鄂钢高性能桥梁结构用Q370qE钢的研制
2014-04-03 15:59:06
0、前言
随着火车大提速和高铁建设的大规模展开，我国设计和修建了大批高速铁路桥，对桥梁工程用钢的强度、韧性、低裂纹敏感性提出了更高要求。黄冈长江大桥项目即要求鄂钢在提供桥梁关键构件用Q370qE钢板时保证较高强度，同时实现-40℃冲击功达100J和120J的冲击韧性以及严格的抗层状撕裂性能。鄂钢为此加强了对高强度、高韧性桥梁结构用Q370qE钢板的研制和开发，成功生产出满足项目要求的产品，为进一步开拓宽厚板市场提供了强有力的技术支持。
1、Q370qE钢板的技术要求
1.1、力学性能要求
黄冈长江大桥所用Q370qE钢板的交货技术要求十分严格，与“GBT714-2008”标准规定的力学性能对比如表1所示。可以看到，此次合同所签订交货技术条件中的力学性能除包括标准要求外，还对钢板的冲击韧性提出了更严格的要求。即厚度≤36mm和厚度>36mm钢板的-40℃冲击功分别要高于100J和120J，超过国标规定值。
表1：Q370qE钢板交货技术条件与标准规定力学性能对比
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检测项目
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GBT714-2008标准
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交货技术条件
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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
|
最小值
|
最小值
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最大值
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最小值
|
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
|
510
|
685
|
510
|
685
|
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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℃（纵向）KV2/J
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47
|
47
|
100
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100
|
120
|
120
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1.2、化学成分的设计原则
在Q370qE钢板成分设计上，除了高强度和良好的低温韧性，还要考虑焊接性能，即低碳高锰，同时添加微合金元素。因此在开发强度级别较高的钢种时大多采用Nb-V或Nb-Ti复合微合金化。但由于对生产工艺的控制要求较高，较少出现同时添加Nb、V、Ti的情况。
1.2.1、碳
在Q370qE桥梁钢的化学成分设计中，为使钢板具有良好的焊接性能、较好的低温冲击韧性，必须降低钢中含碳量，将其控制在0.14%左右为宜。
1.2.2、锰
锰元素的主要作用是降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性，还可以消除硫对钢材的有害影响。因此，在化学成分设计中把锰含量控制在上限1.50%~1.80%左右。特别是对于有焊接要求的高锰钢种，Mn/C比值越大，低温韧性越好。
1.2.3硫、磷
作为最常见的有害元素，硫、磷及气体在钢中的含量直接影响到钢的塑性和韧性。若钢中硫、磷含量较高，会影响轧制工艺的制定，不利于控制轧制的进行，因此应严格控制其含量，以强化控轧效果。考虑到鄂钢对硫、磷的实际控制水平，将硫的上限定为0.015%，磷的上限定为0.020%。
1.2.4、微合金化
微合金化是指向钢中添加Nb、V、Ti等合金元素。这些合金元素在钢中可以与碳、氮结合形成碳化物、氮化物及碳氮化合物，这些化合物具有在高温时溶解、低温时析出的特性，因此可以在钢坯加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大，在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大，在低温时起到析出强化作用。
铌在铁素体中沉淀析出，可以提高钢的强度，并阻止焊接过程中热影响区晶粒的粗化。因此铌具有显著细化铁素体晶粒的作用和较好的析出强化作用。当铌含量较低时，细化晶粒作用特别显著，而且随着铌含量增加，细晶强化作用更加明显。
基于上述原则，鄂钢在化学成分的设计上根据钢板厚度范围采取了两套化学成分设计方案，见表2所示。
表2Q370qE钢板的化学成分设计wt/%
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厚度/mm
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C
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Si
|
Mn
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P
|
S
|
Als
|
Nb、Ti、V
|
|
10~36
|
0.10~0.15
|
0.2~0.55
|
1.0~1.5
|
0.02
|
0.010
|
≥0.015
|
适量添加
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＞36~64
|
0.10~0.17
|
0.2~0.55
|
1.0~1.7
|
0.02
|
0.010
|
≥0.015
|
适量添加
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2、生产工艺设计
鄂钢Q370qE钢生产的工艺流程：高炉铁水→铁水脱硫→转炉冶炼→吹氩→LF精炼→真空处理→连铸→铸坯检查→铸坯加热→4300mm轧机轧制→加速冷却→探伤→精整→热处理→检验。
2.1、加热工艺
为保证较低的轧制变形抗力，结合微合金元素化合物的完全固溶温度（≥1150℃），确定钢坯的最高加热温度为1150~1300℃。
2.2、轧制工艺
