CN104911485A

CN104911485A - 冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢及其制备方法

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Publication number: CN104911485A
Application number: CN201510390028.5A
Authority: CN
Inventors: 董中波; 邹德辉; 刘文斌; 程吉浩; 罗毅; 范巍; 杨秀利
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2035-07-06
Also published as: CN104911485B

Abstract

本发明公开了一种冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢，其特征在于：钢中化学成分及质量百分比为：C：0.03～0.10％；Si：0.30～0.50％；Mn：1.00～1.70％；P≤0.010％；S≤0.003％；Nb：0.030～0.060％；V、Ti中的一种或两种(其中V：0.01～0.08％，Ti：0.015～0.025％)；Cu：0.20～0.55％；Ca：0.005～0.015％；Ce：0.0015～0.0060％；Als：0.020～0.050％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明经济成本低，具有良好的焊接性能和低温韧性，冲击断口纤维率高。

Description

冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及低合金结构钢制造技术，具体地指一种冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢及其制备方法。

背景技术

桥梁由于架设的区域不同，对钢材的韧性需求也各有不同。目前国内高强度桥梁用结构钢的韧性需求普遍在-20℃及以上。应用较多的是D、E级钢。即-20℃和-40℃要求。但是，衡量一个钢种的韧性，不能仅凭钢板的低温冲击功，低温冲击功值高的钢板不一定韧性就好，更关键的一个指标是钢板冲击断口的纤维断面率，即纤维率(也称剪切面积)。只有纤维率达到一定的水平的时候，钢板的低温韧性才好，断裂倾向才低，应用才更安全。目前，国内外提高桥梁用高强度结构钢低温韧性的普遍的做法是在钢中加入一定量的提高钢板低温韧性的元素Ni、Mo，同时尽量降低钢中的有害元素P、S。但是上述合金元素价格昂贵，成本高昂。目前钢铁市场竞争压力非常大，成本降低是竞争的有效手段之一。

我国桥梁用钢量每年大约在400万吨左右。随着资源节约型社会的发展要求，通过恰当的市场工艺提升钢板实物性能来代替合金的减少或者免于添加成为一种趋势。一方面可减少合金资源的使用，节约资源；另一方面，生产成本下降，下游用户采购成本也随着下降。钢板供需双方都希望出现这样的局面。

基于上述思路，开发经济型的、低温韧性优异的新型高强度桥梁用结构钢，意义重大。其市场潜力很大，需求量会越来越大。

申请号为CN201110190892.2的中国发明专利公开了一种特厚桥梁用结构钢板Q345qDZ35钢板及其生产方法，化学成分及质量百分比如下：C：0.10～0.18、Si：0.20～0.50、Mn：1.30～1.60、P≤0.018、S≤0.005、微合金化元素Nb：0.030～0.060、Ti：0.015～0.030、(Nb+Ti)≤0.12、Als：0.020～0.050，其它为Fe和残留元素。该发明通过对铁水预处理到钢板热处理整个生产过程，制订了严格的工艺点控制标准，并严格执行，产品的实物质量性能富余量较大，其中屈服富余量在30～70MPa，抗拉富余量在30～60MPa，伸长率富余量为5～10％，冲击性能以及Z向性能均匀、且富裕量大。该发明用于生产特厚钢板Q345qDZ35，为保证钢板强度，需加入较高的C，有害元素P的含量稍高，且未添加稀土元素Ce。影响了钢板的焊接性能和低温韧性。

申请号为CN201010576668.2的中国发明专利公开了一种高性能建筑结构用钢及其制造方法低成本Q420qE桥梁用钢板的生产方法，申请号为CN201210239313.3的中国发明专利公开了一种超宽薄规格桥梁用结构钢板及其生产方法。它们的设计组分中C的含量均偏高，有害元素P、S的要求也较低，对焊接性能带来不利影响，对低温韧性不利，特别是不利于断口纤维率的提高。

申请号为CN201110123433.2的中国发明专利公开了一种桥梁结构钢及其生产方法，申请号为CN201010276628.6的中国发明专利公开了一种低成本屈强比可控高强度高韧性钢板及其制造方法，申请号为CN200810031916.8的中国发明专利公开了一种桥梁结构钢板及其生产方法，申请号为CN201310398905.4的中国发明专利公开了一种耐海洋环境腐蚀性能优良的焊接结构用钢及其制造方法。为了获得良好的低温韧性，它们的组分设计中均添加Ni、Mo等贵重合金元素，成本较高。

