安鋼高強高韌Q420qD橋梁結(jié)構(gòu)鋼板的研制開發(fā)

王立群　宋立偉　李娜　徐博　陳尹澤

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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安鋼高強高韌Q420qD橋梁結(jié)構(gòu)鋼板的研制開發(fā)

王立群宋立偉李娜徐博陳尹澤

(安陽鋼鐵股份有限公司)

闡述了安鋼Q420qD高強高韌橋梁結(jié)構(gòu)鋼板的研制過程，以低碳貝氏體鋼為設(shè)計主線，通過采取合理的多元化成分體系，精準的冶煉、連鑄及控軋控冷工藝，獲得了良好的微觀金相組織，力學(xué)性能優(yōu)良，焊接性能良好。試驗結(jié)果表明，安鋼研制的Q420qD具有高強、高韌、低屈強比等特點，產(chǎn)品滿足了標準及用戶要求，并具備批量生產(chǎn)能力。

高強高韌低碳貝氏體鋼Q420qD

0　前言

隨著我國交通運輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，高速公路網(wǎng)和跨海、江、河通道的建設(shè)，迫切需要修建大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁。大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋具有“大跨、重載、高速”等特點，要求鋼材具有優(yōu)良的高強、高韌和低的屈強比、結(jié)構(gòu)減重等，以提高橋梁的使用壽命和安全性[1]。采用低碳貝氏體和TMCP工藝路線生產(chǎn)Q420q級別的橋梁鋼成為近年來發(fā)展趨勢。為順應(yīng)橋梁行業(yè)的發(fā)展要求，安鋼依托先進的工藝裝備及研發(fā)實力，結(jié)合GB/T 714標準和用戶使用要求，研制了高強高韌Q420qD橋梁結(jié)構(gòu)鋼板，進一步拓展了橋梁板品種系列，提高了高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)比例，增強了市場競爭力。

1　Q420qD橋梁結(jié)構(gòu)鋼板技術(shù)要求

1.1化學(xué)成分

按照GB/T 714-2008標準要求，Q420qD橋梁結(jié)構(gòu)鋼板的化學(xué)成分見表1。

1.2力學(xué)性能

產(chǎn)品標準及用戶特殊技術(shù)要求的Q420qD力學(xué)性能見表2。

表1　Q420qD化學(xué)成分

表2　Q420qD力學(xué)性能

1.3產(chǎn)品特點

1)高強度、高的低溫韌性能；

2)組織以多邊形鐵素體+粒狀貝氏體組成；

3)極佳的焊接性能；

4)由于各部分電位差小，具有較強的耐蝕能力[2]。

2　開發(fā)方案及關(guān)鍵技術(shù)措施

2.1工藝路線

鐵水預(yù)處理—150 t轉(zhuǎn)爐—LF精煉爐—VD真空精煉—連鑄機—3500 mm爐卷軋機—層流冷卻。

2.2成分體系設(shè)計

安鋼高強高韌Q420q以低碳貝氏體鋼為主線，采用低碳設(shè)計，通過降碳、添加適量的Nb、V、Ti微合金化元素及Cr、Mo淬透性元素，最終通過控制組織相變行為，達到合理的鐵素體和貝氏體比例，提高鋼板強度和低溫韌性，改善焊接性能目的。安鋼高強高韌Q420qD成份體系設(shè)計見表3。

表3　安鋼高強高韌Q420q化學(xué)成分設(shè)計　 / %

2.3冶煉和連鑄工藝

為保證鋼水純凈度的穩(wěn)定，縮短精煉時間，采用鐵水預(yù)處理高效脫硫。轉(zhuǎn)爐以深脫磷為目標，強化滑板擋渣技術(shù)，防止回磷；LF以脫硫和微合金化為目標，保證目標成分控制穩(wěn)定；VD采用深脫氣工藝，在保證連鑄上鋼溫度穩(wěn)定的同時，大幅降低鋼水中有害[H]、[N]等氣體含量；連鑄工藝對鑄坯質(zhì)量至關(guān)重要，鋼水經(jīng)過3250 mm寬板坯連鑄機連鑄，通過采用動態(tài)輕壓下、液面自動控制系統(tǒng)等先進技術(shù)，減少中心偏析和疏松，采用全程無氧化保護澆注、合理過熱度，穩(wěn)定控制板坯拉速等措施，確保板坯內(nèi)外部質(zhì)量穩(wěn)定，使得鑄坯低倍質(zhì)量中心偏析為C類1.5～B類1.0，中心疏松為0.5～1.0級，無中間裂紋。

2.4軋制工藝

2.4.1加熱工藝

制訂加熱工藝應(yīng)考慮微合金鋼的粗化溫度、固溶溫度及加熱后的變形抗力、爐況條件等，設(shè)計加熱時間不少于2 h，加熱溫度控制在1150 ℃～1260 ℃，保證微合金充分固溶到奧氏體中。另外，爐膛壓力控制為微正壓，以避免爐頭鋼坯吸冷風(fēng)，保證鋼坯加熱均勻。

