CN114836693A - 一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢及其生产方法，属于钢材制备技术领域，通过控制碳含量(0.07‑0.09)保证钢板具有良好的低温韧性和可焊性，同时保证足够的碳元素强化效果，减少合金添加降低成本；并且不需要强水冷保证钢板强度，实现窄强度波动，降低钢板应力。通过Nb、Ti微合金化，抑制加热过程原奥氏体晶粒长大、细化晶粒，提高韧性并保证强度。添加较多的Cr元素，提高钢板淬透性，细化MA组织，提高钢板抗拉强度。添加少量的Ni，降低钢板韧脆转变温度并提高焊接性。严格控制P、S等有害元素，提高钢板韧性。进而满足桥梁U肋钢板质量要求。

Description

一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢及其生产方法
技术领域
本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢及其生产方法。
背景技术
近年，我国高速铁路、跨海交通等基础设施快速发展，新建的现代钢桥不断向大跨度、重载荷、绿色等设计方向发展，要求桥梁用钢板具有更高的强度、窄强度波动、低屈强比、良好的低温韧性和可焊性。
6-8(mm)桥梁钢用作钢桁量肋板，在桥梁钢桁量上大量使用，长年承受交变载荷，容易产生裂纹，影响桥梁安全和维护成本。U肋制作过程要进行大的变形和全焊接，对钢板成型性和焊接性要求很高。由于热轧开平板不平度差，应力大、屈强比高，不能满足桥梁U肋钢板质量要求。
发明内容
本申请的目的在于提供一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢及其生产方法，以解决目前钢材难以满足桥梁U肋钢板质量要求的问题。
本发明实施例提供了一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.07％-0.09％，Si:0.15％-0.25％，Mn：1.45％-1.55％，Alt：0.015％-0.04％，Nb：0.035％-0.45％，Ti：0.010％-0.02％，Ni：0.1％-0.2％，Cr：0.4％-0.5％，P＜0.012％，S＜0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质，所述钢的CEV：0.42-0.45％，所述钢的Pcm≤0.20％。
可选的，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.075％-0.085％，Si:0.18％-0.22％，Mn：1.48％-1.52％，Alt：0.02％-0.03％，Nb：0.15％-0.35％，Ti：0.012％-0.017％，Ni：0.13％-0.17％，Cr：0.43％-0.47％，P＜0.012％，S＜0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质，所述钢的CEV：0.43-0.44％，所述钢的Pcm≤0.20％。
可选的，所述钢的金相组织包括：针状铁素体和粒状贝氏体。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的桥梁U肋用460MPa级高性能钢的制备方法，所述方法包括：
将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到铸坯；
将所述铸坯进行加热，得到热铸坯；
将所述热铸坯进行轧制，得到钢板；
将所述钢板进行冷却，得到高性能钢。
可选的，所述铸坯的厚度为150mm-200mm，所述铸坯的宽度为1800mm-2400mm，所述铸坯的展宽比为1-1.6。
可选的，所述加热的加热温度为1230℃-1270℃，所述加热的加热时间为180min-300min。
可选的，所述轧制采用一阶段轧制工艺，所述轧制过程不控温，所述轧制的粗轧开轧温度为1190℃-1220℃，所述轧制的粗轧中，至少有3道次的压下率＞25％，所述轧制的终轧温度为840℃-880℃。
可选的，所述冷却采用水冷层流冷却，所述冷却的终冷温度为530℃-580℃，所述冷却的冷却速度为30℃/s-40℃/s。
