CN112458360A - 一种具有低残余应力的桥梁u肋用热连轧板的生产方法 - Google Patents

一种具有低残余应力的桥梁u肋用热连轧板的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及热连轧板的生产工艺领域，尤其涉及一种具有低残余应力的桥梁U肋用热连轧板的生产方法。包括步骤：1)冶炼；2)铸坯加热；3)粗轧；4)精轧；5)冷却；6)卷取；7)缓冷；8)平整；9)热连轧卷开平横切工序；10)热处理：将每捆钢卷逐包装入连续式热出炉进行消应力热处理；(11)纵向分切。采用本发明的方案得到的345～370MPa级桥梁U肋用热连轧板的残余应力在‑15～+15MPa以内。

Description

一种具有低残余应力的桥梁U肋用热连轧板的生产方法
技术领域
本发明涉及热连轧板的生产工艺领域，尤其涉及一种具有低残余应力的桥梁U肋用热连轧板的生产方法。
背景技术
热连轧板是由热连轧机组生产，经剪切线开平板，以钢板捆包状态交货。桥梁用极薄规格(6～8mm)钢板一直采用热连轧工艺生产，钢坯经四辊可逆式粗轧机粗轧后，经7机架连续机组精轧，再经层流冷却后进行卷取，然后开平，并切成定尺，供桥梁制造厂制作U肋。按这种工艺流程生产的钢板，具有成本低，钢板尺寸精度高等优点。
但是目前热连轧生产钢板的最大缺点是钢板内应力大，用户在使用过程中进行火焰切割时，会出现严重的旁弯，钢板强度级别高的时候，还会因为内应力的不均匀，在加工过程中出现瓢曲、纵向波浪等缺陷，严重影响用户使用，甚至出现大量构件废品。随着桥梁制造厂对构件尺寸精度的提高，用户要求用于制造U肋的钢板具有较好的加工性能，钢板经分条、折弯以后，旁弯不能大于4‰。而采用热连轧卷开平后的钢板，在用户进行火焰切割分条时，会在钢板的平面上出现较大的旁弯，一般在15mm以上，最大可达30mm，这给用户尺寸精度的控制带来较大麻烦。对于这种旁弯，传统的处理方式是进行火焰矫正，但是这样增加的用户的工作量，同时对钢板性能产生较大影响，容易出现安全隐患。有的桥梁制造规范甚至规定不允许对旁弯进行火焰矫正。
为了控制热轧钢板内的残余应力，通常在轧制工序采用板形控制轧机，在后续采用缓冷装置进行缓冷，在精整工序采用矫直机组进行矫直。这些手段或技术对热轧钢板的残余应力控制起到了较好的作用，但随着热轧钢板强度的不断提高，桥梁跨度的不断增大，载荷的不断增加，U肋使用钢板的长度和宽度都不断增加，加工要求也越来越严格，钢厂的传统手段或技术已经不能满足桥梁制造厂对最终产品的残余应力水平要求，造成下游用户无法使用或产品降级报废。
为了获得低残余应力的桥梁U肋用钢材，申请号为201911045744的中国发明专利申请文件公开了“一种低成本改善高强热轧带钢内应力的生产方法”，包括：1)控制带钢断面形状；2)控制带钢板形；3)带钢保温及温度补偿措施，减小轧件横、纵向温度差；4)层流冷却控制方式，平衡钢板上下面冷却速度；5)终轧温度、卷取温度的控制，避免在两相区轧制，避免得到不均匀的混晶组织，可以减小因组织不均造成的内应力；6)轧后进缓冷罩存放处理，利用钢卷余温对钢卷进行自回火热处理，实现去除应力的目的；7)轧后浪形钢卷的平整。该方案用已有生产条件，有效消除钢板的内应力，钢板经剪切后翘曲和镰刀弯严重的问题得到明显改善，可以满足用户对内应力较为苛刻的求。但是钢中组织应力、热应力、加工应力等残余应力的释放、消除不完整，在铸坯加热阶段、精轧阶段、后续热处理及加工应用等工序，缺少足够的应力消除手段，仅靠钢卷轧制、冷却等工序的内应力消除，并不能充分消除钢卷内应力，钢卷开平板后，旁弯、平直度问题会不同程度的存在。
