CN114410875A - 一种具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢及其制造方法，所述输电铁塔用钢包括以下重量百分比的化学成分：C:0.09～0.11％、Si≤0.04％、Mn:1.50～1.60％、P≤0.015％、S≤0.008％、Nb:0.040～0.050％、Ti:0.010～0.030％、Als:0.030～0.060％，且Mn/Si＞50，其余为Fe及不可避免的夹杂，本发明通过Si含量的严格控制、Nb与Ti复合合金化及热轧温度的合理调配等设计，生产出具有均匀细小的铁素体+贝氏体组织的厚度范围6.0～12.0mm的具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢。
Description
技术领域
本发明属于输电铁塔用钢技术领域，具体涉及一种具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢及其制造方法。
背景技术
发展特高压输电是国家目前从能源和电力发展全局作出的重大战略决策和部署。目前中国输配电电压等级可达到1100kV，居世界前列。随输电线路电压等级提升，用钢量与承载能力不断提高，铁塔自重与焊接难度也越来越大。现今多以Q235和Q345低级别结构钢为主。因此，为满足实际使用状况，铁塔用钢热轧钢带强度急需提升，高强钢的使用可简化铁塔结构，减小自重，并且能降低运输成本等费用。同时，为满足输电铁塔在严寒地区能正常使用，铁塔用钢需具备良好的低温韧性。
铁塔用钢需求量约350-400万吨/年，其中碳钢及低合金高强钢约占20％，带钢表面经热浸镀锌进行防腐处理后，成型制得所需构件。表面氧化铁皮厚度是衡量热轧带钢表面质量重要指标，氧化铁皮厚度一般不超过10μm，以防后续热浸镀锌过程中氧化铁皮清洗不彻底，出现锌层厚度不均匀现象，增加客户加工成本及影响终端客户使用。因此，表面质量是输电铁塔关键控制要点。
但是，如何生产出具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢热轧钢带以及如何从成分与工艺的设计上来保证钢带具有良好的表面质量以利于后续热浸镀锌工序的进行，现有技术中并未公开。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢及其制造方法，通过Si含量的严格控制、Nb与Ti复合合金化及热轧过程温度的合理匹配等设计，生产出具有均匀细小的铁素体+贝氏体组织的输电铁塔用钢，其中厚度范围：6.0～12.0mm；屈服强度≥450MPa；抗拉强度≥550MPa；-60℃冲击功≥120J的用于制造高强度的输电铁塔用钢。
本发明采取的技术方案如下：
一种具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢，包括以下重量百分比的化学成分：C:0.09～0.11％、Si≤0.04％、Mn:1.50～1.60％、P≤0.015％、S≤0.008％、Nb:0.040～0.050％、Ti:0.010～0.030％、Als:0.030～0.060％，且Mn/Si＞50，其余为Fe及不可避免的夹杂。
所述具有良好低温韧性的易镀锌高强韧输电铁塔用钢的金相组织为铁素体+贝氏体，晶粒度等级为12级以上。
所述具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢的氧化铁皮厚度＜7μm并且厚度均匀，氧化层主要结构为Fe304。
本发明提供的所述具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢的制造方法，包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取。
铁水预处理过程中，要求前、后扒渣，铁水脱硫后要求S≤0.0050％。转炉冶炼中，出钢脱氧合金化，同时加强挡渣操作。经过LF炉精炼处理和钙处理一方面调整关键元素至目标值；另一方面通过脱氢和氧，控制钢水中非金属夹杂物形态数量和尺寸，减少非金属夹杂物的形成，提高钢水纯净度。连铸过程中投用动态轻压下一定程度能减少铸坯内部缺陷。板坯切割完成下线后对铸坯进行检查和清理。
所述板坯加热步骤中，板坯入加热炉加热，温度控制在1210～1250℃，保温时间为1.5～2h，板坯出炉后经过高压水除鳞去除板坯表面氧化铁皮，进入轧制阶段。