可选的，所述冶炼包括KR脱硫、转炉冶炼、LF精炼和VD精炼。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的桥梁U肋用460MPa级高性能钢，通过控制碳含量(0.07-0.09)保证钢板具有良好的低温韧性和可焊性，同时保证足够的碳元素强化效果，减少合金添加降低成本；并且不需要强水冷保证钢板强度，实现窄强度波动，降低钢板应力。通过Nb、Ti微合金化，抑制加热过程原奥氏体晶粒长大、细化晶粒，提高韧性并保证强度。添加较多的Cr元素，提高钢板淬透性，细化MA组织，提高钢板抗拉强度。添加少量的Ni，降低钢板韧脆转变温度并提高焊接性。严格控制P、S等有害元素，提高钢板韧性。进而满足桥梁U肋钢板质量要求。
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它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的方法的流程图；
图2是本发明实施例1提供的轧制规程图；
图3是本发明实施例1提供的钢的横断面显微组织图；
图4是本发明实施例2提供的轧制规程图；
图5是本发明实施例2提供的钢的横断面显微组织图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
6-8(mm)桥梁钢用作钢桁量肋板，在桥梁钢桁量上大量使用，长年承受交变载荷，容易产生裂纹，影响桥梁安全和维护成本。U肋制作过程要进行大的变形和全焊接，对钢板成型性和焊接性要求很高。由于热轧开平板不平度差，应力大、屈强比高，不能满足桥梁U肋钢板质量要求。因此，研究并推广中厚板生产高强度、窄强度波动、低屈强比、良好的低温韧性和可焊性U肋钢板，对发展大跨度钢结构桥梁，延长桥梁维护周期意义重大。
根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.07％-0.09％，Si:0.15％-0.25％，Mn：1.45％-1.55％，Alt：0.015％-0.04％，Nb：0.035％-0.45％，Ti：0.010％-0.02％，Ni：0.1％-0.2％，Cr：0.4％-0.5％，P＜0.012％，S＜0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质，所述钢的CEV：0.42-0.45％，所述钢的Pcm≤0.20％。
本申请的成分设计基于以下认识：
控制碳含量为0.07％-0.09％，保证钢板具有良好的低温韧性和可焊性，同时保证足够的碳元素强化效果，减少合金添加降低成本；并且不需要强水冷保证钢板强度，实现窄强度波动，降低钢板应力。
通过Nb、Ti微合金化，抑制加热过程原奥氏体晶粒长大、细化晶粒，提高韧性并保证强度。
添加较多的Cr元素，提高钢板淬透性，细化MA组织，提高钢板抗拉强度。同时采用廉价的Cr元素替代了部分贵重金属元素Ni的添加和Mo元素的添加实现低成本生产高性能U肋钢板。
添加少量的Ni，降低钢板韧脆转变温度并提高焊接性。
严格控制P、S等有害元素，提高钢板韧性。
优选的，钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.075％-0.085％，Si:0.18％-0.22％，Mn：1.48％-1.52％，Alt：0.02％-0.03％，Nb：0.15％-0.35％，Ti：0.012％-0.017％，Ni：0.13％-0.17％，Cr：0.43％-0.47％，P＜0.012％，S＜0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质，所述钢的CEV：0.43-0.44％，所述钢的Pcm≤0.20％。
在一些实施例中，钢的金相组织包括：针状铁素体和粒状贝氏体。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上提供的桥梁U肋用460MPa级高性能钢的制备方法，所述方法包括：
S1.将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到铸坯；
具体而言，采用KR脱S、转炉冶炼，通过顶底复合吹炼；采用LF炉和VD炉真空处理，降低O，H等有害气体以及P、S的含量。
在一些实施例中，铸坯的厚度为150mm-200mm，所述铸坯的宽度为1800mm-2400mm，所述铸坯的展宽比为1-1.6。
具体而言，设计连铸坯坯型，厚度规格为150-200(mm)，能够增大压缩比；宽度1800-2400(mm)，控制展宽比1-1.6，能够增大纵轧道次压下量，提高钢板厚度方向组织均匀性；同时，控制铸坯中心偏析低于C类1.0。
S2.将所述铸坯进行加热，得到热铸坯；