轧制工艺采用两阶段控轧。一方面，在奥氏体再结晶区轧制时，保汪累积压下率在50%左右，使形变在厚度方向充分渗透至中心部位，以使奥氏体再结晶充分进行，达到晶粒尺寸均匀细化；另一方面，在奥氏体未再结晶区轧制时，使钢板厚度方向形变累积效果均匀，同时尽量降低未再结晶区开轧温度并提高道次压下率，使形变奥氏体中形成较多的变形带，增加奥氏体向铁素体转变时晶粒的形核位置和形核速度，从而细化铁素体晶粒。
另外，形变硬化后的奥氏体中位错及其他晶粒缺陷增多，变形储存能增加，在随后的冷却过程中，促使Nb、V的碳氮化物大量细小弥散析出，沉淀强化作用增强。中间坯厚度采用成品厚度的2~4倍，Q370qE钢板的控轧工艺见表3。
表3：Q370qE钢板的控轧工艺
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成品厚度/mm
|
Ⅰ阶段终轧温度/℃
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中间坯厚度/mm
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Ⅱ阶段开轧温度/℃
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10~36
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≥1000
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≥2t~4t
|
≤980
|
|
＞36~64
|
≥1000
|
|
≤830
|
注：t表示成品厚度
为保证钢板的性能，得到更细小的晶粒度，轧后采用ACC对钢板进行加速冷却，并根据环境温度的季节性变化调整冷却工艺，充分发挥微合金化元素的作用，提高钢板的综合力学性能。Q370qE钢板冷却工艺见表4。
表4：Q370qE钢板的冷却工艺
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厚度/mm
|
冷却速率/（℃·s-1）
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返红温度/℃
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10~36
|
7~10
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600~800
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＞36~64
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2~6
|
450~580
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2.3、热处理工艺
热处理是通过加热、保温和冷却的方法来改变钢的内部组织结构，从而改善其性能的一种工艺。由于14mm以上厚度规格的钢板全部为正火状态交货，正火温度的高低直接影响钢板的实物性能，因此确定一个合理的正火工艺尤为重要。针对Q370qE高强度桥梁用钢，根据板坯化学成分进行Ac3计算后，进行900℃正火处理。具体正火工艺见图1所示。
图1：Q370qE钢板的正火工艺示意图
3、工业试制
3.1、试制方案
选取两个冶炼炉号的Q370qE钢坯在4300mm精轧机上轧制，坯料厚度为250mm，轧制成品厚度为10mm、14mm、36mm和48mm，每个厚度规格试轧2块钢板。冶炼、轧制及热处理工艺均按上述设计的工艺执行。
3.2、试制结果
3.2.1、化学成分
试制Q370qE钢坯的化学成分见表5。
表5：试制Q370qE（K1）钢坯的化学成分wt/%
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厚度/mm
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C
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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、力学性能
试制Q370qE钢板的热轧态力学性能见表6所示。
表6：试制Q370qE钢板的热轧态力学性能
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厚度/mm
|
Rel/MPa
|
Rm/MPa
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A/%
|
-40℃KV2/J
|
180°冷弯
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||
|
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
|
从表6可以看出，经过轧制后的钢板屈服强度、抗拉强度都能得到保证且有一定富裕量，不同厚度钢板的屈服强度和抗拉强度波动较小，最大差值分别为55MPa和60MPa，唯独-40℃冲击功偏低，不能满足交货技术条件要求。
钢板在完成探伤后进行正火处理，正火态钢板力学性能见表7。
表7：试制Q370qE钢板的正火态力学性能
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厚度/mm
|
Rel/MPa
|
Rm/MPa
|
A/%
|
-40℃KV2/J
|
180°冷弯
|
||
|
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
|
从表7中可以看出，钢板在经过正火处理后，各项力学性能指标均达到交货技术条件要求，且有一定富裕量。为了确保工艺的有效性和稳定性，随后按照之前的生产工艺对Q370qE钢板进行大规模的放量生产。经过一段时间，钢板的各项性能均超过技术条件要求，性能指标无明显波动并趋于稳定，见图2所示。
图2：正火态Q370qE钢板屈服强度值、抗拉强度值和冲击功值的分布
3.2.3、金相组织
40mm厚Q370qE钢板经900℃正火后的金相组织照片见图3。从图中可以看出钢的组织结构为铁素体和珠光体组织，组织晶粒大小均匀。
图3：正火态Q370qE钢板的金相组织
4、结论
（1）Q370qE钢的试制工艺设计合理，化学成分及各项性能指标满足国标和技术条件要求；成分中采用Nb、V、Ti微合金化，选择控轧控冷工艺；对热轧后钢板采用正火处理工艺，产品质量稳定可靠。
（2）试制的Q370qE钢板性能稳定，厚度效应不明显，不同厚度试板屈服强度的最大差值为110MPa。
（3）试制钢板具有良好的低温韧性，-40℃冲击功均在200J以上。
收稿时间：2013年3月
