CN105695869A - 屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板及其制造方法，解决现有的桥梁用热轧钢板存在的添加贵重合金元素造成成本增加、-60℃抗冲击性能低的技术问题。本发明提供的屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.12%-0.155%，Si：0.20%-0.40%，Mn：1.20%-1.40%，Mn/C≥9.0，P≤0.018%，S≤0.010%，AL：0.015%-0.050%，Ti：0.02%-0.03%，余量为铁和不可避免夹杂。本发明产品满足—60℃极寒地区桥梁结构用钢。

Description

屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热轧钢板，特别涉及屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板及其制造方法，于铁基合金技术领域。

背景技术

钢铁企业在制造桥梁结构用钢时，目前，对其化学成份的设计有两种常规思路，一是“高碳低锰”，二是“低碳高锰”。在市场竞争剧烈的当今，采用“高碳低锰”化学成份设计思路是钢铁企业降低其生产成本的有效手段，不少钢铁企业采用这种成份的设计思路。

鉴于到桥梁结构用钢在严寒极地的使用环境条件，桥梁结构用钢需要有良好的抗低温冲击性能，在低生产成本情况下，稳定批量制造出抗-60℃的低温冲击性能是对桥梁结构用钢的是钢铁企业一个技术难题。

现有技术中公开了抗低温冲击性能的桥梁钢的设计成份，但已公开的技术中桥梁钢抗冲击性能是在-40℃下的低温，未见公开在-60℃下的抗冲击性能的桥梁结构用钢的技术。

中国专利申请201010576668.2，名称为“一种低成本Q420qE桥梁用钢板的生产方法”的公开了一种桥梁用钢板及其生产方法，该桥梁用钢板按重量百分比含有：C：0.14～0.17％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.40～1.60％，Nb：0.035～0.05％，Ti：0.005～0.02％，S≤0.005％，P≤0.02％，Als：0.020～0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。该钢含有较高的硅、锰等元素，并需向钢中加入铌等微合金元素，成本较高，不能满足钢铁企业对低成本制造的需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，需要提供屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板及其制造方法，本发明通过采用合适的成分设计和热轧工艺设计，在降低制造成本的同时，保证了材料的性能，具有良好的加工成型性能、良好的抗低温冲击性能，满足桥梁用热轧钢板在-60℃严寒极地的使用要求。

本发明的目的是提供屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板及其制造方法，解决现有的桥梁用热轧钢板存在的添加贵重合金元素造成成本增加、-60℃抗冲击性能低的技术问题。

本发明采用的技术方案是：

屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.12%-0.155%，Si：0.20%-0.40%，Mn：1.20%-1.40%，Mn/C≥9.0，P≤0.018%，S≤0.010%，AL：0.015%-0.050%，Ti：0.02%-0.03%，余量为铁和不可避免夹杂。

本发明所述的屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板的化学成分限定在上述范围内的理由如下：

碳：碳能够强化钢材强度，控制在该范围，碳能够形成碳化物和马氏体组织，起到固溶强化作用，提高钢材的强度。本发明设定的C含量为0.12%～0.155%。

硅：硅在钢材中也是强化元素，另外也是脱氧元素。但其含量不可过高，否则会降低钢材的韧性和焊接性能。对桥梁钢而言，保证钢材的韧性和焊接性能是最关键的技术和质量要求，因此，硅含量不能过高。本发明限定Si含量为0.20%～0.40%。

锰：锰是该桥梁钢中主要的强化和韧性化元素。对于本发明的常规成份体系的桥梁钢而言，锰的设计相当重要，桥梁钢的强度和韧性，主要依靠锰来保证。锰含量每提高1%，则钢材的抗拉强度可提高100MPa，但如果锰含量太高，一则增加成本，二则降低钢材的韧性，这对桥梁钢而言是不允许的。本发明限定Mn含量范围为1.20%～1.40%。

申请人在制造桥梁用钢的过程中，意外发现了一种现象，即当桥梁用钢的化学成份中的碳质量含量≥0.12%，同时锰质量含量≥1.20%，并且锰碳质量含量比（Mn/C）≥9.0时，则在该化学成份体系下的桥梁用钢的抗-60℃下的冲击性能（冲击功）达到一个较高值（达到90J以上），远高于要求值（要求在-60℃以下，抗冲击功≥47J），这样在成份设计过程中，就不需要考虑过多的微合金参与，保证了低的生产成本。

但在相同的成份体系下，如果碳含量C<0.12%，同时锰含量<1.20%，即使锰碳比≥9.0，那么材料在-60℃时的冲击性能（冲击功）将低于指标的要求（要求在-60℃以下，抗冲击功≥47J）。例如在设计时，碳含量为0.114%，锰含量为1.12%，锰碳比为9.8，则在-60℃时的冲击性能（冲击功）为37.3J，不能满足使用要求。

