CN108239722B - 一种屈服强度≥420MPa的耐候桥梁用钢板及其生产方法 - Google Patents

一种屈服强度≥420MPa的耐候桥梁用钢板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种屈服强度≥420MPa的耐候桥梁用钢板及其制备方法。钢的成分及重量百分比含量为；C：0.06～0.09％，Si：0.25～0.40％，Mn：1.10～1.30％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Cu：0.25～0.40％，Cr：0.40～0.60％，Ni：0.30～0.40％，Nb：0.015～0.030％，Ti：0.010～0.030％，Al：0.020～0.045％，As：≤0.0050％，并控制CEV<0.41％，其余为Fe和不可避免的夹杂。制备方法为：铁水预处理→120t转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→板坯连铸→铸坯缓冷→铸坯清理→再热炉加热→除鳞→粗轧→精轧→加速水冷→热矫直→钢板标识→钢板缓冷→剪切→标识→入库。本发明运用上述成分设计和易于操作的热变形及冷却工艺，将钢板的耐蚀性、低温冲击韧性、疲劳性能及焊接性能发挥到最佳水平。

Description

一种屈服强度≥420MPa的耐候桥梁用钢板及其生产方法
技术领域
本发明属于微合金钢生产技术领域，涉及一种屈服强度≥420MPa高耐疲劳性、易焊接的耐候桥梁用钢板及其生产方法，为桥梁建设行业向着大跨度、全焊接、无涂装方向发展提高提供技术支撑。
背景技术
桥梁结构暴露在大气中，存在严重的腐蚀。随着钢结构桥梁向大跨度、全焊接结构和高参数方向发展，对桥梁结构的安全可靠性要求越来越严格，由此对钢板质量提出了更高的要求，即不仅要求其具有高强度以满足结构轻量化要求，而且还应具有优良的低温韧性、低屈强比、焊接性、抗疲劳性和耐蚀性等，以满足钢结构的安全可靠、长寿等要求。传统的高强度桥梁钢不仅冲击韧性、焊接性、疲劳性较差，而且不能耐大气、海水腐蚀；耐候桥梁用钢因其具有初期成本低、全寿命成本低、建造速度快、对环境影响小、不产生影响健康及安全问题等优点，在国外得到了广泛发展，并已成为桥梁用钢发展的一个新方向。随着我国经济的不断发展，我国公路与铁路基础建设投资力度加大，桥梁建设作为其中的一部分也得到了快速发展，给桥梁用钢带来了广阔的应用市场。耐候桥梁用钢可满足我国对钢桥提出的节约环保及可持续发展的新要求，要求在桥梁建造上采用耐候钢的呼声已经重新引起桥梁钢研发者的重视，势必会在钢结构桥梁上得到大力推广。鉴于桥梁建设行业发展的需要，我国2016年6月1日开始实施的GB/T 714-2015版新标准中较其取代的GB/T714-2015版标准增加了耐候桥梁钢。新标准的实施势必会加快耐候桥梁钢在我国桥梁建设中的的推广应用。相对于2008版，新标准对钢板的低温冲击韧性、碳当量等要求有了大幅度提高，但是对影响桥梁结构使用安全和寿命的疲劳性能仍没有明确要求。
根据相关的文献资料及已公开的最新专利技术查新结果，目前只有以下六个相关专利，且均未授权：
中国专利CN201610295605.7“485MPa级TMCP+回火耐候桥梁钢板及生产方法”与中国专利CN200910312332.2“一种耐候桥梁用高强度钢板及其生产方法”均由舞阳钢铁有限责任公司申请。与本次申请发明相比较，上述两专利其所涉及钢板的成分设计中均添加了V和Mo元素，且分别采用TMCP+回火与TMCP+淬火+回火工艺，势必会增加生产成本；同时，其仅提及-23℃冲击性能，更低温度下冲击韧性情况未曾提及，且未涉及试制钢板的疲劳性能。
