CN111020397A - 焊接性能良好的高强度高韧性正火q370桥梁钢板及生产方法 - Google Patents

焊接性能良好的高强度高韧性正火q370桥梁钢板及生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种焊接性能良好的高强度高韧性正火Q370qE桥梁钢板及其生产方法,其组分比为：C：0.12~0.16%，Si：0.20~0.30%，Mn：1.40~1.50%，P：≤0.015%，S：≤0.003%，Alt：0.02~0.06%，Nb：0.03~0.04%，Ti：0.012~0.020%，Cu：0.20~0.30%，Ni：0.20~0.30%，H≤0.0002%，Ca/S：0.5~1.5，Ce：0.002~0.005%，Mg：0.001~0.003%，CEV：0.40‑0.43%。主要生产工序包括铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、板坯连铸、再加热、TMCP工艺轧制及临界温度正火处理。本发明通过控制碳当量CeV≤0.43%，以Nb\Ti微合金化，并使钢中含有适量的Ce和Mg元素，以TMCP细化原始状态组织后进行临界温度正火，可以生产厚度为35~55mm焊接性能良好、高韧性的Q370qE‑Z35桥梁钢板，其正火后力学性能好，焊接性能高，解决了现有技术中的问题。

Description

焊接性能良好的高强度高韧性正火Q370桥梁钢板及生产方法
技术领域
本发明涉及冶金工艺技术领域，具体涉及一种焊接性能良好的高强度高韧性正火Q370qE（具体为Q370qE-Z35）桥梁钢板及生产方法。
背景技术
桥梁关键结构的安全性、可靠性和耐久性，对桥梁钢向着高强度、高韧性、低屈强比、易焊接等多项指标集成的高性能化方向发展提出了明确的要求。Q370桥梁钢是目前我国在大跨度钢桥中应用最广、用量最大的桥梁钢品种，为保证钢板性能稳定性，在许多桥梁设计时，一般会要求钢板的交货状态为正火态，但是正火态的Q370qE钢板为保证焊接性能，要求化学成分碳当量CEV≤0.43%，-40℃冲击功≥120J,因此成分工艺控制区间狭窄，对于厚度30mm以上的偏厚规格钢板，极易出现正火后强度、韧性不足问题。而在焊接方面，为保障构件安全性，必须以严格的焊接规范进行施工，焊接线能量一般限定在32KJ/cm以下、层间温度也要严格控制波动范围，否则不能保障焊缝区的性能质量。这一方面使厚钢板焊接时效率低下、导致工期延长，另一方面由于实际工况条件非常复杂，过于狭窄严苛的焊接工艺规范客观上也难以保障充分落实，因此结构件焊缝区的性能可靠性会存在不足。
申请号：201610203596.4，名称为：一种桥梁用正火Q370qE钢板的生产方法的专利申请中公开了一种桥梁用正火Q370qE钢板的生产方法，其化学成分重量百分比：C 0.130～0.174％，Si 0.15～0.25％，Mn 1.5～1.65％，P≤0.018％，S≤0.005％，V 0.035～0.055％，Nb 0.01～0.03％，Ti 0.005～0.015％，Als0.015～0.045％，N≤0.012％，CEV0.40～0.43。板坯加热温度≤1250℃，开轧温度≥1000℃，一阶段终轧温度、二阶段开轧温度及二阶段累计压下率根据板坯宽度和厚度对应选取。轧后热处理正火温度880±10℃，在炉总时间1～2min/mm，升温速率1min/mm，正火后空冷。该专利化学成分中加入了大量的V合金元素，V是析出强化元素，V的加入将导致钢板在焊接时热影响区组织内部发生大量的V（N、C）第二相粒子析出，使热影响区的冲击韧性急剧降低，即便执行严格的焊接工艺规范，焊缝区的低温冲击韧性也不会高。同时，该专利对实际焊接施工的操作波动没有提出对策，也未提及该专利下产品的焊接性能。
