CN112501511A - 一种低内应力桥梁结构用钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低内应力桥梁结构用钢及其生产方法，所述钢板的化学成分重量百分比包括：C：0.10～0.15％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.00～1.50％、P≤0.002％、S≤0.0010％、Al≤0.025％、V：0.010～0.070％、Nb：0.040～0.060％、Ti：0.01～0.05％、N≤0.0065％；其余量为Fe及不可避免的夹杂；同时：V+Nb+Ti≤0.18；C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.35；C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≤0.50。本发明的钢板是具有低内应力的桥梁结构用钢，屈服强度≥400MPa，抗拉强度600～700MPa，延伸率≥25％，进行组织为铁素体+珠光体，铁素体与珠光体均匀分布，铁素体晶粒度达到11～14级，钢板开平后内应力低，钢板平均应力小于40MPa。

Description

一种低内应力桥梁结构用钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及桥梁结构用钢制造领域，具体地指一种低内应力桥梁结构用钢及其生产方法。
背景技术
随着世界桥梁的发展和钢结构技术的进步，大跨度桥梁越来越多地采用钢结构，而正交异性桥面板以其重量轻、承载能力强等优点，在钢结构桥梁的建设中得到了广泛的应用。正交异性桥面板主要由钢结构面板和与其焊接的横梁、纵肋构成。目前纵肋多采用U型结构，U肋是桥梁加劲肋的重要组成部分。桥梁U肋多采用厚度规格为6-12mm的热轧钢板制作。目前有两种供货方式，一是使用热连轧开平板，钢坯经轧机轧制后进行卷取，然后开平，并切成定尺，供桥梁制造厂制作U肋。而热轧开平板内部存在较大残余应力，因此用户在进行火焰切割分条后，钢板会出现较大的旁弯。另外一种是采用中厚板轧机轧制的6-15mm厚度的单轧板。由于采用中厚板轧机轧制薄板，工艺特殊，面临设备、技术、管理等方面的系列难题，因此其采购价格也会相对偏高。针对现有技术的不足，本发明提出了一种低内应力桥梁结构用钢的制作方法。
公开号为CN 107557665A的中国发明专利公开了“一种屈服强度345MPa级稀土耐候桥梁钢板及其生产方法”的专利，专利通过合理的化学成分设计，并采取一定的控轧控冷工艺，获得细小铁素体和珠光体为主的进行组织，从而获得了一种屈服强度大于345MPa，具有低屈强比、良好耐腐蚀性能、低温韧性、冷成型性能、焊接性能、可以免涂装使用。而该专利并未采用内应力控制方式，因此钢板具有较高的残余应力，在后期的使用中会产生变形，影响用户使用。
公开号为CN105331880A的中国发明专利公开“一种高强耐候桥梁钢及其制备方法”，经冶炼—连铸—轧制—堆垛缓冷得到具有强度高、低温韧性优良、屈强比低、焊接性能优良以及耐候性佳的优点，但其化学成分中合金含量较多，生产成本高。
公开号为CN102021495A的中国专利公开了“一种420MPa高韧性耐候桥梁用钢及其热轧板卷的制备方法”，经冶炼—连铸—加热—2机架粗轧—7机架精轧—层流冷却—卷取得到高韧性耐候桥梁用钢，但化学成分中含B元素，易产生裂纹缺陷。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种低内应力桥梁结构用钢及其制造方法。该钢板为低碳锰钢、添加合金元素少，具有低内应力的桥梁结构用钢，钢板厚度为6～15mm。该钢板的屈服强度≥400MPa，抗拉强度600～700MPa，延伸率≥25％，进行组织为铁素体+珠光体，铁素体与珠光体均匀分布，铁素体晶粒度达到11～14级，钢板开平后内应力低，钢板平均应力小于40MPa。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种低内应力桥梁结构用钢，所述钢板的化学成分重量百分比包括：
