500 MPa級低屈強比橋梁用鋼板的開發(fā)

吳　勇,劉自成

(寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部,上?！?01900)

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500 MPa級低屈強比橋梁用鋼板的開發(fā)

吳勇,劉自成

(寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部,上海201900)

介紹了500 MPa級橋梁用鋼板的主要制造工藝和技術(shù)難點。通過低碳以及適量的合金元素成分設(shè)計,配合合適的控軋控冷及熱處理工藝,獲得鐵素體+貝氏體金相組織,控制軟相鐵素體和硬相貝氏體的數(shù)量比例、尺寸、形貌及相互分布狀況。利用力學性能測試、光學顯微鏡觀察等方法分析力學性能和金相組織的關(guān)系,最后成功開發(fā)出低屈強比Q500qE橋梁鋼板。

橋梁用鋼; 低屈強比; 控軋控冷; 熱處理; 組織與性能

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)與社會發(fā)展,橋梁用鋼正在向大跨度、高剛度、強抗震性方向發(fā)展;同時也向低屈強比、高強度高韌性、優(yōu)良焊接性及耐大氣腐蝕性等方向發(fā)展。屈強比是材料抵抗從屈服到塑性不穩(wěn)定變形的一種能力[1],是材料的重要性能指標之一。屈強比越低,材料的變形容量越大, 意味著材料在使用過程中更為安全[2]。我國正在籌建的滬通公鐵兩用大橋?qū)⑹状尾捎肣500qE材料,不但要求高強度高韌性,而且要求低屈強比、優(yōu)良焊接性和抗裂、止裂性能。

本文基于寶鋼現(xiàn)有技術(shù)裝備以及理論分析,通過合適的成分和工藝設(shè)計,開發(fā)出屈強比低、焊接性優(yōu)良的Q500qE橋梁鋼板。

1　Q500qE材料技術(shù)要求

中鐵大橋局《Q500qE鋼板供貨技術(shù)條件》對Q500qE化學成分要求見表1,對力學性能要求見表2,對無塑性轉(zhuǎn)變溫度(NDT)要求見表3。

對鋼板的其他性能要求包括:①等溫型止裂試驗:材料-20 ℃止裂性能滿足《GD07—2014中國船級社 船用高強度鋼厚板檢驗指南》。②優(yōu)良焊接性及低裂紋敏感性:焊前無需預熱,適合大熱輸入量焊接,改善工作環(huán)境,縮短加工周期。

表1　Q500qE 的化學成分要求(最大值)

表2　Q500qE的力學性能要求

表3　Q500qE的無塑性轉(zhuǎn)變溫度(NDT)要求

2　成分及工藝設(shè)計原理

2.1成分設(shè)計

眾所周知,高強度500 MPa級鋼板一般采用在線調(diào)質(zhì)(TMCP+T或DQ+T)或離線調(diào)質(zhì)(RQ+T)工藝進行生產(chǎn),可以在較低的碳、碳當量及Pcm的條件下實現(xiàn)優(yōu)良的強韌性匹配。但是采用在線調(diào)質(zhì)與離線調(diào)質(zhì)生產(chǎn)時,由于鋼板的顯微組織為單一貝氏體(可能存在少量極為細小的鐵素體)、貝氏體+少量馬氏體(或少量分布的M/A島),鋼板屈強比偏高,不能滿足大型鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范的要求。為了獲得高強度、高韌性、優(yōu)良焊接性及低屈強比,鋼板顯微組織必須為軟相+硬相相互匹配的復相組織,在軟相鐵素體中,硬相貝氏體降低鋼的屈強比[3],即控制軟相和硬相的比例、尺寸、形貌及相互分布狀況。具體成分設(shè)計見表4。

表4　Q500qE 成分設(shè)計

wMn/wC≥10,以保證鋼板鐵素體晶粒均勻細小且在-40 ℃下夏比沖擊試樣斷口纖維率≥90%。

Ceq≤0.46%且wC≤0.08%,以確保鋼板具有優(yōu)良的焊接性,可以實現(xiàn)焊前無需預熱、大熱輸入焊接(≥40 kJ/cm),焊后需要消除應(yīng)力退火。

