CN110699598A - 一种铌微合金化高强高耐候角钢及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢铁生产技术领域，提供了一种铌微合金化高强高耐候角钢及生产工艺，其化学成分以质量百分数计为：C：0.05‑0.12％，Si：0.20‑0.75％，Mn≤1.00％，Cu：0.20‑0.55％，P：0.07‑0.10％，Cr：0.30‑1.25％，Ni：0.12‑0.65％，Nb：0.015‑0.060％，S≤0.020％，Ceq≤0.44，I≥6，余为Fe和不可避免的杂质；生产工艺包括连铸坯生产、角钢轧制、角钢矫直。本发明通过成分优化和生产工艺调整，以Nb代V来细化组织以弱化磷的晶界偏析作用并增强韧性，以Cu‑P为基以提高耐大气腐蚀性能，控制S含量，获得低成本、强韧性、耐腐蚀的角钢。

Description

一种铌微合金化高强高耐候角钢及其生产工艺
技术领域
本发明涉及钢铁生产技术领域，特别涉及一种铌微合金化高强高耐候角钢及其生产工艺。
背景技术
伴随着电网不断升级，大气环境污染的日益加剧，普通角钢已不能满足电力铁塔的性能要求，尤其是力学性能和耐大气腐蚀性。我国输电铁塔用钢依赖热镀锌防腐，热镀锌过程中产生的环境污染问题难以得到有效解决，热镀锌铁塔的生产成本也随之攀升。
高强高耐候角钢具有优良的力学性能、良好的耐大气腐蚀性能，并在节约资源、保护环境等方面有着特殊意义，加之我国V、Ti等元素增加的合金元素成本的限制耐候角钢，故在我国发展以Cu-P为基的高耐候角钢生产是一种必然趋势，该钢种的碳含量处在包晶反应区，且易使连铸坯产生铜脆缺陷和磷晶界偏析，需要通过合金成分的优化设计和调整连铸与热轧生产工艺，细化晶粒来弱化P的晶界偏析带来的影响。高强高耐候角钢的推广应用主要存在以下两个问题：一是成分设计不合理，合金成本贵且耐蚀性较差；二是生产工艺不合适，晶粒粗大且力学性能较差。
长期以来，我国输电铁塔用钢主材使用Q345，斜材以Q235为主。伴随双回路/多回路铁塔、跨越塔越来越多，铁塔高度不断增加，加之多分裂导线的应用，更使铁塔荷载大幅增加。高强高耐候角钢的使用可以减轻单根构件的重量同时简化杆塔结构，相应减少运输、安装等费。高强高耐候角钢的使用还可以降低塔材的大气腐蚀损失，延长输电铁塔的寿命，对于填补我国在输电铁塔的应用空白，来提高中国电网防腐技术水平、保证输电线路安全性和延长输电铁塔的寿命周期具有显著的经济效益和社会效益。
发明内容
存在的技术问题：
耐候角钢应用是实现服役于大气环境中的钢构件免涂装防腐的主要技术手段，采用VN合金化或同时使用Nb、V和Ti多元微合金化来保证其强度，添加较多Cr、Ni等耐蚀性元素来保证耐腐蚀性能，增加的合金元素成本限制了耐候角钢的使用。廉价元素P的添加可以增加金属材料的强度，也可以改善耐大气腐蚀性，但是P元素通常偏聚到晶界，影响耐候角钢的焊接性能。
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种铌微合金化高强高耐候角钢及其生产工艺，通过采用低C、Nb微合金化，不再使用V和Ti，大幅降低成本；以Cu-P为基的成分设计，调整两阶段轧制温度制度和压下规程的生产工艺，生产出规格为20#的Q460级别的高耐候角钢，以解决现有的高耐候角钢成分设计不合适和生产工艺不合理等问题。
本发明采用如下技术方案：
一种铌微合金化高强高耐候角钢，化学成分以质量百分数计为：C： 0.05-0.12％，Si：0.20-0.75％，Mn≤1.00％，Cu：0.20-0.55％，P：0.07-0.10％， Cr：0.30-1.25％，Ni：0.12-0.65％，Nb：0.015-0.060％，S≤0.020％，其余为Fe 和不可避免的杂质。
进一步的，所述铌微合金化高强高耐候角钢的屈服强度Rel≥460MPa，抗拉强度Rm≥570Mpa，延伸率A≥20％，冲击吸收功Akv(-20℃)≥34J、Akv(-40℃) ≥27J。
本发明还提供了一种制备上述铌微合金化高强高耐候角钢的生产工艺，依次包括：连铸坯生产、角钢轧制、角钢矫直。
进一步的，在连铸坯生产步骤中，先进行铁水预处理，脱除铁水中杂质，然后依次进行转炉冶炼、LF精炼，最后进行钢坯连铸；铁水深脱硫后硫元素的质量百分比控制在0.020％以下，将钢水浇注成一定尺寸的铸坯，通过保护浇铸，电磁搅拌，改善铸坯内部质量。
进一步的，在角钢轧制步骤中，采用蓄热步进梁式加热炉对待轧制的连铸坯进行加热，轧制过程依次分为粗轧阶段和精轧阶段，轧制结束后进行空冷处理。
进一步的，对待轧制的连铸坯进行加热的温度控制在1180℃-1210℃，轧制过程的开轧温度为1050℃-1150℃，终轧温度为870-920℃。
