CN110468350B - 一种高强高耐候建筑用q420gjnhez35钢板及其生产方法 - Google Patents

一种高强高耐候建筑用q420gjnhez35钢板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强高耐候建筑用Q420GJNHEZ35钢板及其生产方法，该钢板含有以下化学成分：C、Si、Mn、P、S、Nb、V、Cr、Mo、Ni、Cu,Ti，其它为Fe和残留元素，该钢板的生产方法包括以下步骤：KR铁水预处理工艺、冶炼浇铸工艺、加热工艺、高温再结晶直接轧制技术、热处理工艺，通过亚温淬火来控制屈强比，并达到细化奥氏体晶粒及最终组织，且最终组织中的铁素体有阻碍裂纹扩展的作用，提高的贝氏体的冲击韧性，并改善了钢种残留有害元素的分布，使其均匀的分布在细化后晶粒的晶界上，总晶界面积明显增多，单位晶界面积上的有害元素含量较少，有效的提高了钢板的最终各项性能。

Description

一种高强高耐候建筑用Q420GJNHEZ35钢板及其生产方法
技术领域
本发明属于宽厚板生产领域，具体涉及到一种厚度150mm以上高强高耐候建筑用Q420GJNHEZ35钢板及其生产方法。
背景技术
钢结构具有强度高、重量轻、塑性和韧性好、施工快速等特点,它适应于各种工程结构。近年来随着钢产量的稳步增长和全球应用技术研究的深入,钢结构在建筑行业得到了越来越广泛的应用,尤其在超高层及大跨度建筑等方面更显示出其强大的生命力。但随着钢结构建筑的发展,随之而来的是耐候防腐问题日趋突出。集抗震、耐蚀性能为一体的新一代建筑结构钢等方面的市场需求越来越迫切。
发明内容
针对上述问题，本发明人经过反复理论计算、并不断试验摸索，获得了一种高强高耐候建筑用Q420GJNHEZ35钢板及其生产方法，从而完成了本发明。
因此，本发明的目的在于提供一种厚度150mm以上高强高耐候建筑用Q420GJNHEZ35钢板及其生产方法。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是所述高强高耐候建筑用Q420GJNHEZ35钢板含有以下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.03～0.14、Si：0.06～0.15、Mn：1.00～1.70、P≤0.010、S≤0.003、Als：0.015～0.060、Nb：0.020～0.070、V：0.008～0.080、Cr：0.4～0.9、Mo：0.1～0.4、Ni:0.20-0.5、Cu:0.10-0.50,Ti：0.008-0.020，其它为Fe和残留元素，Ceq≤0.52，Pcm≤0.25，并且保证I≥6.0来提高其耐大气腐蚀性能，其中耐候系数I＝26.01(Cu％)+3.88(Ni％)+1.20(Cr％)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2，同时控制碳当量(Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)及焊接裂纹敏感性指数(Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B)来保证其高耐焊接裂纹敏感性能。
为得到上述钢板，本发明采取的生产方法包括以下步骤：1)KR铁水预处理工艺：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤30mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005％，保证脱硫周期≤25min、脱硫温降≤25℃；
2)冶炼浇铸工艺：VD到站1668℃，预抽5min至真空，保压20min破空，软吹5min后1586℃离站，定氢0.79ppm符合标准；要求在67Pa的真空度下，保压时间≥20min，同时要求保压过程钢水翻腾效果良好；VD离站温度:1570～1575℃；
3)加热工艺：遵循钢坯充分加热原则，选取合金充分固溶的平衡温度以上30～50℃做为均热温度，因此钢坯加热温度选定为1180～1230℃，加热时间按照1min/mm进行计算；