申请人经进一步研究发现，当钢中碳含量达到0.12%、锰含量达到1.2%时，大量的碳与钢中的微合金钛结合，形成钛化碳质点，减少了（Fe，Mn）3C脆性组织（渗碳体组织）的含量，使得锰的提高强韧性的作用明显。这样对钢材起到强化、细化晶粒和提高强韧性作用，能够在-60℃下保持好的抗冲击性能。而当钢中的碳含量低于0.12%、同时锰含量也低于1.2%时，形成的钛化碳含量少，此时钢中的渗碳体脆性组织仍处于主要地位，锰的强韧性作用没有得到充分发挥。这样的成份的钢材，不足以满足-60℃下的抗冲击性能，但可以满足-40℃下的抗冲击性能。

在本发明桥梁用钢的化学成份设计中，碳质量含量为0.12%、同时锰质量含量为1.20%，是本发明桥梁用钢在-60℃的抗冲击性能的一个突变点。

硫和磷：硫在钢中形成硫化物夹杂，使其延展性和韧性降低。钢轧制时，由于MnS夹杂随着轧制方向延伸，使钢的各向异性加重，严重时导致钢板分层。同时含硫量高对钢的焊接性不利。磷高增加钢的冷脆性，使钢的脆性转变温度上升，使钢的冲击韧性显著下降。但考虑到实际工艺控制能力，本发明限定S≤0.010%，P≤0.018%。

铝：铝在本发明中的作用是起到脱氧的作用，铝是强氧化性形成元素，和钢中氧形成Al₂O₃在炼钢时去除。铝过高会形成过多的Al₂O₃夹杂，并且连铸浇注是容易堵塞浇注水口。本发明限定Al含量为0.015%～0.05%。

钛：钛在本发明是重要的合金元素，钛在高温轧制时形成TiN析出相有效细化奥氏体晶粒，对在严寒极地使用的桥梁结构钢而言，起到提高强度和韧性的作用，在低温时形成TiC析出相，能够有效提高强度。Ti的原子量较低，添加少量的Ti就能得到明显的强化效果，TiC的析出温度较低，也比较容易得到细小弥散的析出相，强化效果明显。由于Ti在高温阶段会形成TiN，如加入量过少，降低强化作用。如加入量过多，对钢板的冲击韧性有不利影响。本发明限定Ti含量为0.02%～0.03%。

屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板的制造方法，该方法包括：

钢水经连铸得到连铸板坯，其中所述钢水成分的质量百分比为：C：0.12%-0.155%，Si：0.20%-0.40%，Mn：1.20%-1.40%，Mn/C≥9.0，P≤0.018%，S≤0.010%，AL：0.015%-0.050%，Ti：0.02%-0.03%，余量为铁和不可避免杂质；

连铸板坯加热至1100℃～1130℃后进行热轧，所述的热轧为两段式轧制工艺，粗轧为5道次连轧，在奥氏体再结晶温度以上轧制，粗轧结束温度为1020～1070℃；精轧为7道次连轧，在奥氏体非再结晶温度区间轧制，精轧结束温度为860℃～880℃；精轧后，钢板成品厚度为3～12mm，层流冷却采用后段冷却，卷取温度为600℃～630℃；

本发明采取的热轧工艺制度的理由如下：

1、连铸板坯加热温度和加热时间的设定

连铸板坯加热温度和时间的设定在于保证连铸坯中粗大的TiC颗粒的溶解，本发明技术方案Ti含量较高，在连铸板坯冷却过程中会析出TiC颗粒，此时析出的TiC粒子粗大，没有强化作用。需要在热轧前的板坯加热时，将粗大的TiC粒子充分溶解，在轧制后的冷却过程析出足够数量的弥散细小的TiC粒子，这样才能够有效发挥强化作用，这对于本发明技术方案非常重要。温度过低，连铸板坯中原始粗大的TiC粒子不能充分溶解，温度过高，加热时间过长，板坯表面氧化脱碳严重，不利于钢板最终性能和表面质量，同时也消耗能源。因此本发明设定连铸板坯加热温度为1100℃～1130℃。

2、粗轧结束温度设定

粗轧轧制过程控制在奥氏体再结晶温度以上轧制，确保奥氏体经过反复变形和再结晶，得到均匀细小的奥氏体晶粒。因此本发明设定粗轧结束温度为1020℃～1070℃。

3、精轧结束温度设定

本发明的精轧温度设定有两方面的作用，一方面通过奥氏体未再结晶区轧制，得到内部有变形带的扁平状奥氏体晶粒，在随后的层流冷却过程中转变成细小的铁素体晶粒，发挥细晶强化的作用。另一方面，精轧温度设定还要防止TiC大部分提前在变形奥氏体内析出，则在低温段的铁素体中无法再析出细小弥散的TiC粒子，无法获得足够的强度。因此终轧温度过高，则无法发挥细晶强化作用，终轧温度过低，发生形变诱导析出，导致TiC提前在奥氏体区域析出，无法发挥析出强化作用。因此本发明设定精轧结束温度为860℃～880℃。