同样的，国内期刊文章《80mm桥梁用抗层状撕裂Q420qE-Z35钢板的试制》中讲述通过Nb、V、Ti、Ni复合微合金化生产规格350mm连铸坯料，采用二阶段轧制及正火快冷工艺成功试制80mm桥梁用结构钢Q420qE-Z35。其化学成分要求为：C：0.12～0.14，Si：0.25～0.35，Mn：1.45～1.55，P≤0.016，S≤0.005，Nb：0.025～0.035，Ti：0.015～0.025，V：0.050～0.060，Ni：0.16～0.17。项目年度编号为1100441398的《高强耐蚀桥梁用结构钢板开发》项目介绍了湘钢自主研制开发高强耐蚀桥梁用结构钢板Q420qE，在成分设计上采用低碳、复合添加Cu-Cr-Ni-Mo-Nb元素，将碳含量控制在较低值，减少或抑制渗碳体的析出，保证主控组织为均匀的针状铁素体或低碳贝氏体组织，以得到优良的耐腐蚀性能；采用热机械控制轧制技术+弛豫－析出控制技术生产，降低了生产成本，缩短了生产周期；厚板增加回火工艺，消除钢板的内应力，确保钢板在使用过程中不变形，改善了钢板的使用性能，提高了桥梁的使用寿命。上述文章中提及的两钢种均添加Ni、Mo等贵重合金元素来获得较好的低温韧性，经济成本高，且未提及断面收缩率的问题。

同样的，国内期刊文章《公路桥梁用高强度结构钢WQ540D的开发》根据公路桥梁用钢的应用特点和要求，通过制定合理的成分和冶炼、轧制工艺，采用C-Mn，Nb、Ti微合金化的成分体系及控轧工艺，开发出公路桥梁用高强度结构钢WQ540D。其化学成分要求为：C≤0.18，Si≤0.55，Mn：1.40～1.60，P≤0.015，S≤0.010，Nb≤0.025，Ti≤0.030，Als≥0.015。该钢对韧性不利的有害元素P、S控制相对宽松。冲击试验温度为-20℃。可见对低温韧性的要求并不高，也不添加改善韧性及各项异性的稀土元素Ce。因此，该钢的韧性特别是冲击断口纤维率比较差。

申请号为CN201310499162.X的中国发明专利公开了屈服强度460MPa级的高韧性钢板及其生产方法，其材料的化学成分的质量百分含量包括：C：0.05～0.08％、Si：0.2～0.4％、Mn：1.2～1.6％、P≤0.02％、S≤0.01％、Nb：0.04～0.06％、V：0.04～0.07％、Ti：0.006～0.012％、Ca：0.0015～0.003％、Als：0.017～0.027％，其余为铁和杂质。可以看出，该发明V的加入量较高，成本高。另外，该发明钢未添加稀土元素Ce改善韧塑性，韧性较差，韧性的各向异性较大。

因此，提供一种经济成本低，具有良好的焊接性能和低温韧性，高冲击断口纤维率的高强度桥梁用结构钢及其制备方法显得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，提供一种冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢及其制备方法。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：一种冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢，钢中化学成分及质量百分比为：C：0.03～0.10％；Si：0.30～0.50％；Mn：1.00～1.70％；P≤0.010％；S≤0.003％；Nb：0.030～0.060％；V、Ti中的一种或两种(其中V：0.01～0.08％，Ti：0.015～0.025％)；Cu：0.20～0.55％；Ca：0.005～0.015％；Ce：0.0015～0.0060％；Als：0.020～0.050％，其余为Fe和不可避免的杂质，其力学性能为：屈服强度R_eL≥420MPa，抗拉强度R_m为555～650MPa，屈强比R_eL/R_m≤0.80，伸长率A≥26％，-40℃冲击吸收功KV₂≥225J，冲击断口纤维率≥85％。