4)高温再结晶直接轧制技术：根据奥氏体再结晶终止温度与细化晶粒的元素固溶量的关系曲线，确定了再结晶区轧制温度在980℃以上；待温厚度为成品厚度的2.2～2.5倍，为精轧阶段累计变形量及细化晶粒、位错强化奠定基础，二阶段开轧温度≤960℃，二阶段保证单道次压下率≥15％，累计压下率≥60％，确保变形渗透使奥氏体内部晶粒被压扁拉长，增大晶界有效面积并有效形成大量变形带，为奥氏体相变提供更多的形核点，达到细化奥氏体晶粒的目的，终轧温度≥910℃，轧制结束后，采用ACC层流冷却，冷却速度控制在10～20℃/s，出水温度控制在600-620℃；
5)热处理工艺：采用淬火(Quenching)+两相区淬火(Lamellarizing)+回火(Tempering)工艺(QLT)的热处理工艺来获得其高强度和高韧性，通过一次淬火900-920℃，保温时间保温时间1.8-2.3min/mm，二次淬火800～870℃温度，保温时间1.6-2.5min/mm，回火温度600-620℃，保温时间3-4min/mm。
在本发明中，高强高耐候用钢板对强度和耐候性能要求较高，产品要求钢板低碳当量(≤0.52)、低焊接裂纹敏感型指数(≤0.25％)、I≥6.0来提高其耐大气腐蚀性能，但同时又必须具备高强度和良好的低温冲击韧性，这两项相互矛盾的技术要求对工艺设计带来的最大问题就是可控区间极窄，使得碳当量的使用受到限制，故必须采用适当碳当量增加钢的强度，优化合金元素(Nb、V、Cr、Mo等)保证钢的淬透性，在不降低韧性的前提下，确保其的各项性能指标达到技术条件的要求。炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱除至所炼钢钟的要求。从钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加钢的强度和硬度，但对韧性产生不利影响。钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在1600℃，[C]≤0.8％时，每增0.1％的碳，钢的熔点降低6.50℃，密度减少4kg/m3，黏度降低0.7％。锰是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低、氧含量很高时，可以显示出脱氧作用，协助脱氧，提高他们的脱氧能力。锰可以略微提高钢的强度，并可提高钢的淬透性能，稳定并扩大奥氏体区。Mn能增加奥氏体的稳定性，扩大γ相区得奥氏体。降低淬火时的临界冷却速度。降低钢的临界点(A1和A3)较同碳量碳素钢低25～30℃，所以可提高钢的淬透性，淬火时的变形也比较小，适用于宽厚板的要求。(当镍＜0.3％时，其变脆温度即达-100℃以下，所以能同时提高淬火结构钢的强度和塑性。Ni的晶格常数与γ-铁相近，所以可成连续固溶体。这就有利于提高钢的淬硬性，Ni可降低临界点并增加奥氏体的稳定性，所以其淬火温度可降低，淬透性好。当它同Cr、Mo结合的时候，淬透性尤可增高。镍钼钢还具有很高的疲劳极限。Ni本身不是有效的抗氧化学元素，所以很少单独用作不锈钢的合金元素，但对浓苛性碱有好的作用。Ni可提高奥氏体钢的蠕变抗力，须加入别的合金元素，通过固溶强化或沉淀硬化的途径来解决。在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性。由于它能使组织细化而又均匀分布，所以塑性、韧性也好，这对工具钢尤有价值。成分设计是保证性能的基础，结合化学成分中C、Si、Mn、Al等基础元素对于改善钢种强度和影响钢种塑韧性的综合作用，以及P、S对于合金高强度类钢种的危害作用，为充分发挥固溶强化与细晶强化的双重效果，在不降低塑韧性的前提下，确保钢板的各项性能指标均达到并高于标准的要求，同时确保生产成本最为经济，成分设计如下：质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.03～0.14、Si：0.06～0.15、Mn：1.00～1.70、P≤0.010、S≤0.003、Als：0.015～0.060、Nb：0.020～0.070、V：0.008～0.080、Cr：0.4～0.9、Mo：0.1～0.4、Ni:0.20-0.5、Cu:0.10-0.50,Ti：0.008-0.020，其它为Fe和残留元素，Ceq≤0.52，Pcm≤0.25，并且保证I≥6.0来提高其耐大气腐蚀性能，其中耐候系数I＝26.01(Cu％)+3.88(Ni％)+1.20(Cr％)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2，同时控制碳当量(Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)及焊接裂纹敏感性指数(Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B)来保证其高耐焊接裂纹敏感性能；
