CN111676425B - 一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢及其制造方法，所述桥梁钢的组分包括C、Si、Mn、P、S、Nb、Cu、Cr、N、Al以及Re，且Cu、Cr和Ni满足：Cu+Cr+Ni≤2.91，余量为Fe及不可避免的杂质元素；本发明提供的技术方案，通过高Mn高Si元素含量设计，高Mn增加钢的屈服强度和抗拉强度，高Si提高钢的疲劳强度，且通过Cu、Cr和Ni的混合添加利用，增强钢的锈层保护性能，提高钢的耐腐蚀性能，抑制局部腐蚀，且添加稀土元素Re改善钢种的疲劳性能和低温韧性，以适用于环境温度要求达到‑80℃及以上的北方极寒地区，可以确保安全使用寿命，提高使用安全性。

Description

一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢的冶炼技术领域，特别涉及一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法。

背景技术

随着国家经济建设的发展，大型桥梁向大跨度、重载荷的方向飞跃发展，钢结构桥梁的应用比例越来越大。铁路桥梁的跨度已经由128m提升到1092m，钢种的强度等级由235MPa提升到690MPa，随着桥梁跨度的提升，高性能桥梁钢的研制开发变得极为迫切。在提升强度的同时，钢结构桥梁的使用寿命和安全变得越来越重要，是设计者考虑的首要因素。钢结构桥梁在承受动载荷时，钢铁材料的耐疲劳性能至关重要；在北方极寒地区，气温会出现-60℃以下的极端天气，桥梁钢结构所使用的钢材需要在极低温度下具有良好的低温韧性；与此同时，钢铁材料在低温条件下，疲劳性能也随之下降，因此在极限低温条件下具有良好的韧性和疲劳性能的钢铁材料是业界普遍的追求。

现有技术中，有部分涉及桥梁用钢制造领域的同类技术产品，但疲劳性能相对较低，且低温韧性相对较差，还有的成本过高，不能满足极寒地区恶劣天气条件下对桥梁用钢材的特殊要求。

如有中国专利“一种高韧性Q460级高强度钢板及其制造方法”，专利申请号201911028220.4，所述化学成分及质量百分比如下：C：0.07%～0.11%，Si：0.10%～0.40%，Mn：1.20%～1.50%，P≤0.015%，S≤0.003%，Alt：0.010%～0.050%，Mo：0.08%～0.14%，Ni：0.10%～0.30%，V：0.030%～0.06%，Ti：0.006%～0.030%，Nb≤0.03%，Cr≤0.20%，Cu≤0.30%，B≤0.0008%，其余为Fe和不可避免的杂质。得到的高强钢屈服强度不低于460MPa，具有较高的-60℃低温韧性，产品综合性能良好。但其成分、工艺设计决定了其疲劳性能相对较差，另外-60℃具有低温韧性，满足不了极寒地区对低温韧性的要求，一般-70℃以下，还要考虑设计安全余量。

中国专利“一种低温韧性优异的460MPa级低焊接裂纹敏感性耐火钢及其生产方法”，专利申请号201910983370.4，所述钢材含有下述质量百分比含量的化学成分：C：0.020～0.055%，Si：0.10～0.25%，Mn：1.75～2.25%，P≤0.005%，S≤0.001%，Mo：0.12～0.24%，W：0.08～0.20%，Ni：0.15～0.32%，Nb：0.015～0 .045% ，Ti ：0.005～0.020% ，Zr：0.0020～0.0045%，Hf：0.0045～0.0075%，[ O ]：0.0035～0.0075%，[N ]：0.0020～0.0040%，其余为Fe及不可避免杂质，同时上述化学成分还必须满足：①0 .68%≤2Mo+3W≤0 .86%，②2 .01≤（2Zr+Hf）/[O]≤2 .36，③0 .15%≤C+Si/30+Mn/20+Mo/15≤0 .17%；本发明钢冶金质量优异，采用控制轧制工艺生产的产品具有高强度，高延伸率，低屈强比，低焊接裂纹敏感性，优异的低温韧性、耐火性能和抗层状撕裂性能，同时制造工序简单，生产成本低，易于大规模生产。但首先该钢是建筑用钢，承受静载荷，疲劳性能要求相对较低；其次，该钢属于耐火钢，低温韧性不是主要考虑因素，相对不足，从其合金元素添加方面即可以看出，适应不了极低温地区的恶劣气候条件。