进一步的，在角钢矫直步骤中，上冷床的温度控制在750-800℃，冷却时间控制在2.5h以内，50℃以下矫直。
进一步的，矫直机采用9辊双支撑变节距式矫直机，弯曲度控制在0.15％以内。
进一步的，角钢为等边热轧角钢，其规格为16#、18#或20#，总压缩比大于 6。
Nb元素具有显著的晶粒细化和中等强度的沉淀强化，通过细化晶粒，弱化 P元素的晶界偏析程度，同时，允许降低的碳含量，并使得基体钢和焊接接头更均匀，从而保证以Cu-P为基的高耐候角钢焊接性能(与普通角钢相比，本发明中高耐候角钢的耐蚀性能提高了4-7倍，与耐候角钢相比，本发明中高耐候角钢的耐蚀性能提高了2-3倍)。
本发明的有益效果为：以仅仅使用Nb取代V和/或Ti来细化组织以弱化磷的晶界偏析作用并增加强韧性，以Cu-P为基以提高角钢的耐大气腐蚀性能，并严格控制S含量，最终获得低成本、强韧性高、耐腐蚀性能好的角钢。通过采用本发明建造输电铁塔可以简化杆塔结构，节省工程造价，并减少了塔材的腐蚀损耗，延长了输电铁塔的使用寿命。
具体实施方式
下文将详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
角钢工业生产多采用孔型轧制，为发挥Nb在钢中的作用，本发明实施例的加热温度控制在1200℃，固溶Nb以Nb(CN)的形式控制奥氏体晶粒长大的作用。在设备能力和工艺参数范围内，每道次压下率与轧制温度配合，在再结晶最低温度附近，因固溶拖曳作用，Nb就开始促进“扁平化”奥氏体组织的生成，在这种较高温(比如>950℃，甚至>1000℃)下的扁平组织如果后面及就进入空冷，易造成晶粒的异常长大，形成粗大不均的等轴晶，最终造成相变铁素体晶粒的粗大。当变形逼近再结晶停止温度及以下时，压扁的奥氏体被应变诱导析出的Nb 会钉扎住，产生使相变组织在整个截面上更细化和均匀的效果，减轻粒状贝氏体和魏氏体产生的倾向，故采用两阶段控轧制，粗轧过程在再结晶区，开轧温度控制在1100℃；精轧过程在未再结晶区，开轧温度控制在940℃，终轧温度控制为 880℃；总压缩比大于6。此外，轧后冷却过程的Nb对组织转变的动力学产生的影响并不大，可以采用空冷替代水冷或风冷，减少生产成本，最终获得细小的铁素体+珠光体组织保证力学性能。
实施例1：
实施例1提供了规格为20#的铌微合金化高强高耐候角钢成分设计及其生产工艺，其化学成分以质量百分数计为：C：0.11％，Si：0.43％，Mn：0.77％，Cu： 0.30％，P：0.074％，Cr：0.40％，Ni：0.21％，Nb：0.038％，S：0.0093％，Ceq： 0.35，I:7.37，其余为Fe和不可避免的杂质。
1.连铸坯生产步骤中，先进行铁水预处理，脱除铁水中杂质，然后依次进行转炉冶炼、LF精炼、最后进行钢坯连铸，其中铁水深脱硫后硫元素的质量百分比控制在0.0093％，将钢水浇注成一定尺寸的铸坯，通过保护浇铸手段，电磁搅拌等措施，改善铸坯内部质量。
2.角钢轧制步骤中，采用蓄热步进梁式加热炉，加热温度控制在1200℃，轧制前高压水除磷，轧制过程依次分为粗轧阶段和精轧阶段，开轧温度为1108℃，终轧温度为880℃，总压缩比为8，轧制结束后进行空冷处理。
根据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228-2002)进行拉伸性能测试和《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T229-2007)进行V型缺口试样冲击试验以及《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》(GB/T19292.4-2003)进行周期浸润腐蚀试验，测试腐蚀速率如表2所示，所得含稀土的高强耐候角钢产品的屈服强度 Rel：474MPa，抗拉强度Rm：575Mpa，延伸率A：32％，冲击吸收功Akv(-20℃)： 126J，Akv(-40℃)：103J。
实施例2：
实施例2提供规格为20#铌微合金化高强高耐候角钢的成分设计及其生产工艺，其化学成分以质量百分数计为：C：0.12％，Si：0.44％，Mn：0.79％，Cu： 0.30％，P：0.081％，Cr：0.39％，Ni：0.21％，Nb：0.029％，S：0.0080％，Ceq:0.36， I:7.48，其余为Fe和不可避免的杂质。
1.连铸坯生产步骤中，先进行铁水预处理，脱除铁水中杂质，然后依次进行转炉冶炼、LF精炼、最后进行钢坯连铸，其中铁水深脱硫后硫元素的质量百分比控制为0.0080％，将钢水浇注成一定尺寸的铸坯，通过保护浇铸手段，电磁搅拌等措施，改善铸坯内部质量。
