鄂鋼高性能橋梁結(jié)構(gòu)用Q370qE鋼的研制
2014-04-03 15:59:06
0、前言
隨著火車大提速和高鐵建設(shè)的大規(guī)模展開，我國設(shè)計和修建了大批高速鐵路橋，對橋梁工程用鋼的強(qiáng)度、韌性、低裂紋敏感性提出了更高要求。黃岡長江大橋項目即要求鄂鋼在提供橋梁關(guān)鍵構(gòu)件用Q370qE鋼板時保證較高強(qiáng)度，同時實現(xiàn)-40℃沖擊功達(dá)100J和120J的沖擊韌性以及嚴(yán)格的抗層狀撕裂性能。鄂鋼為此加強(qiáng)了對高強(qiáng)度、高韌性橋梁結(jié)構(gòu)用Q370qE鋼板的研制和開發(fā)，成功生產(chǎn)出滿足項目要求的產(chǎn)品，為進(jìn)一步開拓寬厚板市場提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
1、Q370qE鋼板的技術(shù)要求
1.1、力學(xué)性能要求
黃岡長江大橋所用Q370qE鋼板的交貨技術(shù)要求十分嚴(yán)格，與“GBT714-2008”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能對比如表1所示�？梢钥吹�，此次合同所簽訂交貨技術(shù)條件中的力學(xué)性能除包括標(biāo)準(zhǔn)要求外，還對鋼板的沖擊韌性提出了更嚴(yán)格的要求。即厚度≤36mm和厚度>36mm鋼板的-40℃沖擊功分別要高于100J和120J，超過國標(biāo)規(guī)定值。
表1：Q370qE鋼板交貨技術(shù)條件與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定力學(xué)性能對比
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檢測項目
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GBT714-2008標(biāo)準(zhǔn)
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交貨技術(shù)條件
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板厚≤50mm
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板厚＞50~100mm
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板厚10~36mm
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板厚＞36~64mm
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|||
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最小值
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最小值
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最小值
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最大值
|
最小值
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最大值
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Rel/MPa
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370
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361
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370
|
|
370
|
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Rm/MPa
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510
|
510
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510
|
685
|
510
|
685
|
|
A/%
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20
|
20
|
20
|
|
20
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Z35/%
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35
|
35
|
35
|
|
35
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-40℃（縱向）KV2/J
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47
|
47
|
100
|
100
|
120
|
120
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1.2、化學(xué)成分的設(shè)計原則
在Q370qE鋼板成分設(shè)計上，除了高強(qiáng)度和良好的低溫韌性，還要考慮焊接性能，即低碳高錳，同時添加微合金元素。因此在開發(fā)強(qiáng)度級別較高的鋼種時大多采用Nb-V或Nb-Ti復(fù)合微合金化。但由于對生產(chǎn)工藝的控制要求較高，較少出現(xiàn)同時添加Nb、V、Ti的情況。
1.2.1、碳
在Q370qE橋梁鋼的化學(xué)成分設(shè)計中，為使鋼板具有良好的焊接性能、較好的低溫沖擊韌性，必須降低鋼中含碳量，將其控制在0.14%左右為宜。
1.2.2、錳
