CN102766806A - 一种超宽薄规格桥梁用结构钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超宽薄规格桥梁用结构钢板及其生产方法。所述超宽薄规格桥梁用结构钢板的化学成分按重量计包含：C：0.12～0.17％、Si：0.20～0.45％、Mn：1.25～1.50％、S≤0.010％、P≤0.020％、Nb：0.010～0.040％、Ti：0.008～0.030％、Als：0.015～0.050％、N≤40×10-6、O≤20×10-6、H≤2×10-6，其余为铁和不可避免的杂质，Als表示酸溶铝。根据本发明的超宽薄规格桥梁用结构钢板具备优良的耐低温冲击性能，可满足高速复线铁路、大宽度公路桥梁的制造要求，也可推广用于建筑、交通、海洋平台等工程结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种桥梁结构钢板及其生产方法，更具体地讲，本发明涉及一种超宽薄规格桥梁用结构钢板及其生产方法。
背景技术
桥梁钢板是专用于制造铁路或公路钢结构桥梁的钢板，要求有较高的强度、韧性以及承受机车车辆的动载荷和冲击，且要有良好的抗疲劳性、焊接性和一定的低温时效冲击韧性，目前屈服强度345MPa级钢板在桥梁钢结构中应用最为广泛。在桥梁钢结构的制造过程中，由于结构设计需要，部分构件采用厚度6～12mm、宽度3100～4100mm的超宽薄规格钢板焊接而成。因为薄规格钢板的长度比厚规格钢板的长度更长，整张钢板随着长度和宽度的增加，轧制过程中钢板的头中尾和横向各点温度波动也增加，温降差异也大，而且国内中厚板生产线在轧制过程中，对温度的均匀控制也缺乏有效的保障措施，从而造成薄规格钢板各点在奥氏体向铁素体+珠光体相变的过程存在较大差异，相变应力和轧制应力的综合作用不仅对钢板性能产生影响，对钢板板形也将产生一定影响。为较好地满足桥梁钢结构领域的这种特殊需求，对于重要部位采用的超宽薄规格钢板，交货时要求采用正火状态，而钢板经过正火后，强度会有不同幅度的下降，尤其对于≤12mm厚的薄规格钢板而言，既要达到均匀组织，消除应力，减少钢板横向和纵向性能波动的正火处理目的，同时还要保证钢板强度不能低于相关技术要求，生产难度非常大，需要对钢板的成分设计、轧制和热处理工艺进行综合考量。
在中国专利CN101880824A中，公开了一种Q345q系列130mm厚桥梁钢板的生产方法；在中国专利CN102345063A中，公开了一种130～150mm厚的Q345qDZ35桥梁钢板的生产方法；在中国专利CN102345051A中，公开了一种在热连轧宽带钢轧机上轧制厚度≤18mm桥梁用钢卷，开平矫直后以开平板进行销售。
在对已公开的专利和文献进行分析发现，虽然各企业或院校对屈服强度345MPa级桥梁钢板均有一定研究，但所述内容或者是仅涉及特厚规格，或者是采用热连轧机生产的钢卷，尚未涉及到采用中厚板轧机轧制厚度12mm以下的薄规格钢板，而且业内观点一致认为对于轧制厚度6～12mm、宽度3100～4100mm的超宽薄规格钢板在生产过程中存在因轧制过程中温度下降过快、轧制抗力过大或者辊型不合理造成轧制后钢板瓢曲、浪形、镰刀弯等板形问题，因轧制温度等工艺参数不合理造成冲击波动问题，以及对薄规格钢板进行正火处理，强度偏低问题，生产难度较大。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明的一方面提供了一种超宽薄规格桥梁用结构钢板的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：冶炼和铸造，在冶炼和铸造过程中，采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸或模铸；粗轧，在粗轧过程中，出炉温度为1210～1235℃，粗轧开轧温度为1180～1220℃，粗轧终轧温度为1130～1170℃，粗轧总压缩比＞60％，粗轧轧制5-7道次；精轧，在精轧过程中，精轧开轧温度为940～1170℃，精轧终轧温度为820～900℃，精轧总压缩比＞65％，精轧轧制7-9道次，精轧末道次压下率＜10％；正火处理，在正火处理过程中，正火温度为780～850℃，正火加热系数为1.4～2.5min/mm，正火保温时间为2～10min。