钢水中的杂质成分，包括S、P及各类氧化物夹杂等易在钢水的凝固过程中产生严重的偏析，对特厚板面的机械性能和冶金质量均会产生较大的影响。较好的内部质量获得，并确保符合一级探伤标准，洁净钢的冶炼是根本，主要从两个方面来确保，一是钢水中非金属夹杂物的总级别必须在3.0以内，二是严格控制钢水中五大有害元素的含量。LF炉外精炼具有微调成分、氩气搅拌、泡沫渣埋弧加热、还原气氛白渣等，VD到站1668℃，预抽5min至真空，保压20min破空，软吹5min后1586℃离站，定氢0.79ppm符合标准；要求在67Pa的真空度下，保压时间≥20min，同时要求保压过程钢水翻腾效果良好；VD离站温度:1570～1575℃。
制定合理的加热制度：合理的钢坯加热制度即可以保证合金第二相粒子在加热过程中充分固溶，又能保证奥氏体晶粒不发生粗化。根据常用的Irvine经验公式：log[Nb][C+12*N/14]＝-6770/T+2.16
钢坯的Nb元素完全固溶温度为1150℃。在高温激光试验中观察了在150mm钢板原始奥氏体随温度变化的情况，在不同加热温度下的奥氏体晶粒变化图中可以看到，加热温度从1100℃提高至1180℃时，原始奥氏体晶粒尺寸仍然处于60μm以下；当加热温度提高至1250℃时，原始奥氏体晶粒开始出现合并和不均匀长大，晶粒尺寸达到100μm，发生粗化。根据Irvine经验公式计算和高温激光观察结果，遵循钢坯充分加热原则，选取合金充分固溶的平衡温度以上30～50℃做为均热温度，因此钢坯加热温度选定为1180～1230℃，加热时间按照1min/mm进行计算。
高温再结晶直接轧制技术：如何通过有限的轧制道次实现钢坯心部晶粒组织的充分碎化和缺陷的最大限度焊合，成为Q420GJNHEZ35钢板轧制技术的关键。由于压缩比小，对特厚钢板采用一阶段再结晶区轧制，使钢板在高温阶段充分发生再结晶，进行奥氏体晶粒细化。经计算，钢坯的奥氏体再结晶终止温度控制在1000℃以上，根据奥氏体晶粒尺寸与轧制道次变形量关系，选取再结晶轧制温度为1050～1100℃。为实现钢坯心部晶粒组织的充分碎化和缺陷的最大限度焊合，必须保证轧制变形能够有效的传递到特厚钢板心部。对特厚钢板的轧制道次分配努力使钢坯心部组织在轧制过程中得到充分的变形。轧制过程中道次压下率依次增加，获得一道次压下率为17％的变形，之后为保证板形则压下率逐渐降低。轧制时严格控制轧制力及轧制扭矩，保证轧制力在8600吨以上，轧制扭矩在3200KNm以上，同时加强弯辊力调节，调控板形。
根据塔尔诺夫斯基研究结果，变形区形状系数l/h的大小与轧制道次变形量有直接关系。当变形区形状系数l/h＞0.5时，压缩变形完全深入到轧件内部，形成中心层变形大于表面变形的现象；而当变形区形状系数l/h＜0.5时，随着变形区形状系数的减小，压缩变形不能深入到轧件内部，只限于表面层附近。根据塔尔诺夫斯基轧制变形理论，每道次的变形均能渗透到钢板心部，在压缩比较小的前提下，可最大限度的改善钢板心部组织。钢板终轧后立即采用强水冷处理，最大限度保留细化的奥氏体组织，使钢板不具备晶粒长大条件，达到细化晶粒目的。
细化奥氏体晶粒的控制轧制工艺：在提高钢板强度和韧性的各因素中，晶粒的细化对两者都有明显的贡献作用，在Q420GJNHEZ35钢板的轧制工艺中，充分利用再结晶轧制技术和未再结晶轧制技术细化轧后钢板的奥氏体晶粒。根据奥氏体再结晶终止温度与细化晶粒的元素固溶量的关系曲线，确定了再结晶区轧制温度在980℃以上。轧制温度越高，道次变形量越大，奥氏体晶粒尺寸越细小。因此在成分体系和轧制温度均已确定的情况下，如何有效提高再结晶区轧制道次压下率，特别是提高转钢后纵轧阶段的总压下率，成为能否充分细化奥氏体再结晶晶粒的关键。保持未再结晶区的轧制变形量，可以获得充分压扁的变形奥氏体，积累形变和位错，创造更多的形核位置，促进相变后获得细小的相变组织。提高纵轧阶段压下率，特别是转钢后纵轧阶段压下率，对心部韧性改善效果显著。在考虑成品钢板尺寸的前提下，尽可能优化钢坯尺寸，采用宽坯轧制减少展宽道次，提高再结晶区轧制的道次和变形量。在强水冷后获得的粒状贝氏体组织中，贝氏体铁素体基体上残留了弥散分布的小M/A岛以及在粒贝团或准多边形铁素体边界存留的M/A岛。