中国专利CN201710764809.5“一种屈服强度420MPa级稀土耐候桥梁钢板及其生产方法”与中国专利CN 201710763956.0“一种屈服强度345MPa级稀土耐候桥梁钢板及其生产方法”均由包头钢铁(集团)有限责任公司提出申请。与本次申请发明相比较，上述专利成分设计中添加了稀土Ce元素，势必会增加生产成本，且所需的轧后冷速10～15℃/s较大，无疑工艺实现难度和钢板性能波动；其强度及-40℃冲击功其低于本次申请专利，且未涉及试制钢板的疲劳性能。
中国专利CN 201710909081.0公开了一种“TMCP型屈服345MPa级耐候桥梁钢板及生产方法”。与本次申请发明相比较，该专利成分设计中未添加Ti元素，且在C和Mn元素的设计上差别较大；其低温冲击性能方面仅给出-40℃的138J冲击功，相对国标要求的120J冲击功富余量较小；同时未涉及试制钢板的疲劳性能。
中国专利CN 201610750239.X公开了“一种止裂型特厚高性能耐侯桥梁钢Q500qENH钢板及其生产办法”。与本次申请发明相比较，该专利成分设计中未添加Ti元素，添加Mo元素，且在Ni和Cr元素含量设计上差别较大，其合金成本相比较高；同时其采用生产工艺上差别较大：冶炼阶段采用VD+LF+VD模式得到所需模铸钢锭为热轧原料，其成材率较大，生产成本较高；所试制钢板仅涉及50-100mm厚规格钢板，且仅给出-40℃冲击功，未给出更低温度下及钢板厚度心部冲击功情况。同时未涉及试制钢板的疲劳性能。
发明内容
基于上述不足，本发明的目的是，提供一种屈服强度≥420MPa高耐疲劳性、易焊接的耐候桥梁用钢板及其生产方法，该钢种成本相对低廉，工艺简单易于操作，非常适合连续化大生产，钢板综合性能良好，且能为桥梁建设行业向着大跨度、全焊接、无涂装方向的发展提供技术支撑。
为达到上述目的，本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种屈服强度≥420MPa高耐疲劳性、易焊接的耐候桥梁用钢板，所述钢板其主要化学成分含量wt％为：C：0.06～0.09％，Si：0.25～0.40％，Mn：1.10～1.30％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Cu：0.25～0.40％，Cr：0.40～0.60％，Ni：0.30～0.40％，Nb：0.015～0.030％，Ti：0.010～0.030％，Al：0.020～0.045％，并控制CEV<0.41％，其余为Fe和不可避免的夹杂。
所述钢板的耐腐蚀性指数I≥6.3，Pcm≤0.19％，疲劳极限值σ-1＞300MPa，屈强比≤0.82，钢板厚度中心处-50℃冲击功＞200J。
本发明还提供了上述屈服强度≥420MPa的耐候桥梁用钢板的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
冶炼及连铸工艺：采用转炉冶炼，期间采用双渣操作以降低P含量；通过LF+RH精炼，降低含O、H、N等有害气体及S含量；采用耐候专用保护渣进行全保护浇注，配合轻压下工艺，轻压下量控制在5～6mm，拉坯速度控制在1.1～1.3m/min，加强连铸过程一冷、二冷工艺控制，且连铸坯下线缓冷48h以上；
加热工艺：严格控制加热炉内的气氛，保证其为还原性或中性。加热温度为1160～1200℃，加热速度按8～10min/cm，均热时间不少于40min以保证钢坯烧匀烧透；同时加快在1100℃以上高温区间的升温速度以缩短在该温度区间的停留时间，保证出炉即轧；
轧制工艺：采用≥1000℃的完全再结晶区粗轧+开轧温度880～900℃的未再结晶区精轧的两阶段控轧工艺，并保证粗轧阶段最后一道次在热轧阶段的最大压下率，中间待温厚度为3.0～4.0倍成品厚度，轧后钢板立即进行加速冷却，冷速<10℃/s，终冷温度控制在620～660℃之间。
本发明中，该方法所得钢板组织为铁素体+珠光体的复合组织，其厚度≤50mm。
本发明中，步骤1)中冶炼终点时，[Mn]/[Si]控制在4.5～5.0，以最大程度改善组织中带状组织。
本发明中，在LF精炼时，控制钢水中Ca含量为0.0008-0.0025％，以改善夹杂物形态。