优选地，钢中化学成分及质量百分比为：C：0.06～0.09％；Si：0.35～0.45％；Mn：1.49～1.55％；P≤0.010％；S≤0.002％；Nb：0.038～0.041％；V、Ti中的一种或两种(其中V：0.035～0.040％，Ti：0.018～0.023％)；Cu：0.35～0.45％；Ca：0.0055～0.0075％；Ce：0.0025～0.0038％；Als：0.025～0.040％，其余为Fe和不可避免的杂质，其力学性能为：屈服强度R_eL为475～495MPa，抗拉强度R_m为590～620MPa，屈强比R_eL/R_m≤0.80，伸长率A为27～29％，冲击断口纤维率为85～92％。

进一步地，钢中化学成分及质量百分比为：C：0.06％；Si：0.35％；Mn：1.52％；P≤0.010％；S≤0.002％；Nb：0.04％；Ti：0.021％；V：0.035％；Cu：0.45％；Ca：0.0075％；Ce：0.0038％；Als：0.040％，其余为Fe和不可避免的杂质，其力学性能为：屈服强度R_eL：495MPa，抗拉强度R_m：620MPa，屈强比R_eL/R_m：0.79，伸长率A：27.5％，-40℃冲击吸收功KV₂：285J，冲击断口纤维率：92％。

本发明选择的主要化学元素及其百分含量在本发明中的作用如下：

C：钢中含C量增加，强度升高，塑韧性降低，焊接性能降低。C可以增加钢的冷脆性和时效敏感性。因此，选取C含量为0.03～0.10％。

Si：在炼钢过程中，Si作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15～0.30％的Si。同时，Si能增加钢的强度，因此选取Si含量为0.30～0.50％。

Mn：Mn在钢中不但能改善钢的韧性，且有较高的强度和硬度，改善钢的热加工性能。但是Mn含量增高，会降低焊接性能。综合考虑，选取Mn含量为1.00～1.70％，优选地，Mn含量为1.30～1.65％。

P：P是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，降低钢的韧性，使焊接性能及加工性能变坏。为保证钢的韧性，特别是冲击断口纤维率，选取P≤0.010％。

S：S与Mn易形成MnS夹杂，对低温韧性十分不利。夹杂物的存在，不利于钢的韧性、延伸率和断面收缩率，而且容易引起应力集中造成疲劳裂纹，导致钢的抗疲劳性能降低，控制钢中S元素含量，降低非金属夹杂物水平，生产低温韧性优良的洁净钢，对于保证本发明钢的低温韧性，特别是断口纤维率尤为重要。本发明钢中控制S≤0.003％。

Nb：Nb是强碳、氮化物形成元素。它可以形成细小的碳化物和氮化物(第二相质点，沿奥氏体晶界分布)，抑制高温区奥氏体晶粒的长大。在轧制过程中的奥氏体再结晶温度区域内，Nb的碳、氮化物可以作为奥氏体晶粒形核核心，在非再结晶温度范围内，弥散分布的Nb的碳、氮化物可以有效钉轧奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒进一步长大，从而细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性。Nb在铁素体中沉淀析出，提高钢的强度的同时又可以在焊接过程中阻止HAZ晶粒的粗化。但是，含Nb钢存在高温延展性能明显降低的脆化温度区间(900～700℃)，易在连铸时出现裂纹。本发明钢的Nb含量设定为0.030～0.060％。

V：V是一种相当强烈的碳化物形成元素，适量的V具有明显的沉淀析出强化作用。但V含量过高，沉淀强化作用显著，使基材和热影响区韧性变差。若V和Ti复合添加，本发明钢中V含量控制在0.01～0.08％。

Ti：Ti是一种强碳、氮化物形成元素，形成的TiN、Ti(CN)等粒子非常稳定，能有效钉轧晶界，阻止γ晶粒长大，因而起到细化晶粒的作用。它能显著提高钢的室温强度、高温强度和钢的韧性。在控轧低碳钢中，添加0.015％左右的Ti，可改善钢的铸态组织，在钢的二次加热过程中阻止奥氏体晶粒长大，并在随后的高温奥氏体区轧制时通过Ti(C，N)的析出，抑制奥氏体再结晶晶粒长大。另外，Ti的氮化析出物能有效钉轧奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒的长大，大大改善钢的焊接热影响区的低温韧性。但是，过高的Ti含量会导致钢的塑、韧性降低。若V和Ti复合添加，本发明钢中Ti含量控制在0.015～0.025％。