2.角钢轧制步骤中，采用蓄热步进梁式加热炉，加热温度控制在1200℃，轧制前高压水除磷，轧制过程依次分为粗轧阶段和精轧阶段，开轧温度为1097℃，终轧温度为879℃，总压缩比为8，轧制结束后进行空冷处理。
根据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228-2002)进行拉伸性能测试和《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T229-2007)进行V型缺口试样冲击试验以及《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》(GB/T19292.4-2003)进行周期浸润腐蚀试验，测试腐蚀速率如表2所示，所得含稀土的高强耐候角钢产品的屈服强度 Rel：483MPa，抗拉强度Rm：584Mpa，延伸率A：33％，冲击吸收功Akv(-20℃)： 133J，Akv(-40℃)：113J。
对比样1为与实例钢采用相同的生产工艺的普通耐候角钢，对比样2为唐钢生产Q420B角钢，其化学成分以质量百分数计见表1所示，周期浸润腐蚀试验数据如表2所示，结果表明实例钢具有良好的耐腐蚀性能。
表1对比样的成分质量分数/wt.％
Figure BDA0002177521980000051
表2实施例钢和对比样钢的周期浸润腐蚀试验数据
Figure BDA0002177521980000052
Figure BDA0002177521980000061
本发明通过成分的优化设计和调整生产工艺，以Cu-P为基提高角钢耐腐蚀性能和以Nb代V细化组织保证力学性能，并严格控制S元素含量，实现该产品的稳定生产，获得机械性能稳定、耐腐蚀性能良好的高强高耐候角钢。本发明所得铌微合金化的高耐候角钢的产品的屈服强度Rel≥460MPa，抗拉强度Rm≥ 570Mpa，延伸率A≥20％，冲击吸收功Akv(-20℃)≥34J，Akv(-40℃)≥27J。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (9)

1.一种铌微合金化高强高耐候角钢，其特征在于，所述铌微合金化高强高耐候角钢的化学成分以质量百分数计为：C：0.05-0.12％，Si：0.20-0.75％，Mn≤1.00％，Cu：0.20-0.55％，P：0.07-0.10％，Cr：0.30-1.25％，Ni：0.12-0.65％，Nb：0.015-0.060％，S≤0.020％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的铌微合金化高强高耐候角钢，其特征在于，所述铌微合金化高强高耐候角钢的屈服强度Rel≥460MPa，抗拉强度Rm≥570Mpa，延伸率A≥20％，冲击吸收功Akv(-20℃)≥34J、Akv(-40℃)≥27J。
3.一种制备如权利要求1或2所述的铌微合金化高强高耐候角钢的生产工艺，其特征在于，依次包括：连铸坯生产、角钢轧制、角钢矫直。
4.如权利要求3所述的铌微合金化高强高耐候角钢的生产工艺，其特征在于，在连铸坯生产步骤中，先进行铁水预处理，脱除铁水中杂质，然后依次进行转炉冶炼、LF精炼，最后进行钢坯连铸；铁水深脱硫后硫元素的质量百分比控制在0.020％以下，将钢水浇注成一定尺寸的铸坯，通过保护浇铸，电磁搅拌，改善铸坯内部质量。
5.如权利要求3所述的铌微合金化高强高耐候角钢的生产工艺，其特征在于，在角钢轧制步骤中，采用蓄热步进梁式加热炉对待轧制的连铸坯进行加热，轧制过程依次分为粗轧阶段和精轧阶段，轧制结束后进行空冷处理。
6.如权利要求5所述的铌微合金化高强高耐候角钢的生产工艺，其特征在于，对待轧制的连铸坯进行加热的温度控制在1180℃-1210℃，轧制过程的开轧温度为1050℃-1150℃，终轧温度为870-920℃。
7.如权利要求3所述的铌微合金化高强高耐候角钢的生产工艺，其特征在于，在角钢矫直步骤中，上冷床的温度控制在750-800℃，冷却时间控制在2.5h以内，50℃以下矫直。
8.如权利要求7所述的铌微合金化高强高耐候角钢的生产工艺，其特征在于，矫直机采用9辊双支撑变节距式矫直机，弯曲度控制在0.15％以内。
9.如权利要求3所述的铌微合金化高强高耐候角钢的生产工艺，其特征在于，角钢为等边热轧角钢，其规格为16#、18#或20#，总压缩比大于6。
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