港口機械用低合金高強度鋼板Q345E-Z35的研制

鄭香增

(濟南鋼鐵集團公司,山東濟南 250101)

港口機械用低合金高強度鋼板Q345E-Z35的研制

鄭香增

(濟南鋼鐵集團公司,山東濟南 250101)

總結了濟鋼生產港口機械用低合金厚鋼板Q345E-Z35的試制過程。通過分析鋼的化學成分、夾雜物情況等對性能的影響,采取優化冶煉工藝及軋制工藝的措施,合理控制了碳當量及夾雜物的形態、分布,在鋼的強度不降低的情況下,提高了鋼的抗層狀撕裂性能,鋼板質量、各項性能均滿足技術條件的要求。

抗層狀撕裂性能;碳當量;工藝優化

1 引言

近年來,由于港口建設的蓬勃發展,港口機械用低合金鋼板市場需求旺盛。隨著現代港口工業技術的發展,港口裝卸機械作用越來越大,功能逐漸增強。在港口機械中,門式抓斗裝卸橋是在復雜工況下作業的大型結構系統,門式裝卸橋的跨度通常大于35 m,整個門架結構均采用焊接的封閉箱型金屬結構,其動態性能受多種因素的影響。港口起重機是一種經常起動、制動和反復運動的機械,機構和結構承受著強烈的沖擊振動,這種沖擊振動產生的動載荷在起重機的運行過程中是必須加以考慮的。鋼材的選用決定港口起重機金屬結構的可靠性。為了港口機械金屬結構的安全度,考慮到載荷、材料性質、構件實際尺寸等因素,必須使用性能級別高的鋼材,以減輕結構重量,降低建造成本,提高其可靠性。

為滿足市場的需求,盡快開發出港口機械用低合金厚鋼板Q345E-Z35有十分重要的意義。港口機械用含鈮低合金高強度鋼有較高的技術要求,要求高精度尺寸、良好的表面質量、優良的力學性能,鋼板在具備高強度、高延伸率、塑性、低溫韌性的基礎上,需同時具備易焊接性及厚度方向性能。

2 產品設計思路

港口機械用低合金厚鋼板Q345E-Z35成分設計的重點放在純凈鋼質,降低碳當量和微合金化,研究鋼中Nb微合金元素和有害元素在鋼板控軋過程中的行為和作用。碳和錳含量是低合金鋼的設計基礎,根據國內外發展的趨勢,多采用低碳高錳的成分設計,并采用Nb微合金化,這樣既能夠提高強度,又能通過控軋達到細化晶粒之目的。

(1)合理設計碳、硅、錳的成分范圍,降低碳當量。另外,錳作為鐵素體固溶強化元素而存在,含量過高會形成貝氏體,使鋼的塑性和韌性受到損失,因此將錳控制在中下線。

(2)大型焊接結構件由于拘束條件苛刻,在焊接熱影響區易產生層狀撕裂,它與鋼的硫含量有密切關系,嚴格控制磷、硫含量,硫含量控制在0.005%以下,同時對鋼液進行鈣處理,確保板厚方向的塑性,提高抗層狀撕裂能力。

(3)用Ti、Nb微處理技術,向鋼中添加微量的Ti、Nb,細化晶粒,提高鋼的韌塑性,并改善厚規格鋼板的焊接性能。

(4)合理控制冶煉工藝,通過KR鐵水預處理、LF/VD/RH爐外精煉充分脫除鋼中雜質和氣體,獲得純凈的鋼質;通過鋼包喂Ca線的方式,對夾雜物進行鈣處理。適當降低拉速,減輕連鑄坯的偏析與疏松。

(5)為了獲得優良的可焊接性,嚴格控制鋼的碳當量,當鋼板厚度小于40 mm時,Ceq應小于0.40%,當鋼板厚度大于40 mm時,Ceq應小于0.42%。在港口機械用鋼結構的設計規范中引入了焊接裂紋敏感系數(Pcm),Pcm應小于0.29%。

Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+ V)/5

Pcm=C+Mn/20+Si/30+Cr/20+Ni/60+ Cu/20+Mo/15+V/10

3 生產工藝控制

3.1 冶煉工藝

港口機械用含鈮低合金高強度鋼冶煉工藝,KR鐵水脫硫預處理,入轉爐的鐵水硫含量小于0.005%,確保成品低硫含量的要求。為降低鋼中氫含量、氧含量及去除夾雜物而采用VD真空脫氣處理。采用鋼包喂SiCa線處理對夾雜物進行變性控制。在鋼中盡可能降低自由氧含量,從而保證鈣的收得率,提高鋼板厚度方向斷面收縮率。