所述控制轧制步骤中，粗轧温度控制在1000～1060℃，粗轧累计压下率≥82％，粗轧后中间坯厚度控制在39～43mm。
所述控制轧制步骤中，精轧入口温度控制在950～1000℃，精轧累计压下率≥89％，精轧终轧温度控制在830～870℃。
所述控制冷却步骤中，精轧结束后进行前段层流冷却，冷却速度控制在20～30℃/s。
所述卷取步骤中，控制冷却后的钢板卷取温度控制在510～550℃。
本发明提供的高强韧输电铁塔用钢中的各合金元素及其质量百分比设计原理如下：
C是最基本同时也是最经济的强化元素，固溶于基体中形成间隙固溶体显著提高钢带强度。本发明所述高强韧输电铁塔主要利用Nb-Ti的细晶强化与沉淀强化及适当控轧控冷制度来实现强韧化，因此尽量降低C含量，以期目标钢种具备良好焊接性能和冷成形性，所以C控制在0.09～0.11％。
Si在钢中是通过固溶强化达到提升强度的目的。但含Si钢在生成一次氧化铁皮过程中，氧化铁皮/基体界面上形成高黏度的Fe2SiO4，深入FeO和钢基体形成“锚状结构”，以致热轧结束后表面易出现“红鳞”缺陷，进而影响最终镀锌效果。因此控制Si含量在0.04％以下，从源头上阻止Fe2SiO4形成，并且辅以合适控轧控冷工艺制度：低加热温度(1210～1250℃)+短保温时间(1.5～2h)、轧制速度快(6～10m/s)与低终轧(830～870℃)与卷取温度(510～550℃)，降低带钢在高温区域停留时间，可将氧化铁皮厚度控制在7μm以下。
Mn是钢中提高强度主要且经济的元素之一，因添加的Ti与S亲和力较强，MnS易被Ti4C2S2取代，并且因Si含量的严格控制，也不易生成不利于表面质量的(FeMn)2SiO4，从经济性考虑上Mn含量可尽量上调，Mn/Si＞50。但Mn含量过高，易引起中心偏析，不利于钢带组织与性能的均匀分布。所以Mn控制在1.50～1.60％。
P、S是有害的同时也是不可避免的残余元素，在钢中极易形成偏析，通过精炼尽量降低钢中的P、S含量，所以将P、S控制在P≤0.015％、S≤0.008％。
Nb是高强钢中重要的合金元素之一。Nb的细晶强化作用明显，添加适量的Nb在高温下析出碳氮化物不仅阻止奥氏体晶粒长大，而且有效抑制形变奥氏体晶粒再结晶长大，提高钢带的强度与低温韧性，但Nb含量过高时，可能导致析出颗粒粗大，降低韧性，所以Nb控制在0.040～0.050％。
Ti是高强钢中重要的合金元素之一。Ti的析出强化作用明显，通过Ti的第二相例子TiC的析出显著提高钢带的强度与低温韧性。同时能与钢种的N生成化合物，起到一定的固氮作用。但Ti过量时易引起Ti的碳/氮化物的粗化和过度析出，不利于强韧性的提高。所以Ti控制在0.010～0.030％。
Al是钢中主要的脱氧元素，能够显著降低钢中的O含量，适量Al的添加形成AlN能够有效地细化晶粒，通过一定程度的细晶强化作用提高钢带的强韧性。但Al含量过高，导致Al的氧化物明显增加，降低洁净度，对钢的低温韧性不利，所以Al控制在0.030～0.060％。
本发明提供的高强韧输电铁塔用钢中的制造方法中，板坯加热步骤中，板坯入加热炉加热，温度控制在1210～1250℃，保温时间为1.5～2h，目的是使板坯在固态相变过程中能够充分奥氏体化，各元素均匀扩散。根据Nb与Ti在奥氏体中固溶度积公式计算Nb与Ti的全固溶度温度确定加热温度，较高的加热温度可确保大部分Ti能固溶在奥氏体中，尽可能在层流冷却过程中在铁素体中析出，发挥析出强化的作用。Nb-Ti的复合添加可提高Nb全固溶温度，在相同加热工艺制度下，可提高小尺寸析出物含量，有利于含Nb析出物对奥氏体晶粒的细化。随加热温度升高或保温时间延长，固溶物体积增大，析出物体积分数减小，大尺寸析出物数量增多(Ostwald熟化结果)，导致钉扎奥氏体晶界作用不明显，引起奥氏体晶粒异常长大。并且板坯长时间在高温加热炉中加热不仅浪费能耗，也会带来板坯表面氧化铁皮的增厚。
板坯出炉后经过高压水除鳞去除板坯表面氧化铁皮，进入轧制阶段。粗轧阶段是在奥氏体再结晶区进行多道次往返轧制，形变奥氏体多次发生回复再结晶，粗轧后温度控制在1000～1060℃，粗轧累计压下率≥82％，粗轧后中间坯厚度控制在39～43mm。精轧入口温度控制在950～1000℃，通过累计大变形增加形变奥氏体内的形变带和位错密度，从而增加相变形核点细化晶粒尺寸，精轧累计压下率≥89％。精轧终轧温度控制在830～870℃，通过低终轧温度控制，减小高温停留时间，减小氧化铁皮厚度。精轧结束后进行前段层流冷却，冷却速度控制在20～30℃/s，控制冷却后的钢板卷取温度在510～550℃，通过低温卷取，降低氧化铁皮厚度。并且氧化铁皮结构主要为Fe3O4。