在線淬透性指數(shù)ζ≥90 mm,以保證鋼板具有較高的淬透性,在TMCP或DQ過程中,形成一定數(shù)量高強度的貝氏體組織,確保鋼板抗拉強度。

wTi/wN在1.0～3.0之間,保證形成的TiN粒子均勻細小,抗奧斯瓦爾德熟化能力強。TiN粒子在板坯加熱、軋制及焊接熱循環(huán)過程中,保持足夠數(shù)量且較為細小均勻地分布。

wAls≥10(wNtotal-0.292wTi),以消除焊接熱影響區(qū)HAZ中的固溶[N],以確保鋼板可承受較大熱輸入焊接,HAZ具有優(yōu)良的低溫韌性、抗裂止裂性。

wNi/wCu≥0.50,防止Cu脆發(fā)生,改善澆鑄、熱軋及焊接過程熱裂紋敏感性。

2.2工藝路徑設(shè)計

Q500qE的生產(chǎn)工藝路徑:TDS鐵水深脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉LF+RH→連鑄→板坯精整→板坯定尺→加熱→軋制→緩冷→探傷→熱處理→鋼板切邊、切頭尾→取樣與性能檢驗→鋼板切定尺→表面質(zhì)量和外觀尺寸、標識→出廠。

2.2.1煉鋼工藝

(1) 鐵水比≥87%,使用三脫鐵水(低P、低S、低Si),KR鐵水攪拌,入爐鐵水w[S]≤0.002%。

(2) 轉(zhuǎn)爐嚴格按低[N]、低[P]、低[H]冶煉基準操作,停吹溫度控制在1 600 (±10 ℃), 停吹自由氧w[O]≤750×10-4%。

(3) LF純攪拌時間≥10 min,RH真空度<266 Pa,高真空時間≥15 min,純脫氣時間≥10 min。

(4) 中間包過熱度控制在7～30 K,拉速≤1.5 m/min。

(5) 連鑄坯中心偏析、內(nèi)裂、三角區(qū)裂紋、角裂、夾雜滿足Mannesmann圖譜M2.0以下,以保證鋼板內(nèi)質(zhì)的純凈性和均勻性,同時保證鋼板獲得優(yōu)良的抗層狀撕裂和抗疲勞性能。

2.2.2軋制工藝

(1) 加熱工藝。為確保初始奧氏體晶粒均勻細小,必須采用低溫加熱工藝,同時還要保證微合金化元素Nb的完全固溶,板坯加熱溫度控制在1 080～1 160 ℃。

(2) 軋制工藝。采用雙機架軋制。粗軋階段:在完全奧氏體再結(jié)晶溫度范圍內(nèi),大軋制力、大壓下率下進行連續(xù)軋制,確保變形金屬發(fā)生動態(tài)或靜態(tài)再結(jié)晶,細化奧氏體晶粒;軋制扭矩≥4 200 kN·m,總壓下率≥50%,粗軋終軋溫度≥960 ℃。精軋階段:在奧氏體未再結(jié)晶溫度范圍內(nèi),同樣采用大軋制力、大壓下率下低溫軋制,以促進大量細小的Nb(CN)、V(CN)析出并彌散分布, 強化基體組織,降低貝氏體鐵素體含碳量[4];軋制扭矩≥4 000 kN·m,開軋溫度為800～860 ℃,總壓下率≥50%,終軋溫度為780～820 ℃。

(3) ACC冷卻工藝。軋制結(jié)束后,對鋼板進行加速冷卻;開冷溫度為740～780 ℃,冷卻速度≥8 K/s,停冷溫度為400～500 ℃。

(4) 緩冷及熱處理。加速冷卻后,鋼板下線堆緩冷擴[H],以確保鋼板滿足GB/T 2970 I級探傷標準。為消除鋼板內(nèi)應(yīng)力,同時獲得良好的強韌性、強塑性匹配,對鋼板進行回火熱處理。

3　鋼板的性能和顯微組織

通過以上成分及工藝的設(shè)計,成功開發(fā)出厚度為20、32、40、56 mm低屈強比Q500qE橋梁鋼板,力學性能完全滿足滬通大橋工程技術(shù)要求,實物質(zhì)量優(yōu)良。

