CN111893402A - 一种超低温耐候桥梁钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低温耐候桥梁钢及其生产方法,其包括如下化学成分:C、Si、Mn、P、S、Als、Nb、V、Cu、Cr、N、Ti,其余为Fe和残余元素;获得的钢板组织中含有超过70%的准多边形铁素体、低于20%的贝氏体,以及低于10%的珠光体,碳当量Ceq≤0.43%,屈服强度>420MPa,‑100℃冲击功≥120J。在成分设计上,综合考虑各种合金元素对强韧性的影响,采用低碳微合金化的思路,降低了合金成本,同时获得了良好的冲击韧性;生产工艺上采用TMCP轧制,缩短了整体工艺流程,取消了热处理环节,对提高物流转运及降低生产成本效益显著。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶炼技术领域,具体涉及到一种超低温耐候桥梁钢及其生产方法。
背景技术
耐候桥梁钢,即耐大气腐蚀的桥梁钢,由普通的桥梁钢添加少量铬、镍、铜、磷等耐腐蚀元素而成,具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、抗疲劳等特性;耐候性为普通钢的2~8倍,涂装性为普通钢的1.5~10倍。目前我国桥梁用钢强度等级与韧性不断提高,焊接性能持续改善。铁路桥梁用钢、公路桥梁用钢、跨海大桥用钢成为我国桥梁用钢的主体。顺应时代发展要求的高强度、超低温性能耐候桥梁钢将是我国桥梁用钢发展的主要方向。目前GB/T714-2015《桥梁用结构钢》标准中钢种质量等级只规定到E级,但E级标准已经不能满足恶劣环境下对高强度超低温耐候桥梁钢的需求,开发超低温冲击(-100℃冲击功≥120J)耐候桥梁钢成为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低温耐候桥梁钢及其生产方法。
为达到上述目的,本发明是通过以下方式实现的,一种超低温耐候桥梁钢,包括如下质量含量的化学成分(单位,wt%):C:0.06~0.08%、Si:0.20~0.35%、Mn:1.1~1.2%、P:≤0.018%、S:≤0.005%、Als:0.015~0.035%、Nb:0.02~0.04%、V:≤0.03%、Cu:0.27~0.33%、Cr:0.40~0.50%、Ni:0.30~0.40%、Ti:≤0.02%,其余为Fe和残余元素;
所述钢板的组织含有超过70%的准多边形铁素体、低于20%的贝氏体,以及低于10%的珠光体;
所述钢板的碳当量Ceq≤0.43%,屈服强度>420MPa,-100℃冲击功≥120J。
之所以选择上述化学成分是因为:
C在钢种的主要作用是提高强度,对其它性能都是不利的,该钢中将C控制在0.07%左右,随着C含量降低,强度会急剧下降,所以添加各种微合金元素进行弥补;
Si可以使钢的强度极限、屈服极限和硬度提高,使钢的延伸率、收缩率和冲击韧性有所降低,在桥梁钢中影响Pcm裂纹敏感指数,所以Si含量也要低些;
Mn是钢的强化合金元素,Mn含量增加可提高奥氏体稳定性,降低临界冷却速度,强化铁素体,提高钢材的淬透性,但含量过高会增加铸坯中硫化锰夹杂物含量,影响铸坯内部质量,另外,Mn太高使碳当量提高,对焊接性不利,结合桥梁钢的碳当量要求因此将锰控制在1.10-1.20%;
P、S属于有害元素,易偏聚于晶界,降低晶界表面能,降低脆性断裂应力,影响韧脆转变温度,故含量越低越好,P在钢种还有有益的一面,它能使钢的强度极限显著提高,又能改善抗大气腐蚀的稳定性,在耐候钢中能提高耐候系数,因此本发明P≤0.018%、S≤0.005%;
Nb和V都是极易与钢中的N形成氮化物,极微量的Nb和V就可使钢中的自由N基本消失,不仅降低了自由对钢脆性的影响,而且Nb和V的氮化物具有大量的形核作用,使晶粒细化并起到钉扎作用;
Cr具有高硬度、高强度、高屈服点、高的耐磨性而对塑性、韧性影响又不大,由于它能使组织细化而又均分布,所以塑性、韧性也好,Cr与Ni结合能大大提高钢的强度和塑性;
Ni既强烈提高钢的强度,又始终使钢的韧性保持极高的水平,其变脆温度极低,当镍>0.3%时,其变脆温度即达-100℃以下;