C：0.10～0.15％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.00～1.50％、P≤0.002％、S≤0.0010％、Al≤0.025％、V：0.010～0.070％、Nb：0.040～0.060％、Ti：0.01～0.05％、N≤0.0065％；
其余量为Fe及不可避免的杂质；
同时：
V+Nb+Ti≤0.18；
C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.35；
C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≤0.50。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的低内应力桥梁结构用钢进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述钢板厚度为6～15mm。
作为上述技术方案的改进，所述钢板的屈服强度≥400MPa，抗拉强度600～700MPa，延伸率≥25％，进行组织为铁素体+珠光体，铁素体与珠光体均匀分布，铁素体晶粒度达到11～14级，钢板平均应力小于40MPa。
一种如上任一所述的低内应力桥梁结构用钢的生产方法，包含如下步骤：
1)转炉冶炼实现钢包炉深脱硫、真空去除气体夹杂并控制连铸二冷水区的铸坯的动态轻压下量为0.5～2.5％，接着采用累计重压下参数控制连铸坯，其压下量≥7％，经连铸成坯后，对铸坯加热，控制加热温度为1150～1280℃，控制加热速率为6～15min/cm；
2)铸坯的轧制过程包括：粗轧、精轧、冷却、卷取工序，其特征在于粗轧开轧温度1100～1250℃；精轧开轧温度1000～1150℃；精轧终轧温度820～860℃；轧后进行层流冷却，冷速3℃/s～10℃/s；卷取温度550～600℃；
3)对钢卷进行SR处理，加热温度低于卷取温度50～100℃，并保温，保温时间为20～60分钟+板厚×10分钟/mm；为保证SR热处理效果，工艺采用分段加热，具体的由装炉室温温度～300℃阶段，加热速率为200～250℃/h，并于300℃保温15～30min，在300℃～保温温度阶段，加热速率为250～300℃/h，完成保温后，钢板采用分段冷却工艺，保温温度～350℃，降温速率100～150℃/h，350℃～200℃，降温速率为150～200℃/h，200℃～室温，降温速率≥200℃/h。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的低内应力桥梁结构用钢的生产方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述所述步骤1)中，钢包炉深脱硫后按质量百分数S≤0.0013％；连铸坯的铁素体晶粒尺寸范围控制在100～250μm之间。
作为上述技术方案的改进，所述步骤2)中，坯料丛粗轧到精轧进行多道次轧制，单道次压下量12～20％，累积压下量50～65％。
本发明的主要元素的作用有如下特征：
C:0.10～0.15％
C是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，随着碳含量的增加，钢种Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的屈服强度和抗拉强度回提高，而延伸率缺口冲击韧性回下降。碳含量每增加0.1％；抗拉强度大约提高90MPa，屈服强度大约提高40-50MPa。但是，随着碳含量增加，钢材的延伸率和冲击韧性下降，尤其是低温韧性下降的幅度更大。而且，焊接C含量较高的钢材时，在焊接热影响区还会出现淬硬现象，这将加剧焊接时产生冷裂的倾向。钢中C含量在不大于0.15％的范围内时，既可提高钢的强度有适合生产操作，提高其在工业生产中的适用性和可行性。
Si：0.25～0.50％