在一些实施例中，加热的加热温度为1230℃-1270℃，所述加热的加热时间为180min-300min。
具体而言，钢坯冷装入炉，钢坯加热温度1230-1270(℃)，保证轧制变形过程足够的温度；加热时间180-300(min)，保证加热均匀性，并控制原奥氏体晶粒度。
S3.将所述热铸坯进行轧制，得到钢板；
在一些实施例中，轧制采用一阶段轧制工艺，所述轧制过程不控温，所述轧制的粗轧开轧温度为1190℃-1220℃，所述轧制的粗轧中，至少有3道次的压下率＞25％，所述轧制的终轧温度为840℃-880℃。
具体而言，采用一阶段轧制工艺，粗轧开轧温度1190-1220(℃)，保证至少有3道次压下率＞25％，保证再结晶晶粒细化效果，提高冲击韧性。不控温，终轧温度840-880(℃)，提高轧制效率，避免控温轧制待温过程温降引起的钢板性能同板差过大，提高钢板性能均匀性、降低轧制应力；同时弱化未再结晶区晶粒压扁程度和位错强化效果，降低屈服强度从而降低屈强比。
采用直接轧制平板生产桥梁钢U肋板，较热轧开平板不平度更好、残余应力更低，具有优良的成型性和焊接性。同时，采用不控温轧制，提高了生产效率，减小待温过程温降引起的钢板性能同板差过大，提高钢板性能均匀性、降低轧制应力。
S4.将所述钢板进行冷却，得到高性能钢。
在一些实施例中，冷却采用水冷层流冷却，所述冷却的终冷温度为530℃-580℃，所述冷却的冷却速度为30℃/s-40℃/s。
控制终冷温度为530℃-580℃、冷却速度为30℃/s-40℃/s，能够有效的控制钢板最终组织为针状铁素体和粒状贝氏体混合组织。
采用不控温配合水冷工艺，工艺简便且易于稳定执行，组织和性能稳定，实现窄强度波动。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的桥梁U肋用460MPa级高性能钢及其生产方法进行详细说明。
实施例1
一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢板厚度6mm，其化学成分按质量百分数，单位wt％：C：0.077，Si：0.20，Mn：1.50，Alt：0.027，Nb：0.038，Ti：0.014，Ni：0.14，Cr：0.46，P：0.008，S：0.0007，其余为Fe和不可避免的杂质，Pcm：0.18。
制备方法包括：
S1.将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到铸坯；
S2.将所述铸坯进行加热，得到热铸坯；
S3.将所述热铸坯进行轧制，得到钢板；
S4.将所述钢板进行冷却，得到高性能钢。
制备过程各工艺参数如下：
板坯尺寸为200*1850*1220(mm)，钢板尺寸为6*2700*23100(mm)，压缩比为33.31，展宽比为1.46。铸坯中心偏析为C类0.5。加热温度1251℃，一阶段控轧，开轧温度1206℃，终轧温度855℃，终冷温度565℃，冷速38℃/S。
实施例2
一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢板厚度8mm，其化学成分按质量百分数，单位wt％：C：0.084，Si：0.22，Mn：1.51，Alt：0.03，Nb：0.041，Ti：0.012，Ni：0.15，Cr：0.48，P：0.004，S：0.0014，其余为Fe和不可避免的杂质，Pcm：0.19。
制备方法包括：
S1.将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到铸坯；
S2.将所述铸坯进行加热，得到热铸坯；
S3.将所述热铸坯进行轧制，得到钢板；
S4.将所述钢板进行冷却，得到高性能钢。
制备过程各工艺参数如下：
板坯尺寸为200*1850*1200(mm)，钢板尺寸为8*2450*18900(mm)，压缩比为25，展宽比为1.32。铸坯中心偏析为C类0.5。加热温度1235℃，一阶段控轧，开轧温度1198℃，终轧温度872℃，终冷温度542℃，冷速32℃/S。
对比例1
一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢板厚度6mm，其化学成分按质量百分数，单位wt％：C：0.06，Si：0.20，Mn：1.50，Alt：0.027，Nb：0.025，Ti：0.01，Ni：0.05，Cr：0.25，P：0.008，S：0.0007，其余为Fe和不可避免的杂质，Pcm：0.18。
制备方法包括：