錳元素的主要作用是降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，細(xì)化鐵素體晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，還可以消除硫?qū)︿摬牡挠泻τ绊�。因此，在化學(xué)成分設(shè)計中把錳含量控制在上限1.50%~1.80%左右。特別是對于有焊接要求的高錳鋼種，Mn/C比值越大，低溫韌性越好。
1.2.3硫、磷
作為最常見的有害元素，硫、磷及氣體在鋼中的含量直接影響到鋼的塑性和韌性。若鋼中硫、磷含量較高，會影響軋制工藝的制定，不利于控制軋制的進(jìn)行，因此應(yīng)嚴(yán)格控制其含量，以強(qiáng)化控軋效果�？紤]到鄂鋼對硫、磷的實際控制水平，將硫的上限定為0.015%，磷的上限定為0.020%。
1.2.4、微合金化
微合金化是指向鋼中添加Nb、V、Ti等合金元素。這些合金元素在鋼中可以與碳、氮結(jié)合形成碳化物、氮化物及碳氮化合物，這些化合物具有在高溫時溶解、低溫時析出的特性，因此可以在鋼坯加熱時阻礙原始奧氏體晶粒長大，在軋制過程中抑制再結(jié)晶及再結(jié)晶后的晶粒長大，在低溫時起到析出強(qiáng)化作用。
鈮在鐵素體中沉淀析出，可以提高鋼的強(qiáng)度，并阻止焊接過程中熱影響區(qū)晶粒的粗化。因此鈮具有顯著細(xì)化鐵素體晶粒的作用和較好的析出強(qiáng)化作用。當(dāng)鈮含量較低時，細(xì)化晶粒作用特別顯著，而且隨著鈮含量增加，細(xì)晶強(qiáng)化作用更加明顯。
基于上述原則，鄂鋼在化學(xué)成分的設(shè)計上根據(jù)鋼板厚度范圍采取了兩套化學(xué)成分設(shè)計方案，見表2所示。
表2Q370qE鋼板的化學(xué)成分設(shè)計wt/%
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厚度/mm
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C
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Si
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Mn
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P
|
S
|
Als
|
Nb、Ti、V
|
|
10~36
|
0.10~0.15
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0.2~0.55
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1.0~1.5
|
0.02
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0.010
|
≥0.015
|
適量添加
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＞36~64
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0.10~0.17
|
0.2~0.55
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1.0~1.7
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0.02
|
0.010
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≥0.015
|
適量添加
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2、生產(chǎn)工藝設(shè)計
鄂鋼Q370qE鋼生產(chǎn)的工藝流程：高爐鐵水→鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→吹氬→LF精煉→真空處理→連鑄→鑄坯檢查→鑄坯加熱→4300mm軋機(jī)軋制→加速冷卻→探傷→精整→熱處理→檢驗。
2.1、加熱工藝
為保證較低的軋制變形抗力，結(jié)合微合金元素化合物的完全固溶溫度（≥1150℃），確定鋼坯的最高加熱溫度為1150~1300℃。
2.2、軋制工藝
軋制工藝采用兩階段控軋。一方面，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制時，保汪累積壓下率在50%左右，使形變在厚度方向充分滲透至中心部位，以使奧氏體再結(jié)晶充分進(jìn)行，達(dá)到晶粒尺寸均勻細(xì)化；另一方面，在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制時，使鋼板厚度方向形變累積效果均勻，同時盡量降低未再結(jié)晶區(qū)開軋溫度并提高道次壓下率，使形變奧氏體中形成較多的變形帶，增加奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時晶粒的形核位置和形核速度，從而細(xì)化鐵素體晶粒。
另外，形變硬化后的奧氏體中位錯及其他晶粒缺陷增多，變形儲存能增加，在隨后的冷卻過程中，促使Nb、V的碳氮化物大量細(xì)小彌散析出，沉淀強(qiáng)化作用增強(qiáng)。中間坯厚度采用成品厚度的2~4倍，Q370qE鋼板的控軋工藝見表3。
表3：Q370qE鋼板的控軋工藝
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成品厚度/mm
|
Ⅰ階段終軋溫度/℃
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中間坯厚度/mm
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Ⅱ階段開軋溫度/℃
|
|
10~36
|
≥1000
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≥2t~4t
|
≤980
|
|
＞36~64
|
≥1000
|
|
≤830
|
注：t表示成品厚度