3.1性能

3.1.1力學性能

鋼板常規(guī)拉伸、冷彎、Z向拉伸均滿足技術(shù)要求;頭尾性能均勻,抗層狀撕裂表現(xiàn)優(yōu)良,尤其是屈強比低,保證了橋梁安全性,具體見表5。

表5　鋼板力學性能

3.1.2低溫沖擊韌性

鋼板具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。沖擊韌脆轉(zhuǎn)變溫度低,沖擊試樣斷口呈韌窩狀,是典型的韌性斷裂特征。沖擊轉(zhuǎn)變曲線見圖1。

3.1.3應(yīng)變時效沖擊性能

應(yīng)變時效沖擊性能也是保證材料韌性的考核指標。試樣經(jīng)5%拉伸應(yīng)變、(250±10) ℃加熱時效和保溫1 h后,進行-40 ℃沖擊試驗,沖擊功單值分別為223、196、203 J,均值為207 J,說明鋼板具有優(yōu)良的抗低溫應(yīng)變時效脆化性能。

3.1.4無塑性轉(zhuǎn)變溫度(TNDT)

經(jīng)某國家重點研究所試驗,鋼板零塑性轉(zhuǎn)變溫度低于-95 ℃,達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流水平,滿足國內(nèi)重大橋梁工程供貨技術(shù)標準要求,獲得中鐵大橋局設(shè)計院認可。無塑性轉(zhuǎn)變溫度見表6。

3.2顯微組織

鋼板顯微組織均為鐵素體(形變鐵素體)+貝氏體復相組織,鐵素體晶粒尺寸、貝氏體晶團尺寸細小且鐵素體、貝氏體兩相組織相互均勻分布,鐵素體晶粒度達到10級以上,見圖2。

表6　無塑性轉(zhuǎn)變溫度

4　結(jié)論

(1) 寶鋼開發(fā)的Q500qE橋梁鋼板具有良好的強韌性、強塑性匹配和較低的屈強比,保證了橋梁的安全性。

(2) 鋼板頭尾力學性能均勻,各向異性較小;抗層狀撕裂性能、抗低溫應(yīng)變時效脆化性能優(yōu)良;韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60 ℃。

(3)鋼板抗裂、止裂性優(yōu)良,無塑性轉(zhuǎn)變溫度低于-95 ℃,實物質(zhì)量達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流水平,滿足了國內(nèi)重大橋梁工程供貨技術(shù)標準要求。

[1]Tang Z H,Stumpf W.The effect of microstructure and processing variables on the yield to ultimate tensile strength ratio in a Nb-Ti and a Nb-Ti-Mo line pipe steel[J]. Material Science and Engineering A,2008,490:391-402.

[2]唐金權(quán).含銅超低碳貝氏體鋼強韌化機理及屈強比的研究[D].武漢:武漢科技大學,2006.

[3]Kim N J,Thomas G. Effects of the constituents on the mechanical behavior of low carbon steels [J].Scripta Metallurgica,1984,18(8):817-820.

[4]楊春楣,彭建.終軋溫度和軋后冷卻對含Nb-V微合金鋼性能的影響[J].金屬成形工藝,2000,18(3):12-14.

Development of 500 MPa low yield tensile ratio steel plate for bridge

WU Yong and LIU Zicheng

(Manufacturing Management Department,Baoshan Iron & Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900, China)

Manufacturing process and technical difficulties of 500 MPa bridge steel plate were mainly introduced. Low carbon and moderate alloy composition is designed with appropriate process of controlled rolling and cooling and heat treatment to obtain ferrite+bainite microstructure, and controlling proportion, size, shape and distribution of soft phase ferrite and hard phase bainite. By using the methods of mechanics performance test and optical microscope to observe the relations between the mechanical properties and microstructure, and finally low yield tensile ratio Q500qE steel plate for bridge is successfully developed.

steel plate for bridge; low yield tensile ratio; controlled rolling and cooling; heat treatment; microstructure and properties

開發(fā)與運用

TG142.41

B

1008-0716(2016)05-0074-04

10.3969/j.issn.1008-0716.2016.05.016

2016-06-13)

吳勇工程師1981年生2005年畢業(yè)于安徽工業(yè)大學

現(xiàn)從事厚板產(chǎn)品研究電話26645078

E-mailwuyong354879@baosteel.com