两相区特殊热处理工艺：随着钢板厚度增加，要获得厚度方向均匀的组织是非常困难的。钢板的强度虽可以通过增加碳当量等成分优化达到，但要实现强度增加的同时韧性不降低，并且保持钢板心部的优良低温冲击韧性也是非常困难的，并且受钢板现场焊接技术要求的限制。因此，特厚耐候高建用钢板的开发，除优化钢板的成分设计外，在充分利用现有的生产装备的条件下，更要侧重于组织的控制。通过合理的热处理工艺优化和组合，以回火马氏体和回火贝氏体、铁素体的混合组织弥补低压缩比、强韧性不足的问题。保持淬火后组织中一定量的铁素体组织主要是用于提高钢板的韧性水平，而马氏体和贝氏体组织仍作为确保钢板强度的主要组织。如果以适当的淬火速率进行冷却时，在过冷奥氏体中由最先形成的铁素体或贝氏体首先把奥氏体晶粒分割成许多小块，随后过冷到Bs或Ms点以下，在已经被分割的小块内形成细小的贝氏体或马氏体，得到板条马氏体或贝氏体+铁素体的混合组织，提高了韧性。但实际生产中特厚板的冷却速率是不能有效的控制的，那么只有通过两相区的亚温淬火，该钢种通过800～870℃淬火温度，保温时间1.6-2.5min/mm，保留部分未溶的铁素体阻止已转变的奥氏体长大，把奥氏体一定量的晶粒分割成多个区域，并在后期冷到贝氏体转变温度后，被分割的各区内不同取向亚晶界上的析出物促使贝氏体在各亚晶界形核，亚晶的取向差引起各亚晶贝氏体束方向不同，并且各束贝氏体的长大过程受亚晶界的限制。在双相区淬火后得到软、硬相结合的组织，即游离铁素体+马氏体+(板条贝氏体)+残余奥氏体的混合组织，提高特厚钢板的韧性。
附图说明
图1为本发明所述150mmQ420GJNHEZ35钢板的冲击功水平。
具体实施方式
本发明所述钢板采取的技术方案是：
1)成分设计如下：质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.03～0.14、Si：0.06～0.15、Mn：1.00～1.70、P≤0.010、S≤0.003、Als：0.015～0.060、Nb：0.020～0.070、V：0.008～0.080、Cr：0.4～0.9、Mo：0.1～0.4、Ni:0.20-0.5、Cu:0.10-0.50,Ti：0.008-0.020，其它为Fe和残留元素，Ceq≤0.52，Pcm≤0.25，并且保证I≥6.0来提高其耐大气腐蚀性能，其中耐候系数I＝26.01(Cu％)+3.88(Ni％)+1.20(Cr％)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2，同时控制碳当量(Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)及焊接裂纹敏感性指数(Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B)来保证其高耐焊接裂纹敏感性能。
2)KR铁水预处理工艺：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤30mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005％，保证脱硫周期≤25min、脱硫温降≤25℃；
3)冶炼浇铸工艺：VD到站1668℃，预抽5min至真空，保压20min破空，软吹5min后1586℃离站，定氢0.79ppm符合标准；要求在67Pa的真空度下，保压时间≥20min，同时要求保压过程钢水翻腾效果良好；VD离站温度:1570～1575℃；
4)加热工艺：遵循钢坯充分加热原则，选取合金充分固溶的平衡温度以上30～50℃做为均热温度，因此钢坯加热温度选定为1180～1230℃，加热时间按照1min/mm进行计算。
5)高温再结晶直接轧制技术：根据奥氏体再结晶终止温度与细化晶粒的元素固溶量的关系曲线，确定了再结晶区轧制温度在980℃以上。待温厚度为成品厚度的2.2～2.5倍，为精轧阶段累计变形量及细化晶粒、位错强化奠定基础，二阶段开轧温度≤960℃，二阶段保证单道次压下率≥15％，累计压下率≥60％，确保变形渗透使奥氏体内部晶粒被压扁拉长，增大晶界有效面积并有效形成大量变形带，为奥氏体相变提供更多的形核点，达到细化奥氏体晶粒的目的，终轧温度≥910℃，轧制结束后，采用ACC层流冷却，冷却速度控制在10～20℃/s，出水温度控制在600-620℃。