Cu：适量的Cu可提高钢的强度，同时加Cu后可以使Nb的碳化物高温应变诱导析出加速，再结晶停止温度升高，有利于进行非再结晶区控制轧制及进一步细化相转变产物。钢板厚度增加时，还可采用回火工艺，调整ε-Cu的析出进一步改善综合性能。因此，本发明钢的Cu含量选择在0.20～0.55％。

Als：Al是为了脱氧而加入到钢中的元素，能够显著降低钢中的氧含量。同时能够细化晶粒、固定N元素。本发明钢的Als含量设计为0.020～0.050％。

Ca：钢中添加适量的Ca将硫化物夹杂物球化，有利于提高基材的低温韧性。为了提高其脱氧脱硫效果，改善基材质量和热影响区性能，Ca含量过高时，则会形成许多大型含Ca混合夹杂物，不利于基材的韧性和塑性。本发明的Ca是脱氧元素，其含量控制在0.005～0015％。

Ce：微量Ce可明显改善钢的显微组织，细化晶粒，且随着Ce含量的增加，分布更加均匀；同时钢中夹杂物得到变性，由原来多边形的Al₂O₃和TiN复合夹杂转变为椭球状或球状的含Al、Ti的稀土复合夹杂。对钢的韧性，特别是横向的韧性特别重要，钢板韧性各向异性减小，冲击断口纤维率得到有效改善。本发明钢的Ce含量设计为0.0015～0.0060％。

本发明钢除含有上述化学成分外，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢的制备方法，包括如下步骤：

1)转炉冶炼、精炼和真空处理：在真空处理后期喂入Ca线，喂入量为2.8～4.2Kg/吨钢；

2)连铸：采用结晶器保护渣保护浇注，向结晶器中加入Ce，控制Ce的含量为0.0015～0.0060％；

3)加热：加热步骤2)所得的铸坯；

4)控轧：对步骤3)中所得的铸坯进行粗轧和精轧；

5)控冷：对步骤4)中所得的钢板进行控冷处理；

6)矫直：钢板在矫直机中进行矫直，即得到冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢。

优选地，步骤1)中，Ca线的喂入量为2.8～3.6Kg/吨钢。

进一步地，步骤2)中，控制Ce的含量为0.0025～0.0038％；

更进一步地，步骤3)中，加热过程中，板坯加热温度为1100～1200℃，加热时间为180～240min；均热温度1140～1180℃，均热时间为25～40min，均热后，快速出炉送钢进行控轧。

更进一步地，步骤4)中，粗轧开轧温度不低于1060℃，终轧温度不低于980℃；精轧开轧温度为900～1020℃，终轧温度为780～830℃。

再进一步地，步骤5)中，开冷温度控制为780～820℃，返红温度控制为450～600℃，控制钢板的冷却速度控制为15～25℃/S。

再进一步地，步骤6)中，钢板进入矫直机的初始温度不低于300℃。

本发明的优点在于：

其一，本发明钢性能指标满足屈服强度R_eL≥420MPa，抗拉强度R_m为555～650MPa，屈强比R_eL/R_m≤0.80，伸长率A≥26％，-40℃冲击吸收功KV₂≥225J，冲击断口纤维率≥85％；

其二，本发明采用低碳设计，采用合适的控轧和控冷工艺，使钢板的铁素体晶粒细小，韧性和焊接性能良好；工艺路线简单、生产周期短、制造成本低，工艺制度比较宽松，可在宽厚板线上稳定生产。

附图说明

图1为钢板的冲击断口结构示意图。

其中，A为本发明实施例1钢板的冲击断口结构示意图；B为本发明实施例2钢板的冲击断口结构示意图；C为本发明对比例1钢板的冲击断口结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

表1为实施例1～6为冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢中化学成分及重量百分比，对比例1、2为对比钢中化学成分及重量百分比，其余为Fe和不可避免杂质。

表1 本发明各实施例和对比例的化学成分及重量百分比(wt％)

