CN104264062A - 一种热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法，依次包括冶炼、精炼、连铸、铸坯加热、除鳞、轧制和冷却工序，在所述轧制采用控轧控冷技术，铸坯加热温度为1210～1230℃，在炉时间为200～240min，奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段轧制；第一阶段粗轧道次大压下量破碎奥氏体晶粒，第二阶段精轧开轧温度≤1020℃，待温坯的厚度控制在28～30mm，终轧温度为820～840℃，总形变率≥71%；轧制后进行冷却、切割取样。本发明通过合理的成分设计，常采用低碳、微量铌、钒、钛及少量的镍、铬、铜合金，可有效增强合金钢的强度和韧性，达到热轧态力学性能的标准要求。

Description

一种热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法

技术领域

本发明高性能结构用钢材的制造方法，具体涉及一种热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法。 

背景技术

我国道路桥梁建设正向高速、重载、大跨度、全焊接点、免涂装和安全性高等方向发展。目前使用的桥梁板具有结构简单，自重轻，安全性高，能够承载较大的动态、静态载荷，服役时间长等特点，被广泛应用于铁路、公路以及大型跨江、跨海大桥建设中，一般工程设计中跨度大于300米的桥梁均采用钢结构设计，桥梁用钢材不仅需要有较高的抗拉强度，还要有一定的屈强比，其屈强比越小，钢结构的抗破坏潜能越高，一旦桥梁超载，也可因其塑性变形被及早发现，避免发生毁灭性的破坏。但是桥梁用钢材的屈强比过低也会影响钢结构，致使材料的有效利用率降低。国内市场上桥梁钢使用量最大的为Q345q-Q370q，随着跨海大桥工程的逐步开发，更高等级的桥梁板被广泛使用，例如Q420q、Q460q和Q500q等。但是，目前我国只有屈服强度级别Q420q被应用于实际桥梁工程中，与国外的高性能钢相比，还存在较大的差距。 

为了满足大型钢结构桥梁的发展要求，对桥梁钢的综合性能提出了更高的要求，本发明提出了一种热轧态薄规格Q500qE高强度桥梁板的制造方法。 

经过申请人检索发现，有一些专利涉及高强度低屈强比钢。中国专利CN101649420A公开了一种高强度高韧性低屈强比钢、钢板及其制造方法，该钢采用多种合金Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、V、Ti进行强化，多种合金元素的含量较多，总含量可达1.18％，成本较高，另外采用控扎控冷工艺进行生产，得到的钢板屈服强度≥500MPa，-40℃条件下的Akv冲击值≥100J，其终冷温度达到了420℃，热轧态性能可以满足高层建筑用钢的标准。然而该专利生产得到的钢板厚度在20mm以上，不能满足桥梁结构设计中对超薄规格板材的需要，另外申请人实验可知，采用该专利的方法生产8mm厚度的钢板，其板形易出现单边瓢曲。另外，当轧辊辊身两侧的冷却水流量存在差异时，就会使辊身两侧存在温度差，引起辊身两侧的膨胀量不一致，进而导致辊身两侧的磨损量不一致，当两侧的磨损量差值大于0.05mm时，会出现单边瓢曲；轧机刚度不一致会导致对轧辊两侧施加的力不一致，从而影响辊缝精度，当辊身两侧的辊缝差值大于0.3mm时，也易出现单边瓢曲；板坯两侧温度不一致，导致轧制过程中变形抗力不一致，当板坯的两侧温度相差30℃时，也易出现单边瓢曲。 

另一个中国专利CN103352167A公开了一种低屈强比高强度桥梁用钢及其制造方法，该 方法不仅需要控扎控冷，而且对需要控冷后的钢板进行热处理以保证钢板组织及性能均匀：将钢板加热到480～630℃之间，进行回火热处理，回火时间控制在(2.0～3.0)min/mm×板厚+30min，增加了一道热处理工序，工艺较复杂，造成成本增加。虽然该桥梁钢的屈服强度≥530MPa，抗拉强度≥700MPa，屈强比≤0.8，能够满足高强度桥梁板对性能的要求，但是其延伸率仅大于18％，-40℃下的冲击功≥100J。而且该专利的桥梁板厚度在20mm以上，甚至达到了32mm，采用该专利的工艺生产厚度在8mm以下的薄规格钢板时，板形易出现单边瓢曲。因此，采用上面两个专利制造薄规格钢板时均易在板坯中间和两侧产生热凸度，出现单边瓢曲现象，使得板材一次合格率低，需要经过液压弯辊、移辊技术和轧辊分段冷却以及平整机平整、张力矫直等手段进行挽救或矫直处理，增加了挽救成本。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是根据现有技术存在的缺陷，提出一种热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法，该方法通过低碳加低碳加少量合金的成分设计、合理的控扎控冷工艺，获得性能优异、厚度在8mm以下的薄规格高强度桥梁用钢板。 