S1.将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到铸坯；
S2.将所述铸坯进行加热，得到热铸坯；
S3.将所述热铸坯进行轧制，得到钢板；
S4.将所述钢板进行冷却，得到高性能钢。
制备过程各工艺参数如下：
板坯尺寸为200*1850*1220(mm)，钢板尺寸为6*2700*23100(mm)，压缩比为33.31，展宽比为1.46。铸坯中心偏析为C类0.5。加热温度1251℃，一阶段控轧，开轧温度1206℃，终轧温度855℃，终冷温度565℃，冷速38℃/S。
对比例2
一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢板厚度6mm，其化学成分按质量百分数，单位wt％：C：0.11，Si：0.20，Mn：1.50，Alt：0.027，Nb：0.05，Ti：0.03，Ni：0.3，Cr：0.65，P：0.008，S：0.0007，其余为Fe和不可避免的杂质，Pcm：0.18。
制备方法包括：
S1.将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到铸坯；
S2.将所述铸坯进行加热，得到热铸坯；
S3.将所述热铸坯进行轧制，得到钢板；
S4.将所述钢板进行冷却，得到高性能钢。
制备过程各工艺参数如下：
板坯尺寸为200*1850*1220(mm)，钢板尺寸为6*2700*23100(mm)，压缩比为33.31，展宽比为1.46。铸坯中心偏析为C类0.5。加热温度1251℃，一阶段控轧，开轧温度1206℃，终轧温度855℃，终冷温度565℃，冷速38℃/S。
对比例3
一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢板厚度6mm，其化学成分按质量百分数，单位wt％：C：0.077，Si：0.20，Mn：1.50，Alt：0.027，Nb：0.038，Ti：0.014，Ni：0.14，Cr：0.46，P：0.008，S：0.0007，其余为Fe和不可避免的杂质，Pcm：0.18。
制备方法包括：
S1.将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到铸坯；
S2.将所述铸坯进行加热，得到热铸坯；
S3.将所述热铸坯进行轧制，得到钢板；
S4.将所述钢板进行冷却，得到高性能钢。
制备过程各工艺参数如下：
板坯尺寸为200*1850*1220(mm)，钢板尺寸为6*2700*23100(mm)，压缩比为33.31，展宽比为1.46。铸坯中心偏析为C类0.5。加热温度1251℃，一阶段控轧，开轧温度1206℃，终轧温度855℃，终冷温度500℃，冷速45℃/S。
对比例4
一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢板厚度6mm，其化学成分按质量百分数，单位wt％：C：0.077，Si：0.20，Mn：1.50，Alt：0.027，Nb：0.038，Ti：0.014，Ni：0.14，Cr：0.46，P：0.008，S：0.0007，其余为Fe和不可避免的杂质，Pcm：0.18。
制备方法包括：
S1.将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到铸坯；
S2.将所述铸坯进行加热，得到热铸坯；
S3.将所述热铸坯进行轧制，得到钢板；
S4.将所述钢板进行冷却，得到高性能钢。
制备过程各工艺参数如下：
板坯尺寸为200*1850*1220(mm)，钢板尺寸为6*2700*23100(mm)，压缩比为33.31，展宽比为1.46。铸坯中心偏析为C类0.5。加热温度1251℃，一阶段控轧，开轧温度1206℃，终轧温度855℃，终冷温度650℃，冷速25℃/S。
将实施例1-2制得的钢进行性能检测，测试结果如下表所示：
Figure BDA0003653579000000081
由上表可得，采用本发明实施例提供的方法制备的钢的屈服强度≥470-530(MPa)，抗拉强度≥620-670(MPa)，屈强比≤0.80，-40℃冲击功平均值≥80J(5mm冲击试样)，钢板头、中、尾性能同板差小，屈服强度差≤50MPa，抗拉强度差≤40MPa。具有更高的强度、窄强度波动、低屈强比、良好的低温韧性和可焊性。
随机抽取实施例各抽取5批次6mm与8mm厚度钢板性能如下：
Figure BDA0003653579000000082