中国专利“超宽特厚高韧性X80直缝焊管用钢及其生产方法”，专利申请号201910942478 .9，所述钢中含有，C：0.035％ ～0.055％、Si：0.12％～0.22％、Mn ：1.60％～1.75％、P≤0.010％、S≤0.0015％、Nb：0.06％～0.10％、Ti：0.008％～0.020％、Ni：0.10％～0.24％、Mo：0.15％～0.24％、Cr≤0.25％、( Ni+Mo + C r )：0.40％ ～ 0.65％、Al ：0.010％ ～0.030％、N：0.0010％～0.0040％、Ca：0.0015％～0.0045％、Ca/S≥1.8，余量为铁和不可避免的杂质。铸坯加热温度1200～1230℃，均热温度1180～1210℃；粗轧开轧温度1100～1140℃，精轧开轧温度810～840℃，开冷温度730～760℃。成品钢板厚度≥31mm、宽度≥4330mm，低温韧性良好。该发明钢种为管线钢，同样疲劳性能对其要求不高，设计上可以不予重点考虑；另外该钢采用夹杂物变性处理，低温韧性达到横向-60℃的要求，离极低温环境下的设计要求还有差距；同时该钢含有较高的Nb元素，合金含量较高，Nb元素有效利用率不高。

中国专利“一种低碳当量厚度超40mm低温高韧性X80钢级管线钢板及其制造方法”，专利申请号201910545431 .9，所述一种低碳当量厚度超40mm低温高韧性X80钢级管线钢板，化学成分按质量百分比计为C：≤0.07％ 、Mn ：1.6 - 1 .9％ ，Si ：≤0.35％，S：≤0.0006％，P：≤0.010％，Nb：0.045～0.08％、Ti：≤0.012％、V：≤0.008％，Alt：≤0.06％ ，N:≤0.0040％ ，O：≤0.004％ ，Mo：≤0.3％ ，P b≤0 .0015％ ，Zn≤0 .003％ ，Sb≤0.0015％ ，Sn≤0.0015％ ，Cu ：≤0.30％、Ni ：0 20-2.0％，Cr：0.12-0.19％，Mo+Cu+Ni+Cr≤1.8％，Ca：≤0.015％，Ceq0.35-0.41％，Pcm≤0.17％余量为Fe及不可避免的杂质元素；所述桥梁钢的厚度为40mm及以上。其制造流程如下：配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺+热矫+冷却后堆冷→成品。该申请采用合适的成分，生产40mm以上厚规格X80，并与后续特定TMCP工艺相结合，获得优异的低温韧性。同样因其使用环境条件的不同，在疲劳性能、低温韧性等方面与桥梁钢的设计有所不同，导致其疲劳性能相对较低，低温韧性设计相对不能使用极低温地区的技术要求，Nb合金元素含量高是管线钢的显著特点之一。

因此，设计研发极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢，以适应极低温地区的恶劣气候条件。

发明内容

本发明的目的是提出一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，解决现有的钢种-70℃以下极限低温下的低温韧性不足，抗疲劳型不够的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢，所述桥梁钢的化学成分重量百分比为：

C：0.034～0.084%，Si：1.20～1.90%，Mn：1.95～2.35%，P：≤0.009%，S：≤0.003%，Nb：≤0.030%，Cu：0.25～0.45%，Cr：0.55～0.75%，Ni：1.00～1.70%，Al：0.015~0.045，Re：0.02～0.05%，且Cu、Cr和Ni满足：Cu+Cr+Ni≤2.91，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

优选地，所述桥梁钢的屈服强度R_eL为420~520MPa，抗拉强度Rm为570~660MPa，屈强比≤0.84，-80℃低温冲击韧性KV₂≥220J，高循环疲劳试验条件下的10⁷次交变载荷作用下不产生断裂的疲劳强度为σ–1≥320MPa。

为实现上述目的，本发明还提出一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，包括如下生产步骤：铁水脱硫→转炉冶炼→Ar站处理→LF炉精炼→RH炉真空处理→连铸→加热轧制→冷却→回火热处理，具体地：

所述铁水脱硫步骤，确保到站铁水温度大于等于1300℃，S含量≤0.035%，加入石灰系或碳化钙系脱硫剂，KR搅拌脱硫，控制终点S≤0.005%；

所述转炉冶炼步骤，控制钢水中C：0.04~0.12%，P≤0.010%，根据合金成分要求，加入Si铁或者Mn铁脱氧剂，McFeMn (Mn:78%)：21.3 kg/t.s，FeSi（Si:73%）：10.8 kg/t.s，保证出钢脱氧良好；

所述Ar站处理步骤，冶炼过程中加入Al包芯线进行终脱氧，细化晶粒；

所述LF炉精炼步骤，控制精炼时间≥42min，通过白渣与钢水的充分反应，达到良好的脱硫效果，底吹氩气搅拌，促进钢水在钢包中循环流动，提高钢水质量，减少钢水的二次氧化，并确保夹杂物最大程度的上浮；

所述RH炉真空处理步骤，真空微合金化后，待真空度在67Bar以下时净循环18min以上，充分去除钢水中的N、H、O等气体；

所述连铸步骤，在连铸过程中加入稀土Re包芯线混合物，全程进行保护浇铸，减少因钢水二次氧化产生的夹杂物数量，控制连铸板坯厚度200~300mm；

所述加热轧制步骤，对铸坯加热，控制加热温度 1180～1250℃，加热速率8～11min/cm，板坯均热时间≥25min，确保铸坯温度均匀，促进合金元素充分固溶，采用粗轧和精轧两段轧制，控制粗轧开轧温度在1060～1160℃；控制精轧开轧温度≤930℃，终轧温度在770～830℃；

