CN114231826A - 一种Q420qE桥梁结构钢板的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种Q420qE桥梁结构钢板的生产方法，钢的重量百分组成为C=0.08~0.10，Si=0.20~0.30，Mn=1.50~1.60，P≤0.015，S≤0.003，Al=0.02~0.05，Ti=0.008~0.020，Nb=0.080~0.090，Mo=0.20~0.30，Cr=0.20~0.50，余量为Fe和不可避免的杂质元素。本发明可缩短6~30mm厚度Q420qE钢加热在炉时间20~30min，生产效率可提高20%以上，钢板屈服强度在440~500Mpa之间，抗拉强度在560~620Mpa之间，屈强比≤0.85、‑40℃冲击功≥250J，钢板合格率99%以上。

Description

一种Q420qE桥梁结构钢板的生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种高温轧制Q420qE桥梁结构钢板的生产方法。

背景技术

桥梁结构钢主要用于桥梁工程项目的钢结构上，具有承载力高、塑韧性好、焊接性能优良等综合性能。随着科学技术的进步，新时代的桥梁向大跨度、重载荷、轻量化等方向发展，这些对桥梁结构钢也提出了更高的要求，如更高强度、更高韧性等。目前，Q420q强度级别桥梁结构钢是公铁路桥梁的主要品种，应用较广泛，如南京大胜关长江大桥、沪通长江特大桥、港珠澳大桥等。

Q420q属于低合金高强度桥梁钢，各钢厂生产工艺大多采用TMCP或者TMCP+T。合金含量高、加热时间长、生产效率低，是影响中厚板厂生产效率和吨钢成本的主要因素之一。研发出一种快速加热出炉、快速轧制Q420q钢的工艺技术，显得尤为必要。

中国专利CN201910208082.1“一种薄规格低碳钢及其制造方法”公开了一种热轧铁素体钢，产品屈服强度为204～214MPa，抗拉强度316～334MPa，延伸率≥48％，该发明采用C-Si-Mn成分和高温轧制及高温卷曲工艺设计，其生产的产品整体强度较低，满足不了Q420q级别的强度。中国专利CN201810436196.7“一种CSP流程优良成形性能低碳钢钢板及其制造方法”公开了一种热轧铁素体钢，该发明采用C-Si-Mn成分和高温轧制及轧后层流冷却工艺设计，目的降低钢板的氧化铁皮厚度，其生产的产品整体强度在400Mpa以内，不能满足Q420强度级别。中国专利CN106282789A“一种低碳特厚TMCP型Q420qE桥梁钢及其制造方法”公开了一种TMCP型低碳Q420qE桥梁钢及其制造方法，轧制方法采用铸坯缓冷—连铸坯料加热—轧制—预矫直—控制冷却—热矫直—堆垛缓冷—切割精整等工序完成，该发明采用C-Si-Mn-Nb-Cr成分设计，钢板性能较优异，但工序繁琐，生产效率很低。中国专利CN102051525A“一种低成本Q420qE桥梁用钢板的生产方法”公布了一种低成本Q420qE桥梁用钢板的生产方法，该发明采用C-Si-Mn-Nb成分设计，轧制方法采用板坯连铸→铸坯清理→板坯加热→4300轧机轧制→ACC快速冷却→堆冷→探伤→成品取样、检验→入库、发运等工序完成，轧制方法仍采用传统的TMCP模式，对轧制节奏及板型影响较大，生产效率低，不利于高产量生产。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种Q420qE桥梁结构钢板其生产方法，该方法采用高Nb微合金设计，运用“高温快烧+快速轧制”，生产6~30mm厚度Q420qE钢，钢板屈服强度在440~500Mpa之间，抗拉强度在560~620Mpa之间，屈强比≤0.85、-40℃冲击功≥250J。

本发明的技术方案：

一种Q420qE桥梁结构钢板，钢的重量百分组成为C=0.08~0.10，Si=0.20~0.30，Mn=1.50~1.60，P≤0.015，S≤0.003，Al=0.02~0.05，Ti=0.008~0.020，Nb=0.080~0.090，Mo=0.20~0.30，Cr=0.20~0.50，余量为Fe和不可避免的杂质元素。关键工艺步骤包括：