Si能降低钢中碳的石墨化倾向，并以固溶强化形式提高钢的强度，当Si含量由0.30％增至0.70％时，钢的强度基本不变或稍有增加，而韧性有较大的提高。适当地提高Si的含量，将增加组织中铁素体的体积分数，并使晶粒变细，从而有利于钢的韧性，故应控制钢中Si含量在0.25～0.50％以内。
Mn：1.00～1.50％
Mn对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著地作用。含1％的Mn约可提高抗拉强度100MPa。一般说来，Mn含量在2％以下对提高焊缝金属的韧性是有利的，因此，在低碳高强度钢中，普遍提高Mn的含量，最高可达2％。另外，Mn还能提高Nb、V等在钢中的溶解度，故应控制钢中Mn含量在1.00-1.50％以内。
P≤0.012％、S≤0.0015％
由于钢中的P、S含量必须控制在较低的范围，只有冶炼纯净钢，才能保证本发明钢的性能。
V：0.010～0.070％、Nb：0.040～0.060％、Ti：0.01～0.05％,
V是强烈的碳氮化物形成元素，它通过形成碳化物组织奥氏体晶粒长大而细化晶粒，提高钢材的常温和高温强度。V能促进珠光体的形成，还能细化铁素体板条。碳氮化钒相对较高的溶解度加上氮化钒的溶解度远低于碳化钒，使得钒成为一种容易控制且其有强烈沉淀强化作用的元素，因为VN和VC溶解度的差异使得N成为钒钢中一个重要的微合金化元素，它在很大程度上决定了钢中析出物的密度及其沉淀强化效果。氮在铁素体中的溶解度比碳高，在V(C,N)析出前，钢中所有的氮通常都溶解在铁素体汇总，而碳由于奥氏体/铁素体或铁素体/渗碳体的平衡作用而只有很小一部分溶在铁素体中。因此，通过精确控制氮的含量就可以方便控制V(C,N)的析出强化。在正火钢中，V经常与N一起加入，通过加N形成V(CN)的析出达到轧制和正火处理时细化晶粒的效果，而通过V(CN)的沉淀强化析出来增加强度。V可使钢的强度增加150MPa以上。但V含量过高时，析出物数量增加，尺寸增大，从而导致钢的韧性降低；钢中加入V元素，钢中的渗碳体Fe3C规则片层及珠光体团被V的氮化物或碳氮化物析出物阻隔，珠光体片层中的渗碳体断点增多且珠光体团面积变小且珠光体团位向交错分布，珠光体片层长度偏小变薄，珠光体片层的碎化程度增加，综合V的各种强韧化作用，将本发明钢控制V在0.01～0.07％范围。
Nb能显著提高奥氏体再结晶温度，抑制高温区奥氏体的再结晶和长大。Nb是强碳、氮化物形成元素。它可以形成细小的碳化物和氮化物(第二相质点，沿奥氏体晶界分布)，抑制高温区奥氏体晶粒的长大。在轧制过程中的奥氏体再结晶温度区域内，Nb的碳、氮化物可以作为奥氏体晶粒形核核心，在非再结晶温度范围内，弥散分布的Nb的碳、氮化物可以有效钉轧奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒进一步长大，从而细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性。Nb在铁素体中沉淀析出，提高钢的强度的同时又可以在焊接过程中阻止HAZ晶粒的粗化。但是，Nb钢存在高温延展性能明显降低的脆化温度区间(900～700℃)，易在连铸时出现裂纹。综合Nb的各种强韧化作用，将本发明钢控制Nb在0.04～0.06％范围。
Ti：Ti是一种强碳、氮化物形成元素，形成的TiN、Ti(CN)等粒子非常稳定，能有效钉轧晶界，阻止γ晶粒长大，因而起到细化晶粒的作用。它能显著提高钢的室温强度、高温强度和钢的韧性。在控轧低碳钢中，添加0.015％左右的Ti，可改善钢的铸态组织，在钢的二次加热过程中阻止奥氏体晶粒长大，并在随后的高温奥氏体区轧制时通过Ti(C，N)的析出，抑制奥氏体再结晶晶粒长大。另外，Ti的氮化析出物能有效钉轧奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒的长大，大大改善钢的焊接热影响区的低温韧性。但是，过高的Ti含量会导致钢的塑、韧性降低。本发明专利，Ti含量设计为：0.010～0.050％。本专利中，Nb、V、Ti可单独或组合加入，且V+Nb+Ti≤0.18.