优选地，对于厚度6～12mm、宽度3100～4100mm的超宽薄规格桥梁钢板，中间坯厚在40～60mm的范围内。
优选地，当成品厚度为6～7mm时，粗轧开轧为温度为1200～1220℃，粗轧终轧温度1150～1170℃，中间坯厚40～44mm，精轧开轧温度为1120～1170℃，精轧终轧温度880～900℃，正火温度为780～795℃，正火加热系数2.2～2.5min/mm，正火保温时间为4～8min。
优选地，当成品厚度大于7mm并且小于等于8mm时，粗轧开轧温度1200～1220℃，粗轧终轧温度1150～1170℃，中间坯厚45～49mm，精轧开轧温度为1020～1110℃，精轧终轧温度850～880℃，正火温度为800～815℃，正火加热系数1.9～2.1min/mm，正火保温时间为2～5min。
优选地，当成品厚度大于8mm并且小于等于10mm时，粗轧开轧温度1180～1200℃，粗轧终轧温度1130～1150℃，中间坯厚50～54mm，精轧开轧温度为970～1010℃，精轧终轧温度830～860℃，正火温度为815～830℃，正火加热系数1.8～2.1min/mm，正火保温时间为5～8min。
优选地，当成品厚度大于10mm并且小于等于12mm时，粗轧开轧温度1180～1200℃，粗轧终轧温度1130～1150℃，中间坯厚55～60mm，精轧开轧温度为950～1000℃，精轧终轧温度820～850℃，正火温度为830～850℃，正火加热系数1.4～1.9min/mm，正火保温时间为7～10min。
本发明的另一方面提供了一种超宽薄规格桥梁用结构钢板，所述钢板的化学成分按重量计包含：C：0.12～0.17％、Si：0.20～0.45％、Mn：1.25～1.50％、S≤0.010％、P≤0.020％、Nb：0.010～0.040％、Ti：0.008～0.030％、Als：0.015～0.050％、N≤40×10-6、O≤20×10-6、H≤2×10-6，其余为铁和不可避免的杂质，Als表示酸溶铝。
根据本发明的超宽薄规格桥梁用结构钢板具备优良的耐低温冲击性能，可满足高速复线铁路、大宽度公路桥梁的制造要求，也可推广用于建筑、交通、海洋平台等工程结构。
附图说明
图1示出了根据实施例1生产的钢的金相组织照片。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种厚度为6～12mm、宽度为3100～4100mm的超宽薄规格桥梁钢板及其生产方法。为了减轻后续轧制和热处理在成品板性能稳定控制方面的难度，在冶炼过程中，严格控制钢水熔炼成分波动范围，同时还减少了合金加入量，降低了冶炼生产成本。通过优化并实施不同的轧制和热处理工艺来保证实物质量指标。为保证超宽薄规格钢板的板形和性能稳定性，合理优化轧制工艺，并在充分考虑正火工艺对强度等性能影响的前提下，对轧制后的钢板进行正火处理，合理优化相关工艺参数，适当放宽对中厚板轧制精度的要求，扩大轧制工艺窗口，同时正火工艺对钢板最终性能的稳定也能保障，适合在中厚板轧机上大批量稳定生产超宽薄规格低合金钢板。
根据本发明的超宽薄规格桥梁用结构钢板的化学成分按重量计包含：C：0.12～0.17％、Si：0.20～0.45％、Mn：1.25～1.50％、S≤0.010％、P≤0.020％、Nb：0.010～0.040％、Ti：0.008～0.030％、Als：0.015～0.050％、N≤40×10-6、O≤20×10-6、H≤2×10-6，其余为铁和不可避免的杂质，Als表示酸溶铝。
以下对根据本发明的超宽薄规格桥梁用结构钢板中各成分进行详细说明。
C：C既是最主要也是最经济的固溶强化元素，但碳含量的增加使钢的塑性和冲击韧性降低，冷脆倾向性和时效倾向性提高，恶化焊接性能。考虑到降碳的同时必须额外增加其它贵重的微合金含量才能保证钢强度，而这将造成成本大幅度增加，综合考虑将C的适宜量控制在0.12～0.17％。
Si：Si进入铁素体起固溶强化作用，会显著地提高钢的韧脆转变温度，同时也会恶化塑性及焊接性能，因此，Si的适宜量控制在0.20～0.45％。
