CN115029634A - 一种高强高韧性桥梁结构钢Q690qE及其生产方法 - Google Patents

一种高强高韧性桥梁结构钢Q690qE及其生产方法 Download PDF

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Abstract

一种高强高韧性桥梁结构钢Q690qE及其生产方法，钢的化学成分以重量百分数计为：C=0.11~0.13，Si=0.30~0.40，Mn=1.45~1.55，P≤0.015，S≤0.003，Nb=0.020~0.030，V=0.075~0.085，Ti=0.010~0.015，Cr=0.30~0.35，Alt=0.02~0.05，N=0.015~0.017，CEV=0.42~0.45，余量为Fe和不可避免的杂质元素。本发明利用VN微合金化，取消Ni、Mo等贵重金属加入，可节约大量成本；生产的钢板以回火马氏体及贝氏体为主，屈服强度达810~850Mpa，抗拉强度达850~890Mpa，‑40℃冲击功达250J以上，A/B/C/D夹杂物≤0.5级。

Description

一种高强高韧性桥梁结构钢Q690qE及其生产方法
技术领域
本发明属于低合金钢技术领域，涉及一种高强高韧性桥梁结构钢Q690qE及其生产方法。
背景技术
伴随着经济的发展，桥梁建设越来越多，桥梁用钢大幅度增长。
桥梁用钢的发展从20世纪60年代开始到现在已成功开发及应用了五代桥梁钢，前面大致经历“碳钢-低合金钢-低碳微合金钢-低碳贝氏体钢”的四个发展阶段，从最开始武汉长江大桥的A3q，然后到南京长江大桥的16Mnq，再到芜湖长江大桥的14MnVNq，后来到沪通长江大桥的Q500qE。桥梁的主跨从100多米到1000多米甚至更长，结构形式由铆接向栓焊、全焊发展。新时代的桥梁工程正向着大跨度、多车道等方向发展，对钢材的要求也在不断地提高，高强、高韧是桥梁结构钢发展的必然趋势，第五代高强桥梁用钢Q690qE的研发成为必然。
Q690qE是一种超高强低合金桥梁用钢，常规采用DQ+T或者QT工艺生产，通过添加淬透性元素Mo、Cr等来提高强度，再利用低碳+Ni、Cu等元素来改善韧性，从而达到高强、高韧的效果，所以Q690qE的生产成本都普遍较高。如中国专利CN109136747A，Q690q成分体系采用Cr+Mo系，生产方法采用调质工艺，合金及工序成本较高；中国专利CN104264064A，利用高Mo+高Ni+在线淬火+回火生产出特厚Q690C，成本高且冲击韧性偏低，不符合桥梁钢的技术要求；中国专利CN110699601A，采用Cr+Mo+V体系，并添加B增加钢板淬透性，通过调质工艺得到一种综合性能较好的Q690D，但是成本太高。
发明内容
本发明旨在提供一种高强高韧性桥梁结构钢Q690qE及其生产方法，采用低价合金替代，炼钢过程进行增氮处理，钢板经轧制、正火水冷及回火处理，得到高强高韧10~50mm厚度规格桥梁结构钢Q690qE，钢板以回火马氏体及贝氏体为主，屈服强度达810~850Mpa，抗拉强度达850~890Mpa，-40℃冲击功达220J以上。
本发明的技术方案：
一种高强高韧性桥梁结构钢Q690qE，采用的生产工艺路线为：转炉冶炼→LF精炼→VD真空精炼→连铸→板坯加热→控制轧制→正火打水→回火处理，钢的化学成分以重量百分数计为：C=0.11~0.13，Si=0.30~0.40，Mn=1.45~1.55，P≤0.015，S≤0.003，Nb=0.020~0.030，V=0.075~0.085，Ti=0.010~0.015，Cr=0.30~0.35，Alt=0.02~0.05，N=0.015~0.017，CEV=0.42~0.45，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
一种高强高韧性桥梁结构钢Q690qE的生产方法，关键工艺步骤包括：
（1）转炉炼钢：出钢C=0.06~0.08%，P=0.008~0.010%；
（2）LF精炼：钢水在LF炉总在站时间=50~55min，化渣后加入合金；
（3）VD精炼：VD炉增氮处理，在站总吹氮气时间=30~35min，氮气流量120~130m3/h，真空度在0.5tor以下，保持时间=15~25min，VD炉破空后喂入氮线300~350m，喂入氮线速度为150~180m/min；
（4）连铸：断面选用260mm，连铸实行全程保护浇铸，拉速=0.85~0.90m/min，钢水过热度15±5℃控制；
（5）板坯加热：板坯在步进炉中进行加热，炉膛加热温度=1230~1250℃，在炉时间=240~260min，出炉温度1190~1210℃；
（6）控制轧制：一阶段开轧温度1100～1150℃，终轧温度=1020~1050℃，保证后三道次压下率在17%，以上中间坯厚度≥2倍成品板厚；二阶段开轧温度在860~960℃，终轧温度780-820℃；
（7）正火打水：正火温度890±10℃，在炉时间2.0×钢板厚度×mm-1min，正火出炉后加速冷却，冷却速率=10~15℃/s，终冷温度250~350℃；
（8）回火处理：回火温度600±10℃，在炉时间2.5×钢板厚度×mm-1 min。
发明原理：
本发明钢的化学组成设计原理：
C：碳元素能显著提高钢的强度，但会降低钢的塑性、韧性，同时过高的碳含量还有恶化钢的基体组织，影响钢的焊接稳定性。碳含量对高强钢必须提供强度支撑，但又不能过多影响塑性、韧性，还不能影响钢的焊接性，因此综合考虑性能要求，本发明钢的C含量控制在0.11%~0.13%。
Si：硅在钢中溶于铁素体内，可明显提高钢的强度、硬度，但塑性、韧性降低。硅通常以脱氧剂而加入钢中，与 FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅能显著提高钢水纯净度素。但是硅含量≥0.50%后对钢的塑韧性和焊接性不利。本发明确定硅含量的范围为0.30%~0.40%。
Mn：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。对晶粒细化有促进作用，因此Mn在提高强度的同时也可适当提高钢的韧性。但锰也容易发生偏析，与S结合生成MnS影响厚度方向性能。本发明确定锰含量的范围为1.45%~1.55%。