2.4.2軋制工藝控制

考慮控軋控冷后鋼板的組織的相變，軋制工藝選用再結(jié)晶和未再結(jié)晶型軋制工藝[3]，最后一道終軋前停留少許時間，完成部分鐵素體相變，之后進行終軋及層流冷卻，終冷溫度應(yīng)以組織的相變溫度為設(shè)計依據(jù)，同時，兼顧強塑性指標匹配的合理，終冷溫度400 ℃～580 ℃。

3　試制結(jié)果分析與討論

3.1成分控制

安鋼高強高韌Q420qD化學(xué)成分控制見表4。

表4　安鋼高強高韌Q420qD化學(xué)成分控制

通過合理的控制冶煉、連鑄工序，確保了整體成分控制穩(wěn)定，滿足高強高韌的Q420qD成分設(shè)計要求。

3.2力學(xué)性能

安鋼高強高韌Q420qD的力學(xué)性能見表5。

表5　安鋼高強高韌Q420qD性能實物水平

3.3焊接性能

針對40 mm安鋼高強高韌Q420qD進行了氣體保護焊性能檢測，焊劑采用SJ101q型號，熱輸入功率為20 kJ/cm，焊接坡口采用X形式，先焊面的接頭強度和厚度1/4、熔合線外2 mm處系列沖擊檢驗結(jié)果見表6。

表6　40 mm安鋼高強高韌Q420qD氣體保護焊接性能

3.4金相組織

安鋼高強高韌Q420qD組織為針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量鐵素體，40mm鋼板表層和厚度1/4處金相組織照片如圖1所示。

(a) 表層金相組織

(b) 鋼板1/4處金相組織

3.5分析討論

TMCP工藝的低碳貝氏體鋼主要設(shè)計思路是通過降低碳含量來提高鋼的韌性(通常C≤0.08%),這種鋼在經(jīng)過高溫奧氏體化及熱變形后的冷卻過程中，不再發(fā)生奧氏體向鐵素體與滲碳體的兩相分解，過冷奧氏體直接轉(zhuǎn)變成各種形態(tài)的鐵素體并留下少量富碳的殘留奧氏體, 由于貧碳無法生成滲碳體，因此得到的貝氏體一般無法區(qū)分上、下貝氏體，實驗證明，由于針狀(或板條狀)鐵素體內(nèi)及板條間均沒有連續(xù)的滲碳體，這種形態(tài)貝氏體的韌性極佳，冷裂紋敏感性很低,具有良好的焊接性能[2]。與此同時，通過采用微合金化技術(shù)，控制Nb、V、Ti固溶和析出行為，控制其碳化物、氮化物及碳氮化物二相粒子的析出，阻礙晶粒長大；采用TMCP工藝，通過Cr、Mo、Cu、Ni等淬透性作用，控制好組織相變，使高溫奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體、貝氏體和少量的鐵素體，得到合理的軟硬相比例，達到高強高韌和低屈強比目的[3]。

從表4、表5可以看出，安鋼研制的高強高韌Q420qD性能優(yōu)良，焊接性能良好，產(chǎn)品實物水平較高。20 mm～50 mm Q420qD平均屈服強度、抗拉強度分別達到500 MPa、600 MPa，較標準富裕80 MPa、60 MPa，平均延伸22.5%，平均-20 ℃沖擊功達到290 J，較標準富裕170 J，平均屈強比達到0.83，產(chǎn)品具備高強、高韌、低屈強比特點，達到產(chǎn)品標準和用戶特殊技術(shù)要求。

4　結(jié)語

1)安鋼開發(fā)的低碳Q420qD成份設(shè)計合理，工藝路線選擇正確，各工序控制準確穩(wěn)定，產(chǎn)品性能優(yōu)良，滿足了標準和用戶使用要求。

2)由于采用低碳設(shè)計，利用淬透元素及TMCP工藝組織強化，焊后性能良好，產(chǎn)品熱影響區(qū)強度和低溫韌性沖擊較高，滿足橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接的要求。

3) 該產(chǎn)品的研發(fā)為其它高強高韌品種鋼板的研制進行了技術(shù)儲備。

[1]鄒德輝,郭愛民. 我國鐵路橋梁用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鋼結(jié)構(gòu),2009,24(9):53-56.

[2]賀信萊,尚成嘉,楊善武,等. 高性能低碳貝氏體鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008:245.

[3]王有銘,李曼云,韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻. [M].北京:冶金工業(yè)出版社.1995:108-120.

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF Q420qD BRIDGE STRUCTURE STEEL PLATE WITH HIGH STRENGTH AND HIGH TOUGHNESS IN ANYANG STEEL

Wang LiqunSong LiweiLi NaXu BoChen Yinze

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

This paper expounds the research and development process of Q420qD bridge structure steel plate with high strength and high toughness in Anyang Steel. Taking low carbon bainitic steel as the main line of design, it is ensured reasonable structure and excellent performance of the plate by adopting the diversity of reasonable composition system and precision of smelting, continuous casting, controlled rolling and controlled cooling process. Test results show that the developed Q420qD of angang has many characteristics, such as high strength, high toughness, low yield strength ratio and so on.The product not only meet the requirements of the standard and the user but also is provided with massing production capacity.

high strength and high toughnesslow carbon bainitic steelQ420qD

聯(lián)系人：王立群，高級工程師，河南.安陽(455004),安陽鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；2016—2—20