本发明的热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法，该方法的桥梁板按重量百分比为，C：0.02～0.06％，Si：0.1～0.5％，Mn：1.3～1.5％，P≤0.013％，S≤0.005％，Ni：0.1～0.3％，Cu：0.1～0.5％，Cr：0.1～0.2％，V：0.02～0.04％，Nb：0.03～0.05％，Ti:≤0.02％，Mo：0.15～0.3％，Alt≤0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。 

化学成分是影响铸坯内部质量与高强钢板性能的关键因素之一，本发明为了使桥梁板用钢获得优异的综合性能，对所述钢的化学成分进行了限制，原因在于： 

C：碳是影响高强度钢力学性能的主要元素之一，通过间隙固溶提高钢的强度，当碳含量低时强度低；含量过高时，韧性和可焊性将变差，本发明碳含量控制在0.02～0.06％。 

Ni：镍能提高钢的强度、韧性及耐腐蚀性能，抑制碳从奥氏体中脱溶，降低晶界碳化物析出倾向，显著减少晶间碳化物数量。但随着镍含量增多，生产成本会显著增加，本发明镍含量控制在0.1～0.3％。 

Cu：铜能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变。铜含量过高影响钢的韧性，并将引起热轧过程中产生裂纹，恶化钢板表面性能。本发明中铜含量控制在0.1～0.5％。 

Cr：铬能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进贝氏体或马氏体转变，从而使钢的强硬度增加，但Cr含量过高将影响钢的韧性，本发明中的铬含量控制在0.1～0.2％。 

V：钒是强碳氮化合物形成元素，且钒的碳化物固溶温度相对较低，在轧制结束后的冷却 阶段仍有一定的析出，进而提高了钢的强度，但V含量较高时将明显恶化钢的低温韧性，尤其是焊接热影响区的韧性，本发明中钒含量控制在0.02-0.04％。 

Nb：微量铌对奥氏体晶界具有钉扎作用，抑制形变奥氏体的再结晶，并在冷却时形成析出物，提高强度和韧性。铌添加量小于0.030％时效果不明显，大于0.05％时韧性降低，并引起连铸坯表面裂纹产生，此外对焊接性能也有恶化作用。本发明铌含量控制在0.03～0.05％。 

Ti：钛能固定钢中的气体氮，形成氮化钛，阻止在加热、轧制、焊接过程中的晶粒长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。本发明钛成分控制在≤0.02％。 

Mo：钼能够有效提高钢的淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的产生，促进在较大冷却速度范围内形成晶内有大量位错分布的铁素体或贝氏体，产生相变强化和位错强化作用。在高强度低合金钢中，钢板的强度随钼含量的增加而显著提高，但是钼的合金成本高，大量添加时会增加成本，并降低韧性和可焊性。本发明钼含量控制在0.15～0.3％。 

所述桥梁板中Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、V和Ti合金元素的总量为0.83％。 

本发明桥梁板用钢的屈服强度≥500MPa，延伸率≥21％，屈强比＜0.85，-40℃低温纵向冲击≥120J。桥梁板用钢的显微组织为针状铁素体+粒状贝氏体，其晶粒尺寸控制在10～15μm范围内，晶粒度控制在10级； 

本发明的桥梁板用钢采用以下方法制成：依次包括冶炼、精炼、连铸、铸坯加热、除鳞、轧制和冷却工序，在所述轧制采用控轧控冷技术，铸坯加热温度为1210～1230℃，在炉时间为200～240min，奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段轧制；第一阶段粗轧道次大压下量破碎奥氏体晶粒，第二阶段精轧开轧温度≤1020℃，待温坯的厚度控制在28～30mm，终轧温度为820～840℃，总形变率≥71％；轧制后进行冷却、切割取样。 