所述冷却步骤，开始冷却温度控制在730～810℃，控制冷却速度在10～25℃/秒，控制返红温度400~600℃；

所述回火热处理步骤，回火温度为（400~600）±30℃，回火时间控制12~90min，出炉后空冷。

优选地，所述转炉冶炼步骤中，在转炉随炉加入Cu、Cr和Ni合金，出钢后添加Nb铁。

优选地，所述稀土Re混合物为Ce、La、Pr中的一种或者几种。

优选地，真空微合金化后，待真空度在67Bar以下时净循环18min以上。

优选地，所述连铸步骤中，稀土Re混合物以Re包芯线形态并采取喂丝的方式加入，利用稀土元素的净化作用、细化作用及变质作用，改善钢的夹杂物特征，提高钢的韧性和疲劳性能。

所述保护浇铸采用Ar气对钢包至中间包长水口、中间包上水口、以及中间包至结晶器浸入式水口进行全程保护，且结晶器液面采用碱性保护渣覆盖，防止钢水二次氧化。

优选地，所述加热步骤中，所述板坯厚度≥200mm，控制板坯均热时间≥25min；所述板坯厚度≥250mm，控制板坯均热时间≥30min；所述板坯厚度≥300mm，控制板坯均热时间≥35min。

优选地，所述轧制步骤中，所述粗轧控制单道次压下率控制在≥17%；所述精轧控制前三道次每道次压下率≥16%，最后三道次累计压下率≥35%，控制压缩比≥4。

优选地，所述回火步骤中，回火时间根据板厚h实时调控，控制为h*（1.2~1.5）min。

本发明提供的技术方案中，通过高Mn高Si的成分设计，提高钢种的屈服强度和抗拉强度，提高钢种的抗疲劳性能，且通过转炉冶炼中加入Cu、Cr和Ni，发挥Cu、Cr和Ni的复合作用，在钢表面形成稳定致密的锈层，并增加锈层与钢基体的结合度，从而提高钢种的耐腐蚀性能；同时通过在连铸过程中加入稀土元素Re，深度降低钢中的O、S、Sn、Te、Pb等有害元素，微合金化可以改变稀土夹杂物的变形能力，尤其是对Al₂O₃夹杂物起变性作用，可改善钢种的疲劳性能和低温韧性，固溶在钢中的稀土元素富集于晶界，减少杂质元素在晶界的偏聚，强化了与晶界有关的低温脆性和疲劳性能。

采用上述组分及重量百分比含量制造的所述极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢，所述桥梁钢的厚度规格为10~60mm，所述桥梁钢的屈服强度R_eL为420~520MPa，抗拉强度R_m为570~660MPa，屈强比≤0.84，-80℃低温冲击韧性KV2≥220J，高循环疲劳试验条件下，10⁷次交变载荷作用下不产生断裂的最大应力（疲劳强度）σ–1≥320MPa。本发明采用TMCP工艺生产，通过成分设计、转炉冶炼、夹杂物控制、精炼、连铸加热、轧制、冷却和回火热处理一系列处理工艺控制，控制大压缩比，粗轧阶段高温大压下，充分破碎奥氏体晶粒，精轧阶段保证累计压下率，充分保证奥氏体变形回复时间，辅以加速冷却，叠加细化晶粒，提高钢板低温韧性，可用于对钢板强度、低温韧性、疲劳强度等均有一定要求的公路桥梁、铁路桥梁及公铁两用桥梁，适合应用在南方普遍环境及环境温度要求达到-80℃及以上的北方极寒地区，可以确保安全使用寿命，提高使用安全性。

本发明的所述极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢具有如下优点：

1）钢板工艺流程短，强度高韧性优良。屈服强度：420~520MPa，抗拉强度570~660MPa，屈强比≤0.84，低温韧性优异，-80℃KV₂≥220J，高循环疲劳试验条件下，107次交变载荷作用下不产生断裂的最大应力（疲劳强度）σ–1≥320MPa。

2）本发明钢可用于对钢板强度、低温韧性、疲劳强度等均有一定要求的公路桥梁、铁路桥梁及公铁两用桥梁，适合应用在南方普遍环境及环境温度要求达到-80℃及以上的北方极寒地区，可以确保安全使用寿命，提高使用安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法一实施例的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

下述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本文中，单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢，所述桥梁钢的化学成分重量百分比为：

C：0.034～0.084%，Si：1.20～1.90%，Mn：1.95～2.35%，P：≤0.009%，S：≤0.003%，Nb：≤0.030%，Cu：0.25～0.45%，Cr：0.55～0.75%，Ni：1.00～1.70%，Al：0.015~0.045，Re：0.02～0.05%，且Cu、Cr和Ni满足：Cu+Cr+Ni≤2.91，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明中合金元素对钢性能的影响

