橋梁鋼Q370qE工業生產實踐

孫路路

（南京鋼鐵股份有限公司板材事業部，江蘇 南京 210035）

隨著經濟的發展，橋梁用鋼已成為一種應用廣泛的鋼材。橋梁鋼Q370qE是一種低合金結構鋼，主要用于鐵路橋梁、公路橋梁施工、鋼箱梁或鋼橋鋼梁焊接結構[1]。特別是鐵路橋梁，在實際運營過程中，長期承受著疲勞荷載，其安全可靠性受到社會的高度重視。根據橋梁的設計特點，要求鋼板的強韌性、焊接性、屈服強度比等性能均達到標準要求。采用正火工藝生產的傳統鐵路橋梁鋼的焊接性和低溫沖擊韌性不能滿足橋梁快速發展的要求，是其明顯的缺點[2]。采用TMCP工藝生產的低碳橋梁鋼具有強度高、焊接性好、低溫沖擊韌性好等優點。根據國內某鋼鐵企業先進的冶金技術和設備條件，研究了高性能Q370qE橋鋼板的工藝基礎，并在TMCP生產過程中采用低碳、微鈮和低碳當量的成分設計，研制了Q370qE鋼板具有優良的力學性能和焊接性能。

1 國內外橋梁鋼的發展概況

作為鋼鐵強國的日本，其橋梁鋼的研宄和應用非常廣泛，從20世紀中期日本就開始使用屈服強度超過500Mpa的高強度鋼來建造橋梁，比如1974年建造的大阪港大橋梁，20世紀60年代日本開始使用免涂裝的耐候鋼，用于沿海地區的橋梁建設。日本目前致力于高性能橋梁鋼的研究，比如開發的BHS500和BHS700W，屈服強度分別為500Mpa和700Mpa，有著更好的綜合力學性能。高強度耐候橋梁鋼在美國的應用歷史悠久，特別是1992年，高性能鋼HPS（high performane steel）的發展被提出，高性能鋼具有碳含量低、碳當量低、易焊接、力學性能好等特點[3]。代表鋼種為HPS345W、HPS485W和HPS690W。此外韓國，歐洲等國橋梁鋼的發展也比較迅速。

我國的橋梁鋼應用較晚，但是發展較快。我國橋梁用鋼屈服強度水平由235Mpa提高到345Mpa～420Mpa，近年來已發展到500Mpa；沖擊試驗溫度由最低的-20℃提高到最低的-40℃甚至-60℃；典型的代表為第一代武漢長江大橋，但是鋼材是原蘇聯提供給的A3鋼。第二代南京長江大橋，開始也是原蘇聯提供鋼材，后由鞍鋼替代，為16Mnq。第三代為九江長江大橋，用牌號為15MnVNq。第二代和第三代橋梁鋼由于韌性和焊接性能不好，只能應該于中小型橋梁。武鋼在此基礎上研發低碳當量和加Nb元素進行微合金化，成功研制14Mnbq，即目前廣泛使用的Q370q，成功應用于蕪湖長江大橋，為第四代。第五代為南京大勝關長江大橋，使用的是Q420q，屈服強度可達到420Mpa，隨著國內的基礎建設升級，對橋梁鋼的要求越來越高，挑戰也越來越大。圖1為某橋梁圖。

圖1 橋梁

2 技術要求與成分設計

根據GB/T 714-2015的標準，Q370qE的力學性能要求如表1。

表1 Q370qE的力學性能要求

碳是鋼中最重要的強化元素。隨著碳含量的增加，鋼的屈服強度和抗拉強度可以同時提高，但抗拉強度的提高幅度較大，屈服強度比較低。但隨著碳含量的增加，材料的中心偏析嚴重，降低了材料的韌性和焊接性[4]。因此，采用適當的低碳設計。錳在固溶強化和晶粒細化中起著重要的作用，提高了合金的屈服強度和低溫韌性。但錳含量過高也會降低焊接性能，應適當添加。鈮在控制軋制和冷卻過程中起著重要作用。在高溫控軋階段，固溶態Nb可以抑制再結晶奧氏體晶粒的生長；在低溫控軋階段，析出的Nb（C，N）顆粒通過抑制奧氏體的再結晶，增加晶體缺陷的密度，從而顯著提高了鐵素體的形核率，在鋼中加入少量的鈦可以促進TiN在晶界的析出，抑制原始奧氏體晶粒的生長，從而提高材料的低溫韌性。表2為設計成分。

碳當量（Ceq）計算公式為：

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

焊接裂紋敏感型指數（Pcm）代替碳當量評估鋼材的可焊性，計算公式為：

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B

3 生產工藝

加強對脫氧和脫硫過程的控制，能有效減少鋼中非金屬夾雜物的數量。在轉爐冶煉過程中，控制終端C的含量，降低鋼中的氧含量，嚴格控制爐渣量。精煉過程中脫硫快、充分，軟吹時間要保證，鋼中的夾雜物要完全浮起；連鑄坯中心偏析控制在C級0.5～1。嚴格控制加熱溫度和加熱時間，抑制原晶粒過度生長[5]。依次加熱溫度為1200℃～1250℃，加熱時間為3.5h～4.5h比較合適。在再結晶區和非再結晶區軋制，保證了再結晶溫度范圍內晶粒組織均勻。粗軋階段，軋制溫度≥1050℃，合格率控制在15%～30%。奧氏體晶粒經軋制完全再結晶細化，大大降低。在最終軋制階段，二次軋制溫度≤950℃，二次軋制累積變形控制在60%～70%，增加了晶間變形面積，促進了鐵素體的形成。最終軋制溫度控制在760℃～830℃，抑制了相變后鐵素體的生長，降低了鐵素體晶粒尺寸。為了獲得均勻、細小的鐵素體+珠光體結構，考慮了最大形核速率、最快形核速率和矯直溫度的溫度范圍。軋制后用ACC進行冷卻，最終冷卻溫度控制在620℃～700℃。圖2為生產工藝流程。圖3為軋制生產線。

表2 Q370qE的設計成分（Wt/%）

圖2 生產工藝流程圖

圖3 軋制生產線圖

4 試驗結果

經過試驗生產檢測，試驗鋼屈服強度400MPa～480MPa，抗拉強度540MPa～610MPa，延伸率21%～25%，-40℃沖擊功為180J～240J。圖4為屈服強度、圖5為抗拉強度、圖6為延伸性能、圖7為低溫沖擊性能。

圖4 30mm屈服強度分布

圖5 30mm抗拉強度分布

圖6 30mm試樣延伸率分布

圖7 30mm試樣低溫沖擊功分布

5 結論

通過添加合理的成分，利用控制軋制控制冷卻工藝，使橋梁用鋼Q370qE的各項性能達到國標GB/T 714-2015的要求，完全滿足橋梁鋼的應用需求，現已穩定、批量供貨。