高層建筑用鋼Q420GJCZ25的生產實踐

2015-12-22 06:21:10吳紅廣

河南冶金 2015年2期

劉勇吳紅廣

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 引言

高層建筑用鋼板簡稱高建鋼，它具有易焊接、抗震、抗低溫沖擊等性能，主要應用于高層建筑、超高層建筑、大跨度體育場館、機場、會展中心以及鋼結構廠房等大型建筑工程。我國高建鋼執行的國家標準為GB/T19879 －2005《建筑結構用鋼板》，高建鋼的牌號按屈服強度分為345 Mpa、390 Mpa、420 Mpa和460 Mpa 等四個強度級別，各強度級別分為Z 向和非Z 向鋼，Z 向鋼有Z15、Z25、Z35 三個等級，各牌號又按不同沖擊試驗要求分為C、D、E 三個質量等級，上述高建鋼都是隨著我國高層建筑建設的技術進步和發展要求而逐步開發出來。目前，國內大量使用的材質為Q345GJB/C/D。

高建鋼板與低合金鋼板相比，厚度16 mm 以上規格屈服強度設定了上限，并且屈服強度下限有所提高，對碳當量、屈強比指標有要求。2013年，安鋼按照用戶要求采用國內先進的爐卷軋機生產線開發生產了帶有符合GB/T 2970 －2004 探傷標準Ⅱ級及抗層狀撕裂性能達到Z25 要求的50 mm 厚規格及其以下規格高層建筑用鋼Q420GJCZ25，產品質量穩定，得到用戶好評。

1 技術要求及設計原則

1．1 技術要求

1)Q420GJCZ25 力學性能執行GB/T19879 －2005《建筑結構用鋼板》中的Q420GJ 力學性能部分，厚度方向性能要求執行GB/T5313 －2010《厚度方向性能鋼板》中關于Z25 的技術要求，探傷執行GB/T 2970 －2004 標準中Ⅱ級探傷要求，具體分別見表1、表2。

2)鋼板表面質量應無裂紋、氣泡、折疊、夾雜等缺陷，表面光滑。

表1 力學性能

表2 厚度方向性能及探傷要求

3)Q420GJCZ25 交貨狀態為熱軋狀態交貨。

1．2 成分設計及要求

依據訂貨技術要求，在滿足強度達到標準要求的同時，需保證鋼板內部質量。首先，為滿足Ⅱ級探傷要求及厚度方向性能Z25，降低鋼中C、P、S、Mn等易偏析元素含量及氣體［H］含量［1－2］;其次，通過Nb、V 復合微合金化實現晶粒的細化、強度的提高。

1)降低P、S 雜質元素:P、S 為鋼中易偏析元素，盡可能去除鋼中P、S 含量，強化轉爐脫磷效果及防止出鋼過程回磷，保證出鋼P 含量小于0．012%;采用鐵水預處理+LF 精煉爐深度脫硫，將鋼中硫含量脫到0．005%以下。

2)碳、錳元素控制:碳、錳元素為偏析主導元素，為減輕中心偏析及滿足焊接要求，需降低容易偏析且對碳當量影響較大的C、Mn 元素含量;結合板坯連鑄特點，碳的設計還要避開鑄坯凝固包晶區范圍0．09% ～0．12%［3］，防止板坯縱裂發生，錳元素滿足性能要求前提下，盡量降低。

3)微合金Nb、V 元素加入:從滿足力學性能角度，碳及錳含量的降低會帶來強度的降低，需采用微合金化方式彌補強度不足，綜合各方面性能要求，該鋼種采用SiMn +適量Nb，V 復合微合金化的中碳成分體系設計。

4)氮元素控制:從成本角度，根據鈮釩等碳氮化物軋制過程析出的特點，為有效地利用鈮釩等微合金，促使鈮釩碳氮化物生成，充分發揮鈮釩的析出強化效果，細化晶粒，采取向鋼中吹入氮氣進行氮合金化的經濟有效方式。從增氮及控氮的優勢方面，選擇LF +VD 雙精煉全程吹氮進行增氮［4］，為保證板坯表面質量，將連鑄上鋼前鋼水熔煉成分氮含量控制在70 ppm ～100ppm。

2 研制及生產過程

2．1 工藝流程

根據安鋼的工藝設備特點、產品的技術要求及設計原則，選擇如下工藝流程:鐵水預脫硫—復吹轉爐—LF 精煉—VD 真空處理一板坯連鑄—鑄坯堆冷檢查—加熱—高壓水除鱗—控軋控冷—矯直一鋼板堆垛緩冷—表面檢查—取樣檢驗、定尺—標識—探傷—終判入庫。