本发明所述高强韧铁塔用钢Si含量较低，易于在精轧过程中带钢头部出现麻点缺陷，可通过降低精轧入口温度和打开前机架除鳞水等措施减少三次氧化铁皮的形成。
本发明利用Nb高温析出在高温奥氏体保温区及变形区有效钉扎晶界，强烈抑制奥氏体晶粒长大，以细晶强化手段提高钢种强韧性。同时通过Ti低温析出，在奥氏体未再晶区及层流冷却中沉淀析出来提高强度。
本发明通过对钢中Si含量的严格控制及对终轧温度与卷取温度的低温控制，减小钢带在高温下的停留时间，从而减小表面氧化铁皮厚度至7μm以下，并且氧化层的厚度均匀；通过Nb、V复合合金化处理，保证输电铁塔强韧性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢的显微组织为铁素体+贝氏体，组织晶粒度等级为12级以上。
(2)本发明提供的具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢的力学性能：Rp0.2：493～565MPa，Rm：582～626MPa，A50mm：29％～40％；-60℃冲击功≥120J；冷弯性能：180°D＝1a合格，具有较高的强韧性、良好的低温韧性、优良的成形性能和冷弯性能。
(3)本发明提供的具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢的氧化层厚度＜7μm，氧化层主要以致密的Fe304为主，并且厚度均匀。
附图说明
图1为实施例1中的输电铁塔用钢表面的氧化铁皮截面形貌图，从图中可见氧化铁皮的厚度均匀，厚度为3.0-4.5μm；
图2为实施例2中的输电铁塔用钢表面的氧化铁皮截面形貌图(a)、形貌图中A处氧化铁皮的能谱图(b)、形貌图中B处氧化铁皮的能谱图(c)，从图中可见氧化铁皮的厚度均匀，厚度为3.5-5.5μm，氧化铁皮的主要成分为Fe304；
图3为实施例3中的输电铁塔用钢表面的氧化铁皮截面形貌图，从图中可见氧化铁皮的厚度均匀，厚度为4.0-5.5μm；
图4为实施例4中的输电铁塔用钢表面的氧化铁皮截面形貌图，从图中可见氧化铁皮的厚度均匀，厚度为5.5-7.0μm；
图5为实施例1中的输电铁塔用钢的金相组织形貌；
图6为实施例1中的输电铁塔用钢中的析出物的高倍图片；
图7为对比例3中的输电铁塔用钢表面的氧化铁皮截面形貌图。
具体实施方式
本发明提供的一种具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢，其化学成分及重量百分比含量为C:0.09～0.11％、Si:≤0.04％、Mn:1.50～1.60％、P≤0.015％、S≤0.008％、Nb:0.040～0.050％、Ti:0.010～0.030％、Als:0.030～0.060％，其余为Fe及不可避免的夹杂。
所述具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢的生产工艺流程如下：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取。
铁水预处理过程中，进行前、后扒渣，铁水脱硫后要求S≤0.0050％。转炉冶炼中，出钢脱氧合金化，同时加强挡渣操作。炉外精炼步骤中经过LF炉精炼处理和钙处理，一方面调整关键元素至目标值；另一方面通过脱氢和氧，控制钢水中非金属夹杂物形态数量和尺寸，减少非金属夹杂物的形成，提高钢水纯净度。连铸过程中投用动态轻压下一定程度能减少铸坯内部缺陷。板坯切割完成下线后对铸坯进行检查和清理。
所述板坯加热步骤中，板坯入加热炉加热，温度控制在1210～1250℃，保温时间为1.5～2h，板坯出炉后经过高压水除鳞去除板坯表面氧化铁皮，进入轧制阶段。
所述控制轧制步骤中，粗轧温度控制在1000～1060℃，粗轧累计压下率≥82％，粗轧后中间坯厚度控制在39～43mm。
所述控制轧制步骤中，精轧入口温度控制在950～1000℃，精轧累计压下率≥89％，精轧终轧温度控制在830～870℃。
所述控制冷却步骤中，精轧结束后进行前段层流冷却，冷却速度控制在20～30℃/s。