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)本发明实施例提供的方法采用直接轧制平板生产桥梁钢U肋板，较热轧开平板不平度更好、残余应力更低，具有优良的成型性和焊接性；
(2)本发明实施例提供的方法采用不控温轧制，提高了生产效率，减小待温过程温降引起的钢板性能同板差过大，提高钢板性能均匀性、降低轧制应力；
(3)本发明实施例提供的方法采用不控温+水冷工艺，工艺简便且易于稳定执行，组织和性能稳定，实现窄强度波动；
(4)本发明实施例提供的方法的粗轧中保证至少有3道次压下率＞25％，保证再结晶轧制晶粒细化效果，保证钢板最终组织的稳定性；
(5)本发明实施例提供的钢减少贵重金属元素Ni添加，不添加Mo元素，采用廉价的Cr元素进行替代，实现低成本生产高性能U肋钢板；
(6)本发明实施例提供的方法实现了桥梁U肋用460MPa级高性能钢板高效、稳定生产，具有更高的强度、窄强度波动、低屈强比、良好的低温韧性和可焊性。屈服强度≥470-530(MPa)，抗拉强度≥620-670(MPa)，屈强比≤0.80，-40℃冲击功平均值≥80J(5mm冲击试样)，钢板头、中、尾性能同板差小，屈服强度差≤50MPa，抗拉强度差≤40MPa。
最后，还需要说明的是，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种桥梁U肋用460MPa级高性能钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.07％-0.09％，Si:0.15％-0.25％，Mn：1.45％-1.55％，Alt：0.015％-0.04％，Nb：0.035％-0.45％，Ti：0.010％-0.02％，Ni：0.1％-0.2％，Cr：0.4％-0.5％，P＜0.012％，S＜0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质，所述钢的CEV：0.42-0.45％，所述钢的Pcm≤0.20％。
2.根据权利要求1所述的桥梁U肋用460MPa级高性能钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.075％-0.085％，Si:0.18％-0.22％，Mn：1.48％-1.52％，Alt：0.02％-0.03％，Nb：0.15％-0.35％，Ti：0.012％-0.017％，Ni：0.13％-0.17％，Cr：0.43％-0.47％，P＜0.012％，S＜0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质，所述钢的CEV：0.43-0.44％，所述钢的Pcm≤0.20％。
3.根据权利要求1所述的桥梁U肋用460MPa级高性能钢，其特征在于，所述钢的金相组织包括：针状铁素体和粒状贝氏体。
4.一种权利要求1-3任一项所述的桥梁U肋用460MPa级高性能钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到铸坯；
将所述铸坯进行加热，得到热铸坯；
将所述热铸坯进行轧制，得到钢板；
将所述钢板进行冷却，得到高性能钢。
5.根据权利要求4所述的桥梁U肋用460MPa级高性能钢的制备方法，其特征在于，所述铸坯的厚度为150mm-200mm，所述铸坯的宽度为1800mm-2400mm，所述铸坯的展宽比为1-1.6。
6.根据权利要求4所述的桥梁U肋用460MPa级高性能钢的制备方法，其特征在于，所述加热的加热温度为1230℃-1270℃，所述加热的加热时间为180min-300min。
7.根据权利要求4所述的桥梁U肋用460MPa级高性能钢的制备方法，其特征在于，所述轧制采用一阶段轧制工艺，所述轧制过程不控温，所述轧制的粗轧开轧温度为1190℃-1220℃，所述轧制的粗轧中，至少有3道次的压下率＞25％，所述轧制的终轧温度为840℃-880℃。
8.根据权利要求4所述的桥梁U肋用460MPa级高性能钢的制备方法，其特征在于，所述冷却采用水冷层流冷却，所述冷却的终冷温度为530℃-580℃，所述冷却的冷却速度为30℃/s-40℃/s。
9.根据权利要求9所述的桥梁U肋用460MPa级高性能钢的制备方法，其特征在于，所述冶炼包括KR脱硫、转炉冶炼、LF精炼和VD精炼。
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