2．2 化學成分

為保證產品Q420GJCZ25 綜合性能，采用SiMn+Nb，V 復合微合金化及控氮的成分體系，熔煉化學成分具體見表3。

表3 鋼的化學成分要求(質量分數) %

2．3 轉爐復吹冶煉

冶煉時使用鐵水、優質廢鋼，脫磷控制主要依托轉爐的氧化性氣氛進行脫磷，合理利用動態副槍模型，避免后期渣中TFe 降低后鋼水回磷。終點控制［P］≤0．012%、［C］≥0．08% ～0．12%，出鋼溫度滿足LF 到站鋼水溫度不低于1560 ℃，采用滑板擋渣方式，脫氧合金化使用硅錳合金和硅鐵合金，終脫氧依據終點氧含量加入適量鋁鐵合金保證脫氧效果，鋼包吹氬嚴禁翻鋼。

2．4 LF 精煉

LF 精煉脫氧、快速造白渣，要求精煉渣量不低于12 kg/t 鋼，白渣保持時間不低于20 min，快速達到脫硫的熱力學條件;合理選擇鋼包底吹流量，掌握脫硫時機，脫硫時期底吹流量大小按6 NL/min·t鋼～10 NL/min·t 鋼控制，保證快速脫硫的動力學條件，要求將硫脫至0．005%以下，以保證成品硫的控制。硅錳合金微調后，加入鈮鐵及釩氮合金，采用全程吹氮的增氮方式，為利于鋼水快速增氮，LF 一次升溫至1600 ℃以上，確保LF 出鋼鋼水氮含量介于90 ppm ～110 ppm，出鋼溫度要滿足VD 真空處理周期及連鑄澆注溫度要求，一般情況下出鋼溫度介于1625 ℃～1635 ℃。

2．5 VD 真空處理

為保證進一步脫氧、脫氫及控氮的目的，VD 真空處理采用兩個階段進行:一階段，為了脫氫，真空度達到70 Pa 以下進行，真空保持時間不低于5 min，［H］可穩定控制0．9 ×10－6～1．5 ×10－6;二階段，真空度控制在5 kpa ～15 kpa，單磚流量不低于2 NL/min，能夠滿足鋼水氮含量對真空度的控制要求。VD 真空處理時要全程底吹氮操作，保證過程平穩，氮含量目標控制在80 ppm ～95 ppm，VD 處理結束后視氮分析結果決定底吹介質選擇，并喂入鋁線及鈣鐵線，軟攪拌不低于5 min。真空達到時間、保持時間、最終的真空度、渣量控制及氣體攪拌強度是保證真空處理效果的關鍵。

2．6 板坯連鑄

生產前連鑄必須將所有二冷噴嘴清理干凈，并確認輥縫及輕壓下參數。采用全保護澆注，主要采用大包長水口、浸入式水口、中包覆蓋劑及惰性氣體密封等措施，在穩定結晶器內流場的前提下進行自動換渣線操作，調整范圍控制在0 ～±50 mm 之內。浸入式水口在結晶器內對中，保護渣采用中碳鋼保護渣。降低鋼水過熱度及穩定拉速，要求過熱度10 ℃～25 ℃，工作拉速穩定在1．25 m/min，嚴格控制連鑄非穩態澆注時間，塞棒位置單包波動值穩定在0 ～±2 mm 之內，控制結晶器液面波動在±3 mm以內。采用動態輕壓下技術，減輕鑄坯中心偏析［5－6］，二次冷卻采用專用弱冷模式，動態配水，保證鑄坯內外部質量。

2．7 板坯堆冷

為保證產品探傷性能，對鋼中氣體及板坯內部質量要求嚴格。采取坯料堆冷可有效緩解氫致裂紋的產生，同時可減輕微合金鋼種板坯的內部應力。安鋼選擇坯庫堆冷，堆垛高度大于1．5 m，加熱爐采取坯料冷裝軋制。

2．8 加熱及軋制

為保證材料組織和力學性能，嚴格制定了加熱及軋制工藝，加熱采用步進梁式加熱爐加熱，確保加熱溫度均勻;為保證未再結晶區的軋制效果，軋制采用再結晶及未再結晶區兩階段軋制，降低第二階段開軋溫度，增大道次變形率和總壓下率以及合適的終軋溫度，使奧氏體晶粒壓扁、拉長，奧氏體晶粒被拉長，將阻礙鐵素體晶粒的長大，隨著變形量的加大，變形帶的數量也增加，鐵素體形核增加，相變后鐵素體的晶粒更加細小，未再結晶區軋制導致鋼的強度提高和韌性改善［7］。其主要工藝參數控制范圍見表4。