CN103526112A - 一种耐腐蚀桥梁管桩用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种耐腐蚀桥梁管桩用钢，其组分及wt%wei：C：0.07％～0.13％，Si：0.30％～0.65％，Mn：0.80％～1.30％，P：0.025%～0.045%，S：≤0.002％，Al：不超过0.006%，V：0.035%～0.050%，Ti：0.008%～0.025%，Re：0.005%～0.02%，Zr：0.006％～0.012%，[O]溶解：15～30ppm；生产步骤：转炉冶炼并连铸成坯；对铸坯进行堆垛冷却；对铸坯加热；分段轧制；常规的层流冷却；卷取；空冷至室温。本发明不仅屈服强度≥390MPa，抗拉强度≥510MPa，延伸率A≥21%，0℃冲击功Akv≥47J，同时与美国CortenB钢耐蚀性相当，钢板厚度规格为20～25mm，生产成本低廉，适应规模化生产要求，而且代替直缝焊管制造桥梁钢管桩，能显著提高生产效率，降低钢管桩生产成本。

Description

一种耐腐蚀桥梁管桩用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁用钢机器生产方法，具体地属于一种耐腐蚀桥梁管桩用钢及其生产方法。

背景技术

桥梁管桩用钢（简称：钢管桩）主要应用于跨海桥梁承重基础，还可以应用于高层建筑、港口码头等承重基础，具有很大的市场需求和广阔的应用前景。目前，桥梁管桩用钢的厚度＜20mm，对于厚度规格≥20mm的钢管桩制造，焊接方式是将钢板（单轧平板）进行直缝焊加环焊缝对接，生产效率低、成本高，已不能满足发展需求。

随着我国大型跨海大桥建造需求，不仅对钢管桩厚度规格要求不断增加，而且对强度性能及耐蚀性提出了新的要求。目前国内管桩钢生产普遍参照345MPa级低合金钢，并附加一些技术指标，且还不具有耐蚀性。

因此利用低成本制造方法提高钢级及耐蚀性是未来钢管桩发展的方向。如能在345MPa级钢种的基础上进行成分优选，并通过添加有利于提高钢的耐蚀性的微量元素，改进冶炼工艺方法等，生产出具有耐蚀性能的390MPa级桥梁管桩用钢，具有重要意义。

经检索，美国开发的345MPa级焊接结构用耐候钢（Cor-tenB），其成分中含有Cu、Ni、Cr、P等耐腐蚀合金元素，其生产成本高，焊接性能较差。

中国专利申请号为200610098398.2 的专利文献，其公开了“一种耐蚀碳素结构钢的生产方法”，该发明的屈服强度级别为235MPa，易使稀土氧化物产生严重偏析，使合格率低下。  

中国专利申请号为200610125365.2的专利文献，其公开了“一种高强度耐候钢的生产方法”，其由于在钢中添加了Cu、Ni、Cr、Mo等昂贵耐腐蚀合金元素，不仅生产成本高，更主要是不能用于钢管桩的制备。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种屈服强度≥390MPa，抗拉强度≥510MPa，延伸率A≥21%，0℃冲击功Akv≥47J，同时与美国CortenB钢耐蚀性相当，钢板厚度为20～25mm的耐腐蚀桥梁管桩用钢及其生产方法

实现上述目的的措施：

一种耐腐蚀桥梁管桩用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.07％～0.13％，Si：0.30％～0.65％，Mn：0.80％～1.30％，P：0.025%～0.045%，S：≤0.002％，Al：不超过0.006%、V：0.035%～0.050%,Ti：0.008%～0.025%，Re: 0.005%～0.02%:  Zr：0.006％～0.012%，[O]溶解：15～30ppm，其余为Fe及不可避免的杂质；力学性能：屈服强度≥390MPa，抗拉强度≥510MPa，延伸率A≥21%，0℃冲击功Akv≥47J，钢板厚度规格为20～25mm。

生产一种耐腐蚀桥梁管桩用钢的方法，其步骤：

1）转炉冶炼并连铸成坯：在大包中按照7.2～7.5米/吨钢加入Re与Zr的复合包芯线，复合包芯线的直径为10mm；并控制喂线速度在160~210米/分钟，喂线时间在2.3~3分钟，并在喂线过程中吹氩，吹氩时间控制在4~6分钟，吹氩量控制在2~4升/分钟；并控制钢液中的氧含量在15~30ppm；