将所述化学成分经转炉冶炼、精炼、真空处理和连铸后得到的板坯经加热、控轧、控冷和矫直后即得到冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢。具体主要工艺参数如下表：

表2 本发明各实施例的主要工艺参数列表

上述实施例性能参数如下表所示：

表3 本发明各实施例及对比例的性能结果列表

从表3可以看出：本发明实施例1～6产品钢力学性能好，R_eL≥420MPa，R_m在555～650MPa，R_eL/R_m≤0.80，A≥26％，-40℃KV₂≥225J，冲击断口纤维率≥85％。实施例性能明显优于对比例性能。由图1可以看出，相对于本发明对比例1钢板的冲击断口结构示意图的冲击断口面C，实施例1、2的冲击断口结构示意图A、B的断口面纤维区明显较大，本发明冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢断口面大部分为纤维区，说明冲击断口纤维率高。

其它未经详细说明的部分均为现有技术。

Claims

1.一种冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢，其特征在于：钢中化学成分及质量百分比为：C：0.03～0.10％；Si：0.30～0.50％；Mn：1.00～1.70％；P≤0.010％；S≤0.003％；Nb：0.030～0.060％；V、Ti中的一种或两种(其中，V：0.01～0.08％，Ti：0.015～0.025％)；Cu：0.20～0.55％；Ca：0.005～0.015％；Ce：0.0015～0.0060％；Als：0.020～0.050％，其余为Fe和不可避免的杂质，其力学性能为：屈服强度R_eL≥420MPa，抗拉强度R_m为555～650MPa，屈强比R_eL/R_m≤0.80，伸长率A≥26％，-40℃冲击吸收功KV₂≥225J，冲击断口纤维率≥85％。

2.根据权利要求1所述的冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢，其特征在于：钢中化学成分及质量百分比为：C：0.06～0.09％；Si：0.35～0.45％；Mn：1.49～1.55％；P≤0.010％；S≤0.002％；Nb：0.038～0.041％；V、Ti中的一种或两种(其中，V：0.035～0.040％，Ti：0.018～0.023％)；Cu：0.35～0.45％；Ca：0.0055～0.0075％；Ce：0.0025～0.0038％；Als：0.025～0.040％，其余为Fe和不可避免的杂质，其力学性能为：屈服强度R_eL为475～495MPa，抗拉强度R_m为590～620MPa，屈强比R_eL/R_m≤0.80，伸长率A为27～29％，冲击断口纤维率为85～92％。

3.根据权利要求1所述的冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢，其特征在于：钢中化学成分及质量百分比为：C：0.06％；Si：0.35％；Mn：1.52％；P≤0.010％；S≤0.002％；Nb：0.04％；Ti：0.021％；V：0.035％；Cu：0.45％；Ca：0.0075％；Ce：0.0038％；Als：0.040％，其余为Fe和不可避免的杂质，其力学性能为：屈服强度R_eL：495MPa，抗拉强度R_m：620MPa，屈强比R_eL/R_m：0.79，伸长率A：27.5％，-40℃冲击吸收功KV₂：285J，冲击断口纤维率：92％。

4.一种权利要求1所述的冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

3)加热：加热步骤2)所得的铸坯；

4)控轧：对步骤3)中所得的铸坯进行粗轧和精轧；

5)控冷：对步骤4)中所得的钢板进行控冷处理；

5.根据权利要求4所述的冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，Ca线的喂入量为2.8～3.6Kg/吨钢。

6.根据权利要求4所述的冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，控制Ce的含量为0.0025～0.0038％。

7.根据权利要求4所述的冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，加热过程中，板坯加热温度为1100～1200℃，加热时间为180～240min；均热温度1140～1180℃，均热时间为25～40min，均热后，快速出炉送钢进行控轧。

8.根据权利要求4所述的冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，粗轧开轧温度不低于1060℃，终轧温度不低于980℃；精轧开轧温度为900～1020℃，终轧温度为780～830℃。

9.根据权利要求5所述的冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，开冷温度控制为780～820℃，返红温度控制为450～600℃，控制钢板的冷却速度控制为15～25℃/S。

10.根据权利要求5所述的冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢的制备方法，其特征在于：所述步骤6)中，钢板进入矫直机的初始温度不低于300℃。