6)热处理工艺：采用淬火(Quenching)+两相区淬火(Lamellarizing)+回火(Tempering)工艺(QLT)的热处理工艺来获得其高强度和高韧性。通过一次淬火900-920℃，保温时间保温时间1.8-2.3min/mm，二次淬火800～870℃温度，保温时间1.6-2.5min/mm，回火温度600-620℃，保温时间3-4min/mm，通过亚温淬火来控制屈强比，并达到细化奥氏体晶粒及最终组织，且最终组织中的铁素体有阻碍裂纹扩展的作用，提高的贝氏体的冲击韧性，并改善了钢种残留有害元素的分布，使其均匀的分布在细化后晶粒的晶界上，总晶界面积明显增多，单位晶界面积上的有害元素(P、S、Sb、Sn)含量较少，有效的一直了有害元素在晶界上偏聚，有效的提高了钢板的最终各项性能。
表1和图1阐述了150mmQ420GJNHEZ35钢板的实物性能：
表1 150mm Q420GJNHEZ35钢板力学性能
Figure BDA0002186957840000061
上述方法中，所生产的钢板厚度为150mm厚度规格。

Claims (1)

1.一种高强高耐候建筑用Q420GJNHEZ35钢板的生产方法，其特征在于：该钢板含有以下质量百分比的化学成分：C：0.03～0.14、Si：0.06～0.15、Mn：1.00～1.70、P≤0.010、S≤0.003 、Als：0.015～0.060、Nb：0.020～0.070、V：0.008～0.080、Cr：0.4～0.9、Mo：0.1～0.4、Ni:0.20-0.5、Cu:0.10-0.50，Ti：0.008-0.020，其它为Fe和残留元素，Ceq≤0.52，Pcm≤0.25，并且保证I≥6.0来提高其耐大气腐蚀性能，其中耐候系数I=26.01（Cu）+3.88（Ni）+1.20（Cr）+1.49（Si）+17.28（P）-7.29（Cu）（Ni）-9.10（Ni）（P）-33.39（Cu）2，同时控制碳当量Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14及焊接裂纹敏感性指数Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B来保证其高耐焊接裂纹敏感性能；
上述钢板的生产方法包括以下步骤：
1）KR铁水预处理工艺：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤30mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005%，保证脱硫周期≤25min、脱硫温降≤25℃；
2）冶炼浇铸工艺：VD到站1668℃，预抽5min至真空，保压20min破空，软吹5min后1586℃离站，定氢0.79ppm符合标准；要求在67Pa的真空度下，保压时间≥20min，同时要求保压过程钢水翻腾效果良好； VD离站温度:1570~1575℃；
3）加热工艺：遵循钢坯充分加热原则，选取合金充分固溶的平衡温度以上30~50℃做为均热温度，因此钢坯加热温度选定为1180~1230℃，加热时间按照1min/mm进行计算；
4）高温再结晶直接轧制技术：根据奥氏体再结晶终止温度与细化晶粒的元素固溶量的关系曲线，确定了再结晶区轧制温度在980℃以上；待温厚度为成品厚度的2.2～2.5倍，为精轧阶段累计变形量及细化晶粒、位错强化奠定基础，二阶段开轧温度≤960℃，二阶段保证单道次压下率≥15%，累计压下率≥60%，确保变形渗透使奥氏体内部晶粒被压扁拉长，增大晶界有效面积并有效形成大量变形带，为奥氏体相变提供更多的形核点，达到细化奥氏体晶粒的目的，终轧温度≥910℃，轧制结束后，采用ACC层流冷却，冷却速度控制在10~20℃/s，出水温度控制在600-620℃；
5）热处理工艺：采用淬火+两相区淬火+回火工艺的热处理工艺来获得其高强度和高韧性，通过一次淬火900-920℃，保温时间保温时间1.8-2.3min/mm，二次淬火800~870℃温度，保温时间1.6-2.5min/mm，回火温度600-620℃，保温时间3-4 min/mm。
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