C是提高钢材强度性价比最高的元素。碳含量的增加，钢的抗拉强度和屈服强度随之提高，但铸坯中心偏析控制难度加大，影响钢材的延伸率和冲击韧性，焊接性能也随之下降，焊接热影响区出现淬硬现象，导致焊接冷裂纹的产生，尤其是在北方极寒地区，焊接条件恶劣。为保证钢板获得良好的综合性能，本发明钢碳元素含量设计为0.034～0.084%。

Si和Mn：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15~0.30% 的硅。如果钢中含硅量超过0.50~0.60%，硅就算合金元素。其作用仅次于磷，较锰、镍、铬、钨、钼和钒等元素强。硅能显著提高钢的疲劳强度，疲劳比（σ-1/σb，疲劳强度和拉伸强度之比，越高说明材料抗疲劳性能越好），弹性极限，屈服点和抗拉强度。硅与铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。但含硅超过3%时，将显著降低钢的塑性和韧性。本发明钢为保证钢的抗疲劳性能将Si含量控制在1.20%~1.90%范围内。Mn是重要的强韧化元素，随着Mn含量的增加，钢的强度明显增加，但Mn元素容易在钢中偏析，特别容易在中厚钢板的1/4和1/2厚度处偏析，从而造成低温韧性的强烈降低，甚至出现冲击断口分层的现象。钢中Mn/Si比偏低时，钢水在连铸时流动性降低，给连铸生产带来难度，为此本发明钢Mn含量设计较高，计为1.95~2.35%。

Si、Mn含量设计是本发明的关键特点之一。高Mn高Si元素的成分设计，高Mn增加钢的屈服强度和抗拉强度，高Si提高钢的疲劳强度。锰能细化珠光体，显著提高中碳和低碳钢的强度，锰降低相变温度Ar3 ，具有较好的细化铁素体晶粒的作用，同时扩大控轧钢的加工温度范围，增加奥氏体区总变形量，充分细化奥氏体晶粒，提高钢的强度和硬度；高Si硅能显著提高钢的疲劳强度，疲劳比。试验研究表明，在相同的应力水平下，随着Si含量的增加，钢材疲劳寿命，特别是高温疲劳寿命增加，这主要是因为Si相促进了Cu的扩散，形成了弥散的富Cu相，提高了钢材的疲劳性能，同时也提高了钢材的耐腐蚀性能。

P、S是钢中的杂质元素。P是钢中很有害的元素之一。主要溶于铁素体起强化作用。磷含量增加，钢材的强度、硬度提高，塑性和韧性显著下降。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大，从而显著加大钢材的冷脆性。S元素在钢中易于偏析和富集，是对耐腐蚀性能用害的元素，同时形成的长条状的MnS夹杂，对于钢板纵横向冲击极为有害。S元素易使钢产生热脆性，导致钢的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。本发明钢，在冶金质量方面严格控制了硫、磷含量水平，即P≤0.009%，S≤0.003%，优选的S：≤0.001%，以满足钢种对纯净度、冲击韧性、疲劳性能的要求。

Nb是强烈的碳化物和氮化物形成元素，能最大程度细化奥氏体晶粒和铁素体晶粒，轧制过程应变诱导析出，使Nbx（CN）y钉扎在位错上，使位错在较高的温度下不易合并，提高钢的强度和韧性，特别是对屈服强度的提升作用明显。本发明钢中添加适量的Nb元素，是对钢板屈服强度的适量补充。本发明将Nb元素含量控制为≤0.030%。

Cu、Cr和Ni：北方极寒地区对钢材的耐腐蚀性能有比较严格的要求。本发明钢通过混合添加Cu、Cr和Ni等合金元素，充分发挥Cu、Cr和Ni的复合作用来保证钢的耐腐蚀性能，这是本发明钢的亮点与难点之一。北方极寒地区桥梁在工作过程中经常会通过撒盐的方式来融化冰雪，氯离子对钢材的腐蚀性强烈。Cu在钢中以CuO形式在内锈层中富集，能很好的隔离腐蚀性介质，减轻氯离子对腐蚀的促进作用，并增大钢的极化电阻，导致锈层的保护性增强，从而提高了钢的耐腐蚀性能。Cr可以提高腐蚀的均匀性，抑制局部腐蚀。Ni在钢中能够使自腐蚀电位正移，并且当Ni含量超过2.5%时能够使形成的锈层稳定性和致密性提高，生成了具备保护功能的锈层，从而使氯离子难以透过锈层与钢基体接触，从而使钢得腐蚀速率得到降低，Ni可以显著提高钢在Cl离子环境中的耐蚀性，增加了锈层与基体的结合度，避免了锈层的剥落。与此同时，为保证极低温地区钢的低温韧性，将Ni含量控制1.0%以上是必要的，Ni为软化基体的合金元素降低了钢中位错运动的阻力，使得应力得以松弛，能显著提高低温韧性。基于上述分析将本发明的Cu、Cr和Ni含量分别控制为：Cu：0.25~0.45%， Cr：0.55~0.75% ，Ni：1.00~1.70%，且Cu+Cr+Ni≤2.91。