P：冷脆性元素，在冷加工时容易产生“冷脆”，且是易偏析元素，增加回火脆性，对钢的低温韧性及焊接性能非常不利。因此应该严格控制钢中磷的含量，本发明钢中的P控制在0.015%以下。
S：钢中的有害杂质，降低钢的延展性、韧性及焊接性，容易产生热脆现象。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%。
Nb：和C、N结合能生成高熔点、高度分散的Nb（C、N），这种碳化物强烈抑制奥氏体再结晶，从而得到细小的原始奥氏体晶粒，也为后续贝氏体转变起到较好的细化作用。本发明Nb含量0.20~0.30%。
V：有较强的析出强化和细晶强化效果，可提高钢的强度和韧性，减小过热敏感性，提高热稳定性。本发明钢将V控制在0.075~0.085%。
N：氮通过与钒元素微合金化，优化钒的析出从而细化铁素体晶粒，充分发挥了细晶强化和沉淀强化两种强化方式的作用，大大改善了钢的强韧性配合。本发明钢将N控制在0.015~0.017%。
Ti：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0.010%~0.015%。
Cr：铬在管线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，对保护管线钢的表面质量有较好的作用。本发明确定铬含量的范围为0.30%~0.35%。
Al：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，对管线钢的内部质量及塑、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%。
本发明工艺方法上的创新原理：采用“中低碳+NCC+回火VN析出强化”的制造方法，VD以氮代氩，氮气较空气轻，炼钢过程夹杂物更容易捕获上浮，成分均匀化效果更好，通过VD全程吹氮+破真空喂氮线两种方式有效控制钢水中N含量，控制V与N结合比例，可大大提高VN的析出强化作用；后续采用控轧+NCC+中高温回火，完全奥氏体后通过快冷加速细晶组织形成，高温回火促进VN的弥散析出，最后可得到高纯净度、高强、高韧的Q690qE钢板。
本发明的有益效果：利用VN微合金化，取消Ni、Mo等贵重金属加入，Q690qE吨钢可节约大量成本；本发明方法生产的钢，钢板以回火马氏体及贝氏体为主，屈服强度达810~850Mpa，抗拉强度达850~890Mpa，-40℃冲击功达250J以上，A/B/C/D夹杂物≤0.5级；该发明方法具有普适性，过程可控、易于实现，有效提升钢材的综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例1钢板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。实施例钢种的化学成分如表1。
实施例1：
厚度10mm Q690qE的生产，关键工艺步骤：
（1）转炉炼钢：出钢C=0.06%，P=0.008%；
（2）LF精炼：钢水在LF炉总在站时间50min，化渣后加入合金；
（3）VD精炼：VD炉增氮处理，在站总吹氮气时间30min，氮气流量120m3/h，真空度0.5tor保持时间15min，VD炉破空后喂入氮线300m，喂入氮线速度为150m/min；
（4）连铸：断面选用260mm，连铸实行全程保护浇铸，拉速0.90m/min，目标钢水过热度20℃控制；
（5）板坯加热：板坯在步进炉中进行加热，炉膛加热温度1250℃，在炉时间240min，出炉温度1190℃；
（6）控制轧制：一阶段开轧温度1100℃，终轧温度1020℃，后三道次压下率20%、23%、24%，中间坯厚度60mm；二阶段开轧温度在960℃，终轧温度820℃；
（7）正火打水：正火温度900℃，在炉时间20分钟，正火出炉后加速冷却，冷却速率10℃/S，终冷温度250℃；
（8）回火处理：回火温度610℃，在炉时间25分钟。
实施例2：
25mm厚度Q690qE的生产，关键工艺步骤：
（1）转炉炼钢：出钢C=0.07%，P=0.010%；
（2）LF精炼：钢水在LF炉总在站时间52min，化渣后加入合金；
（3）VD精炼：VD炉增氮处理，在站总吹氮（气）时间35min，氮气流量125m3/h，真空度0.45tor保持时间20min，VD炉破空后喂入氮线320m，喂入氮线速度为170m/min；
（4）连铸：断面选用260mm，连铸实行全程保护浇铸，拉速0.88m/min，钢水过热度15℃控制；
（5）板坯加热：板坯在步进炉中进行加热，炉膛加热温度1240℃，在炉时间250min，出炉温度1200℃；
（6）控制轧制：一阶段开轧温度1120℃，终轧温度1030℃，后三道次压下率20%、21%、22%，中间坯厚度75mm；二阶段开轧温度在900℃，终轧温度800℃；
（7）正火打水：正火温度890℃，在炉时间50倍分钟，正火出炉后加速冷却，冷却速率12℃/S，终冷温度300℃；
（8）回火处理：回火温度600℃，在炉时间63分钟。
实施例3：
50mm厚度Q690qE的生产，关键工艺步骤为：
（1）转炉炼钢：出钢C=0.08%，P=0.008%；
（2）LF精炼：钢水在LF炉总在站时间55min，化渣后加入合金；
（3）VD精炼：VD炉增氮处理，在站总吹氮（气）时间40min，氮气流量130m3/h，真空度在0.4tor，保持时间25min，VD炉破空后喂入氮线350m，喂入氮线速度为180m/min；
（4）连铸：断面选用260mm，连铸实行全程保护浇铸，拉速0.85m/min，钢水过热度10℃控制；
（5）板坯加热：板坯在步进炉中进行加热，炉膛加热温度1230℃，在炉时间260min，出炉温度1210℃；
（6）控制轧制：一阶段开轧温度1150℃，终轧温度1050℃，后三道次压下率18%、19%、20%，中间坯厚度110mm；二阶段开轧温度在860℃，终轧温度780℃；
（7）正火打水：正火温度880℃，在炉时间100分钟，正火出炉后加速冷却，冷却速率15℃/S，终冷温度350℃；
（8）回火处理：回火温度590℃，在炉时间125分钟。
对以上三个实施例的钢板进行检测，具体性能如表2。
表1 实施例钢种的化学成分（%）
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
表2 实施例钢板的冲击性能检测结果
Figure 66952DEST_PATH_IMAGE002
。