Mn：Mn能够降低临界转变温度Ar3，明显提高钢的淬透性，同时具有一定的固溶强化作用。由于锰和硫具有较大的亲和力，MnS在高温时有一定的塑性，避免了钢的热脆，但过高的Mn会影响钢的焊接性能，也会加剧铸坯的中心偏析，造成产品带状组织严重，进而影响到冲击韧性。因此，Mn的适宜量控制在1.25～1.50％。
S：当S以FeS的形式存在于钢中时，如果S含量高则易产生热脆现象。当S以MnS的形式存在于钢中时，S常以条状形态沿轧制方向分布，形成严重的带状组织，破坏了钢的连续性，对钢材不同方向的性能也会产生重要影响，降低钢的塑性和冲击韧性，提高韧脆转变温度。因此，将S的含量控制在0.010％以下。
P：P属于低温脆性元素，P显著扩大液相和固相之间的两相区，在钢凝固过程中偏析于晶粒之间，形成高磷脆性层，提高带状组织的级别，使钢的局部组织异常，造成机械性能不均匀，降低钢的塑性，使钢易产生脆性裂纹，抗腐蚀性下降，对焊接性能也有不利影响，增加焊接裂纹敏感性，所以应尽可能降低磷在钢中的含量。考虑到生产成本，将P的含量控制在0.020％以下。
Nb：Nb能产生显著的晶粒细化、析出强化以及中等的沉淀强化作用，对于薄规格钢板而言，适当的Nb含量可以提高奥氏体再结晶终止温度，扩大控轧工艺窗口，提高钢板终轧温度，从而改善钢板板形。当Nb含量过高时，Nb易与Fe、C等元素形成低熔点共晶物，有增加焊接热影响区热裂纹的倾向。同时，考虑到成本因素，Nb的适宜量控制在0.010～0.040％之间。
Ti：Ti在1200～1300℃高温下即可析出TiN颗粒，可以作为Nb(C、N)的析出核心，从而减少微细铌析出物的数量，进而降低含Nb钢的裂纹敏感性。Ti可形成细小的钛的碳化物、氮化物颗粒，在板坯加热过程中通过阻止奥氏体晶粒的粗化从而得到较为细小的奥氏体显微组织。Ti与N结合生成稳定的高弥散化合物，不但可以消除钢中的自由氮，而且能在热加工过程和焊接时的热影响区中控制晶粒尺寸，改善钢结构各部位的低温韧性。过量的Ti将形成微米级尺寸的液析TiN，不仅无法细化晶粒，反而会恶化钢板韧性，因此，Ti的适宜量控制在0.008～0.030％。
Al：Al能细化钢的晶粒，提高钢的强度，同时也能提高冲击韧性。由于Al和N有较强的亲和力，还可以消除N元素造成的时效敏感性，因此，Als的含量定为0.015～0.050％。
N：N含量过高会恶化高强钢的冲击韧性，一般控制在40ppm以下。
O：O含量过高表明钢中夹杂物太多，对钢的各项机械性能均会产生不利的影响，故O含量应尽量控制在20ppm以下，以提高钢水洁净度。
H：H易造成探伤不合，并影响低温冲击韧性，需要通过真空处理等手段控制在2ppm以下。
本发明所涉及的超宽薄规格桥梁用结构钢板的生产工艺如下：
冶炼和铸造：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸或模铸。
采用中厚板轧机轧制：连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，出炉温度控制在1210～1235℃，有效地降低薄规格钢板轧制过程的形变阻力，改善钢板板形，减轻铸坯成分偏析，确保Nb、Ti微合金化元素的充分固溶，以改善后序的细晶和沉淀析出强化效果，同时要避免铸坯在加热高温段长时间停留造成晶粒过分长大。
铸坯出炉后经高压水除鳞后，采用两阶段轧制工艺。第一阶段在奥氏体再结晶区域轧制，轧制温度在再结晶终止温度以上。粗轧开轧温度1180～1220℃，采用尽量少的道次，粗轧总压缩比＞60％，粗轧轧制5-7道次，通过大压下轧制，促使奥氏体晶粒在反复变形及再结晶过程中得到细化，改善钢板内部质量。粗轧终轧温度1130～1170℃，保证了粗轧阶段处于完全再结晶区域，因加热而粗化的奥氏体晶粒经过动态再结晶和静态再结晶过程得到了充分细化，为下一阶段的控轧作好了准备。