Cu能提高钢的强度极限,还能提高低碳钢的冲击韧性,显著提高钢的耐腐蚀性能,但Cu含量超过0.5%会引起沉淀硬化效应。
因此本发明中16~46mm厚的超低温耐候桥梁钢,各化学成分的质量含量(单位,wt%)如下:C:0.06~0.08%、Si:0.20~0.35%、Mn:1.1~1.2%、P:≤0.018%、S:≤0.005%、Als:0.015~0.035%、Nb:0.02~0.04%、V:≤0.03%、Cu:0.27~0.33%、Cr:0.40~0.50%、Ni:0.30~0.40%、Ti:≤0.02%,其余为Fe和残余元素,钢板的碳当量Ceq≤0.43%。其中厚度≤30mm时,钢板中不需要加V;厚度>30mm时,V的含量在0.02~0.03%之间。
为保证16~46mm厚的超低温耐候桥梁钢所要求的性能,甚至高于其性能所需,本发明采取以下生产方法措施来实现的:钢水经过洁净冶炼,连铸浇钢过程全程保护浇铸,铸坯经过加热、除磷、控轧控冷及堆冷获得所述钢板,具体如下:
(1)洁净钢水冶炼:铁水经KR预处理、转炉冶炼及VD+LF+VD冶炼,获得洁净钢水;其中:铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005%,脱硫周期≤21min、脱硫温降≤20℃;转炉冶炼结束,出钢温度≥1560℃、0.05%≤C≤0.08%、P≤0.009%;VD+LF+VD冶炼结束,钢水离站温度控制在1565~1570℃,H含量≤1.2ppm;
(2)连铸:中包过热度10-25℃,全程保护浇铸,大包开浇后1min内必须套保护管,中包浇注过程中必须保证钢液面不见红,浇钢过程中控制塞棒吹氩量,保证结晶器液面波动轻微;铸坯下线后要求堆冷≥24h;
(3)铸坯加热:预热段温度≤950℃,加热段温度1210~1230℃,保温段温度1200~1220℃,总加热时间10~12min/cm;
(4)除磷:铸坯加热经一次除磷后,需重新装入加热炉进行二次加热,加热温度为1200~1220℃、加热时间为4~6min,二次加热后再次出钢除磷;
(5)控轧控冷:铸坯除磷后,立即进行控温轧制;粗轧开轧温度≥980℃,进钢速度1.5m/s,累计压下率≥60%,晾钢厚度为成品厚度+50~80mm,粗轧结束后进入IC进行冷却,冷却速度≤3℃/S;精轧开轧温度控制在810~890℃,终轧温度控制在790~870℃,终轧结束钢板在轧机机后辊道慢速行进40S~90S进入ACC快冷,冷却速度控制在7~12℃/S,返红温度590~630℃;
(6)堆冷:钢板下线后入缓冷坑堆冷,堆冷温度350~450℃,堆冷时间≥24小时。
在一些实施方式中,经上述工艺处理获得的钢板的组织含有超过70%的准多边形铁素体、低于20%的贝氏体,以及低于10%的珠光体。
在一些实施方式中,通过性能检测,钢板屈服强度>420MPa、-100℃冲击功≥120J。
本发明的有益效果是:
在成分设计上,综合考虑各种合金元素对强韧性的影响,采用低碳微合金化的思路,选取低C、低Mn添加一定范围的Nb、V、和耐候成分元素Cr、Ni、Cu等,再通过相应的工艺措施,使所得到的钢板组织定位以铁素体为主,并含有少量的珠光体、贝氏体。
钢水冶炼采用VD+LF+VD工艺,第一次VD是为了脱碳、脱氧,通过真空减压,使溶解于钢水中的氧游离出来与碳反应,达到脱碳脱氧的目的,碳含量要求处于标准的下限;中间的LF炉冶炼是提高钢水温度,添加合金元素,在吹氩加白渣的作用下精炼除夹渣物,添加合金元素过程中会相应增加含碳量,但在要求范围内,在LF炉中加入铝线进一步脱氧;最后的VD炉处理是为了进一步真空减压,释放出钢液中含氢量,进一步去除杂质,获得优质钢水。
采用二次加热+二次除磷,可以确保铸坯表面氧化铁皮去除95%以上,之所以采用此工艺,主要是因为钢种成分中加有Ni,铸坯加热后按正常方法无法全部去除表面一次氧化铁皮,故采取二次加热+二次除磷的方法予以解决。
