CN112176259A - 一种550Mpa级高强耐候钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种550Mpa级高强耐候钢，所述钢带化学成分组成及质量百分含量为：C：0.06‑0.09%，Si:0.20‑0.30%，Mn：1.41‑1.60%，P≤0.018%，S≤0.002%，Als：0.015‑0.050%，Nb：0.020‑0.040%，Cu：0.30‑0.40，Cr：0.30‑0.50，Ni：0.21‑0.25，Ti：0.05‑0.07%；余量为Fe和不可避免的杂质；生产方法包括炼钢‑轧制‑冷却‑卷取‑缓冷工序，通过周浸实验精确设计耐腐蚀元素含量，进而确定熔炼成分。加热炉工序中，加热温度1200±30℃，加热时间≥150min，通过设定粗轧压下参数、精轧前进行边部加热器升温、关闭精轧过程F1‑F4辊缝喷淋水、下线缓冷库缓慢冷却等措施；生产的耐候钢寿命可达80年以上，产品性能稳定、卷形良好。

Description

一种550Mpa级高强耐候钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及钢铁生产技术领域，特别涉及一种550Mpa级高强耐候钢及其生产方法。

背景技术

高强耐候钢是指屈服强度≥450Mpa的耐候钢，开发生产高强耐候钢，主要是满足新一代集装箱、铁路货运车厢、高速列车车厢、通讯及输电塔架、桥梁及重载设备汽车制造业用钢的更新换代需求，实现提高强度、减轻自重、节能降耗的安全和环保要求。

为保证钢材的耐候性，传统方法主要是在钢中加入一定的合金元素，有Cu、P、Cr、Ni等，钢中各合金元素之间发生相互作用，在表面生成以α-FeOOH为主要成分的致密锈层。致密锈层热力学稳定，不参与钢电化学腐蚀的阴极还原过程，锈层内铜、铬等元素的富集使锈层具有离子选择性透过特性，从而显著提高耐候钢的耐大气腐蚀性能。但是，由于P含量高，会降低钢的焊接性能和低温韧性，不能满足铁路货运高速、重载、安全的要求，而不同钢厂对耐候钢成分设计的Cu、P、Cr、Ni加入量不同，导致耐候钢的腐蚀程度和使用寿命不尽相同。

发明内容

本发明提供一种550Mpa级高强耐候钢及其生产方法，生产的耐候钢寿命可达80年以上，解决背景技术缺陷。

本发明采取的技术方案是：

一种550Mpa级高强耐候钢，其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.06-0.09%，Si:0.20-0.30%，Mn：1.41-1.60%，P≤0.018%，S≤0.002%，Als：0.015-0.050%，Nb：0.020-0.040%，Cu：0.30-0.40，Cr：0.30-0.50，Ni：0.21-0.25，Ti：0.05-0.07%；余量为Fe和不可避免的杂质。

一种550Mpa级高强耐候钢的生产方法，包括转炉冶炼-LF精炼-RH精炼-连铸-加热-轧制-冷却-卷取-缓冷工序；所述加热工序，为保证高强耐候钢的性能稳定性，考虑奥氏体晶粒尺寸和合金元素的回溶，加热温度设定在1200±30℃，加热时间≥150min。

上述的一种550Mpa级高强耐候钢的生产方法，所述轧制工序，粗轧开轧温度在990-1090℃，粗轧最后3道次轧制温度控制在该区间内，为使高强耐候钢发生奥氏体再结晶，粗轧最后3道次压下率设定≥20%，且粗轧最后1道次有效压下≥26%，粗轧累计压下要求控制在72-74%；精轧前投用边部加热器，加热功率3500-3600KW，对中间坯边部进行温度补偿，补偿温度65-70℃，精轧开轧温度设定在940-990℃，精轧采用降低冷却强度的方式，即精轧7机架关闭F1-F4机架辊缝喷淋水，F5-F7正常开启，改善板形，终轧温度控制在830-880℃。

上述的一种550Mpa级高强耐候钢的生产方法，所述冷却工序，层流冷却速度控制在25-40℃/s；卷取工序，结合强度要求卷取温度设定为460±30℃；轧制完成后钢卷放入缓冷库进行集中缓冷，缓冷开始温度380-415℃。

上述的一种550Mpa级高强耐候钢的生产方法，所述连铸板坯厚度230-240mm，中间坯厚度55-60mm。

上述的一种550Mpa级高强耐候钢的生产方法，所述耐候钢成品钢带厚度区间为3-15mm。

从本质上讲，耐候钢的腐蚀机理与普通低碳钢相同。耐候钢之所以具有较好的耐蚀性，是由于其形成的锈层更为致密，能够附着于基体表面，阻止空气中氧气、水分和有害离子的进入，起到很好的保护作用。而对于普碳钢，其锈层较为疏松，容易脱落，不能对基体起到很好的保护作用，因而锈蚀情况更为严重。