3.2 軋制工藝

根據含鈮鋼的特點,粗軋在高溫區以大變形量軋制使奧氏體充分再結晶。鋼板在粗軋階段采用大壓下軋制,一是可以增大應力應變向鋼板內部的滲透率,使得鋼板內部缺陷更容易焊合;二是在粗軋階段采用大壓下軋制能夠使得奧氏體晶粒通過不斷地發生再結晶而細化晶粒,從而獲得優良的鋼板性能。在900℃以下開始精軋,通過變形量的配合,使鋼中的Nb在奧氏體中部分誘導析出。

3.3 熱處理

正火熱處理后鋼板組織比較均勻,晶粒進一步細化,在鋼板強度稍有下降或基本不變的情況下,可大大提高鋼板的沖擊韌性,得到強度、塑性、韌性的最佳匹配。港口機械用高強鋼厚板均通過正火改善組織,獲得良好的綜合性能。40 mm以上的高強度港口機械用鋼板采取正火處理工藝。因成分設計含有Nb、Ti等碳化物形成元素,采用高于Ac3以上50℃溫度進行正火處理。

4 產品實物質量

試制工藝流程為:KR鐵水預處理→轉爐冶煉→LF精煉→VD真空處理→連鑄→加熱→軋制→正火熱處理。

4.1 化學成分

潔凈鋼冶煉工藝保證了鋼的內部質量,鋼質的純凈度高,P、S等雜質元素含量低。熔煉成分見表1。

表1 熔煉成分(%)

4.2 力學性能

Nb、Ti微合金化成分設計及合理的控軋、正火工藝,保證了鋼板的各項力學性能,低溫韌性值超過標準要求,且富裕量較大。厚度方向性能鋼板良好,遠超過標準要求。力學性能見表2～4,系列溫度沖擊折線圖見圖1。

4.3 金相檢驗

取樣做金相檢驗,金相檢驗項目及結果見表5。

表2 拉伸試驗性能

表3 Z向性能

表4 系列溫度沖擊功

圖1 V型系列溫度沖擊值折線圖

表5 金相檢驗

4.4 試樣斷口掃描

抗層狀撕裂拉伸試樣斷口掃描,見圖2、圖3所示。鋼板試樣斷口較好,拉伸斷口呈韌性斷裂,韌窩較多,斷面收縮率數值也較高。鋼板厚度方向性能試驗數值較高,均值達到60%以上,遠大于GB/T 5313-2010厚度方向性能鋼板指標要求。

5 結論

(1)港口機械用低合金厚鋼板生產的關鍵技術在于提高鋼水的純凈度,盡量減少鋼中的夾雜物含量,減少鑄坯缺陷,特別是中心偏析與縮孔缺陷。潔凈鋼冶煉工藝保證了大厚度鋼板的內部質量,鋼質的純凈度高,P、S等雜質元素含量低。(2)Nb、Ti微合金化成分設計及合理的控軋、正火工藝,保證了港口機械用低合金厚鋼板的力學性能,低溫韌性值超過標準要求,且富裕量較大。厚度方向性能鋼板良好,遠超過標準要求。

圖2 抗層狀撕裂試樣斷口

圖3 抗層狀撕裂試樣斷口

[1] 東 濤,傅俊巖.微鈮處理鋼的物理冶金[C]//.2002年全國低合金鋼非調質鋼學術年會論文集,2002.

Research and Development of High Strength Low Alloy Structure Steel Plate Q345E-Z35 for Port Machinery

ZHENG Xiangzeng

(Jinan Iron and Steel Group Corp.,Jinan 250101,Shandong,China)

The development process of Q345E-Z35 low alloy structure thick steel plates for port machinery were summed up in this paper.By analyzing the effect of chemical contents and inclusion on property,the measures for optimizing smelting and rolling process were made.The carbon equivalent and form and distribution of inclusion were controlled reasonably.On the condition of retaining the steel’s strength,the steel’s lamellar tearing resistant was improved.Plate quality and various properties all meet product specification.

lamellar tearing resistant,carbon equivalent,process optimization

TG142.41

A

1001-5108(2017)02-0017-03

鄭香增,高級工程師,主要從事金屬材料方面的研究。