采用TMCP轧制,缩短了整体工艺流程,取消了热处理环节,对提高物流转运及降低生产成本效益显著。其中,粗轧采用高温低速大压下轧制,累计压下率≥60%,实现钢坯内部组织晶粒细化,精轧前使用IC快速冷却将钢板温度冷却至奥氏体未再结晶区温度以下,是实现更多的准多边形铁素体和针状铁素体等相的先期转变;快冷是为得到贝氏体和珠光体,铁素体具有高的延展性和高的冲击韧性,而贝氏体和珠光体又具有较高的抗拉强度和较高的屈服强度。精轧温度控制在未再结晶区以下,根据钢板厚度不同,控制不同的精轧温度,以30mm厚度为界限,钢板越薄对应的开轧温度及终轧温度越接近上限、钢板越厚对应的开轧温度及终轧温度越接近下限;终轧结束,钢板在轧机机后辊道上慢速行进40S~90S,钢板越厚辊速越低,钢板行进越慢,相应的行进时间越长,实现钢板心部与表面温度均衡,通过变形奥氏***错恢复以及微合金元素的不断析出这一物理冶金过程,促进中温区各组织的转变,生成最终的目标组织,同时达到晶粒细化的目的。
附图说明
下面结合附图及实施例,对本发明的技术特征作进一步描述。
附图1是实例3中40mm厚钢板的金相组织放大200倍的示意图。
附图2是实例3中40mm厚钢板的金相组织放大500倍的示意图。
具体实施方式
不同厚度实施例的钢板成分设计如下:
微量元素要求:
铁水经KR脱硫、转炉、氩站、VD脱碳、LF精炼、VD真空处理、连铸、铸坯切割堆冷、铸坯加热、除磷、控轧控冷、堆冷获得成品钢板。具体生产过程如下:
a.KR铁水预处理:脱硫剂用Mg粉、CaO或Mg粉+CaO,到站铁水必须扒前渣与扒后渣,保证液面渣层厚度≤20mm,铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005%,保证脱硫周期≤21min、脱硫温降≤20℃。
b.转炉冶炼:采用正常包冶炼,要求铁水S≤0.030%;转炉终点控制:出钢温度≥1600℃、0.05%≤C≤0.08%、P≤0.009%,出钢过程中不吹氩、不向钢水中加入任何脱氧剂和合金。
c.氩站:钢水到氩站后,先取氩后样,暂时禁止向钢水中加入合金、铝线或辅料,同时也禁止吹氩。钢水直接吊至VD炉真空处理,执行VD脱碳工艺,离站温度按照≥1560℃控制。
d.VD脱碳:钢水到VD座好后,主操工首先进行测温;而后依据氩后碳含量补加适量氧化铁皮,铁皮加入量参考如下:
氩后C/% | <0.04% | ≤0.04-0.05% | ≥0.05-0.06% |
氧化铁皮加入量/Kg | 0 | 40 | 100 |
抽真空后必须保压8min以上,为提高脱碳效果保压过程必须提高吹氩强度,确保真空状态下裸眼直径在400mm以上,脱C结束后加入4.0m/t铝线。
e.LF精炼:采用低碳合金(低碳锰铁、低碳铬铁),严禁采用高碳合金。要求一加热结束炉渣必须变白或黄白,白渣保持时间≥30min,要求精炼结束的终渣为流动性良好、粘度合适的泡沫白渣;严格执行软吹氩工艺,严禁爆吹。脱氧剂以电石、铝粒为主,过程Als控制在0.010-0.030%之间,若一加热Als含量在0.015%以下,合金加入完毕后可以加入铝线,参考加入量按照2m/t钢控制。精炼环节所有合金元素均按照目标值控制,C、Mn禁止同时走下限或同时走上限。
f.VD脱气:钢水到站温度控制在1610~1615℃之间,在真空保压13~16min,保压过程必须提高吹氩强度,确保单个裸眼直径在500mm以上;破空后第一时间加入钛铁,并加入铝线,铝线按照1.0-1.5m/t钢控制;钛铁以及铝线加入后,软吹氩时间必须在5min以上;最终H含量≤1.2ppm,VD离站温度控制在1565~1570℃。
g.连铸:连铸浇钢采用电磁搅拌,全程保护浇铸,大包开浇后1min内套保护管,中包浇注过程中保证钢液面不见红,浇钢过程中合理控制塞棒吹氩量,保证结晶器液面波动轻微;铸坯下线后要求堆冷≥24h。
h.铸坯加热:预热段温度850~950℃,加热段温度1210~1230℃,保温段温度1200~1220℃,总加热时间按10min/cm控制。
i.除磷:铸坯一次加热出钢快速除磷后重新装入加热炉均热段进行二次加热,二次加热时间为4~6min,二次加热后出钢进行二次除磷送轧,经过二次加热除磷后表面一次铁皮可去除95%以上。
j.控轧控冷:采用双机架轧机控温轧制,钢坯二次除磷后快速送轧,粗轧开轧温度≥980℃,进钢速度1.5m/s,累计压下率≥60%,晾钢厚度为60~100mm,粗轧结束后进入IC进行冷却,出水温度控制在850~900℃,在辊道上空冷均温;精轧开轧温度控制在810~890℃,终轧温度控制在790~870℃,终轧结束后在机后辊道慢速行进约40S-90S进入ACC快冷,返红温度560~590℃。