又如申请号为201911186090的中国发明专利申请文件公开了“一种消减热轧带钢残余应力的热处理方法”，包括以下步骤，将热轧带钢加热至Ac3温度线以上，等钢板完全奥氏体化后，将钢板进行盐浴淬火处理，温度保持在Ms温度线以下；然后，将温度加热至Ms温度线以上，进行碳分配，并同时利用激振器对其进行振动处理，然后水淬至室温；接着，进行深冷处理，随后取出钢板在放在热介质中保温一段时间，并重复一次；最后，将钢板放入热介质中进行回火处理，得到最终产品。该方案工艺能显著降低热轧带钢的残余应力，并增强了材料在服役过程中的稳定性。很显然，该方案是一种离线热处理消除残余应力的方法，设计到盐浴淬火、激振器、水淬、深冷、回火等离线处理工艺，应该是针对小尺寸钢板的处理方式，热连轧生产线不具备此类处理条件。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种具有低残余应力的桥梁U肋用热连轧板的生产方法，生产得到的345～370MPa级桥梁U肋用热连轧板的残余应力在-15～+15MPa以内。
为实现上述目的，本发明所设计的具有低残余应力的桥梁U肋用热连轧板的生产方法，包括步骤：
1)冶炼
钢水经连经连铸后得到的铸坯，钢水的化学成分及其重量百分比为，C：0.14～0.18％，Si：0.25～0.35％，Mn：1.40～1.60％，P：≤0.009％，S：≤0.003％，Nb：0～0.035％，Ti：0.008～0.018％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；
2)铸坯加热
加热炉均热段温度1200～1240℃，升温速率8～11min/cm，均热段保温时间≥30min，均热段上下热量比1.0～1.3；
升温速率、加热温度、均热时间及均热段上下热量比，是确保铸坯充分加热、各向温度均匀的关键措施，确保铸坯厚度、宽度、长度各方向温度差均在15℃以下,加热温度过低，均热时间不充分，铸坯加热不均，上下热量比不合适，会导致铸坯各部位温差太大，影响下工序轧制操作，易导致热应力的产生。
3)粗轧
控制带钢凸度在0～40μm，粗轧结束后，中间坯厚度为30～40mm，轧后坯弛豫停留5～8s，末1道次，取消冷却水和辊身水；
控制带钢凸度在0～+40μm范围之内，其目的是尽可能均匀同板厚度偏差，降低同板温差，减少热应力的产生。末1道次，取消冷却水和辊身水，目的是少铸坯表面温降，降低同板温差。轧后停留8～10s，为中间坯提供一个在高温下返红的时间，促使中间坯趋于热稳定，减少中间坯表面和芯部的温差，降低热应力。
4)精轧
精轧开轧温度1040～1080℃，终轧温度870～890℃，精轧后带钢的厚度为6～10mm；
精轧开轧温度尽可能高，便于得到较高的、适当的终轧温度。终轧温度偏低时，钢板返红带来的影响被钢板表面温降抵消，同板温差变大，增加热应力的产生。精轧阶段关闭机架间冷却水，同样是确保钢板同板温差小，减少热应力的产生。
5)冷却
采用冷却水冷却，且头尾遮蔽、边部遮蔽、头尾部弱冷的方式冷却，带钢上方的冷却集管水量为80～90m3/h，带钢下方的冷却集管水量为100～110m3/h；
带钢边部、头部及尾部与环境充分接触，温降要明显高于带钢中部，因此采取头尾遮蔽、边部遮蔽及头尾部弱冷的方式，减少冷却后带钢头中尾温度差异，降低热应力。
6)卷取
卷取温度550～600℃；
550～600℃的卷取温度首先可以得到良好的实物性能，其次，较高的温度下卷取，钢卷热态强度较低，过程变形抗力较低，卷取过程中的内应力产生的也小，为钢带后续工序加工提供条件。
7)缓冷
钢卷卷取后进入缓冷坑冷却，待钢卷温度降低至200℃以下取出；
带钢卷取后，钢卷内部温度高于外圈，外圈和空气接触，温降速度更快，要坚决避免这种冷却不均的情况，需要减少钢卷外圈和空气接触，同时提高环境温度，尽可能降低外圈冷却速度。在钢材中间库区建设地下缓冷坑，将钢卷送入缓冷坑，一方面减少钢卷空气接触，另一方面，缓冷坑的温度受钢卷的影响，明显高于大气环境温度，钢卷温降速度降低，冷却不均的情况得到改善，热应力的产生减少。