N：≤0.0065％
在钒微合金钢中，添加N可提高钢的屈服强度，钢中的N主要与V形成钒的碳氮化物。N在钢中的作用主要是奥氏体向铁素体转变时，从钢中析出VN或V(CN)的沉淀相，抑制奥氏体晶粒的长大，起到细化铁素体晶粒的作用，当N含量＞0.060％，钢中形成过多的碳氮化钒，沉淀强化作用增强，导致钢的冲击韧性变差，且在焊接时，在1350℃以上的高温奥氏体化温度下，钢板中钒的碳氮化物尺寸会发生重新析出并在高温作用下产生粗化，不能有效抑制奥氏体晶体的长大，致使焊接接头区域冲击韧性变差，为保证钢板及焊接接头的强韧性，故将N的含量控制在≤0.0065％范围。
本发明中还限定了如下的关系：
C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10≤0.35，该限定关系保证了钢板具有良好的焊接工艺性及焊接性能，并保证焊接过程及焊后热处理及钢板服役状态时，钢板的焊接接头具有良好的抗冷热内应力裂纹的能力。
C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≤0.50，该限定关系保证了钢板焊接后的硬度适中，焊接接头在一次及多次热循环后，焊接接头的组织避免了淬硬性的马氏体组织出现，且为针状铁素体及板条状贝氏体组织，从而提高了钢板的焊接性及焊接接头低温韧性。
本发明的生产工艺的作用有如下特征：
1)控制连铸二冷水区的铸坯的动态轻压下量为0.5～2.5％，接着采用累计重压下，其压下量≥7％，一方面保证连铸坯的连铸表层坯壳的稳定形成，另一方面使从表层到心部达到凝固点的连铸坯进一步通过一定的压下量降低连铸坯的中心偏析和疏松，提高连铸坯的均质性和致密度，从而提高连铸坯的冶金质量。
2)采用中低温加热制度(1150～1280℃)，一方面可节能降耗，另一方面在保证铸坯的充分再奥氏体化情况下，减少奥氏体晶粒粗化的程度。
3)采用C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10≤0.35，C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≤0.50的限定关系，主要作用保证钢板具有良好的焊接工艺性，并具有良好的抗焊接冷、热裂纹能力并保证焊接接头具有与母材相匹配的强韧性。
4)钢卷SR处理采用分段加热，在低温段采用较低的加热速率，并于300℃保温适当时间，之后加大加热速率，保证了钢卷充分加热，减少钢卷外部及心部温差，保温完成后采用分段冷却，保证钢卷内部残余应力得到充分释放，保证钢板后期具有良好的使用性能。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：1)控制连铸二冷水区的铸坯的动态轻压下量为0.5～2％，接着采用累计重压下，其压下量≥7％，一方面保证连铸坯的连铸表层坯壳的稳定形成，另一方面使从表层到心部达到凝固点的连铸坯进一步通过一定的压下量降低连铸坯的中心偏析和疏松，提高连铸坯的均质性和致密度，从而提高连铸坯的冶金质量。
2)钢卷采用SR处理，充分消除钢板内部残余应力，保证钢板后期具有良好的使用性能。
3)采用该发明设计的成分、生产工艺生产的钢板具有残余应力低、性能稳定，抗焊接冷、热裂纹能力，并具有良好的焊接工艺性及良好的焊接性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
本发明各实施例均按照以下步骤生产：
1)转炉冶炼实现钢包炉深脱硫(S≤0.0013％)、真空去除气体夹杂并控制连铸二冷水区的铸坯的动态轻压下量为0.5～2.5％，接着采用累计重压下参数控制连铸坯，其压下量≥7％，经连铸成坯后，连铸坯的铁素体晶粒尺寸范围控制在100～250μm之间。对铸坯加热，控制加热温度为1150～1280℃，控制加热速率为6～15min/cm；
2)铸坯的轧制过程包括：粗轧、精轧、冷却、卷取工序，其特征在于粗轧开轧温度1100～1250℃；精轧开轧温度不高于1000～1150℃；精轧终轧温度820～860℃；轧后进行层流冷却，冷速3℃/s～10℃/s；卷取温度550～600℃。坯料丛粗轧到精轧进行多道次轧制，单道次压下量12～20％，累积压下量50～65％。
3)对钢卷进行SR处理，控制加热温度低于卷取温度50～100℃，并保温，保温时间：20～60分钟+板厚×10分钟/mm。保温完成后炉冷至350～400℃出炉空冷。
本发明的成分见表1所示；
本发明的轧制及热处理工艺参数见表2及表3所示；