进一步优选地，所述粗轧的轧制温度1054～1057℃，形变率≥87％。 

再进一步优选地，所述轧制工序中，精轧后控制水冷，水冷速度为13±3℃/s，返红温度为580～620℃。 

更进一步优选地，所述冶炼工序前需对铁水进行脱硫预处理，铁水脱硫预处理后硫含量控制在S≤0.005％，转炉冶炼后磷含量控制在P≤0.013％。 

本发明的优点如下： 

1.本发明通过合理的成分设计，常采用低碳、微量铌、钒、钛及少量的镍、铬、铜合金，可有效增强合金钢的强度和韧性，达到热轧态力学性能的标准要求。采用冶炼连铸、轧制生产桥梁钢，工艺流程短，能较好的满足高等级公路、铁路桥梁建筑构件的材料要求。 

2.本发明采用合理的控轧控冷技术生产厚度在8mm以下的薄规格高强度板，轧制时钢板不出现单边瓢曲，无需外力挽救或矫直，解决了薄规格高强板冷速过快引起的屈强比高、板形差等问题，避免因提高强度而引起的轧制力小，且减少了轧后热处理工序，工艺简单，易于生产。 

3.桥梁板中合金含量少，成本低。 

附图说明

图1为本发明实施例1桥梁板的表面金相组织结构示意图。 

图2为本发明实施例1桥梁板的1/4厚度处金相组织结构示意图。 

图3为本发明实施例1桥梁板的1/2厚度出金相组织结构示意图。 

具体实施方式

本发明的热轧态薄规格Q500qE高强度桥梁板的制造方法依次包括以下工艺：铁水脱硫预处理→转炉冶炼→RH精炼→(LF精炼)→连铸→铸坯堆垛缓冷→铸坯检验→铸坯判定→铸坯验收→铸坯加热→除鳞→轧制→冷却→(探伤)→切割、取样→喷印标识→检验→入库。 

实施例1至3提供的一种热轧态薄规格Q500qE高强度桥梁板主要化学成分(wt％)如表1所示。 

表1 实施例的主要化学成分(wt％) 

通过上表可知，合金元素Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、V和Ti的总量为0.825wt％，由于薄规格钢板轧制后冷速过快，造成板形较难控制，考虑到高强度和-40℃高冲击性能的要求，在成分设计中采用低碳加少量的合金元素Ni、Mo以提高板材的低温韧性，又添加少量的提高淬透性的Cr元素，从而提高了钢板的返红温度。 

铁水脱硫预处理后硫含量控制在S≤0.005％，转炉冶炼后磷含量控制在P≤0.013％。 

轧制前对铸坯进行加热，实施例1至3提供的加热工艺参数如表2所示。 

表2 铸坯加热工艺参数表 

实施例	坯料厚度	加热段温度	均热段温度	均热段时间	总在炉时间
						实施例1	220mm	1220℃	1210℃	35min	220min

[0039] 

实施例2	220mm	1225℃	1215℃	40min	240min
						实施例3	220mm	1230℃	1210℃	40min	200min

由于桥梁用钢强度高，8mm薄规格钢板需采用高温大压下模式进行控轧，故选用220mm厚的坯料，且将加热温度控制在1200℃以上，在炉时间适当延长，以确保坯料钢纹整体均匀，避免出现红黑相间的钢纹。 

轧制采用奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段控扎控冷技术，粗轧道次大压下量破碎奥氏体晶粒，依次进行粗轧、精轧、轧后控制水冷、返红，随后进行冷却、切割取样。实施例1至3的粗轧精轧参数如表3所示。 

表3 粗轧精轧参数表 

由于成品钢板厚度较薄，仅有8mm，在轧制过程中为了避免出现心部偏析，影响钢板的强度和冲击值，采用两阶段轧制的方法，第一阶段轧制的形变率≥87％，第二阶段的总形变率≥71％，另外为了降低成品钢的屈强比，增加抗拉强度，控制第二阶段的终轧温度在820～840℃范围内，返红温度在580～620℃范围内。 