k.堆冷:下线后入缓冷坑钢板温度350~450℃,缓冷时间24小时。
4个实施例共生产48批,按上述工艺控制,其中屈服强度平均452MPa,抗拉强度平均565MPa,伸长率平均25%,-100℃冲击功平均216J,耐候系数I≥6.4;各项性能指标均达到,甚至超过达到GB/T714-2015中TMCP轧制Q420qENH耐候桥梁钢标准。各实施例力学性能指标(平均值)如下:
附图1和附图2分别是实例3中40mm厚钢板的金相组织放大200倍和500倍的示意图:超过70%的准多边形铁素体、低于20%的贝氏体以及低于10%的珠光体,晶粒度10级。
4个实施例48批产品外检及探伤:钢板外检正品率100%,按GB/T2970-2004进行探伤,全部合一级。
Claims (4)
1.一种超低温耐候桥梁钢,其特征在于该桥梁钢包括如下质量含量的化学成分:C:0.06~0.08%、Si:0.20~0.35%、Mn:1.1~1.2%、P:≤0.018%、S:≤0.005%、Als:0.015~0.035%、Nb:0.02~0.04%、V:≤0.03%、Cu:0.27~0.33%、Cr:0.40~0.50%、Ni:0.30~0.40%、Ti:≤0.02%,其余为Fe和残余元素;
所述钢板的组织含有超过70%的准多边形铁素体、低于20%的贝氏体以及低于10%的珠光体;
所述钢板的碳当量Ceq≤0.43%,屈服强度>420MPa,-100℃冲击功≥120J。
2.根据权利要求1所述的超低温耐候桥梁钢,其特征在于所述钢板的厚度为16~46mm。
3.根据权利要求1所述的超低温耐候桥梁钢,其特征在于所述钢板的厚度≤30mm时,化学成分中不含V;钢板的厚度>30mm时,V的含量在0.02~0.03%之间。
4.根据权利要求1所述的超低温耐候桥梁钢的生产方法,其特征在于包括以下步骤:钢水经过洁净冶炼,连铸浇钢过程全程保护浇铸,铸坯经过加热、除磷、控轧控冷及堆冷获得所述钢板,具体如下:
(1)洁净钢水冶炼:铁水经KR预处理、转炉冶炼及VD+LF+VD冶炼,获得洁净钢水;其中:铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005%,脱硫周期≤21min、脱硫温降≤20℃;转炉冶炼结束,出钢温度≥1560℃、0.05%≤C≤0.08%、P≤0.009%;VD+LF+VD冶炼结束,钢水离站温度控制在1565~1570℃,H含量≤1.2ppm;
(2)连铸:中包过热度10-25℃,全程保护浇铸,大包开浇后1min内必须套保护管,中包浇注过程中必须保证钢液面不见红,浇钢过程中控制塞棒吹氩量,保证结晶器液面波动轻微;铸坯下线后要求堆冷≥24h;
(3)铸坯加热:预热段温度≤950℃,加热段温度1210~1230℃,保温段温度1200~1220℃,总加热时间10~12min/cm;
(4)除磷:铸坯加热经一次除磷后,需重新装入加热炉进行二次加热,加热温度为1200~1220℃、加热时间为4~6min,二次加热后再次出钢除磷;
(5)控轧控冷:铸坯除磷后,立即进行控温轧制;粗轧开轧温度≥980℃,进钢速度1.5m/s,累计压下率≥60%,晾钢厚度为成品厚度+50~80mm,粗轧结束后进入IC进行冷却,冷却速度≤3℃/S;精轧开轧温度控制在810~890℃,终轧温度控制在790~870℃,终轧结束钢板在轧机机后辊道慢速行进40S~90S进入ACC快冷,冷却速度控制在7~12℃/S,返红温度590~630℃;
(6)堆冷:钢板下线后入缓冷坑堆冷,堆冷温度350~450℃,堆冷时间≥24小时。
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2020
- 2020-09-14 CN CN202010962123.9A patent/CN111893402A/zh active Pending
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