申请号：201810382934.4，名称为：一种屈服强度370MPa及以下钢级的正火型低屈强比桥梁钢板及其制造方法的专利申请中，公开了一种屈服强度370MPa及以下钢级的正火型低屈强比桥梁钢板及其制造方法，该钢板的化学成分按质量百分比计包括C：0.08％～0.18％，Si：0.05％～0.45％，Mn：1.30％～1.60％，P≤0.010％，S≤0.002％，Ni：0.03％～0.30％，Cr:0.03％～0.30％，Cu:0.03％～0.30％，Nb：0.005％～0.060％，Alt：≥0.020％，Ti：0.006％～0.030％，V:0.002％～0.080％，Ca：0.0010％～0.0030％，N：0.0020％～0.0080％，厚度≤50mm时，CEV≤0.43，厚度＞50mm时，CEV≤0.45，余量为Fe和不可避免的杂质，钢板全断面为正常的铁素体珠光体组织。其实施实例1：本实施例的钢种牌号Q370qE，钢板厚度30mm；实施实例2：本实施例的钢种牌号Q370qE，钢板厚度100mm。该专利化学成分范围设计过于宽泛，如碳当量值仅限定了上限值，而对于正火Q370qE钢板，为保证正火后满足屈服强度≥370Mpa和抗拉强度≥510Mpa的要求，根据本领域技术常识，必须对碳当量的下限值做出明确设计要求，而根据该专利化学成分范围的下限值计算，其碳当量CEV最低值为0.31%，根据热处理钢板生产经验不难得出结论：如此低的碳当量设计肯定无法满足正火Q370qE的性能要求，且该专利的实施实例中仅列举了30mm和100mm厚度钢板的具体成分设计和碳当量值，根据本技术领域常识，对于厚度30mm以上的正火钢板，尤其到50mm，同时满足碳当量≤0.43%且力学性能满足Q370qE的强度和韧性要求，生产技术难度将急剧增加，对化学成分的设计要求更加严格。因此，该专利化学成分设计过于宽泛，实施实例中仅列举了CEV≤0.43%时厚度30mm钢板和CEV≤0.45%时厚度100mm钢板的Q370qE成分设计，但对于生产技术难度更大的CEV≤0.43%时厚度为35～55mm的偏厚规格钢板未明确具体化学成分设计，可实施性差，导致本领域技术人员无法根据该发明专利进行精准控制钢板成分设计，无法得到力学性能稳定的正火Q370qE钢板。另外，该专利化学成分中含有V元素，最高含量达到了0.080%，如此大量的V合金加入将导致钢板在焊接时组织内部发生大量的V（N、C）第二相粒子析出，极易恶化焊接热影响区的冲击韧性，使焊接性能不稳定。同时，该专利对实际焊接施工的操作波动没有提出对策，也未提及该专利下产品的焊接性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种焊接性能良好的高强度高韧性正火Q370qE-Z35桥梁钢板及其生产方法，以解决厚规格正火Q370qE钢板强度或韧性不足问题，同时针对实际焊接施工操作波动可能导致的焊接接头性能不稳定问题，从钢板本身的设计采取措施，控制较低含量的C、Mn元素，采用Ca处理技术，加入0.20~0.30%的Cu和0.20~0.30%的Ni合金元素，控制钢具有较低的C\Mn偏析和淬硬性倾向的同时，通过采用TMCP轧制工艺和临界温度正火处理，来保证正火Q370qE-Z35钢板的各项力学性能满足屈服强度≥380MPa，抗拉强度≥520MPa，-40℃纵向KV2≥180J，Z向≥35%的要求；同时通过控制钢中微合金元素含量，并对钢进行特殊的微合金化处理，防止热影响区出现对性能不利的沉淀相并抑制焊接过热区奥氏体过度粗化和促进降温相变后的组织细化，以提高材料在焊接热输入波动时的热影响区性能质量稳定性。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种焊接性能良好的高强度高韧性正火Q370qE桥梁钢板,其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计包括：C：0.12~0.16%，Si：0.20~0.30%，Mn：1.40~1.50%，P：≤0.015%，S：≤0.003%，Alt：0.02~0.06%，Nb：0.03~0.04%，Ti：0.012~0.020%，Cu：0.20~0.30%，Ni：0.20~0.30%，H≤0.0002%，Ca/S：0.5~1.5，Ce：0.002~0.005%，Mg：0.001~0.003%，CEV：0.40~0.43%，余量为Fe和不可避免杂质元素。
本发明还公开了上述桥梁钢板的生产方法,包括转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、连铸、轧制、水冷及正火处理工序；其特征在于：
