CN101717891A - 一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢及其制备方法 - Google Patents
一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢及其制备方法，它主要包括的化学成分按重量百分比计为：C：0.02～0.058、Si：0.018～0.10、Mn：0.60～1.30、P：≤0.025、S：≤0.010、Cu：0.15～0.40、Ni：0.036～0.30、Al：0.045～0.12、Ti：0.005～0.06、Ca：0.0010～0.0030，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢具有高强度、优良的焊接性能、冷弯成型性能、低温冲击韧性及良好的耐大气腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明属低合金钢制造领域，主要涉及一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢，主要用于输电铁塔制造。
背景技术
长期以来，我国输电铁塔用钢材基本上都采用强度等级Q235和Q345的热轧角钢，近年来开始使用了少量的Q390、Q420高强钢。目前，高强钢在我国输电铁塔中仅得到了小规模的试用，随着我国电网建设的加快和特高压电网的建设，更大范围地使用高强钢已成为共识。
与国外先进国家相比，我国输电铁塔结构所用钢材的材质单一、强度值偏低、材质的可选择余地小。随着电网的升级，我国对输电塔的结构设计、钢材强度提出了更高的要求。高强钢具有强度高、承载能力强的特点，同时使用高强钢可使铁塔重量降低10％～20％。分析表明，在输电铁塔上使用Q420高强钢可有效减轻塔材重量5～8％，节省整体造价2％～6％。
冷弯型钢由钢板加工成型，定尺任意，可加工任意形状和尺寸的构件，可以避免由于杆件定长导致的材料浪费。
输电线路杆塔长期暴露在大气环境之中，腐蚀环境较为恶劣，大气腐蚀占塔架总腐蚀损失的一半以上。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳钢的2～8倍，可以直接裸露使用，并且使用时间愈长，耐蚀作用愈突出。耐候冷弯型钢是一种经济环保型材料，可加工成定尺任意，任意形状和尺寸的构件，可以避免由于杆件定长导致的材料浪费，在输电铁塔上应用，经济效益、社会效益、环保效益显著，具有广阔的发展空间。
中国发明专利CN101144139A公开了“一种高强度耐候低合金电力杆用钢及其制造方法”，其合金成分及重量百分比含量为：C：0.06～0.12、Si：0.15～0.35、Mn：1.0～1.4、S≤0.030、P≤0.030、Cu：0.15～0.30、Al＜0.04、Nb：0.01～0.03，其余为Fe和微量杂质，通过添加耐腐蚀性元素Cu提高钢的耐腐蚀性能，通过Nb微合金化及控制轧制技术提高钢的强度，该钢本质上来说是一种含Cu钢，并且钢中S含量较高，不利钢的低温冲击韧性和成型性能，同时该钢的屈强比较高，达到了0.84～0.86。
中国发明专利CN100342051C公开了“一种经济耐候钢”，其合金成分及重量百分比含量为：C：0.12～0.21、Si：0.2～2.0、Mn：0.7～2.0、S≤0.036、P≤0.034、Cu：0.10～0.40、Al＜0.2，其余为Fe和微量杂质，通过简单调整Q235钢的部分合金元素，添加耐腐蚀性元素Cu生产出了具有良好耐腐蚀性能及力学性能优良的经济耐候钢，该钢本质上来说也是一种含Cu钢，强度级别较低，并且钢中C、S含量较高，不利于钢的焊接性、耐腐蚀性能、低温冲击韧性和成型性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢及其制备方法，该高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢具有高强度、优良的焊接性能、冷弯成型性能、低温冲击韧性及良好的耐大气腐蚀性能。
本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：
一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢，它主要包括的化学成分按重量百分比计为：C：0.02～0.058、Si：≤0.10、Mn：0.60～1.30、P：≤0.025、S：≤0.010、Cu：0.15～0.40、Ni：0.036～0.30、Al：0.045～0.12、Ti：0.005～0.06、Ca：0.0010～0.0030，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢，它主要包括的化学成分按重量百分比计为：C：0.022～0.04、Si：0.018～0.074、Mn：0.84～1.25、P：≤0.020、S：≤0.005、Cu：0.18～0.23、Ni：0.036～0.23、Al：0.058～0.12、Ti：0.008～0.02、Ca：0.0012～0.0020，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢，它主要包括的化学成分按重量百分比计为：C：0.049～0.058、Si：0.044～0.052、Mn：0.60～0.80、P：≤0.020、S：≤0.010、Cu：0.29～0.40、Ni：0.15～0.30、Al：0.06～0.10、Ti：0.02～0.025、Ca：0.0018～0.0028，余量为Fe及不可避免的杂质。