稀土元素Re：这是本发明钢的亮点与难点之一。本发明钢主要指Ce、La、Pr等稀土混合物，可以深度降低钢中的O、S、Sn、Te、Pb等有害元素；微合金化可以改变稀土夹杂物的变形能力，尤其是对Al₂O₃夹杂物起变性作用，可改善钢种的疲劳性能和低温韧性；固溶在钢中的稀土元素富集于晶界，减少杂质元素在晶界的偏聚，强化了与晶界有关的低温脆性和疲劳性能，这是本发明钢的亮点与难点之一。本发明将Ce含量控制为：0.02~0.05%。

本发明提供的技术方案中，通过高Mn高Si的成分设计，提高钢种的屈服强度和抗拉强度，提高钢种的抗疲劳性能，且通过转炉冶炼中加入Cu、Cr和Ni，发挥Cu、Cr和Ni的复合作用，在钢表面形成稳定致密的锈层，并增加锈层与钢基体的结合度，从而提高钢种的耐腐蚀性能；同时通过在连铸过程中加入稀土元素Re，深度降低钢中的O、S、Sn、Te、Pb等有害元素，微合金化可以改变稀土夹杂物的变形能力，尤其是对Al₂O₃夹杂物起变性作用，可改善钢种的疲劳性能和低温韧性，固溶在钢中的稀土元素富集于晶界，减少杂质元素在晶界的偏聚，强化了与晶界有关的低温脆性和疲劳性能。

本发明还提出一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，图1为极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法一实施例的流程示意图，包括如下生产步骤：S10铁水脱硫→S20转炉冶炼→S30Ar站处理→S40LF炉精炼→S50RH炉真空处理→S60连铸加热→S70轧制→S80冷却→S90回火热处理，具体地：

S10，所述铁水脱硫步骤，确保到站铁水温度大于等于1300℃，S含量≤0.035%，加入石灰系或碳化钙系脱硫剂，KR搅拌脱硫，控制终点S≤0.005%；

S20，所述转炉冶炼步骤，控制钢水中C：0.04~0.12%，P≤0.010%，根据合金成分要求，加入Si铁或者Mn铁脱氧剂，McFeMn (Mn:78%)：21.3 kg/t.s；FeSi（Si:73%）：10.8 kg/t.s，保证出钢脱氧良好。

进一步地，所述转炉冶炼步骤中，在转炉随炉加入Cu、Cr和Ni合金，出钢后添加Nb铁。

本发明钢通过在转炉冶炼中混合添加Cu、Cr和Ni等改善耐腐蚀性能的合金元素，充分发挥Cu、Cr和Ni的复合作用来保证钢的耐腐蚀性能，与此同时，为保证极低温地区钢的低温韧性，将Ni含量控制1.0%以上是必要的，Ni为软化基体的合金元素降低了钢中位错运动的阻力，使得应力得以松弛，能显著提高低温韧性。

S30，所述Ar站处理步骤，冶炼过程中加入Al进行终脱氧，细化晶粒。

所述LF炉精炼步骤，控制精炼时间≥42min，通过白渣与钢水的充分反应，达到良好的脱硫效果，底吹氩气搅拌，促进钢水在钢包中循环流动，提高钢水质量，减少钢水的二次氧化，并确保夹杂物最大程度的上浮。

S40，所述RH炉真空处理步骤，真空微合金化后，待真空度在67Bar以下时净循环18min以上，充分去除钢水中的N、H、O等气体。

S50，所述连铸步骤中，在连铸过程中加入稀土Re包芯线混合物，全程进行保护浇铸，减少因钢水二次氧化产生的夹杂物数量，控制连铸板坯厚度200~300mm。连铸前必须进行电磁搅拌和动态轻压下处理，缓解铸坯中心偏析。铸坯切割后必须缓冷，避开高温脆化区域，防止断坯。

进一步地，所述连铸步骤中，稀土Re混合物以Re包芯线形态并采取喂丝的方式加入，利用稀土元素的净化作用、细化作用及变质作用，改善钢的夹杂物特征，提高钢的韧性和疲劳性能。因稀土元素活性较高，为保证其收得率，充分发挥稀土元素的作用，在连铸过程中加入稀土Re包芯线混合物。

更进一步地，所述连铸步骤中，所述保护浇铸采用Ar气对钢包至中间包长水口、中间包上水口、以及中间包至结晶器浸入式水口进行全程保护，且结晶器液面采用碱性保护渣覆盖，防止钢水二次氧化。