8)平整
将缓冷后的钢卷进行平整重卷作业，延伸率变化控制在0.5～1.5％；
平整工艺通过施加一定的平整轧制力或张力，将钢卷再次冷卷取，钢卷平整的目的是改善钢板的板形和消除局部的厚度超差，以获得钢板较低的平直度。一般平整机平整后钢带有一定的延伸率改变，控制在0.5～1.5％，延伸率过低，压力较小，起不到平整效果，改善不了平直度，延伸率偏高，超过钢板厚度偏差，导致钢板尺寸不合格。
9)热连轧卷开平横切
对平整后的钢卷在横切线进行开平，横切成6000～18000mm的钢板，并用捆包带打包，6～8张钢卷为一捆；
本发明桥梁U肋用热连轧板长度最长可达18000mm，远超过现有桥梁U肋用热连轧板最长10000mm，横切后的钢板按长度捆包，一般6～8张一包，捆包厚度偏低，作业效率低下；捆包厚度偏大，后续热处理消应力内外温度不均匀，消应力效果差。
10)热处理
将每捆钢卷逐包装入连续式热出炉进行消应力热处理，热处理的温度为：450～530℃；热处理的时间的计算式(1)为：
t＝m×n+50 (1)
m为每张钢板的厚度，mm；
n为每捆钢板中含有的钢板数量，张；
t为热处理的时间，min；
热处理目的是消除钢板在上述工艺流程下仍残余在钢中的应力，类似于退火。将钢板随炉缓慢加热到较低温度450～530℃，保温一段时间，然后缓冷下来。这一恒温时效处理，钢板内部发生弛豫，使内应力松弛，消除钢中应力或使钢中应力分布均匀化。消应力热处理温度太低，热驱动不够，应力难以消除。且容易使钢板发生蓝脆现象，降低钢的韧性；消应力热处理温度偏高，钢板强度下降，韧性和塑性也下降，容易出现性能不合格的问题。
11)纵向分切
将将热处理后的钢卷纵向分切成两条以上的钢板条即得到桥梁U肋用热连轧板。
作为优选方案，步骤11)钢板纵向分切工序，将热处理后的钢卷纵向分切成两条钢板条或者四条钢板条，若纵向分切成两条钢板条，布置三条火焰枪，中间一条火焰枪布置在钢板的中部均分钢板、两边各一条火焰枪切边；若纵向分切成四条钢板条，布置五条火焰枪，中间三条火焰枪布置在钢板的中部以四等分钢板，两边各一条火焰枪切边。采用奇数火焰枪的目的是进一步降低钢板加工应力的产生，火焰切割也是一个热加工过程，适当的火焰切割工艺可以避免加工热应力的产生。一般情况下，对于纵向一分为二的钢板，中间一条火焰枪均分、两边各一条火焰枪切边，中间火焰枪切割的热量向两边扩散，分别与两边的火焰枪切割产生的热量相抵消，这样对称的火焰枪分布方式，可以充分抵消切割过程中的热应力，减少钢板残余应力，避免旁弯和翘曲的发生。
作为优选方案，步骤2)中铸坯厚度150～210mm，铸坯宽度1300～2150mm，铸坯长度4500～11000mm。
作为优选方案，采用压力为13～18Bar水进行1～2道次除鳞除鳞，粗轧阶段开轧温度≥1200℃，终轧温度≥1180℃。粗轧高温大压下，确保充分、均匀地破碎奥氏体晶粒，经过结晶、回复等反复过程厚，得到细小、均匀的组织，减少组织应力的产生。
作为优选方案，所述步骤5)中，冷却开始温度840～860℃，冷却结束温度600～650℃。840～860℃的冷却开始温度和600～650℃结束温度，一方面是钢板力学性能的保证，另一方面可以为带钢卷取后自带温度回火均匀化创造条件。
作为优选方案，所述桥梁U肋用热连轧板的抗拉强度为345～370MPa，残余应力在-15～+15MPa以内，纵向分切后旁弯为≤1mm，纵向折弯后旁弯为≤1mm，平直度≤1mm/2m。
与现有的桥梁U肋用热连轧板的生产方法相比，本发明的优点如下：
(1)本发明在铸坯加热工序中通过控制升温速率、加热温度、均热时间及均热段上下热量比，确保铸坯充分加热、各向温度均匀，确保同板温差在15℃以下。