本发明参照国家耐候结构钢标准GB/T 4171-2008，以周浸实验数据为依据，对550Mpa级高强钢进行合理成分设计。选取试验材料为Q235B碳钢以及四种满足国家标准要求的不同成分耐候钢中试试样，进行周浸腐蚀实验：实验参照国家标准GB/T 19746-2005《金属和合金的腐蚀盐溶液周浸试验》。将试验金属材料每种成分加工5组样品，成分符合国家耐候结构钢标准GB/T 4171-2008，分别对应24h、120h、240h、360h、720h五个周浸周期，试验前进行样品称重记为G₀；周浸实验模拟的环境为我国北京城市大气环境，不同周浸的样品取回后，除锈后称重质量记为G₁；通过失重率计算公示对失重进行计算：

公式1

公式1中，W为单位面积的腐蚀失重也称失重率，单位：g/cm²；

G₀为试样原始重量，单位：g；

G₁为试样试验后重量，单位：g；

a、b、c分别为试样长度、宽度、厚度，单位：cm。

通过对每个试验钢种的五个实验周期的失重率数据进行分析，失重率与时间的关系符合幂指数规则，见公式2, 同时年平均腐蚀速率符合公式3。

公式2

公式3

公式2中，W是单位面积的腐蚀失重也称失重率, 单位：g/cm²；

T是试验时间，单位：小时；

A为常数，通过周浸实验数据拟合得出；

n是常数，常作为腐蚀速率或锈层保护性参考，通常取值小于1。

公式3中，V为年平均腐蚀速率，单位：μm/a；

为钢的密度，取

=7.8g/cm³；

t为腐蚀时间，单位：a（年）；

Q235B及四种实验钢每组实验的5个周浸数据进行拟合，得出四种实验钢的周浸腐蚀试验失重率动力学方程具体参数：Q235B：W=0.00667×T^0.457；中试1号：W₁=0.00481×T^0.407；中试2号：W₂=0.00360×T^0.395；中试3号：W₃=0.00228×T^0.391；中试4号：W₄=0.00224×T^0.388 。通过动力学方程和公式3计算得出20年的年平均腐蚀速率，根据低合金钢的均匀腐蚀10级别标准（见《中国材料与试验团体标准》第8部分）推算出Q235B为第3级别，很耐蚀，中试3样品为完全耐蚀，其耐腐蚀元素含量质量百分比为：P≤0.018wt%，Cu：0.30wt%-0.40wt%，Cr：0.30wt%-0.50wt%，Ni：0.21wt%-0.25wt%。

本发明通过图1热模拟实验测出的高温应力应变曲线，设定奥氏体再结晶区轧制、未再结晶区温度制度和变形工艺。粗轧开轧温度设定在990-1090℃，粗轧最后3道次轧制温度控制在该区间内，为使高强耐候钢发生奥氏体再结晶，粗轧最后3道次压下率设定≥20%，且粗轧最后1道次有效压下≥26%，粗轧累计压下要求控制在72-74%，保证得到细小的奥氏体晶粒，根据板坯厚度230-240mm，结合压下情况，要求生产时中间坯厚度为55-60mm。结合图1高温应力应变曲线分析，奥氏体未再结晶区温度为920-930℃，精轧阶段尽量控制在奥氏体未再结晶区，要低于990℃，考虑到轧机轧制力的能力，精轧开轧温度设定在940-990℃之间。同样为使精轧过程避开奥氏体+铁素体的双相区轧制，结合铁碳相图和图2奥氏体连续冷却转变曲线分析，双相区开始温度770-800℃，为了避开双相区轧制，终轧温度控制在830-880℃；冷却段，为了保证低温韧性，需要得到细小弥散的组织，同时也要避免生成魏氏体组织，故对层流冷却的冷却速度有较严的要求，生产控制在25-40℃/s，并结合强度要求，将卷取温度设定为460±30℃。

本发明采用24h、120h、240h、360h、720h五个试验周期进行周浸试验，并对实验数据进行拟合，进而推算出20年后的耐腐蚀情况，并且耐腐蚀等级最高。而现有技术中，例如申请号202010116991.5的中国专利“一种高强度耐候钢及其生产方法”，其中所设计成分对应失重率只体现的是单个实验周期的失重效果；“屈服强度550Mpa级节镍型高强耐候钢及其生产方法（申请号201910823463.0）”，其成分设计没有周浸实验的理论依据做指导，且没有采用Ti强化，以高成本的V强化，成本较高，不利于批量化工业生产。

另外，本发明精轧前采用边部加热器，精轧过程中采用柔性冷却模式，即：精轧7机架关闭F1-F4机架辊缝喷淋水，F5-F7正常开启，卷取结束后增加缓冷工序，这都大大保证了钢卷的板形、卷形，而高强度钢板形控制是难点，受用户使用加工设备限制，钢厂良好板形卷形控制将取得更大的市场占有率和客户认可度。