S60，所述加热轧制步骤，对铸坯加热，控制加热温度 1180～1250℃，加热速率8～11min/cm，板坯均热时间≥25min，确保铸坯温度均匀，促进合金元素充分固溶；采用粗轧和精轧两段轧制，控制粗轧开轧温度在1060～1160℃；控制精轧开轧温度≤930℃，终轧温度在770～830℃。

进一步地，所述加热步骤中，所述板坯厚度≥200mm，控制板坯均热时间≥25min；所述板坯厚度≥250mm，控制板坯均热时间≥30min；所述板坯厚度≥300mm，控制板坯均热时间≥35min。

更进一步地，所述轧制步骤中，所述粗轧控制单道次压下率控制在≥17%；所述精轧控制前三道次每道次压下率≥16%，最后三道次累计压下率≥35%，控制压缩比≥4。

粗轧阶段确保高温大压下，促进奥氏体晶粒反复细化，提高钢板强度低温韧性；精轧阶段，避开奥氏体部分再结晶区域，在未再结晶区轧制，避免混晶。终轧温度适当降低，促进先共析铁素体析出，软相组织的出现，屈服强度得到适当控制，有利于控制屈强比。粗轧阶段高温大压下，充分破碎奥氏体晶粒，精轧阶段保证累计压下率，充分保证奥氏体变形回复时间。

控制大压缩比，压缩比较小时（＜3），钢板在轧制过程中的变形渗透及晶粒细化不充分，导致钢板韧性恶化，特别是钢板芯部的韧性恶化；压缩比越大，钢板轧制过程中变形渗透越充分，晶粒越细化，铸坯带来的偏析遗传程度会得到大幅度的改善，部分缺陷在大压缩比的情况下被轧制闭合，钢板性能均匀，残余内应力小。细化晶粒、降低钢中的残余内应力可以改善钢板的低周疲劳性能。

S70，所述冷却步骤，开始冷却温度控制在730～810℃，控制冷却速度在10～25℃/秒，控制返红温度400~600℃。在此冷却工艺下，通过细晶强化，组织相变强化，钢板的强度和韧性得到进一步的提升。TMCP工艺生产的钢板，钢中残余应力较大，另外，本发明钢返红温度处于贝氏体相变温度区间，钢板冷却后在冷床会发生组织转变产生热应力和组织应力，这部分应力叠加后，对钢板板型和后期应用加工，如切割、焊接，都会带来一定的影响，加工变形，焊接变形及冷裂纹，为充分消除钢中残余应力，需进行回火热处理。

S80，所述回火热处理步骤，回火温度为（400~600）±30℃，回火时间控制12~90min，出炉后空冷。轧后回火热处理，充分消除钢中残余应力。

进一步地，所述回火步骤中，回火时间根据板厚h实时调控，控制为h*（1.2~1.5）min。

采用上述组分及重量百分比含量制造的所述极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢，所述桥梁钢的厚度规格为10~60mm，所述桥梁钢的屈服强度ReL为420~520MPa，抗拉强度Rm为570~660MPa，屈强比≤0.84，-80℃低温冲击韧性KV2≥220J，高循环疲劳试验条件下，107次交变载荷作用下不产生断裂的最大应力（疲劳强度）σ–1≥320MPa。本发明采用TMCP工艺生产，通过成分设计、转炉冶炼、夹杂物控制、精炼、连铸加热、轧制、冷却和回火热处理一系列处理工艺控制，控制大压缩比，粗轧阶段高温大压下，充分破碎奥氏体晶粒，精轧阶段保证累计压下率，充分保证奥氏体变形回复时间，辅以加速冷却，叠加细化晶粒，提高钢板低温韧性，可用于对钢板强度、低温韧性、疲劳强度等均有一定要求的公路桥梁、铁路桥梁及公铁两用桥梁，适合应用在南方普遍环境及环境温度要求达到-80℃及以上的北方极寒地区，可以确保安全使用寿命，提高使用安全性。

以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，不用于限定本发明。

所述一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢，所述桥梁钢的化学成分重量百分比为：

C：0.034～0.084%，Si：1.20～1.90%，Mn：1.95～2.35%，P：≤0.009%，S：≤0.003%，Nb：≤0.030%，Cu：0.25～0.45%，Cr：0.55～0.75%，Ni：1.00～1.70%，Al：0.015~0.045，Re：0.02～0.05%，且Cu、Cr和Ni满足：Cu+Cr+Ni≤2.91，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，包括如下生产步骤：铁水脱硫→转炉冶炼→Ar站处理→LF炉精炼→RH炉真空处理→连铸→加热轧制→冷却→回火热处理，具体地：

S10，所述铁水脱硫步骤，确保到站铁水温度大于等于1300℃，S含量≤0.035%，加入石灰系或碳化钙系脱硫剂，KR搅拌脱硫，控制终点S≤0.005%。

S20，所述转炉冶炼步骤，控制钢水中C：0.04~0.12%，P≤0.010%，根据合金成分要求，加入Si铁或者Mn铁脱氧剂，McFeMn (Mn:78%)：21.3 kg/t.s，FeSi（Si:73%）：10.8 kg/t.s，保证出钢脱氧良好；所述转炉冶炼步骤中，在转炉随炉加入Cu、Cr和Ni合金，出钢后添加Nb铁。