本发明中，步骤1)中冶炼终点时，[N]≤0.0040％；[H]≤0.0002％；[O]≤0.0025％，[As]≤0.0050％，以保证铸坯及钢板质量。
本发明中，保证粗轧阶段最后一道次在热轧阶段的最大压下率以保证足够的变形量渗透到铸坯心部，达到充分细化晶粒并均匀钢板厚度方向金相组织的作用。
本发明成分设计：采用低碳设计，以Cr+Cu+Ni为基并辅以Nb+Ti复合微合金化，以达到钢板同时具备优异的强塑性、低温冲击性、焊接性、耐疲劳性及焊接性。生产工艺流程为：铁水预处理→120t转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→板坯连铸→铸坯缓冷→铸坯清理→再热炉加热→除鳞→粗轧→精轧→加速水冷→热矫直→钢板标识→钢板缓冷→剪切→标识→入库。本发明运用上述成分设计和易于操作的热变形及冷却工艺，将钢板的耐蚀性、低温冲击韧性、疲劳性能及焊接性能发挥到最佳水平：屈服强度≥420MPa，屈强比≤0.82；伸长率＞28％；-50℃冲击功≥300J，且钢板厚度中心处-50℃冲击功＞200J；其耐腐蚀性指数I≥6.3，疲劳极限值σ-1＞300MPa。该钢种很好地适应了桥梁建设行业发展的需要，为桥梁建设行业向着大跨度、全焊接、无涂装方向发展提供技术支撑。
附图说明
图1为25mm耐候桥梁用钢板表面处金相组织；
图2为25mm耐候桥梁用钢板1/4厚度处金相组织；
图3为25mm耐候桥梁用钢板1/2厚度处金相组织。
具体实施方式
本说明书中公开得任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
下面列举采用本发明的生产工艺生产的三种化学成分配比的风电用钢板即实施例1、2和3，三个实施例得到的钢板化学成分配比参见表1，具体生产工艺见表2。
概括的说，实施例1-3钢板的生产方法依次包括如下步骤：
(1)冶炼工艺：采用转炉冶炼；
(2)LF精炼+RH真空处理：通过精炼和RH真空处理工艺降低钢水中含O、H、N等有害气体及S含量；在LF精炼时，控制钢水中Ca含量为0.0008-0.0030wt％，[Mn]/[Si]控制在4.5～5.0，以最大程度改善组织中带状组织；[N]≤0.0040％；[H]≤0.0002％；[O]≤0.0025％，[As]≤0.0050％，以保证铸坯及钢板质量。
(3)连铸：采用耐候专用保护渣进行全保护浇注，配合轻压下工艺，轻压下量控制在5～6mm，拉坯速度控制在1.1～1.3m/min，加强连铸过程一冷、二冷工艺控制，且连铸坯下线缓冷48h以上，得到的连铸坯尺寸为250*1800*3600(mm)。
(4)板坯加热：严格控制加热炉内的气氛，保证其为还原性或中性。加热温度为1160～1200℃，加热速度按8～10min/cm，均热时间不少于40min以保证钢坯烧匀烧透；同时加快在1100℃以上高温区间的升温速度以缩短在该温度区间的停留时间，保证出炉即轧。
(5)轧制：采用双机架两阶段控轧工艺，粗轧机进行≥1000℃的完全再结晶轧制，待温厚度为3.0～4.0倍成品厚度；精轧机开轧温度为880～900℃；
(6)水冷：轧后钢板立即进行加速冷却，冷速为10～15℃/s，终冷温度为600～650℃，加速冷却后空冷至室温。
将水冷后的钢板进行实物性能检验，结果见表3。
表1 本发明Q420级别耐候桥梁用钢板的化学成分及含量(wt％)
编号 实施例1 实施例2 实施例3
C 0.075 0.076 0.081
Si 0.3 0.29 0.29
Mn 1.21 1.21 1.2
P 0.013 0.013 0.012
S 0.004 0.003 0.005
Cu 0.28 0.29 0.28
Ni 0.32 0.32 0.32
Cr 0.45 0.45 0.44
As 0.005 0.004 0.004
Nb 0.022 0.021 0.021
Al 0.033 0.031 0.036
Ti 0.015 0.013 0.018
Ca 0.0008 0.0008 0.0008
