安鋼Q420GJC高強(qiáng)建筑用鋼板研制開發(fā)

宋立偉　王立群　徐博　李娜　陳尹澤　牛超

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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安鋼Q420GJC高強(qiáng)建筑用鋼板研制開發(fā)

宋立偉王立群徐博李娜陳尹澤牛超

(安陽鋼鐵股份有限公司)

安鋼結(jié)合當(dāng)前高強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的市場(chǎng)，緊隨用戶需求，研發(fā)出Q420GJC高強(qiáng)建筑用鋼板。采用低碳+高錳配加鈮+釩+鋁復(fù)合微合金化的成分體系，制定兩階段軋制工藝，軋后鋼板獲得鐵素體+珠光體的組織結(jié)構(gòu)和各位置均勻的力學(xué)性能。鋼板各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)穩(wěn)定，滿足建筑結(jié)構(gòu)用鋼的標(biāo)準(zhǔn)和客戶使用要求。

Q420GJC建筑結(jié)構(gòu)用鋼研制開發(fā)力學(xué)性能

0　前言

當(dāng)前隨著大型鋼結(jié)構(gòu)建筑的逐漸普及，尤其在我國的大型化鋼結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼的需求量大幅的增加。而隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑高度的不斷增加、跨度的不斷增大，一些構(gòu)件所承受的約束力越來越大、越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的345 MPa級(jí)鋼板，已不能滿足當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展需要。體育場(chǎng)館、航站樓、高鐵站、大型劇院等建筑的部分構(gòu)件已開始采用了屈服強(qiáng)度更高的390 MPa、420 MPa、460 MPa級(jí)鋼板[1]。鋼結(jié)構(gòu)建筑的蓬勃發(fā)展，極大發(fā)地促進(jìn)了建筑結(jié)構(gòu)用鋼板的研制與開發(fā)。

現(xiàn)行GB/T 19879-2005 《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》國家標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，Q420GJC系列鋼由于具有強(qiáng)度高、韌性好、屈強(qiáng)比低等特點(diǎn)，廣泛用在高層、超高層、大跨度等鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中。安鋼為適應(yīng)國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展形勢(shì)，滿足用戶需求，開展了Q420GJC系列鋼相關(guān)研制和開發(fā)工作，并完成了鋼種試制及批量供貨，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1　Q420GJC化學(xué)成分

GB/T 19879-2005 《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中Q420GJC鋼板性能要求見表1。

表1　Q420GJC鋼板性能要求

注：1.試樣除沖擊為縱向試驗(yàn)外，其余均為橫向試樣。

根據(jù)GB/T19879標(biāo)準(zhǔn)中的化學(xué)成分要求，結(jié)合Q420GJC強(qiáng)度與韌性的匹配、可焊性、耐腐性、交貨狀態(tài)等要求，其合理的組織應(yīng)為鐵素體+珠光體，Q420GJC的化學(xué)成分設(shè)計(jì)采用“低碳、高錳、鈮、釩氮和鋁”多元素復(fù)合微合金化保證強(qiáng)度，同時(shí)在冶煉過程增加鐵水預(yù)處理和VD精煉等處理工藝降低鋼中有害元素、提高鋼水純凈度。Q420GJC具體化學(xué)成分見表2。

表2　Q420GJC鋼種的化學(xué)成分 　/ %

工藝路線為：鐵水預(yù)處理—150 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—LF精煉爐—VD真空爐—3250 mm寬板坯連鑄機(jī)—鑄坯堆冷—3500 mm爐卷軋機(jī)。

2　軋制工藝

2.1加熱

固溶鈮對(duì)奧氏體晶界起拖拽作用，在軋制過程中析出的碳化鈮對(duì)奧氏體晶界的釘扎，可顯著延遲奧氏體再結(jié)晶，提高奧氏體再結(jié)晶溫度。相變前固溶在奧氏體中的鈮可降低相變溫度，細(xì)化鐵素體晶粒，并在相變過程中析出起到強(qiáng)化效果；釩在奧氏體中的固溶度較高，在鐵素體中的溶解度相對(duì)較低，是一種理想的低溫鐵素體析出強(qiáng)化元素，通過固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化來提高強(qiáng)度和細(xì)化晶粒，最終改善韌性[2]。加熱時(shí)應(yīng)保證有足夠的鈮、釩固溶到奧氏體中，獲取均勻的奧氏體晶粒尺寸，加熱溫度控制在1220 ℃～1280 ℃。

2.2軋制

軋制工藝采用再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段控制軋制工藝。

再結(jié)晶區(qū)軋制在奧氏體再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行多道次大變形量軋制，單道次壓下率在15%以上。未再結(jié)晶區(qū)軋制使奧氏體晶粒充分壓扁、拉長(zhǎng)，奧氏體晶粒內(nèi)存在大量的變形帶，彌散分布的Nb、V的碳氮化析出物能作為鐵素體的形核核心，在原奧氏體晶內(nèi)和晶界大量形核，鐵素體晶粒被充分細(xì)化。通過控制總的壓下率和終軋溫度，以獲得良好的軋態(tài)性能。未再結(jié)晶區(qū)開軋溫度840 ℃～880 ℃，待溫厚度為成品厚度的2倍以上，終軋溫度控制在810 ℃以下，厚度超過40 mm的鋼板采取400 ℃～500 ℃線下堆冷48 h。