本发明的力学性能见表4所示。
表1本发明各实施例化学成分取值(wt,％)
类型 C Si Mn P S Alt V Nb Ti N CEV Pcm
实施例1 0.130 0.28 1.23 0.012 0.0010 0.012 0.02 0.04 0.02 0.0050 0.34 0.20
实施例2 0.105 0.40 1.40 0.010 0.0010 0.008 0.06 0.05 0.05 0.0160 0.35 0.21
实施例3 0.140 0.30 1.15 0.008 0.0008 0.014 0.05 0.06 0.04 0.0130 0.34 0.21
表2本发明各实施例主要工艺参数
Figure BDA0002805858760000081
表3本发明实施例SR处理工艺参数
Figure BDA0002805858760000082
Figure BDA0002805858760000091
表4本发明各实施例力学性能列表
Figure BDA0002805858760000092
从表4可以看出，本发明不仅力学性能≥480MPa，抗拉强度600～700MPa，，而且钢板内应力低，具有良好的使用性能。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低内应力桥梁结构用钢，其特征在于：所述钢板的化学成分重量百分比包括：
C：0.10～0.15％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.00～1.50％、P≤0.002％、S≤0.0010％、Al≤0.025％、V：0.010～0.070％、Nb：0.040～0.060％、Ti：0.01～0.05％、N≤0.0065％；其余量为Fe及不可避免的杂质；
同时：
V+Nb+Ti≤0.18；
C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.35；
C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≤0.50。
2.如权利要求1所述的低内应力桥梁结构用钢，其特征在于：所述钢板厚度为6～15mm。
3.如权利要求1所述的低内应力桥梁结构用钢，其特征在于：所述钢板的屈服强度≥400MPa，抗拉强度600～700MPa，延伸率≥25％，进行组织为铁素体+珠光体，铁素体与珠光体均匀分布，铁素体晶粒度达到11～14级，钢板平均应力小于40MPa。
4.一种如权利要求1-3任一所述的低内应力桥梁结构用钢的生产方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)转炉冶炼实现钢包炉深脱硫、真空去除气体夹杂并控制连铸二冷水区的铸坯的动态轻压下量为0.5～2.5％，接着采用累计重压下参数控制连铸坯，其压下量≥7％，经连铸成坯后，对铸坯加热，控制加热温度为1150～1280℃，控制加热速率为6～15min/cm；
2)铸坯的轧制过程包括：粗轧、精轧、冷却、卷取工序，其特征在于粗轧开轧温度1100～1250℃；精轧开轧温度1000～1150℃；精轧终轧温度820～860℃；轧后进行层流冷却，冷速3℃/s～10℃/s；卷取温度550～600℃；
3)对钢卷进行SR处理，加热温度低于卷取温度50～100℃，并保温，保温时间为20～60分钟+板厚×10分钟/mm；为保证SR热处理效果，工艺采用分段加热，具体的由装炉室温温度～300℃阶段，加热速率为200～250℃/h，并于300℃保温15～30min，在300℃～保温温度阶段，加热速率为250～300℃/h，完成保温后，钢板采用分段冷却工艺，保温温度～350℃，降温速率100～150℃/h，350℃～200℃，降温速率为150～200℃/h，200℃～室温，降温速率≥200℃/h。
5.如权利要求4所述的低内应力桥梁结构用钢的生产方法，其特征在于：所述所述步骤1)中，钢包炉深脱硫后按质量百分数S≤0.0013％；连铸坯的铁素体晶粒尺寸范围控制在100～250μm之间。
6.如权利要求4所述的低内应力桥梁结构用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤2)中，坯料丛粗轧到精轧进行多道次轧制，单道次压下量12～20％，累积压下量50～65％。
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