在LF精炼处理后，控制自由氧在5~15PPm时，向钢中同时配入Ce元素和Mg元素，然后进行Ti微合金化，Ca处理在Ti微合金化之后；上述成分的245~350mm厚度铸坯加热到1200~1250℃，控制均热时间0.15~0.20min/mm，通过高压水除鳞箱除鳞后采用TMCP工艺轧制，第一阶段在980℃以上轧制开坯，中间坯厚度不低于1.7倍成品厚度，控制第二阶段终轧温度为780-830℃；轧后快速入水冷却，冷却速度≥6℃/s，控制返红温度600-700℃；待钢板经过冷床冷却至室温后，再进行临界温度正火热处理，正火温度为Ac3+5~15℃，升温速率为1℃/min·mm，正火保温时间为（0.5~1.0）×钢板成品厚度min/mm，出炉后在空气中自然冷却至室温，生产的钢板成品厚度为35~55mm；
其中：所述Ac3由如下公式计算得出：Ac3=910-203×C1/2+44.7×Si-15.2×Ni+31.5×Mo+104×V。
本发明的优点是：
（1）本发明生产厚度为35~55mm的正火Q370qE-Z35钢板，可满足在CEV≤0.43%的低碳当量情况下，钢板可保证屈服强度≥380Mpa，抗拉强度≥520Mpa，伸长率≥20%，Z向≥35%，-40℃KV2≥150J，力学性能稳定；
（2）本发明生产厚度为35~55mm的正火Q370qE-Z35钢板，具有良好的焊接性能，可保证在≤50KJ/cm的焊接热输入下焊接过热区-40℃KV2达到80J以上，焊接热输入高于正常工程要求的≤32KJ/cm，有利于施工人员在工况条件下开展焊接工作，同时可保证焊缝过热区的-40℃KV2达到80J以上，高于标准要求的41J；
（3）本发明采用的化学成分设计原理是：C、Mn元素起到固溶强化作用，其中控制Mn低于1.50%有益于降低其在连铸过程中的偏析；加入适量的Nb、Ti元素起到细晶强化作用；加入0.20~0.30%的Cu和0.20~0.30%的Ni替代易诱发焊接接头过热区组织恶化的Cr、Mo、V等元素；同时，控制CEV≤0.43%，使其具有较低的焊接裂纹敏感性；采用Ca处理技术，控制Ca/S满足0.5~1.5范围，使MnS夹杂物得到球化，提高钢板的低温冲击韧性；加入适量的Ce、Mg元素，使钢中预先形成细小弥散的TiOX\CeOX\MgO等氧化物质点，其中Mg和Ce的氧化物均有利于抑制TiOx的聚集，但Mg的氧化物在钢中不能达到高的含量值，因而用微量的Ce来补充，利用这些预置于钢中的细小弥散的纳米级难溶质点抑制过热区再热奥氏体长大并促进晶内生成多位向发育针状铁素体，有利于在焊接接头过热区获得细小晶粒组织，从而提高焊接热影响区的低温冲击韧性。
具体实施方式
本发明公开了一种焊接性能良好的高强度高韧性正火Q370qE桥梁钢板,该钢板的化学成分按质量百分比计包括：
C：0.12~0.16%，Si：0.20~0.30%，Mn：1.40~1.50%，P：≤0.015%，S：≤0.003%，Alt：0.02~0.06%，Nb：0.03~0.04%，Ti：0.012~0.020%，Cu：0.20~0.30%，Ni：0.20~0.30%，H≤0.0002%，Ca/S：0.5~1.5，Ce：0.002~0.005%，Mg：0.001~0.003%，CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15的范围为：0.40~0.43%，余量为Fe和不可避免杂质元素。
本发明还公开了上述焊接性能良好的高强度高韧性正火Q370qE-Z35桥梁钢板的生产方法，包括以下步骤：
（1）钢水冶炼及板坯浇铸：在冶炼过程中，严格控制各元素含量及碳当量符合成分控制要求；冶炼工艺路线：铁水预处理—转炉冶炼—LF炉精炼—RH炉精炼；浇铸过程做好保护浇铸，严格控制坯料的内外部质量，坯料厚度245~350mm；
（2）其中在对钢实施LF精炼处理后，控制自由氧在5~15PPm时，向钢中同时配入Ce元素和Mg元素，然后进行Ti微合金化，Ca处理在Ti微合金化之后；
（3）坯料加热：均热温度1200~1250℃，控制均热时间0.15~0.20min/mm，即根据坯料厚度决定，每单位厚度（mm）加热时间0.15~0.20min；
（4）通过高压水除鳞箱除鳞后采用两阶段轧制法进行轧制，第一阶段在980℃以上轧制开坯，中间坯厚度不低于1.7倍成品厚度；
（5）第二阶段在不高于930℃的温度下进行轧制，单道次压缩变形比按≥10%控制，第二阶段终轧温度为780~830℃；
钢板轧制后快速入水冷却，冷却速度≥6℃/s，返红温度600~700℃；