2）对铸坯进行堆垛冷却，冷却时间不少于24个小时；

3）对铸坯进行加热，控制加热温度在1160~1220℃，加热时间不低于130分钟，出炉温度控制在1120~1170℃；

4）进行分段轧制：控制第一阶段开轧温度在1040~1100℃；控制第二阶段开轧温度在840~860℃，终轧温度在790~830℃；

5）进行常规的层流冷却；

6）进行卷取，控制卷取温度在560~630℃；

7）空冷至室温。

本发明中各个元素及主要工序的作用

C：C在钢中以间隙原子存在，能起到固溶强化作用。为保证发明钢具有足够的强度，所以下限是0.07％；但是，随着碳含量增加，钢材的延伸率和冲击韧性下降，因而要求C含量不能太高，所以C含量上限设定为0.13%。

Si：Si主要是以固溶强化来提高钢的强度，同时也是钢中的脱氧元素，但含量不宜高，以免降低钢的韧性。Si有提高耐候性的作用，所以其含量范围为0.30％～0.65％。

Mn：Mn是重要的强韧化的元素，但Mn含量过高时有损钢的韧性和耐候性，而太低的Mn则不能保证钢的强度，故将其含量设定在0.80％～1.30％。

P：P在本发明中作为合金元素加入，以提高钢的强度和耐候性，其含量低于0.025%不起作用，如高于0.045%则会对钢的性能有影响，故将其含量控制在0.025%～0.045%。

S：S在本钢中为有害元数，含量过高使钢材具有各向异性，降低韧性和Z向性能，且钢中硫化物夹杂会使钢的耐候性明显降低，故控制在S≤0.002%。

V：V是一种强碳氮化物形成元素，在钢中形成的VC、V(CN)等第二相质点，能细化晶粒，提高钢材的强度和低温韧性；但V含量过高时，降低钢的焊接性，其含量限制在0.035%～0.050%。

Ti：Ti也是一种强碳氮化物形成元素，能够细化晶粒，提高钢材的低温韧性和强度；添加量过多则生成碳化物(TiC)，使低温韧性降低，故将其含量限制在0.008%～0.025%。

A1：A1是钢中最为经济有效的脱氧元素，一定含量的A1还能细化钢材的晶粒，提高钢材的强度和韧性；但Al含量过高易导致钢中氧化物夹杂物增多，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性和耐候性能，因此，将Al含量限定不超过0.006%。

本发明钢中还有Re、Zr两种,复合添加比单独添加有更好效果。

Re ：Re 不仅能净化钢液，细化钢的凝固组织，改变硫、氧夹杂物性质、形态和分布，而且能形成稳定和致密的氧化膜等，使金属材料的耐腐蚀性、抗氧化性得以改善。但如果加入过量的Re元素或钢中[O]含量过高，易形成稀土氧化物产生严重偏析，使得钢板超声探伤不合，因此，Re的含量选择在0.005%～0.02%。

Zr：Zr不仅有脱气、净化和细化晶粒的作用，提高钢的低温韧性，而且Zr在高温过程中形成的氧化物，可作为针状组织形核质点，从而形成大量的针状组织，减少了晶粒间距，降低了化学腐蚀的电位差，从而减缓了腐蚀速度，提高耐候性。但是如果加入过量的Zr元素，使得形成氧化物过多，在高温轧制过程中富集于氧化铁下而产生为裂纹，因此Zr的含量选择在0.006%～0.012%。

 限定钢水氧含量，通过氧化物冶金，使钢中硫、氧夹杂物形成球状、弥散分布尺寸小于5μm的复合型夹杂（以氧化锆或氧化钛为核心、外围覆盖稀土硫化物或硫化锰夹杂），以降低钢材点腐蚀扩展速度。如氧含量过高，钢中易氧化元素烧损严重影响钢质，另外连铸时易沸腾造成事故。因此氧含量限定为15～30ppm。

本发明生产出一种耐腐蚀桥梁管桩用钢的金相组织为铁素铁+珠光体，力学性能指标为：屈服强度≥390MPa，抗拉强度≥510MPa，延伸率A≥21%，0℃冲击功Akv≥47J。

本发明采用包芯线喂线技术，在钢中复合添加微量Re、Zr元素，并通过控轧控冷技术控制基体组织（增加铁素体量,减少珠光体量）和夹杂物变性等手段来提高钢的耐腐蚀性能及焊接性能。 

本发明之所以在大包中按照7.2～7.5米/吨钢(直径为10mm的包芯线)加入RE与Zr的复合线，采用双丝喂线法，并控制喂线速度在160~210米/分钟，喂线时间在2.3.~3分钟，喂线结束后钢水温度应高于液相线温度25℃以上。喂线过程中大包全程吹氩，吹氩时间控制在 4～6 分钟，吹氩量控制在2～4 升/分钟，要求钢水产生弱的搅拌，起搅动钢水的动力，以均匀成分及温度。

本发明与现有技术相比：

1、本发明钢的实物性能满足桥梁管桩用钢的力学性能：屈服强度≥390MPa，抗拉强度≥510MPa，延伸率A≥21%，0℃冲击功Akv≥47J，同时与美国CortenB钢耐蚀性相当，钢板厚度规格为20～25mm，生产成本低廉，适应规模化生产要求。