為保證鋼板的性能，得到更細(xì)小的晶粒度，軋后采用ACC對鋼板進(jìn)行加速冷卻，并根據(jù)環(huán)境溫度的季節(jié)性變化調(diào)整冷卻工藝，充分發(fā)揮微合金化元素的作用，提高鋼板的綜合力學(xué)性能。Q370qE鋼板冷卻工藝見表4。
表4：Q370qE鋼板的冷卻工藝
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厚度/mm
|
冷卻速率/（℃·s-1）
|
返紅溫度/℃
|
|
10~36
|
7~10
|
600~800
|
|
＞36~64
|
2~6
|
450~580
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2.3、熱處理工藝
熱處理是通過加熱、保溫和冷卻的方法來改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善其性能的一種工藝。由于14mm以上厚度規(guī)格的鋼板全部為正火狀態(tài)交貨，正火溫度的高低直接影響鋼板的實物性能，因此確定一個合理的正火工藝尤為重要。針對Q370qE高強(qiáng)度橋梁用鋼，根據(jù)板坯化學(xué)成分進(jìn)行Ac3計算后，進(jìn)行900℃正火處理。具體正火工藝見圖1所示。
圖1：Q370qE鋼板的正火工藝示意圖
3、工業(yè)試制
3.1、試制方案
選取兩個冶煉爐號的Q370qE鋼坯在4300mm精軋機(jī)上軋制，坯料厚度為250mm，軋制成品厚度為10mm、14mm、36mm和48mm，每個厚度規(guī)格試軋2塊鋼板。冶煉、軋制及熱處理工藝均按上述設(shè)計的工藝執(zhí)行。
3.2、試制結(jié)果
3.2.1、化學(xué)成分
試制Q370qE鋼坯的化學(xué)成分見表5。
表5：試制Q370qE（K1）鋼坯的化學(xué)成分wt/%
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厚度/mm
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Als
|
Nb、Ti、V
|
Pcm
|
|
10~36
|
≤0.16
|
≤0.65
|
≤1.45
|
0.010
|
0.007
|
0.025
|
≤0.70
|
0.23
|
|
＞36~64
|
≤0.16
|
≤0.75
|
1.65
|
0.010
|
0.007
|
0.035
|
≤0.70
|
0.23
|
3.2.2、力學(xué)性能
試制Q370qE鋼板的熱軋態(tài)力學(xué)性能見表6所示。
表6：試制Q370qE鋼板的熱軋態(tài)力學(xué)性能
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厚度/mm
|
Rel/MPa
|
Rm/MPa
|
A/%
|
-40℃KV2/J
|
180°冷彎
|
||
|
10
|
440
|
605
|
30
|
50
|
47
|
39
|
d=2a，完好
|
|
14
|
455
|
610
|
25
|
62
|
77
|
75
|
d=2a，完好
|
|
36
|
395
|
580
|
22
|
90
|
91
|
83
|
d=2a，完好
|
|
48
|
385
|
550
|
25.7
|
88
|
105
|
92
|
d=2a，完好
|
從表6可以看出，經(jīng)過軋制后的鋼板屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都能得到保證且有一定富裕量，不同厚度鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度波動較小，最大差值分別為55MPa和60MPa，唯獨-40℃沖擊功偏低，不能滿足交貨技術(shù)條件要求。
鋼板在完成探傷后進(jìn)行正火處理，正火態(tài)鋼板力學(xué)性能見表7。
表7：試制Q370qE鋼板的正火態(tài)力學(xué)性能
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厚度/mm
|
Rel/MPa
|
Rm/MPa
|
A/%
|
-40℃KV2/J
|
180°冷彎
|
||
|
10
|
490
|
575
|
30
|
228
|
271
|
289
|
d=2a，完好
|
|
14
|
455
|
565
|
32.5
|
242
|
264
|
265
|
d=2a，完好
|
|
36
|
430
|
550
|
36
|
283
|
265
|
276
|
d=2a，完好
|
|
48
|
445
|
580
|
29.5
|
275
|
286
|
287
|
d=2a，完好
|
從表7中可以看出，鋼板在經(jīng)過正火處理后，各項力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到交貨技術(shù)條件要求，且有一定富裕量。為了確保工藝的有效性和穩(wěn)定性，隨后按照之前的生產(chǎn)工藝對Q370qE鋼板進(jìn)行大規(guī)模的放量生產(chǎn)。經(jīng)過一段時間，鋼板的各項性能均超過技術(shù)條件要求，性能指標(biāo)無明顯波動并趨于穩(wěn)定，見圖2所示。
圖2：正火態(tài)Q370qE鋼板屈服強(qiáng)度值、抗拉強(qiáng)度值和沖擊功值的分布
3.2.3、金相組織
40mm厚Q370qE鋼板經(jīng)900℃正火后的金相組織照片見圖3。從圖中可以看出鋼的組織結(jié)構(gòu)為鐵素體和珠光體組織，組織晶粒大小均勻。
圖3：正火態(tài)Q370qE鋼板的金相組織
4、結(jié)論
（1）Q370qE鋼的試制工藝設(shè)計合理，化學(xué)成分及各項性能指標(biāo)滿足國標(biāo)和技術(shù)條件要求；成分中采用Nb、V、Ti微合金化，選擇控軋控冷工藝；對熱軋后鋼板采用正火處理工藝，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
（2）試制的Q370qE鋼板性能穩(wěn)定，厚度效應(yīng)不明顯，不同厚度試板屈服強(qiáng)度的最大差值為110MPa。
（3）試制鋼板具有良好的低溫韌性，-40℃沖擊功均在200J以上。
收稿時間：2013年3月