（1）板坯下线：按照上述组分经转炉冶炼并浇注成钢坯，钢坯下线温度600~750℃；

（2）板坯高温加热：钢坯下线后采用热送热装方式，铸坯表面打水冷至550℃以下入炉，加热炉分预热段、I加段、II加段、均热段进行控制加热，预热段温度800~1200℃，I加段温度1200~1300℃，II加段1300~1350℃，均热段1300~1350℃，总在炉时间160~190min，加热速率3~8min/cm，出炉温度1210~1250℃；

（3）粗轧：板坯出炉后经高压水初除磷至粗轧机前，开轧温度≤1240℃，展宽后末三道次平均压下率≥15%，轧制5~7道次，粗轧终轧温度≤1050℃，轧制速度2.5~3m/s，高压水除磷2~3道次；

（4）精轧：中间坯经中间辊道水冷至精轧机前直接轧制，轧制速度6~7m/s，开轧温度≥960℃，轧制7~9道次，平均压下率≥10%，终轧温度840~880℃，高压水除磷1~4道次。

本发明所述的钢种组分的设计原理：

碳：碳是增加钢强度的有效元素，但随碳含量增加桥梁结构钢韧性、塑性和焊接性均会下降，一般碳含量超过0.11%其焊接性能明显恶化，但如果碳含量过低，将影响桥梁钢的强度，而且对工业化生产来说，冶炼比较困难。因此，本发明采用中低碳设计，确定碳含量范围为0.08%~0.10%。

硅：硅在钢中溶于铁素体内，可使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性降低。硅作为脱氧剂能与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是提高钢水纯净度有益的元素。但是过高的硅含量对钢的表面质量和夹杂物的控制不利，也对钢的塑韧性和焊接性不利。本发明确定硅含量的范围为0.20%~0.30%。

锰：锰是重要的强韧性元素，能降低钢中γ→α的相变Ar₃温度，从而促进贝氏体转变。Mn通过溶入铁素体而引起固溶强化，提高钢的强度。锰对晶粒细化有促进作用，因此在提高强度的同时还能改善钢的韧性。但锰也容易发生偏析，与S结合生成MnS等带状组织影响低温冲击及厚度拉伸性能。本发明确定锰含量的范围为1.50%~1.60%。

磷：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性。因此，本发明采用低磷设计，限制磷含量不大于0.015%。

硫：硫是钢中的有害杂质，降低钢的延展性、韧性及焊接性，高硫钢在高温进行压力加工时，容易脆裂。另外，S还可以与Mn形成MnS偏析，严重影响钢的综合性能。因此，本发明采用低硫设计，限制硫含量不大于0.003%。

铝：铝是钢中的脱氧剂，适量Al、Ca的复合，有利于减少夹杂物的数量，改变夹杂物的形态，对桥梁钢的内部质量及塑、韧性都有利。Al有一定的细化晶粒的作用，提高冲击韧性及降低钢的韧脆转变温度。本发明确定铝含量的范围为0.02%~0.05%。

钛：钛能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性，降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。微钛处理形成的TiN，能有效钉扎奥氏体晶界，有利于控制奥氏体晶粒的长大，但钛含量较高时，易生成大尺寸的液析TiN，影响钢的机械性能。本发明确定钛含量的范围为0.008%~0.020%。

铌：铌是微合金化元素，具有固溶强化和细晶强化两种作用。固溶强化是指其溶于奥氏体后，可明显提高钢的淬透性，提高钢的强度、冲击韧性。Nb和C、N结合能生成高熔点、高度分散的Nb（C、N），这种碳化物具有强烈抑制奥氏体再结晶的作用，具有γ中析出钉扎奥氏体晶界、细化原始奥氏体晶粒的特点，使材料在相变后得到组织明显细化，晶粒尺寸较小。含有较高的Nb，奥氏体稳定性更强，可以大幅度提高再结晶终止温度Tnr，使得桥梁钢可以在更高的轧制温度进行加工，得到细化晶粒的作用。本发明采用高Nb设计，确定Nb含量0.080~0.090%。

