢中的铜能明显地与加入的硼起综合作用，铜与硼联合加入会进一步抑制贝氏体转变前的铁素体形成，能够在调质时更易得到马氏体组织。但Cu含量过高会引起钢的热脆现象，恶化钢板表面质量。一定量的Ni和Cu配合加入可以改善这种现象。因此控制Ni含量0.20～0.30％，Cu含量0.30～0.40％。

本发明中Cr是一种能有效提高钢板强度和淬透性的元素，它能使铁素体相变明显右移，拓宽贝氏体相变的冷速区间，促进中温转变组织的形成，但同时当Cr含量过高时，会显著减低基材和热影响区的韧性，同时C、Cu和Cr复合添加的情况下，更利于提高钢的淬透性，但三者的含量过高又会导致，试样的韧性降低，Cr含量0.25～0.35％。

本发明中Mo能明显提高淬透性，从而有利于马氏体的形成。但Mo含量高于0.4％时，会提高钢板冷裂纹敏感性，降低焊接性能，同时会促进HAZ区域形成粗大的下贝氏体组织，使得HAZ性能大幅度下降。Mo含量0.25～0.30％。

本发明中Nb是强碳、氮化物形成元素，它可以形成细小的碳化物和氮化物，抑制高温区奥氏体晶粒的长大。在轧制过程中的奥氏体再结晶温度区域内，Nb的碳、氮化物可以作为奥氏体晶粒形核核心；在非再结晶温度范围内，弥散分布的Nb的碳、氮化物可以有效钉轧奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒进一步长大，从而细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性。Nb含量过低导致会导致屈服强度不足，而Nb含量过高又会导致焊接冷却过程中焊接热影响区出现M/A岛组织而恶化其性能。本试验钢中Nb的含量选定为：0.035～0.045％。

本发明Ti也是一种强碳、氮化物形成元素，也能起到细化晶粒的作用。它能显著提高钢的室温强度、高温强度和钢的韧性。另外，Ti的氮化析出物能有效钉轧奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒的长大，大大改善钢的焊接热影响区的低温韧性。但是，过高的Ti含量会导致钢的塑、韧性降低。实验室研制过程中，Ti含量设计为：0.006～0.015％。

本发明具有以下优点：

第一，通过本发明工艺设计生产钢板的屈服强度为690MPa桥梁用结构钢板，具有良好的强韧性，本发明钢板的屈服强度Rel≥690MPa，抗拉强度Rm≥770MPa，延伸率A≥18％，-40℃低温冲击性能≥100J，与现有桥梁钢技术相比，大大提高了强度级别，目前投入使用多为500MPa级别的桥梁钢；

第二，本发明方法通过严格控制碳当量CEV≤0.50，Pcm≤0.22来提高钢板的焊接性能，焊接后无需预热或预热温度不高于50℃，焊接后不需热处理，大大提高了焊接效率和焊接质量，改善了桥梁钢的焊接性能，简化了焊接工艺；

第三，本发明的突出优势在于大大提高了桥梁钢的屈服强度，减轻钢板厚度和减少普通强度级别钢材的用量，在满足使用要求的同时能够降低桥梁自重，从而实现桥梁大跨度化。

附图说明

图1为实施例1生产的钢板组织的扫描电镜图。

图2为实施例2生产的钢板组织的扫描电镜图。

图3为实施例1生产的钢板冲击断口的扫描电镜图。

图4为对比例1生产的钢板冲击断口的扫描电镜图。

图5为16mm厚试验钢淬火态+回火态试样析出物的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例化学成分的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例化学成分满足系数列表；

表3为本发明各实施例及对比例主要工艺参数列表；

表4为本发明各实施例及对比例的力学性能实验结果列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

3)分段轧制：

5)调质处理：

淬火：淬火温度为900～940℃，保温时间为40～90min；

高温回火：回火温度为590～640℃，在炉时间为60～120min。

表1本发明各实施例及对比例化学成分的取值列表：

表2为本发明各实施例及对比例化学成分满足系数列表：

实施例	板厚/mm	Pcm	CEV	10C+4Mn+Cr	I
						1	16	0.18	0.451	6.86	6.73
2	16	0.20	0.473	7.05	6.75
						3	16	0.22	0.499	7.25	6.74
4	30	0.20	0.470	7.01	6.75
						5	60	0.20	0.471	6.95	6.72
对比1	16	0.26	0.525	8.5	6.77
						对比3	16	0.21	0.466	0.053	6.70