考虑到厚度6～12mm、宽度3100～4100mm的超宽薄规格桥梁钢板的板形控制难度较大，将中间坯厚控制在40～60mm的范围内，同时适当提高第二阶段轧制温度，精轧开轧温度为940～1170℃，该温度范围位于奥氏体部分再结晶区域，易产生混晶，若该阶段总的变形量不足，相变后就会得到粗细不均的铁素体晶粒，应保证精轧总压缩比＞65％，精轧轧制7-9道次，而且要保证精轧终轧在奥氏体未再结晶区域轧制，将精轧终轧温度控制在820～900℃范围内，可有效细化晶粒。同时保证精轧末道次压下率＜10％，以进一步改善钢板板形。轧后空冷至室温。
正火处理既要保证组织能够完全奥氏体化，均匀细化晶粒，同时还要考虑到温度过高或保温时间过长造成薄规格钢板强度下降幅度过大的问题，综合各方面因素，将正火温度设定为780～850℃，正火加热系数1.4～2.5min/mm，正火保温时间为2～10min。
优选地，当成品厚度6～7mm、宽度3100～4100mm时，粗轧开轧温度1200～1220℃，粗轧总压缩比＞60％，粗轧轧制5-7道次，粗轧终轧温度1150～1170℃，中间坯厚40～44mm，精轧开轧温度为1120～1170℃，精轧总压缩比＞65％，精轧轧制7-9道次，精轧终轧温度880～900℃，精轧末道次压下率＜10％，正火温度为780～795℃，正火加热系数2.2～2.5min/mm，正火保温时间为4～8min。
优选地，当成品厚度大于7mm并且小于等于8mm、宽度3100～4100mm时，粗轧开轧温度1200～1220℃，粗轧总压缩比＞60％，粗轧轧制5-7道次，粗轧终轧温度1150～1170℃，中间坯厚45～49mm，精轧开轧温度为1020～1110℃，精轧总压缩比＞65％，精轧轧制7-9道次，精轧终轧温度850～880℃，精轧末道次压下率＜10％，正火温度为800～815℃，正火加热系数1.9～2.1min/mm，正火保温时间为2～5min。
优选地，当成品厚度大于8mm并且小于等于10mm、宽度3100～4100mm时，粗轧开轧温度1180～1200℃，粗轧总压缩比＞60％，粗轧轧制5-7道次，粗轧终轧温度1130～1150℃，中间坯厚50～54mm，精轧开轧温度为970～1010℃，精轧总压缩比＞65％，精轧轧制7-9道次，精轧终轧温度830～860℃，精轧末道次压下率＜10％，正火温度为815～830℃，正火加热系数1.8～2.1min/mm，正火保温时间为5～8min。
优选地，当成品厚度大于10mm并且小于等于12mm、宽度3100～4100mm时，粗轧开轧温度1180～1200℃，粗轧总压缩比＞60％，粗轧轧制5-7道次，粗轧终轧温度1130～1150℃，中间坯厚55～60mm，精轧开轧温度为950～1000℃，精轧总压缩比＞65％，精轧轧制7-9道次，精轧终轧温度820～850℃，精轧末道次压下率＜10％，正火温度为830～850℃，正火加热系数1.4～1.9min/mm，正火保温时间为7～10min。
本发明涉及的一种超宽薄规格桥梁用结构钢板按表1的化学成分进行转炉冶炼并浇注成连铸坯或铸锭，将连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，采用中厚板轧机轧制，轧后对钢板进行正火处理。铸坯出炉温度、开轧温度、正火温度、正火时间等主要工艺参数见表2。相应钢板厚度规格、拉伸强度、-40℃纵向冲击功在表3中列出，可见本发明钢的强度性能稳定，低温冲击韧性优异。图1给出了实施例1钢的金相组织照片，显示组织为铁素体加珠光体且晶粒尺寸均匀细小，晶粒度达到12级。
表1本发明实施例1-8超宽薄规格桥梁钢板的化学成分(wt.％)
表2本发明实施例1-8超宽薄规格桥梁钢板的主要生产工艺参数
表3本发明实施例1-8超宽薄规格桥梁钢板的力学性能
本发明的优点至少在于：
(1)本发明提供了一种厚度6～12mm超宽薄规格正火型低合金钢板的生产方法，解决了长期以来超宽薄规格正火型钢板强度不足的问题；
(2)通过优化轧制工艺参数，有效保证了厚度6～12mm、宽度3100～4100mm超宽薄规格桥梁用结构钢板的板形平整；
(3)可稳定生产厚度6～12mm、宽度3100～4100mm的超宽薄规格桥梁钢板，强度波动范围在35MPa以内，而且强度富余量控制在10～45MPa以内，最大限度地减少了合金加入量，极大地降低了冶炼生产成本，批量生产稳定；