制备上述高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢的方法，生产工艺流程依次为：铁水脱硫、转炉冶炼、真空处理、连铸、铸坯清理、铸坯下送、板坯加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取、精整入库。
上述方案中，所述板坯加热温度为1250～1300℃，加热时间，150分钟；所述粗轧阶段的开轧温度为1160～1220℃，终轧温度，1040～1080℃，累计压下率≥70％，道次压下率≥15％；所述精轧阶段的开轧温度≤980℃，终轧温度，780～860℃，后三道次累计压下率≥60％；所述层流冷却的卷取温度为580～660℃。
本发明的主要合金元素含量的设计基于以下原理：
C是提高钢强度最经济有效的合金元素，但C含量过高会显著恶化钢的焊接性能，并且会促进珠光体转变，降低钢的耐大气腐蚀性能，本发明采用低C设计，提高钢的焊接性能，减少碳化物组织形成，提高钢的耐腐蚀性能、低温冲击韧性和成型性能，C含量为0.02～0.058％。
钢中添加Mn，不仅可以通过Mn的固溶强化提高钢的强度，而且可降低钢的相变温度，细化晶粒，提高钢的低温韧性，Mn含量为0.60～1.30％。
合金元素Si既可通过固溶强化提高钢的强度，也可提高钢的耐大气腐蚀性能，本发明钢中的Si含量设计为≤0.10％。
Cu是提高钢耐大气腐蚀性能最主要的合金元素，同时也能提高强度，但恶化焊接性能，容易产生热脆，钢中的Cu含量达到0.15％时，能大幅提高钢的耐大气腐蚀性能，同时通过固溶强化提高钢的强度，本发明钢中的Cu含量设计为0.15～0.40％。
P是传统耐候钢中主要的合金元素，与Cu复合加入耐候钢中，提高钢耐腐蚀性能的能力远大于Cu、P单独加入钢中的效果，但当焊接金属凝固时，P促进低熔点夹杂物的生成，既易产生高温裂纹，又增加低温裂纹敏感性，使焊缝的延展性和韧性变坏。含P量高，使钢具有较明显的冷脆倾向。本发明钢中的P含量控制较低水平，设计为≤0.025％；
Ti是强碳氮化物形成元素，通过析出强化提高钢强度；TiN的固溶温度较高，在奥氏体化阶段，可抑止奥氏体粗化；另一方面由于TiN在高温下具有高的稳定性，在焊接过程中，可以控制焊接热影响区的奥氏体晶粒尺寸，提高热影响区奥氏体转变温度，本发明钢中Ti含量设计为0.005～0.06％。
Al与钢中的N形成AlN，细化晶粒，提高钢的强韧性；Al也能在锈层内形成致密的氧化物，提高钢的耐腐蚀性能，本发明钢中Al含量设计为0.045～0.12％。
S是钢中的有害元素，生成的硫化物夹杂不仅严重影响钢的力学性能，而且对钢的耐腐蚀性能产生严重的恶化作用，因此应尽是降低钢中的S含量，使其含量在0.010％以下，提高钢的耐腐蚀性能、低温冲击韧性、成型性能及钢板纵、横向性能均匀性。
微量Ca可以形成CaO和CaS溶解于钢表面薄电解液膜中，使腐蚀界面的碱性增大，降低其侵蚀性，促进锈层转化为致密、保护性好的α-FeOOH，显著改善钢的耐大气腐蚀性能，本发明钢中Ca含量设计为0.0010～0.0030％。
另外，Ni是提高钢耐大气腐蚀性能的合金元素，钢中同时加入Cu、Ni等元素，使钢的耐大气腐蚀性能提高。Ni能显著改善钢的低温韧性，有效阻止Cu的热脆引起的网裂。本发明钢中的Ni含量设计为≤0.30％。
本发明具有以下优点：
1、本发明钢的化学成分简单，成本低廉，是一种经济型耐候钢。
2、本发明钢通过复合添加Cu、Ni，提高钢的耐腐蚀性能；不含传统耐候钢中的元素P，以提高钢的抗冷脆性能力及低温冲击韧性；控制较低的S含量，提高钢的洁净度，从而提高钢的耐腐蚀性能及钢的综合力学性能；添加Al提高钢的强韧匹配和耐腐蚀性能；添加微量Ca，改善钢的纵横向力学性能及提高钢的耐腐蚀性能。
本发明钢具有高强度、优良的焊接性能、冷弯成型性能、低温冲击韧性及良好的耐大气腐蚀性能。
具体实施方式
下面通过实施例进一步介绍本发明，但是实施例不构成对本发明的限制。
本发明高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢实施例的具体生产工艺流程依次为：
铁水脱硫、转炉冶炼、真空处理、连铸、铸坯清理、铸坯下送、板坯加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取、精整入库。
上述方案中，所述板坯加热温度为1250～1300℃，加热时间，150分钟；所述粗轧阶段的开轧温度为1160～1220℃，终轧温度，1040～1080℃，累计压下率≥70％，道次压下率≥15％；所述精轧阶段的开轧温度≤980℃，终轧温度，780～860℃，后三道次累计压下率≥60％；所述层流冷却的卷取温度为580～660℃。
本发明高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢，它主要包括的化学成分按重量百分比计为：C：0.02～0.058、Si：0.018～0.10、Mn：0.60～1.30、P：≤0.025、S：≤0.010、Cu：0.15～0.40、Ni：0.036～0.30、Al：0.045～0.12、Ti：0.005～0.06、Ca：0.0010～0.0030，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例1～5均按上述工艺生产，生产出钢的主要化学成分见表1，钢的力学性能见表2，钢的耐大气腐蚀结果见表3。
上述五个实施例均在50kg真空感应炉冶炼。
为了能更好的反映出本发明钢耐大气腐蚀性的优点，本实施方式中提供了1组比较钢的耐大气腐蚀性结果，实验方法按按TB/T 2375-1993执行，见表3中的Q345B。