表3为本发明各实施例及对比例主要工艺参数列表：

表4为本发明各实施例及对比例的力学性能检验结果：

通过表1至表3的数据可以看出，本发明中实施例1～5所炼制的钢种均满足本发明钢板的性能指标：满足屈服强度R_el≥690MPa，抗拉强度R_m≥770MPa，延伸率A≥18％，-20℃低温冲击性能≥100J，同时本发明钢的碳当量CEV≤0.50，Pcm≤0.22。

通过表4可以看出，对比例1的10C+4Mn+Cr值高达8.5，虽然其淬透性较好，但C、Mn含量的增加导致了实验钢强度升高，冲击性能下降，同时其碳当量也较高严重影响了材料的焊接性能；而对比例2由于10C+4Mn+Cr值比较低，其淬透性较差，甚至在钢板的局部区域出现了贝氏体组织，导致钢板的强度较低。

通过图1和图2可以看出，实施例1和实施例2生产的钢板的组织主要为回火索氏体；从图3可以看出实施例1生产的钢板的冲击断口形貌为韧窝状断口，韧性较好；从图4可以看出对比例1生产的钢板的冲击断口形貌为解理状断口，韧性明显较实施例1差；从图5可以看出板厚为16mm的试验钢淬火态+回火态试样析出物形态中有大量的点状析出物，众多点状析出物在钢性能强化中起着重要作用。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims

1.一种屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板，其特征在于：所述钢板化学成分的重量百分数为：C：0.040～0.080％，Si：0.20～0.25％，Mn：1.50～1.65％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Nb：0.040～0.050％，Ti：0.006～0.018％，Cr：0.25～0.35％，Mo：0.25～0.30％，Cu：0.30～0.40％，Ni：0.20～0.30％，其余为Fe及不可避免的夹杂；并且，满足焊接裂纹敏感性组合Pcm≤0.22，碳当量CEV≤0.50，10C+4Mn+Cr＝6.5～7.5；其中，

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，

CEV＝C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Ni+Cu)/15；

该方法包括如下步骤：

3)分段轧制：

5)调质处理：

淬火：淬火温度为900～940℃，保温时间为40～90min；

高温回火：回火温度为590～640℃，在炉时间为60～120min。

2.根据权利要求1所述屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板，其特征在于：所述钢板化学成分的重量百分数为：C：0.042～0.065％，Si：0.21～0.24％，Mn：1.52～1.54％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Nb：0.045～0.050％，Ti：0.011～0.018％，Cr：0.28～0.33％，Mo：0.25～0.30％，Cu：0.34～0.37％，Ni：0.25～0.30％，其余为Fe及不可避免的夹杂，并且，满足焊接裂纹敏感性组合Pcm≤0.22，碳当量CEV≤0.50，10C+4Mn+Cr＝6.5～7.5。

3.根据权利要求2所述屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板，其特征在于：所述钢板化学成分的重量百分数为：C：0.061％，Si：0.22％，Mn：1.53％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Nb：0.047％，Ti：0.015％，Cr：0.32％，Mo：0.25％，Cu：0.36％，Ni：0.28％，其余为Fe及不可避免的夹杂。

4.根据权利要求1～3任意一项所述屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板，其特征在于：所述钢板屈服强度R_el≥690MPa，抗拉强度R_m≥770MPa，延伸率A≥18％，-40℃低温冲击性能≥100J。

5.一种权利要求1所述屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板的生产方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

3)分段轧制：

5)调质处理：

淬火：淬火温度为900～940℃，保温时间为40～90min；

高温回火：回火温度为590～640℃，在炉时间为60～120min。

6.根据权利要求5所述屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤5)中，淬火时保温时间为板厚加25～40min，回火时保温时间为板厚加45～60min。