所述卷取步骤中，控制冷却后的钢板卷取温度控制在510～550℃。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明各实施例和对比例的化学成分如表1所示。成分检测根据GB/T 4336《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)》进行。
表1各实施例及对比例的化学成分及重量百分比，余量为铁及不可避免的杂质
本发明各实施例和对比例的主要轧制工艺参数如表2所示。
表2主要工艺参数
本发明各实施例和对比例的力学性能如表3所示。
表3力学性能及氧化铁皮厚度
结合上述表格中的实施例可以看出，按照本发明提供的化学成分重量百分比进行原料选取，再按照本发明给出的制造方法进行生产，就可以得到屈服强度493～565MPa，抗拉强度582～626MPa，A50mm 29％～40％；-60℃冲击功≥120J，180°D＝1a合格的输电铁塔用钢，其具有较高的强韧性、良好的低温韧性、优良的成形性能和冷弯性能的输电铁塔用钢热轧钢带，可用于制造输电铁塔。
上述参照实施例对一种具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢及其制造方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C:0.09～0.11％、Si≤0.04％、Mn:1.50～1.60％、P≤0.015％、S≤0.008％、Nb:0.040～0.050％、Ti:0.010～0.030％、Als:0.030～0.060％，且Mn/Si＞50，其余为Fe及不可避免的夹杂。
2.根据权利要求1所述的具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢，其特征在于，所述具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢的金相组织为铁素体+贝氏体，晶粒度等级为12级以上。
3.根据权利要求1或2所述的具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢，其特征在于，所述具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢的屈服强度493～565MPa，抗拉强度582～626MPa，A50 29％～40％；-60℃冲击功≥120J，180°冷弯性能D＝1a合格。
4.根据权利要求1或2所述的具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢，其特征在于，所述具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢的氧化层厚度＜7μm并且厚度均匀，氧化层主要成分为Fe304。
5.如权利要求1-4任意一项所述的具有良好低温韧性的易镀锌输电铁塔用钢的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述板坯加热步骤中，板坯入加热炉加热，温度控制在1210～1250℃，保温时间为1.5～2h，板坯出炉后经过高压水除鳞去除板坯表面氧化铁皮，进入轧制阶段。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述控制轧制步骤中，粗轧温度控制在1000～1060℃，粗轧累计压下率≥82％，粗轧后中间坯厚度控制在39～43mm。
8.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述控制轧制步骤中，精轧入口温度控制在950～1000℃，精轧累计压下率≥89％，精轧终轧温度控制在830～870℃。
9.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述控制冷却步骤中，精轧结束后进行前段层流冷却，冷却速度控制在20～30℃/s。
10.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述卷取步骤中，控制冷却后的钢板卷取温度控制在510～550℃。
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