本发明创新主要体现在：1、通过周浸实验，参照国家标准GB/T 4171-2008，精确设计出高强耐候钢耐腐蚀元素添加量：P≤0.018wt%，Cu：0.30wt%-0.40wt%，Cr：0.30wt%-0.50wt%，Ni：0.21wt%-0.25wt%；2、通过添加0.05wt%-0.07wt%的Ti，进行Ti析出强化替代Mn、Nb强化，大大降低生产成本；3、精轧前投用边部加热器，加热功率3500-3600KW，对中间坯边部进行温度补偿，精轧过程采用降低冷却强度的方式，精轧7机架关闭F1-F4机架辊缝喷淋水，F5-F7正常开启，改善轧制过程板形。4、设立专用缓冷库，用于下线集中缓冷，使高强耐候钢应力释放，达到良好的板形卷形；5、通过高温应力应变曲线和奥氏体连续冷却曲线确定轧制和冷却工艺参数。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、通过周浸实验科学精确设定高强耐候钢的耐腐蚀元素的添加量，使耐候钢寿命达到80年以上；

2、通过以Ti代Mn/Nb，使吨钢成本降低50元/吨；

3、通过高温应力应变曲线和奥氏体连续冷却曲线确定轧制和冷却工艺参数，得到晶粒度为11-12级别的铁素体＋珠光体组织，性能符合标准GB/T 4171-2008要求；

4、精轧前投用边部加热器，加热功率3500-3600KW，对中间坯边部进行温度补偿，补偿温度65-70℃，精轧过程采用降低轧制过程冷却强度的方式，精轧7机架关闭F1-F4机架辊缝喷淋水，F5-F7正常开启，改善轧制过程板形。

5、缓冷库的使用，高强耐候钢下线集中缓冷，使得应力释放，成品卷形良好。

附图说明

图1 高强耐候钢的高温应力应变曲线；

图2 高强耐候钢的奥氏体连续冷却曲线；

图3 实施例1的金相组织。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1-9

对3mm、10mm、15mm厚度高强耐候钢按设计的成分、工艺进行生产，2台粗轧机进行3+5道次粗轧，7台精轧机，精轧前边部加热器采用达涅利生产的U型传统感应边部加热器，加热功率为3500-3600KW；表1为三个厚度规格高强耐候钢的成分配比；表2为三个厚度规格高强耐候钢生产工艺参数；表3为各实施例的具体性能；

表1 3mm、10mm、15mm厚度高强耐候钢成分（wt%）

表2 3mm、10mm、15mm厚度高强耐候钢工艺参数

表3 3mm、10mm、15mm厚度高强耐候钢性能

表3显示，对以上三个厚度规格9个实施例按照设定成分工艺生产后，高强耐候钢的各项性能检验，都符合标准GB/T 4171-2008要求。应用本发明生产的高强耐候钢其耐腐蚀级别为最高级别完全耐腐蚀，钢材使用寿命在80年以上，同时高强耐候钢Ti强化的创新使生产成本降低，金相为晶粒细小、均匀的铁素体＋珠光体组织，通过轧制工序的各项发明控制，板形、卷形良好。实现高强耐候钢低成本、寿命最优、综合性能良好。

以上实施例仅用以说明，而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种550Mpa级高强耐候钢，其特征在于：其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.06-0.09%，Si:0.20-0.30%，Mn：1.41-1.60%，P≤0.018%，S≤0.002%，Als：0.015-0.050%，Nb：0.020-0.040%，Cu：0.30-0.40%，Cr：0.30-0.50%，Ni：0.21-0.25%，Ti：0.05-0.07%；余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种550Mpa级高强耐候钢的生产方法，包括转炉冶炼-LF精炼-RH精炼-连铸-加热-轧制-冷却-卷取-缓冷工序；其特征在于：所述加热工序，加热温度1200±30℃，加热时间≥150min。

3.如权利要求2所述的一种550Mpa级高强耐候钢的生产方法，其特征在于：所述轧制工序，粗轧开轧温度在990-1090℃，粗轧最后3道次轧制温度控制在该区间内，粗轧最后3道次压下率设定≥20%，且粗轧最后1道次有效压下≥26%，粗轧累计压下要求控制在72-74%；精轧前投用边部加热器，对中间坯边部进行温度补偿，精轧开轧温度设定在940-990℃，精轧关闭F1-F4机架辊缝喷淋水，F5-F7正常开启，终轧温度控制在830-880℃。

4.如权利要求2所述的一种550Mpa级高强耐候钢的生产方法，其特征在于：所述冷却工序，层流冷却速度控制在25-40℃/s；卷取工序，卷取温度设定为460±30℃；轧制完成后钢卷放入缓冷库进行集中缓冷，缓冷开始温度380-415℃。

5.如权利要求3所述的一种550Mpa级高强耐候钢的生产方法，其特征在于：所述精轧前投用的边部加热器加热功率3500-3600KW，对中间坯边部的补偿温度为65-70℃。

6.如权利要求2所述的一种550Mpa级高强耐候钢的生产方法，其特征在于：所述连铸板坯厚度230-240mm，中间坯厚度55-60mm。

7.如权利要求1所述的一种550Mpa级高强耐候钢，其特征在于：所述耐候钢成品钢带厚度区间为3-15mm。

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