H 0.00013 0.0001 0.0001
O 0.001 0.0013 0.001
N 0.0017 0.0019 0.0018
CEV 0.406 0.408 0.409
表2 本发明Q420级别耐候桥梁用钢板的生产工艺
编号 实施例1 实施例2 实施例3
加热温度/℃ 1170 1168 1165
粗轧开轧温度/℃ 1135 1131 1131
粗轧终轧温度/℃ 1085 1087 1088
待温厚度/mm 70 87.5 90
精轧开轧温度/℃ 880 878 876
精轧终轧温度/℃ 829 832 834
开冷温度/℃ 788 786 785
终冷温度/℃ 662 668 667
冷却速率/℃/s 6 5 5
表3本发明Q420级别耐候桥梁用钢板的实物性能
表3中钢板的屈服强度、抗拉强度和伸长率测试请参见GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验》。钢材的冲击功测试请参见GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》。疲劳极限值σ-1的测试参见GB/T 3075-2008金属材料疲劳试验轴向力控制方法。
从以上表中数据可以看出，该工艺简单易于操作，钢板具有强度适中，塑性好，低温韧性高的特点，疲劳性能好，适合大规模工业生产。
从图1至图3 25mm耐候桥梁用钢板的金相组织图可以看出，钢板组织为铁素体+珠光体的复合组织，钢板沿厚度方向不同位置的组织均较为均匀，晶粒度不低于11级且无明显的带状组织。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种屈服强度≥420MPa的耐候桥梁用钢板的制备方法，其特征在于，所述钢板的成分及重量百分比含量为；C：0.06～0.09％，Si：0.25～0.40％，Mn：1.10～1.30％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Cu：0.25～0.40％，Cr：0.40～0.60％，Ni：0.30～0.40％，Nb：0.015～0.030％，Ti：0.010～0.030％，Al：0.020～0.045％，并控制CEV<0.41％，其余为Fe和不可避免的夹杂；
所述方法包括以下步骤：
1)冶炼工艺：采用转炉冶炼，通过LF+RH精炼，降低含O、H、N有害气体及S含量；采用全保护浇注，连铸坯下线缓冷48h以上；
2)加热工艺：加热温度为1160～1200℃，加热速度8～10min/cm，均热时间不少于40min；
3)轧制工艺：采用≥1000℃的完全再结晶区粗轧+开轧温度880～900℃的未再结晶区精轧的两阶段控轧工艺，中间待温厚度为3.0～4.0倍成品厚度，轧后钢板立即进行加速冷却，冷速<10℃/s，终冷温度控制在620～660℃；
该方法所得钢板组织为铁素体+珠光体的复合组织，其厚度为20-50mm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钢板的耐腐蚀性指数I≥6.3，Pcm≤0.19％，疲劳极限值σ-1＞300MPa，屈强比≤0.82，钢板厚度中心处-50℃冲击功＞200J。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中冶炼终点时，[Mn]/[Si]控制在4.5～5.0。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在LF精炼时，控制钢水中Ca含量为0.0008-0.0025％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中冶炼终点时，[N]≤0.0040％；[H]≤0.0002％；[O]≤0.0025％，[As]≤0.0050％。
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