4、热轧卷取温度的设定

热轧卷取温度主要影响材料的组织、性能，卷取温度影响到氮化物及碳化物的析出过程，卷取温度也不宜太高，否则氧化铁皮严重。综合考虑，本发明设定热轧卷取温度为600℃～630℃。

本发明得到的屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板，热轧钢板的下屈服强度Rel为450～506MPa，抗拉强度Rm为515～596MPa，断后伸长率A≥27%，—60℃低温冲击功≥90J。

本发明相比现有技术具有如下积极效果：

1、本发明通过合适的成分设计和热轧工艺设计，得到了一种不含有贵重合金元素的屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板，本发明能够起到减少合金消耗、能源消耗和降低生产成本的效果。

2、本发明材料化学成分设计优点在于设计Mn质量/C质量≥9.0的化学成分体系，不添加昂贵的Nb等合金元素，降低合金消耗。

3、本发明热轧轧制工艺的特点在于通过合适的板坯加热温度、热轧终轧温度的工艺设计，充分发挥细晶强化，得到的450MPa级桥梁用热轧钢板断后伸长率≥27%，—60℃低温冲击功≥90J。

具体实施方式

下面结合实施例1～4和比较例—中国专利申请201010576668.2中所公开技术方案，对本发明做进一步说明。

表1本发明化学成分（重量百分比%），余量为Fe及不可避免杂质。

由表1可以看出：对比专利为了提高强度，钢中不但含有较高的Si、Mn元素，还需向钢中加入Nb等昂贵的合金元素，生产成本较高，另外对比专利还需严格控制钢中的S元素含量，要求S≤0.005％，大大增加了生产难度，生产过程复杂。

按照本发明材料成分设计的要求，采用铁水预脱硫，转炉顶底复合吹炼，全程吹Ar保护浇铸，浇铸成连铸板坯。

连铸板坯经加热炉再加热后，在连续热连轧轧机上轧制，工艺控制参数见表2，通过粗轧轧机和精轧连轧机组控制轧制后，进行控制快速冷却，然后进行卷取，生产出合格热轧板卷，钢板成品厚度为3～12mm。

表2本发明热轧工艺控制参数

热轧参数	板坯加热温度/℃	粗轧结束温度/℃	精轧结束温度/℃	卷取温度/℃
					本发明	1100-1130	1020～1070℃	860-880	600-630
实施例1	1100	1050	860	600
					实施例2	1126	1060	878	615
实施例3	1119	1063	880	630
					实施例4	1115	1055	863	622
比较例	1150-1210	--	790-830	550-570

将本发明得到的热轧钢板按照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验，按照《GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行冲击功试验，其力学性能见表3。

本发明得到的屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板，下屈服强度Rel为450～506MPa，抗拉强度Rm为515～596MPa，断后伸长率A≥27%，—60℃低温冲击功≥90J。

表3本发明热轧钢板的力学性能

性能指标	下屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率A/%	-60℃冲击功/J
					实施例1	463	582	27	90.5
实施例2	506	596	27	93.2
					实施例3	450	515	30	98.7
实施例4	487	576	30	101.6
					比较例	430-480	545-594	20.5-30	无

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板，其化学成分的质量百分比为：C：0.12%-0.155%，Si：0.20%-0.40%，Mn：1.20%-1.40%，Mn/C≥9.0，P≤0.018%，S≤0.010%，AL：0.015%-0.050%，Ti：0.02%-0.03%，余量为铁和不可避免夹杂。

2.如权利要求1所述的屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板，其3～12mm厚热轧钢板的下屈服强度Rel为450～506MPa，抗拉强度Rm为515～596MPa，断后伸长率A≥27%，—60℃低温冲击功≥90J。

3.如权利要求1或2所述的屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板的制造方法，包括：

钢水经连铸得到连铸板坯；

连铸板坯加热至1100℃～1130℃后进行热轧，所述的热轧为两段式轧制工艺，粗轧为5道次连轧，在奥氏体再结晶温度以上轧制，粗轧结束温度为1020～1070℃；精轧为7道次连轧，在奥氏体非再结晶温度区间轧制，精轧结束温度为860℃～880℃；精轧后层流冷却采用后段冷却，卷取温度为600℃～630℃。

4.如权利要求3所述的屈服强度450MPa级桥梁用热轧钢板的制造方法，其特征在于，精轧后，控制钢板成品厚度为3～12mm。