S30，所述Ar站处理步骤，冶炼过程中加入Al包芯线进行终脱氧，细化晶粒；

S40，所述LF炉精炼步骤，控制精炼时间≥42min，通过白渣与钢水的充分反应，达到良好的脱硫效果，底吹氩气搅拌，促进钢水在钢包中循环流动，提高钢水质量，减少钢水的二次氧化，并确保夹杂物最大程度的上浮；

S50，所述RH炉真空处理步骤，真空微合金化后，待真空度在67Bar以下时净循环18min以上，充分去除钢水中的N、H、O等气体；

S60，所述连铸步骤，在连铸过程中加入稀土Re包芯线混合物，所述稀土Re混合物为Ce、La、Pr中的一种或者几种，稀土Re混合物以Re包芯线形态并采取喂丝的方式加入，利用稀土元素的净化作用、细化作用及变质作用，改善钢的夹杂物特征，提高钢的韧性和疲劳性能；全程进行保护浇铸，采用Ar气对钢包至中间包长水口、中间包上水口、以及中间包至结晶器浸入式水口进行全程保护，且结晶器液面采用碱性保护渣覆盖，防止钢水二次氧化，减少因钢水二次氧化产生的夹杂物数量，控制连铸板坯厚度200~300mm。

S70，所述加热轧制步骤，对铸坯加热，控制加热温度 1180～1250℃，加热速率8～11min/cm，板坯均热时间≥25min，确保铸坯温度均匀，促进合金元素充分固溶，采用粗轧和精轧两段轧制，控制粗轧开轧温度在1060～1160℃；控制精轧开轧温度≤930℃，终轧温度在770～830℃；

进一步地，所述加热步骤中，所述板坯厚度≥200mm，控制板坯均热时间≥25min；所述板坯厚度≥250mm，控制板坯均热时间≥30min；所述板坯厚度≥300mm，控制板坯均热时间≥35min；所述轧制步骤中，所述粗轧控制单道次压下率控制在≥17%；所述精轧控制前三道次每道次压下率≥16%，最后三道次累计压下率≥35%，控制压缩比≥4。

S80，所述冷却步骤，开始冷却温度控制在730～810℃，控制冷却速度在10～25℃/秒，控制返红温度400~600℃。

S90，所述回火热处理步骤，回火温度为（400~600）±30℃，回火时间控制12~90min，出炉后空冷；回火时间根据板厚h实时调控，控制为h*（1.2~1.5）min。

在实际应用中，根据钢板生产规格和批次不同，具有控制范围内的不同组分含量、具体工艺控制条件、以及对应的力学性能指标，为了更好地说明和解释本发明，表1~表3中将本发明钢种实施例的组分、工艺条件及力学性能罗列出来予以说明。

表1 本发明钢种实施例的化学组分（wt％）

表2 本发明钢种实施例的加热轧制工艺控制

表3 本发明钢种实施例与对比钢中的力学检验结果

从表1~表3中可以看出，本发明通过高Mn高Si的成分设计，提高钢种的屈服强度和抗拉强度，提高钢种的抗疲劳性能，且通过转炉冶炼中加入Cu、Cr和Ni，发挥Cu、Cr和Ni的复合作用，在钢表面形成稳定致密的锈层，并增加锈层与钢基体的结合度，从而提高钢种的耐腐蚀性能；同时通过在连铸过程中加入稀土元素Re，深度降低钢中的O、S、Sn、Te、Pb等有害元素，微合金化可以改变稀土夹杂物的变形能力，尤其是对Al2O3夹杂物起变性作用，可改善钢种的疲劳性能和低温韧性，固溶在钢中的稀土元素富集于晶界，减少杂质元素在晶界的偏聚，强化了与晶界有关的低温脆性和疲劳性能。

采用上述组分及重量百分比含量制造的所述极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢，所述桥梁钢的厚度规格为10~60mm，所述桥梁钢的屈服强度ReL为420~520MPa，抗拉强度Rm为570~660MPa，屈强比≤0.84，-80℃低温冲击韧性KV2≥220J，高循环疲劳试验条件下，107次交变载荷作用下不产生断裂的最大应力（疲劳强度）σ–1≥320MPa。本发明采用TMCP工艺生产，通过成分设计、转炉冶炼、夹杂物控制、精炼、连铸加热、轧制、冷却和回火热处理一系列处理工艺控制，控制大压缩比，粗轧阶段高温大压下，充分破碎奥氏体晶粒，精轧阶段保证累计压下率，充分保证奥氏体变形回复时间，辅以加速冷却，叠加细化晶粒，提高钢板低温韧性，可用于对钢板强度、低温韧性、疲劳强度等均有一定要求的公路桥梁、铁路桥梁及公铁两用桥梁，适合应用在南方普遍环境及环境温度要求达到-80℃及以上的北方极寒地区，可以确保安全使用寿命，提高使用安全性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，其特征在于：所述桥梁钢的化学成分重量百分比为：C：0.034～0.084%，Si：1.20～1.90%，Mn：1.95～2.35%，P：≤0.009%，S：≤0.003%，Nb：≤0.030%，Cu：0.25～0.45%，Cr：0.55～0.75%，Ni：1.00~1.70%，Al：0.015~0.045%，Re：0.02～0.05%，且Cu、Cr和Ni满足：Cu+Cr+Ni≤2.91%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；