軋制工藝控制參數(shù)見表3。

3　高強(qiáng)度建筑結(jié)構(gòu)用鋼板試制結(jié)果分析

3.1力學(xué)性能

針對(duì)40 mm、50 mm規(guī)格的鋼板進(jìn)行常規(guī)拉伸及低溫沖擊性能檢測(cè)。鋼板的各項(xiàng)性能檢測(cè)結(jié)果見表4。

表3　軋制工藝

表4　Q420GJC鋼板性能結(jié)果

從表4可以看出，1)與標(biāo)準(zhǔn)性能要求相比，40 mm鋼板各部位強(qiáng)度富裕量均超過60 MPa，50 mm鋼板各部位強(qiáng)度富裕量均在30 MPa以上；2)鋼板表層及厚度1/4的強(qiáng)度略高于中心位置，但差別較小，厚度效應(yīng)不明顯；3)鋼板斷后伸長(zhǎng)率均在20%以上，塑性優(yōu)良；4)屈強(qiáng)比不高于0.80，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(屈強(qiáng)比≤0.85)；5)鋼板的0 ℃、-20 ℃的沖擊值均在90 J以上，高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的34 J，表明鋼板的沖擊韌性優(yōu)良。

3.2厚度方向拉伸性能檢測(cè)

對(duì)50 mm的鋼板沿厚度方向按照GB/T 5313-2010 《厚度方向性能鋼板》標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的拉伸性能檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1　鋼板厚度拉伸斷面收縮率

從圖1可以看出，50 mm厚鋼板的厚度方向拉伸試樣斷面收縮率與 GB/T 5313-2010標(biāo)準(zhǔn)中厚度方向鋼Z向級(jí)別的要求相比，Q420GJC鋼板的Z向斷面收縮率在36%～59%，平均在47%，能夠滿足Z35的要求，表明該鋼板具有良好的抗層狀撕裂性能。這主要是因?yàn)樵谝睙捴斜ＷC了低P、S控制，并獲得了良好的鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，其中中心偏析低于B1級(jí)、中心疏松低于1級(jí)、無中心裂紋，控軋后鋼板內(nèi)部組織均勻、無分層。

3.3金相組織情況

該產(chǎn)品金相組織如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可以看出，1/4厚度位置的晶粒度在9～9.5級(jí)，鋼板組織均為鐵素體+珠光體，這種強(qiáng)弱相匹配的雙相組織結(jié)構(gòu)保證了Q420GJC系列鋼板具有良好的強(qiáng)韌性匹配和較低的屈強(qiáng)比。

圖2　40 mm鋼板1/4位置　圖3　50 mm鋼板1/4位置

4　工業(yè)生產(chǎn)鋼板性能

目前，安鋼Q420GJC及Z向高強(qiáng)度建筑結(jié)構(gòu)用鋼板已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)化生產(chǎn)，其多個(gè)規(guī)格的實(shí)物水平見表5。

表5　實(shí)物力學(xué)性能

Q420GJC自成功開發(fā)以來，已發(fā)往多個(gè)客戶，交貨狀態(tài)為熱軋。經(jīng)多個(gè)鋼結(jié)構(gòu)制作方使用反應(yīng)，該鋼板具有高強(qiáng)度、高韌性，板厚效應(yīng)小，優(yōu)良的抗震性(低屈強(qiáng)比)和抗層狀撕裂性能，綜合性能指標(biāo)穩(wěn)定，完全滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)及使用要求。

5　結(jié)語

1)采用Nb、V的復(fù)合微合金化及兩階段控軋技術(shù)，成功的研制出高強(qiáng)度建筑結(jié)構(gòu)用鋼板Q420GJC，工藝路線設(shè)計(jì)合理、過程控制穩(wěn)定，鋼板性能優(yōu)異。

2)安鋼研發(fā)的Q420GJC鋼質(zhì)純凈，鋼板抗層狀撕裂性能優(yōu)良，具有高強(qiáng)度、良好的韌性、良好的表面和內(nèi)部質(zhì)量、理想的鐵素體+珠光體組織結(jié)構(gòu)、晶粒度9級(jí)以上，滿足高強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)用鋼板的要求。

[1]常躍峰,韋明,劉利香. 建筑結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度寬厚鋼板的開發(fā)[A].//2007年全國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文匯編[C].北京:中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì),2007:1-5.

[2]葉建軍. 高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼(49s0B)的強(qiáng)韌化理論與工藝研究[D]. 西安建筑科技大學(xué),2000:9-12.

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF Q420GJC HIGH-STRENGTH CONSTRUCTION STEEL PLATE IN ANYANG STEEL

Song LiweiWang LiqunXu BoLi NaChen YinzeNiu Chao

(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

Q420GJC high strength steel plate is developed in Anyang Steel based on the current high strength construction steel market and user' needs. The microstructure of the ferrite and pearlite and the mechanical properties are obtained by using composite micro alloying components system of low-C+high-Mn+Nb+V+Al and two stage rolling process. The performance of the steel plate is stable and can meet the standards and customers' requirement for the building structure steel.

Q420GJC steel plants for structure buildingsresearch and developmentmechanical property

偉，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；

2016—4—29