铬：铬在桥梁钢中的作用多元且重要，能形成较稳定、细小的铬碳化物，均匀度分布在钢体积中，起到组织细化，提高强度、耐磨性的作用。铬和镍形成稳定的化合物，能起到抗氧化和腐蚀的作用，对保护桥梁钢的表面质量有较好的作用。本发明确定铬含量的范围为0.20~0.50%。

钼：钼与镍、铬结合可明显提高钢的淬透性，能起到细化晶粒的作用，可综合提高钢的综合性能，特别是钢的抗拉强度及硬度。一般低合金钢中钼含量选择在0.10%~0.30%，过高的钼含量会导致组织中脆性相增加，从而使得钢的韧性变差，故本方案中钼含量选择在0.20%~0.30%。

本发明所述的生产工艺的设定依据在于：

本发明中Q420qE钢在加热炉内高温快速加热，在较短的时间内就可达到铸坯温度均匀化、合金充分固溶的效果，采用高Nb成分设计，高温下利用大量弥散固溶Nb（C、N）的钉扎晶界作用，可以抑制原始奥氏体晶粒的异常长大；粗轧阶段全在再结晶温度区间轧制，配合大压下以充分细化原始奥氏体晶粒；高Nb、Mo合金的加入，使得Tnr（再结晶终止温度）提升70~100℃，精轧开轧温度≥960℃，大大增加精轧阶段控轧工艺窗口，可以实现中间坯从粗轧出口到精轧不待温轧制；合金成分Mo使得珠光体转变右移，并推迟先共析铁素体及碳化物形成，使得贝氏体转变冷速大大降低，钢板经精轧轧完空冷（0.5~1.0m/s）基体组织便可形成针状铁素体+粒B，再加上高Nb形变诱导析出的细晶作用，最终该工艺空冷条件的Q420qE晶粒度可达11级以上。

本发明的有益效果：用本发明方法生产的6~30mm厚度Q420qE钢加热在炉时间可缩短20~30min，轧制可实现中间坯不待温轧制，生产效率可提高20%以上，钢板屈服强度在440~500Mpa之间，抗拉强度在560~620Mpa之间，屈强比≤0.85、-40℃冲击功≥250J，钢板合格率99%以上。

附图说明

图1为本发明实施例2的工艺流程图。

图2为本发明实施例2的Q420qE桥梁钢1/4厚度处的光学显微镜照片。

具体实施方式

以下以一组实施例进一步说明本发明的内容。

实施例1：6mm厚度Q420qE钢板的生产方法

钢的化学成分如表1。铸坯的厚度为180mm，钢板的厚度为6mm。其生产关键工艺参数为：

按表1实施例1组分经转炉冶炼并浇注成钢坯，后续（1）板坯下线：按照上述组分经转炉冶炼并浇注成钢坯，钢坯下线温度700~750℃；（2）板坯高温加热：钢坯下线后采用热送热装方式，铸坯表面打水冷至550℃以下入炉，加热炉分预热段、I加段、II加段、均热段进行控制加热，预热段温度800~1200℃，I加段温度1200~1300℃，II加段1300~1350℃，均热段1300~1350℃，总在炉时间160min，加热速率3~6min/cm，出炉温度1230~1250℃；（3）粗轧：板坯出炉后经高压水初除磷至粗轧机前，开轧温度1210℃，展宽后末三道次平均压下率22%，轧制5道次，粗轧终轧温度1050℃，轧制速度3m/s，第一、三道次高压水除磷；（4）精轧：中间坯经中间辊道水冷至精轧机前直接轧制，轧制速度7m/s，开轧温度1030℃，轧制7道次，平均压下率18%，终轧温度880℃，第二道次高压水除磷。