（6）钢板水冷结束后,空冷至室温，再进入热处理炉中进行正火热处理，正火温度为Ac3+5~15℃，Ac3由经验公式Ac3=910-203×C1/2+44.7×Si-15.2×Ni+31.5×Mo+104×V计算得出，升温速率为1℃/min·mm，即每单位厚度（mm）钢板在单位时间（min）内升温1℃，钢板越厚，升温越快。正火保温时间为（0.5~1.0）×成品钢板厚度min/mm，即根据成品钢板厚度决定，每单位厚度（mm）正火保温时间0.15~0.20min，出炉后在空气中自然冷却至室温。
下面通过具体实施例对本发明技术方案做进一步说明。
实施例1
轧制钢板成品厚度为35mm正火态Q370qE-Z35钢板，其化学成分（wt%）如下：C：0.14%，Si：0.27%，Mn：1.50%，P：0.010%，S：0.002%，Alt：0.026%，Nb：0.032%，Ti：0.012%，Cu：0.28%，Ni：0.26%，H：0.0015%，Ca/S：0.6，Ce：0.003%，Mg：0.0013%，CEV：0.43%，余量为Fe和不可避免杂质元素，其生产工艺包含转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、连铸、轧制、水冷及正火处理工序。钢水冶炼浇铸连铸坯厚度为245mm，钢坯进入蓄热式加热炉再加热到1232℃，在均热段保温时间为40min，进入粗轧机开轧温度为1055℃，经展宽及纵向轧制，中间坯厚度为100mm，粗轧终轧温度为980℃，进入精轧机开轧温度为840℃，有效变形道次为6道，单道次压缩变形比为10~20%，精轧终轧温度为820℃，轧制结束后立即入水冷却，开冷温度为785℃，冷却速度8℃/s，返红温度为650℃，钢板经矫直后冷却至室温。随后钢板进入热处理炉中进行正火处理，正火温度为850℃，保温时间为25min，出炉后在空气中自然冷却至室温。此成分及工艺下，钢板综合力学性能及焊接后热影响区性能见下表1所示。
实施例2
轧制钢板成品厚度为40mm正火态Q370qE-Z35钢板，其化学成分（wt%）如下：C：0.13%，Si：0.23%，Mn：1.42%，P：0.006%，S：0.002%，Alt：0.030%，Nb：0.033%，Ti：0.015%，Cu：0.27%，Ni：0.26%，H：0.0010%，Ca/S：0.6，Ce：0.0039%，Mg：0.0022%，CEV：0.41%，余量为Fe和不可避免杂质元素，其生产工艺包含转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、连铸、轧制、水冷及正火处理工序。钢水冶炼浇铸连铸坯厚度为350mm，钢坯进入蓄热式加热炉再加热到1230℃，在均热段保温时间为60min，进入粗轧机开轧温度为1040℃，经展宽及纵向轧制，中间坯厚度为100mm，粗轧终轧温度为982℃，进入精轧机开轧温度为834℃，有效变形道次为6道，单道次压缩变形比为10~20%，精轧终轧温度为810℃，轧制结束后立即入水冷却，开冷温度为795℃，冷却速度10℃/s，返红温度为640℃，钢板经矫直后冷却至室温。随后钢板进入热处理炉中进行正火处理，正火温度为850℃，保温时间为30min，出炉后在空气中自然冷却至室温。此成分及工艺下，钢板综合力学性能及焊接后热影响区性能见下表1所示。
实施例3
轧制钢板成品厚度为54mm正火态Q370qE-Z35钢板，其化学成分（wt%）如下：C：0.13%，Si：0.24%，Mn：1.46%，P：0.008%，S：0.002%，Alt：0.027%，Nb：0.034%，Ti：0.016%，Cu：0.26%，Ni：0.26%，H：0.0020%，Ca/S：0.5，Ce：0.0041%，Mg：0.0019%，CEV：0.42%，余量为Fe和不可避免杂质元素，其生产工艺包含转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、连铸、轧制、水冷及正火处理工序。钢水冶炼浇铸连铸坯厚度为345mm，钢坯进入蓄热式加热炉再加热到1230℃，在均热段保温时间为65min，进入粗轧机开轧温度为1050℃，经展宽及纵向轧制，中间坯厚度为95mm，粗轧终轧温度为985℃，进入精轧机开轧温度为816℃，有效变形道次为6道，单道次压缩变形比为10~20%，精轧终轧温度为790℃，轧制结束后立即入水冷却，开冷温度为782℃，冷却速度6℃/s，返红温度为610℃，钢板经矫直后冷却至室温。随后钢板进入热处理炉中进行正火处理，正火温度为850℃，保温时间为30min，出炉后在空气中自然冷却至室温。此成分及工艺下，钢板综合力学性能及焊接后热影响区性能见下表1所示。