表1实施例钢的化学成分(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Cu | Ni | Al | Ti | Ca |
| 1 | 0.022 | 0.068 | 1.25 | 0.019 | 0.005 | 0.18 | 0.23 | 0.058 | 0.020 | 0.0012 |
| 2 | 0.035 | 0.018 | 0.84 | 0.008 | 0.0035 | 0.24 | 0.10 | 0.012 | 0.018 | 0.0020 |
| 3 | 0.040 | 0.074 | 1.00 | 0.015 | 0.0038 | 0.30 | 0.036 | 0.074 | 0.008 | 0.0015 |
| 4 | 0.049 | 0.052 | 0.78 | 0.020 | 0.008 | 0.29 | 0.30 | 0.092 | 0.020 | 0.0028 |
| 5 | 0.058 | 0.044 | 0.62 | 0.005 | 0.0047 | 0.39 | 0.17 | 0.063 | 0.025 | 0.0018 |
表2实施例钢的力学性能
| 实施例 | 规格(mm) | ReL(MPa) | Rm(MPa) | A(％) | -40℃，Akv(J) | 冷弯d＝2a、180° |
| 1 | 10.0 | 430 | 630 | 26 | 126 | 合格 |
| 2 | 10.0 | 440 | 580 | 24 | 145 | 合格 |
| 3 | 10.0 | 425 | 570 | 27 | 132 | 合格 |
| 4 | 10.0 | 485 | 670 | 25 | 122 | 合格 |
| 5 | 10.0 | 455 | 675 | 25 | 138 | 合格 |
表3实施例钢的耐大气腐蚀实验结果腐蚀率(g/m2.h)
从表3中可以看出，本发明实施例4、5为最佳实施方案，因此，以下两个成分范围为最佳方案：
1、高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢主要包括的化学成分按重量百分比计为：C：0.022～0.04、Si：0.018～0.074、Mn：0.84～1.25、P：≤0.020、S：≤0.005、Cu：0.18～0.23、Ni：0.036～0.23、Al：0.058～0.12、Ti：0.008～0.02、Ca：0.0012～0.0020，余量为Fe及不可避免的杂质。
2、高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢主要包括的化学成分按重量百分比计为：C：0.049～0.058、Si：0.044～0.052、Mn：0.60～0.80、P：≤0.020、S：≤0.010、Cu：0.29～0.40、Ni：0.15～0.30、Al：0.06～0.10、Ti：0.02～0.025、Ca：0.0018～0.0028，余量为Fe及不可避免的杂质。
Claims (5)
1.一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢，其特征在于：它主要包括的化学成分按重量百分比计为：C：0.02～0.058、Si：0.018～0.10、Mn：0.60～1.30、P：≤0.025、S：≤0.010、Cu：0.15～0.40、Ni：0.036～0.30、Al：0.045～0.12、Ti：0.005～0.06、Ca：0.0010～0.0030，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢，其特征在于：它主要包括的化学成分按重量百分比计为：C：0.022～0.04、Si：0.018～0.074、Mn：0.84～1.25、P：≤0.020、S：≤0.005、Cu：0.18～0.23、Ni：0.036～0.23、Al：0.058～0.12、Ti：0.008～0.02、Ca：0.0012～0.0020，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.一种高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢，其特征在于：它主要包括的化学成分按重量百分比计为：C：0.049～0.058、Si：0.044～0.052、Mn：0.60～0.80、P：≤0.020、S：≤0.010、Cu：0.29～0.40、Ni：0.15～0.30、Al：0.06～0.10、Ti：0.02～0.025、Ca：0.0018～0.0028，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.制备权利要求1或2或3所述高强度易成型输电铁塔用耐大气腐蚀钢的方法，其特征在于：生产工艺流程依次为：铁水脱硫、转炉冶炼、真空处理、连铸、铸坯清理、铸坯下送、板坯加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取、精整入库。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述板坯加热温度为1250～1300℃，加热时间，150分钟；所述粗轧阶段的开轧温度为1160～1220℃，终轧温度，1040～1080℃，累计压下率≥70％，道次压下率≥15％；所述精轧阶段的开轧温度≤980℃，终轧温度，780～860℃，后三道次累计压下率≥60％；所述层流冷却的卷取温度为580～660℃。
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