所述的一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法：包括如下生产步骤：铁水脱硫→转炉冶炼→Ar站处理→LF炉精炼→RH炉真空处理→连铸→加热轧制→冷却→回火热处理，具体地：

所述铁水脱硫步骤，将铁水与造渣料一起进行脱硫冶炼，确保到站铁水温度大于等于1300℃，S含量≤0.035%，加入石灰系或碳化钙系脱硫剂，KR搅拌脱硫，控制终点S≤0.005%；

所述转炉冶炼步骤，控制钢水中C：0.04~0.12%，P≤0.010%，在转炉随炉加入Cu、Cr和Ni合金，出钢后添加Nb铁，根据合金成分要求，加入Si铁或者Mn铁脱氧剂，McFeMn， 其中Mn是78%：21.3 kg/t.s，FeSi，其中Si是73%：10.8 kg/t.s，保证出钢脱氧良好；

所述Ar站处理步骤，冶炼过程中加入Al包芯线进行终脱氧，细化晶粒；

所述LF炉精炼步骤，控制精炼时间≥42min，通过白渣与钢水的充分反应，达到良好的脱硫效果，底吹氩气搅拌，促进钢水在钢包中循环流动，提高钢水质量，减少钢水的二次氧化，并确保夹杂物最大程度的上浮；

所述RH炉真空处理步骤，真空微合金化后，待真空度在67 bar以下时净循环18min以上，充分去除钢水中的N、H、O气体；

所述连铸步骤，在连铸过程中加入稀土Re包芯线混合物，全程进行保护浇铸，所述保护浇铸采用Ar气对钢包至中间包长水口、中间包上水口、以及中间包至结晶器浸入式水口进行全程保护，且结晶器液面采用碱性保护渣覆盖，防止钢水二次氧化，减少因钢水二次氧化产生的夹杂物数量，控制连铸板坯厚度200~300mm；

所述加热轧制步骤，对铸坯加热，控制加热温度 1180～1250℃，加热速率8～11min/cm，板坯均热时间≥25min，确保铸坯温度均匀，促进合金元素充分固溶，采用粗轧和精轧两段轧制，控制粗轧开轧温度在1060～1160℃；控制精轧开轧温度≤930℃，终轧温度在770～830℃；

所述冷却步骤，开始冷却温度控制在730～810℃，控制冷却速度在10～25℃/秒，控制返红温度400~600℃；

所述回火热处理步骤，回火温度为（400~600）±30℃，回火时间控制12~90min，出炉后空冷。

2.根据权利要求1所述的一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，其特征在于：所述桥梁钢的屈服强度为420~520MPa，抗拉强度为570~660MPa，屈强比≤0.84，-80℃低温冲击韧性KV₂≥220J，高循环疲劳试验条件下的10⁷次交变载荷作用下不产生断裂的疲劳强度为≥320MPa。

3.根据权利要求1所述的一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，其特征在于：所述稀土Re混合物为Ce、La、Pr中的一种或者几种。

4.根据权利要求1所述的一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，其特征在于：所述连铸步骤中，稀土Re混合物以Re包芯线形态并采取喂丝的方式加入，利用稀土元素的净化作用、细化作用及变质作用，改善钢的夹杂物特征，提高钢的韧性和疲劳性能。

5.根据权利要求1所述的一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，其特征在于：所述加热步骤中，所述板坯厚度≥200mm，控制板坯均热时间≥25min。

6.根据权利要求5所述的一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，其特征在于：所述板坯厚度≥250mm，控制板坯均热时间≥30min。

7.根据权利要求6所述的一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，其特征在于：所述板坯厚度≥300mm，控制板坯均热时间≥35min.。

8.根据权利要求1所述的一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，其特征在于：所述轧制步骤中，所述粗轧控制单道次压下率控制在≥17%；所述精轧控制前三道次每道次压下率≥16%，最后三道次累计压下率≥35%，控制压缩比≥4。

9.根据权利要求1所述的一种极限低温下韧性优疲劳性强的桥梁钢的制造方法，其特征在于：所述回火步骤中，回火时间根据板厚D实时调控，控制为D*（1.2~1.5）min。

Images