(2)本发明在热连轧钢卷开平横切工序后新增热处理工序，通过恒温时效处理，钢板内部发生弛豫，使内应力松弛，消除钢中应力或使钢中应力分布均匀化。
(3)本发明在粗轧工序后轧后坯弛豫停留5～8s为中间坯提供一个在高温下返红的时间，促使中间坯趋于热稳定，减少中间坯表面和芯部的温差，降低热应力。
(4)本发明在冷却工序中带钢上方的冷却集管水量为80～90m3/h，带钢下方的冷却集管水量为100～110m3/h；减小带钢上下表面的温差，降低热应力。
(5)本发明得到的桥梁U肋结构用热连轧板的长度为6000～18000mm，抗拉强度为345～370MPa，其平直度≤1mm/2m；钢板纵向分切后旁弯为≤1mm，纵向折弯后旁弯为≤1mm；边部波浪数为0；残余应力在-15～+15MPa以内。
具体实施方式
为更好地理解本发明，以下将结合具体实例对发明进行详细的说明。
本发明实施例1～6的具有低残余应力性能的桥梁U肋用热连轧板的生产方法，其步骤包括：
1冶炼
钢水经连经连铸后得到的铸坯，钢水的化学成分及其重量百分比为，
2铸坯加热
铸坯厚度150～210mm，铸坯宽度1300～2150mm，铸坯长度4500～11000mm，加热炉均热段温度1200～1240℃，升温速率8～11min/cm，均热段保温时间≥30min，均热段上下热量比1.0～1.3，确保铸坯厚度、宽度、长度各方向温度差在15℃以下；
3粗轧
高压水除鳞，粗轧阶段开轧温度≥1200℃，终轧温度≥1180℃，控制带钢凸度在0～+40μm，粗轧结束后，中间坯30～40mm，轧后坯弛豫停留8～10s，末1道次，取消冷却水和辊身水；
4精轧
7机架精轧机连续轧制，精轧开轧温度1040～1080℃，终轧温度870～890℃，精轧阶段关闭机架间冷却水；
5冷却
采用冷却水冷却，且头尾遮蔽、边部遮蔽、头尾部弱冷的方式冷却，带钢上方的冷却集管水量为80～90m3/h，带钢下方的冷却集管水量为100～110m3/h；冷却开始温度840～860℃，冷却结束温度600～650℃；
6卷取
CT温度550～600℃；
7缓冷
钢卷轧后进入缓冷坑，降低空冷速度，减少热应力的产生，待钢卷温度降低至室温～200℃可以取出；
8平整
本工艺生产的6～10mm厚热连轧钢钢卷全部需进平整线进行平整重卷作业，延伸率变化控制在0.5～1.5％；
9、热连轧卷开平横切
所述钢卷在平整后在横切线进行开平，统一横切成6000～18000mm的钢板，6～8张一捆，用捆包带打包，其中钢板平直度≤1mm/2m；
10、热处理
将捆包的钢板逐包装入连续式热出炉进行消应力热处理，热处理工艺为：450～530℃；热处理的时间的计算式为：
t＝m×n+50 (1)
m为每张钢板的厚度，mm；
n为每捆钢板中含有的钢板数量，张；
t为热处理的时间，min；
出炉缓冷坑缓冷；
11、钢板纵向分切
将6000～18000mm长的钢板纵向分切成两条钢板条或者四条钢板条，若纵向分切成两条钢板条，布置三条火焰枪，中间一条火焰枪布置在钢板的中部均分钢板、两边各一条火焰枪切边；若纵向分切成四条钢板条，布置5条火焰枪，中间三条火焰枪布置在钢板的中部以四等分钢板，两边各一条火焰枪切边。
其中，具体主要工艺参数的控制如表1所示。
表1实施例1～6和对比例1～2主要生产工艺参数控制
Figure BDA0002745868520000091
将实施例1～6的桥梁U肋用热连轧板经过矫直和折弯得到的桥梁U肋构件进行凸度、平直度、分条旁弯、波浪形及纵向折弯后旁弯等参数的测量，结果见表2。
表2实施例1～6和对比例1～2得到的桥梁U肋的性能参数
Figure BDA0002745868520000101