Claims (2)

1.一种高强高韧性桥梁结构钢Q690qE，采用的生产工艺路线为转炉冶炼→LF精炼→VD真空精炼→连铸→板坯加热→控制轧制→正火打水→回火处理，其特征在于：钢的化学成分以重量百分数计为C=0.11~0.13，Si=0.30~0.40，Mn=1.45~1.55，P≤0.015，S≤0.003，Nb=0.020~0.030，V=0.075~0.085，Ti=0.010~0.015，Cr=0.30~0.35，Alt=0.02~0.05，N=0.015~0.017，CEV=0.42~0.45，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高强高韧性桥梁结构钢Q690qE的生产方法，其特征在于关键工艺步骤包括：
（1）转炉炼钢：出钢C=0.06~0.08%，P=0.008~0.010%；
（2）LF精炼：钢水在LF炉总在站时间=50~55min，化渣后加入合金；
（3）VD精炼：VD炉增氮处理，在站总吹氮气时间=30~35min，氮气流量120~130m3/h，真空度在0.5tor以下，保持时间=15~25min，VD炉破空后喂入氮线300~350m，喂入氮线速度为150~180m/min；
（4）连铸：断面选用260mm，连铸实行全程保护浇铸，拉速=0.85~0.90m/min，钢水过热度15±5℃控制；
（5）板坯加热：板坯在步进炉中进行加热，炉膛加热温度=1230~1250℃，在炉时间=240~260min，出炉温度1190~1210℃；
（6）控制轧制：一阶段开轧温度1100～1150℃，终轧温度=1020~1050℃，保证后三道次压下率在17%，以上中间坯厚度≥2倍成品板厚；二阶段开轧温度在860~960℃，终轧温度780-820℃；
（7）正火打水：正火温度890±10℃，在炉时间2.0×钢板厚度×mm-1min，正火出炉后加速冷却，冷却速率=10~15℃/s，终冷温度250~350℃；
（8）回火处理：回火温度600±10℃，在炉时间2.5×钢板厚度×mm-1 min。
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