(4)钢板具备优良的耐低温冲击性能，可满足高速复线铁路、大宽度公路桥梁的制造要求，也可推广用于建筑、交通、海洋平台等工程结构。
尽管已经示出了本发明的实施例，但是在不脱离本发明范围的情况下，可以对实施例进行各种修改。本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种超宽薄规格桥梁用结构钢板的生产方法，其特征在于所述生产方法包括以下步骤：
冶炼和铸造，在冶炼和铸造过程中，采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸或模铸；
粗轧，在粗轧过程中，出炉温度为1210～1235℃，粗轧开轧温度为1180～1220℃，粗轧终轧温度为1130～1170℃，粗轧总压缩比＞60％，粗轧轧制5-7道次；
精轧，在精轧过程中，精轧开轧温度为940～1170℃，精轧终轧温度为820～900℃，精轧总压缩比＞65％，精轧轧制7-9道次，精轧末道次压下率＜10％；
正火处理，在正火处理过程中，正火温度为780～850℃，正火加热系数为1.4～2.5min/mm，正火保温时间为2～10min。
2.根据权利要求1所述的超宽薄规格桥梁用结构钢板的生产方法，其特征在于对于厚度6～12mm、宽度3100～4100mm的超宽薄规格桥梁钢板，中间坯厚在40～60mm的范围内。
3.根据权利要求1所述的超宽薄规格桥梁用结构钢板的生产方法，其特征在于当成品厚度为6～7mm时，粗轧开轧为温度为1200～1220℃，粗轧终轧温度1150～1170℃，中间坯厚40～44mm，精轧开轧温度为1120～1170℃，精轧终轧温度880～900℃，正火温度为780～795℃，正火加热系数2.2～2.5min/mm，正火保温时间为4～8min。
4.根据权利要求1所述的超宽薄规格桥梁用结构钢板的生产方法，其特征在于当成品厚度大于7mm并且小于等于8mm时，粗轧开轧温度1200～1220℃，粗轧终轧温度1150～1170℃，中间坯厚45～49mm，精轧开轧温度为1020～1110℃，精轧终轧温度850～880℃，正火温度为800～815℃，正火加热系数1.9～2.1min/mm，正火保温时间为2～5min。
5.根据权利要求1所述的超宽薄规格桥梁用结构钢板的生产方法，其特征在于当成品厚度大于8mm并且小于等于10mm时，粗轧开轧温度1180～1200℃，粗轧终轧温度1130～1150℃，中间坯厚50～54mm，精轧开轧温度为970～1010℃，精轧终轧温度830～860℃，正火温度为815～830℃，正火加热系数1.8～2.1min/mm，正火保温时间为5～8min。
6.根据权利要求1所述的超宽薄规格桥梁用结构钢板的生产方法，其特征在于当成品厚度大于10mm并且小于等于12mm时，粗轧开轧温度1180～1200℃，粗轧终轧温度1130～1150℃，中间坯厚55～60mm，精轧开轧温度为950～1000℃，精轧终轧温度820～850℃，正火温度为830～850℃，正火加热系数1.4～1.9min/mm，正火保温时间为7～10min。
7.根据权利要求1所述的超宽薄规格桥梁用结构钢板的生产方法，其特征在于所述的超宽薄规格桥梁用结构钢板的化学成分按重量计包含：C：0.12～0.17％、Si：0.20～0.45％、Mn：1.25～1.50％、S≤0.010％、P≤0.020％、Nb：0.010～0.040％、Ti：0.008～0.030％、Als：0.015～0.050％、N≤40×10-6、O≤20×10-6、H≤2×10-6，其余为铁和不可避免的杂质，Als表示酸溶铝。
8.一种超宽薄规格桥梁用结构钢板，其特征在于所述超宽薄规格桥梁用结构钢板的化学成分按重量计包含：C：0.12～0.17％、Si：0.20～0.45％、Mn：1.25～1.50％、S≤0.010％、P≤0.020％、Nb：0.010～0.040％、Ti：0.008～0.030％、Als：0.015～0.050％、N≤40×10-6、O≤20×10-6、H≤2×10-6，其余为铁和不可避免的杂质，Als表示酸溶铝。
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