由表2可知，本发明工艺生产的345～370MPa级桥梁U肋用热连轧板的平直度≤1mm/2m；钢板纵向分切后旁弯为≤1mm，纵向折弯后旁弯为≤1mm；边部波浪数为0；残余应力在-15～+15MPa以内，其具有良好的综合加工性能，满足用户的使用要求。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种具有低残余应力性能的桥梁U肋用热连轧板的生产方法，其特征在于，包括步骤：
1)冶炼：
钢水经连经连铸后得到的铸坯，钢水的化学成分及其重量百分比为，C：0.14～0.18％，Si：0.25～0.35％，Mn：1.40～1.60％，P：≤0.009％，S：≤0.003％，Nb：0～0.035％，Ti：0.008～0.018％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；
2)铸坯加热：
加热炉均热段温度1200～1240℃，升温速率8～11min/cm，均热段保温时间≥30min，均热段上下热量比1.0～1.3；
3)粗轧：
控制带钢凸度在0～40μm，粗轧结束后，中间坯厚度为30～40mm，轧后坯弛豫停留5～8s，末1道次，取消冷却水和辊身水；
4)精轧：
精轧开轧温度1040～1080℃，终轧温度870～890℃，精轧后带钢的厚度为6～10mm；
5)冷却：
采用冷却水冷却，且头尾遮蔽、边部遮蔽、头尾部弱冷的方式冷却，带钢上方的冷却集管水量为80～90m3/h，带钢下方的冷却集管水量为100～110m3/h；
6)卷取：
卷取温度为550～600℃；
7)缓冷：
钢卷卷取后进入缓冷坑冷却，待钢卷温度降低至200℃以下取出；
8)平整；
将缓冷后的钢卷进行平整重卷作业，延伸率变化控制在0.5～1.5％；
9)热连轧卷开平横切工序：
对平整后的钢卷在横切线进行开平，横切成6000～18000mm的钢板，并用捆包带打包，6～8张钢卷为一捆；
10)热处理
将每捆钢卷逐包装入连续式热出炉进行消应力热处理，热处理的温度为：450～530℃；热处理的时间的计算式为：
t＝m × n+50 (1)
m为每张钢板的厚度，mm；
n为每捆钢板中含有的钢板数量，张；
t为热处理的时间，min；
(11)纵向分切
将将热处理后的钢卷纵向分切成两条以上的钢板条。
2.根据权利要求1所述的具有低残余应力性能的桥梁U肋用热连轧板的生产方法，其特征在于，步骤11)钢板纵向分切工序，将热处理后的钢卷纵向分切成两条钢板条或者四条钢板条，若纵向分切成两条钢板条，布置三条火焰枪，中间一条火焰枪布置在钢板的中部均分钢板、两边各一条火焰枪切边；若纵向分切成四条钢板条，布置5条火焰枪，中间三条火焰枪布置在钢板的中部以四等分钢板，两边各一条火焰枪切边。
3.根据权利要求1所述的具有低残余应力性能的桥梁U肋用热连轧板的生产方法，其特征在于，步骤2)中铸坯厚度150～210mm，铸坯宽度1300～2150mm，铸坯长度4500～11000mm。
4.根据权利要求1所述的具有低残余应力性能的桥梁U肋用热连轧板的生产方法，其特征在于，所述步骤3)中，采用压力为13～18Bar水进行1～2道次除鳞除鳞，粗轧阶段开轧温度≥1200℃，终轧温度≥1180℃。
5.根据权利要求1所述的具有低残余应力性能的桥梁U肋用热连轧板的生产方法，其特征在于，所述步骤5)中，冷却开始温度840～860℃，冷却结束温度600～650℃。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的具有低残余应力性能的桥梁U肋用热连轧板的生产方法，其特征在于，所述桥梁U肋用热连轧板的抗拉强度为345～370MPa，残余应力在-15～+15MPa以内，纵向分切后旁弯为≤1mm，纵向折弯后旁弯为≤1mm，平直度≤1mm/2m。
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