另外为防止轧制8mm厚的桥梁板出现单边瓢曲，采取如下措施： 

(1)轧前选用平辊即整个辊身无直径差值，并在轧制前测试辊身两侧的水流量，以确保两侧水流量压力值均达到0.8MPa，且无压力差值； 

(2)轧前测量两侧辊缝差值，将其控制在0.3mm以内，即可轧制8mm该强度的桥梁板； 

(3)轧制8mm该强度的桥梁板所对应的板坯，板坯加热集中放在炉内烧嘴覆盖的区域，如出现明显“红黑”现象或表面温度钢温差值＞30℃，停止轧钢。 

实施例1至3方法制造的桥梁用钢板热轧态力学性能如表4所示。 

表4 桥梁用钢板的热轧态力学性能表 

实施例

厚度

屈服强度

抗拉强度

延伸率

平均冲击功(-40℃，Akv)

屈强比

实施例1

8mm

546MPa

665MPa

21％

126J

0.82

实施例2

8mm

553MPa

689MPa

23％

131J

0.80

实施例3

8mm

537MPa

653MPa

25％

125J

0.76

通过超低碳和少量合金化的成分设计，配合合理的控扎控冷工艺，生产得到8mm薄规格的高强钢，其屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥630MPa，屈强比控制在＜0.85，延伸率≥21％，高强钢的强度和塑性指标均达到了标准要求，-40℃冲击功≥120J，远超标准(60J)。采用较低的第二阶段终轧温度，在实际生产过程中，板形的控制难度大，采用2800mm双机架轧机为粗轧机，轧制力为5000吨，精轧机为轧制力4000吨的可逆四辊轧机组合。轧制力低时，在生产过程中不能满足大压下量轧制要求，易造成原始晶粒尺寸粗大，甚至出现混晶现象，进而严重影响强度和低温韧性相匹配的力学性能。故此，通过高温结束返红，使得板形得到很好保证，同时也可弥补轧制力小的缺陷。 

图1至图3提供了实施例1桥梁用钢板的金相图，由图可知，钢板从表面到心部均为针状铁素体+粒状贝氏体，且晶粒尺寸控制在10～15μm，晶粒度达到10级。 

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。 

Claims (5)

1.一种热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法，其特征是：

所述桥梁板按重量百分比为，C：0.02～0.06%，Si：0.1～0.5%，Mn：1.3～1.5%，P≤0.013%，S≤0.005%，Ni：0.1～0.3%，Cu：0.1～0.5%，Cr：0.1～0.2%，V：0.02～0.04%，Nb：0.03～0.05%，Ti:≤0.02%，Mo：0.15～0.3%，Alt≤0.04%，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述桥梁板的屈服强度≥500MPa，延伸率≥21%，屈强比＜0.85，-40℃低温纵向冲击≥120J；所述桥梁板的显微组织为针状铁素体＋粒状贝氏体，其晶粒尺寸控制在10～15μm范围内，晶粒度控制在10级；

所述桥梁板用钢采用以下方法制成：依次包括冶炼、精炼、连铸、铸坯加热、除鳞、轧制和冷却工序，在所述轧制采用控轧控冷技术，铸坯加热温度为1210～1230℃，在炉时间为200～240min，奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段轧制；第一阶段粗轧道次大压下量破碎奥氏体晶粒，第二阶段精轧开轧温度≤1020℃，待温坯的厚度控制在28～30mm，终轧温度为820～840℃，总形变率≥71%；轧制后进行冷却、切割取样。

2.根据权利要求1所述一种热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法，其特征是：所述粗轧的轧制温度1054～1057℃，形变率≥87%。

3.根据权利要求1所述一种热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法，其特征是：所述轧制工序中，精轧后控制水冷，水冷速度为13±3℃/s，返红温度为580～620℃。

4.根据权利要求1所述一种热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法，其特征是：所述冶炼工序前需对铁水进行脱硫预处理，铁水脱硫预处理后硫含量控制在S≤0.005%，转炉冶炼后磷含量控制在P≤0.013%。

5.根据权利要求1所述一种热轧态薄规格高强度桥梁板的制造方法，其特征是：所述桥梁板中Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、V和Ti合金元素的总量为0.83%。