表1 钢板综合力学性能及焊接后热影响区性能
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本发明所述的钢板成分中：C、Mn元素起到固溶强化作用，其中控制Mn低于1.50%有益于降低其在连铸过程中的偏析；加入适量的Nb、Ti元素起到细晶强化作用；加入0.20~0.30%的Cu和0.20~0.30%的Ni替代易诱发焊接接头过热区组织恶化的Cr、Mo、V等元素；同时，控制CEV≤0.43%，使其具有较低的焊接裂纹敏感性；采用Ca处理技术，控制Ca/S满足0.5~1.5范围，使MnS夹杂物得到球化，提高钢板的低温冲击韧性；加入适量的Ce、Mg元素，使钢中预先形成细小弥散的TiOX\CeOX\MgO等氧化物质点，其中Mg和Ce的氧化物均有利于抑制TiOx的聚集，但Mg的氧化物在钢中不能达到高的含量值，因而用微量的Ce来补充，利用这些预置于钢中的细小弥散的纳米级难溶质点抑制过热区再热奥氏体长大并促进晶内生成多位向发育针状铁素体，有利于在焊接接头过热区获得细小晶粒组织，从而提高焊接热影响区的低温冲击韧性。
本发明生产厚度为35~55mm的正火Q370qE-Z35钢板，可满足在CEV≤0.43%的低碳当量情况下，钢板可保证屈服强度≥380Mpa，抗拉强度≥520Mpa，伸长率≥20%，Z向≥35%，-40℃KV2≥150J，力学性能稳定；此外，本发明生产厚度为35~55mm的正火Q370qE-Z35钢板，具有良好的焊接性能，可保证在≤50KJ/cm的焊接热输入下焊接过热区-40℃KV2达到80J以上，焊接热输入高于正常工程要求的≤32KJ/cm，有利于施工人员在工况条件下开展焊接工作，同时可保证焊缝过热区的-40℃KV2达到80J以上，高于标准要求的41J。
以上实施例仅是对本发明的详细说明，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

Claims (2)

1.一种焊接性能良好的高强度高韧性正火Q370qE桥梁钢板,其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计包括：C：0.12~0.16%，Si：0.20~0.30%，Mn：1.40~1.50%，P：≤0.015%，S：≤0.003%，Alt：0.02~0.06%，Nb：0.03~0.04%，Ti：0.012~0.020%，Cu：0.20~0.30%，Ni：0.20~0.30%，H≤0.0002%，Ca/S：0.5~1.5，Ce：0.002~0.005%，Mg：0.001~0.003%，CEV：0.40~0.43%，余量为Fe和不可避免杂质元素。
2.如权利要求1所述的桥梁钢板的生产方法,包括转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、连铸、轧制、水冷及正火处理工序；其特征在于：
在LF精炼处理后，控制自由氧在5~15PPm时，向钢中同时配入Ce元素和Mg元素，然后进行Ti微合金化，Ca处理在Ti微合金化之后；上述成分的245~350mm厚度铸坯加热到1200~1250℃，控制均热时间0.15~0.20min/mm，通过高压水除鳞箱除鳞后采用TMCP工艺轧制，第一阶段在980℃以上轧制开坯，中间坯厚度不低于1.7倍成品厚度，控制第二阶段终轧温度为780-830℃；轧后快速入水冷却，冷却速度≥6℃/s，控制返红温度600-700℃；待钢板经过冷床冷却至室温后，再进行临界温度正火热处理，正火温度为Ac3+5~15℃，升温速率为1℃/min·mm，正火保温时间为（0.5~1.0）×钢板成品厚度min/mm，出炉后在空气中自然冷却至室温，生产的钢板成品厚度为35~55mm；
其中：所述Ac3由如下公式计算得出：Ac3=910-203×C1/2+44.7×Si-15.2×Ni+31.5×Mo+104×V。
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