2、本发明钢采用了纯净钢冶炼、微合金化、控轧控冷等生产技术，在满足钢的高强度、良好塑韧性的同时，通过控制基体组织和夹杂物变形等途径来提高钢的耐海水腐蚀能力。

3、采用本发明的超厚钢卷加工螺旋焊管，以代替直缝焊管制造桥梁钢管桩，其能显著提高生产效率，降低钢管桩生产成本。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表；

表4为本发明各实施例及对比腐蚀试验结果表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）转炉冶炼并连铸成坯：在大包中按照7.2～7.5米/吨钢加入Re与Zr的复合包芯线，复合包芯线的直径为10mm；并控制喂线速度在160~210米/分钟，喂线时间在2.3~3分钟，并在喂线过程中吹氩，吹氩时间控制在4~6分钟，吹氩量控制在2~4升/分钟；并控制钢液中的氧含量在15~30ppm；

2）对铸坯进行堆垛冷却，冷却时间不少于24个小时；

3）对铸坯进行加热，控制加热温度在1160~1220℃，加热时间不低于130分钟，出炉温度控制在1120~1170℃；

4）进行分段轧制：控制第一阶段开轧温度在1040~1100℃；控制第二阶段开轧温度在840~860℃，终轧温度在790~830℃；

5）进行常规的层流冷却；

6）进行卷取，控制卷取温度在560~630℃；

7）空冷至室温。

表1 本发明各实施例及对比例冶炼化学成分（Wt％）

表2    本发明各实施例及对比例工艺参数列表（一）

表2    本发明各实施例及对比例工艺参数列表（二）

表3  本发明各实施例及对比例力学性能检验结果列表

表4本发明各实施例及对比例腐蚀试验结果列表

将实施例和对比例进行腐蚀试验对比，腐蚀试验条件为：试验依据日本JASO M 609-91标准和中国GB 10124-1988标准，在日CCX-2000循环腐蚀试验箱进行CCT循环腐蚀试验。试样尺寸为100mm×50mm×4mm，每个循环周期8h；试验条件：盐水喷雾2h(NaCl浓度5±0.5%，温度35±1℃，盐雾沉降率1.2～1.6ml/80cm2.h)→干燥2h（温度60±1℃，相对湿度20～30%RH）→湿热4h(温度60±1℃，相对湿度20～30%RH以上。按此步骤进行100次循环。得出的腐蚀试验结果如表4所示。

本发明的钢采用了优选的成分设计，并通过添加有利于提高钢的耐蚀性微量元素，采用新的冶炼工艺，使钢质纯净，夹杂物变性（球化、细小、弥散分布），再经过热连轧控轧控冷工艺，使钢的组织均匀而稳定，从而确保本发明钢具有满足Q390级以上的强度和优良的冲击韧性。在200小时试验周期内，发明钢比Q345钢耐腐蚀性平均提高了约17.12%，发明钢耐腐蚀性与CortenB相当。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (2)

1.一种耐腐蚀桥梁管桩用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.07％～0.13％，Si：0.30％～0.65％，Mn：0.80％～1.30％，P：0.025%～0.045%，S：≤0.002％，Al：不超过0.006%、V：0.035%～0.050%,Ti：0.008%～0.025%，Re: 0.005%～0.02%:  Zr：0.006％～0.012%，[O]溶解：15～30ppm，其余为Fe及不可避免的杂质；力学性能：屈服强度≥390MPa，抗拉强度≥510MPa，延伸率A≥21%，0℃冲击功Akv≥47J，同时与美国CortenB钢耐蚀性相当，钢板厚度规格为20～25mm。

2.生产权利要求1所述的一种耐腐蚀桥梁管桩用钢的方法，其步骤：

1）转炉冶炼并连铸成坯：在大包中按照7.2～7.5米/吨钢加入Re与Zr的复合包芯线，复合包芯线的直径为10mm；并控制喂线速度在160~210米/分钟，喂线时间在2.3~3分钟，并在喂线过程中吹氩，吹氩时间控制在4~6分钟，吹氩量控制在2~4升/分钟；并控制钢液中的氧含量在15~30ppm；

2）对铸坯进行堆垛冷却，冷却时间不少于24个小时；

3）对铸坯进行加热，控制加热温度在1160~1220℃，加热时间不低于130分钟，出炉温度控制在1120~1170℃；

4）进行分段轧制：控制第一阶段开轧温度在1040~1100℃；控制第二阶段开轧温度在840~860℃，终轧温度在790~830℃；

5）进行常规的层流冷却；

6）进行卷取，控制卷取温度在560~630℃；

7）空冷至室温。