实施例2：20mm厚度Q420qE钢板的生产方法

钢的化学成分如表1。铸坯的厚度为260mm，钢板的厚度为20mm。其生产关键工艺参数为：按表1实施例1组分经转炉冶炼并浇注成钢坯，后续（1）板坯下线：按照上述组分经转炉冶炼并浇注成钢坯，钢坯下线温度650~700℃；（2）板坯高温加热：钢坯下线后采用热送热装方式，铸坯表面打水冷至550℃以下入炉，加热炉分预热段、I加段、II加段、均热段进行控制加热，预热段温度800~1200℃，I加段温度1200~1300℃，II加段1300~1350℃，均热段1300~1350℃，总在炉时间180min，加热速率4~7min/cm，出炉温度1220~1240℃；（3）粗轧：板坯出炉后经高压水初除磷至粗轧机前，开轧温度1200℃，展宽后末三道次平均压下率20%，轧制7道次，粗轧终轧温度1040℃，轧制速度2.8m/s，第一、三、五道次除磷；（4）精轧：中间坯经中间辊道水冷至精轧机前直接轧制，轧制速度6.5m/s，开轧温度1000℃，轧制9道次，平均压下率16%，终轧温度860℃，第二、四、六道次除磷。

对实施例2钢板进行微观组织观察，1/4厚度处的光学显微镜照片如图2，其微观组织为50%左右的针状铁素体+45%左右的粒状贝氏体+5%左右的珠光体。

实施例3：30mm厚度Q420qE钢板的生产方法

钢的化学成分如表1。连铸坯的厚度为260mm，钢板的厚度为30mm。其生产关键工艺参数为：

按表1实施例3组分经转炉冶炼并浇注成钢坯，后续（1）板坯下线：按照上述组分经转炉冶炼并浇注成钢坯，钢坯下线温度600~650℃；（2）板坯高温加热：钢坯下线后采用热送热装方式，铸坯表面打水冷至550℃以下入炉，加热炉分预热段、I加段、II加段、均热段进行控制加热，预热段温度800~1200℃，I加段温度1200~1300℃，II加段1300~1350℃，均热段1300~1350℃，总在炉时间190min，加热速率5~8min/cm，出炉温度1210~1230℃；（3）粗轧：板坯出炉后经高压水初除磷至粗轧机前，开轧温度1190℃，展宽后末三道次平均压下率15%，轧制7道次，粗轧终轧温度1020℃，轧制速度2.5m/s，第一、三、五道次高压水除磷；（4）精轧：中间坯经中间辊道水冷至精轧机前直接轧制，轧制速度6.0m/s，开轧温度960℃，轧制9道次，平均压下率10%，终轧温度840℃，第一、三、五、七道次高压水除磷。

对以上三个实施例的钢板进行拉伸、冲击、冷弯试验，其性能如表2。

表1 实施例钢种的化学成分（%）

。

表2 实施例钢板的拉伸性能

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Claims (1)

1.一种Q420qE桥梁结构钢板的生产方法，其特征在于：钢的重量百分组成为C=0.08~0.10，Si=0.20~0.30，Mn=1.50~1.60，P≤0.015，S≤0.003，Al=0.02~0.05，Ti=0.008~0.020，Nb=0.080~0.090，Mo=0.20~0.30，Cr=0.20~0.50，余量为Fe和不可避免的杂质元素；关键工艺步骤包括：

（1）板坯下线：按照上述组分经转炉冶炼并浇注成钢坯，钢坯下线温度600~750℃；

（2）板坯高温加热：钢坯下线后采用热送热装方式，铸坯表面打水冷至550℃以下入炉，加热炉分预热段、I加段、II加段、均热段进行控制加热，预热段温度800~1200℃，I加段温度1200~1300℃，II加段1300~1350℃，均热段1300~1350℃，总在炉时间160~190min，加热速率3~8min/cm，出炉温度1210~1250℃；

（3）粗轧：板坯出炉后经高压水初除磷至粗轧机前，开轧温度≤1240℃，展宽后末三道次平均压下率≥15%，轧制5~7道次，粗轧终轧温度≤1050℃，轧制速度2.5~3m/s，高压水除磷2~3道次；

（4）精轧：中间坯经中间辊道水冷至精轧机前直接轧制，轧制速度6~7m/s，开轧温度≥960℃，轧制7~9道次，平均压下率≥10%，终轧温度840~880℃，高压水除磷1~4道次。

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