CN1563468A - 冷成型高强度焊接结构钢的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷成型高强度焊接结构钢的生产方法，属低合金钢制造领域。本发明采用低碳－锰为基，添加铌、钛微合金化元素为主要成分，采用铁水脱硫技术、转炉顶底复合吹炼、真空处理，冶炼的钢水采用稀土处理或钙处理工艺后，将其浇注成板坯，再采用中厚板生产工艺或热连轧生产工艺，轧制成中厚板或热轧板。本发明可广泛应用于生产各类工程机械所需的高强度焊接结构钢。生产的钢抗拉强度为590MPa级以上，具有极优综合机械性能、冷热加工性、耐蚀性和抗疲劳性，可进行手工和气保焊，能有效降低焊接施工强度，可广泛用于铁路车辆、载重汽车、工程机械等行业，特别适合于制造时速140公里以上的铁路车辆上用的转向架。

Description

冷成型高强度焊接结构钢的生产方法

所属技术领域

本发明涉及一种冷成型高强度焊接结构钢的生产方法，具体地说是生产一种抗拉强度为590MPa级，具有优良的耐大气腐蚀性、抗疲劳性及易成型特点的高强度焊接结构钢的方法，属微合金化钢制造领域。

背景技术

高速化是当今铁路技术发展的重要标志，铁路货车速度之所以难以提高，重要的因素之一是受转向架制约，而优良的转向架必须用优良的材质来制造。近几年来，铁路部门一直对货车的转向架进行不断的研制，以提高转向架综合性能，满足货运列车提速要求。时速140公里以上的铁路货车的转向架，其材质要求具有较高的强度和优良的综合机械性能，特别是横向韧性和冷成型要求较高。在本发明之前，获得高强度、高韧性和性能均匀的钢板生产方法，有如日本的特许公开平10-53812提出的《高强度高靱性槽造用鋼板の製造法》和特许公开平11-279636号公报所提出的《板厚方向材質差の小さい高张力鋼板の製造方法》。两生产方法主要是在轧制过程中实行两阶段控制轧制，一是在未再结晶温度区域控轧，二是在再结晶温度区控轧，并同时控制轧制过程冷却速度。另外终轧后要进行控冷和对钢板进行正火+回火或调质处理。上述方法不足之处：一是工业生产实际执行难度较大，会导致性能波动较大；二是要进行正火+回火或调质处理，生产成本较高；三是横向韧性不足，不具备耐大气腐蚀性。故上述方法生产的钢板，不能同时具有高强度、高韧性、较强的耐大气腐蚀性、抗疲劳性及优良的冷成型性能，满足不了铁路提速后对转向架材质的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种微合金元素少、生产成本低，大生产操作方便，不要进行正火+回火或调质处理的冷成型高强度焊接结构钢生产方法，使生产的钢抗拉强度达590MPa级，同时具有高韧性、较强的耐大气腐蚀性、抗疲劳性及优良的冷成型性能，能用于制造铁路提速后的转向架。

本发明为了达到上述目的，提供一种冷成型高强度焊接结构钢的生产方法，按超纯净钢工艺进行冶炼，采用铁水脱硫技术、转炉顶底复合吹炼、真空处理，其特征在于钢的生产步骤为：

①冶炼并经成分微调后钢的化学成分按重量百分数计含有C：0.01～0.12、Si：0.05～0.40、Mn：0.70～1.80、P≤0.025、S≤0.010、Nb：0.005～0.080、V：0.005～0.080、Mo：0.10～0.50、Ni：0.05～0.80、Ti：0.005～0.040、Cu：0.10～0.50，余量为Fe及不可避免的夹杂；

②将上述钢水进行稀土处理，在结晶器中喂入混合稀土丝，喂丝速度≥0.6m/min，喂入量每吨钢120～180克，控制RE/S为2～3；

或将上述钢水进行钙处理，在钢包炉工位进行，首先吹氩气使钢水循环流动后喂硅钙包芯线，喂入位置在钢包炉半径的1/2处，喂入深度为0.8×钢包炉高度处，最浅深度0.8m；喂线量为吨钢500～800克，控制Ca/S为1.5～5.0；喂线速度：按Vca＝0.58h/[δ(1-δ/Dca)]×10^-3，Vca单位为m/s；式中h为吹氩深度，m；δ为包芯线铁皮厚度，m；Dca为硅钙线直径，m；喂线时在钢包底吹氩气搅拌，喂线完成后再吹氩3～5分钟；

③将稀土处理或钙处理后的钢水浇注成板坯；

④将上述板坯采用a.控制轧制的中厚板生产工艺轧制成中厚板

或采用b.控轧控冷的热连轧生产工艺轧制成热轧板：

a.控制轧制中厚板生产工艺是将板坯加热，加热速度8～12min/cm，均热温度1210～1260℃；先粗轧，开轧温度≥1050℃，在1000～1100℃进行5～9道次轧制，每道次压下率不少于10％，累计压下率不小于70％，粗轧结束后冲高压水急冷到960～940℃，然后空冷15～30秒；再在780～950℃进行6～10道次精轧，每道次压下率≥12％，终轧温度≤830℃，轧制成中厚板；

b.热连轧生产工艺为：将板坯加热至1210～1260℃；粗轧时每道次压下率≥20％，累计压下率≥80％，粗轧结束温度≤1000℃，精轧开轧温度≤950℃，中间道次压下率≥20％，最后2道次压下率≥10％，终轧温度≤800℃，轧后采用层流冷却，冷却速度≥18℃/s，卷取温度500～600℃，制得热轧板。

本发明的生产方法工艺流程为：

按超纯净钢工艺进行冶炼--铁水脱硫--转炉顶底复合吹炼--真空处理-- --浇注成板坯—

本发明的生产方法，按超纯净钢工艺进行冶炼，利用铁水脱硫技术，采用转炉顶底复合吹炼，进行真空处理，对钢的主要化学成分的含量作了限定：

本发明的C为0.01％～0.12％，C是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，为了保高韧性和优良的冷成型性、焊接性能，将C限定在0.12％以下，既提高钢的强度又适合生产操作。Si为0.05％～0.40％，Si是常用脱氧的主要元素，它在钢中起固溶强化的作用，若将钢中Si含量控制在0.25％以内，还可满足激光切割需求。Mn含量是根据产品轧制时的冷却速度、规格和性能而确定的，添加0.70％～1.80％的Mn，以提高Mn/C比值，降低奥氏体转变成铁素体的相变温度，扩大热加工温度区域，有利于细化铁素体晶粒尺寸，高Mn低C，可提高Nb(C、N)在奥氏体中的溶度积，抑制其在奥氏体中过早析出倾向，促进沉淀强化效应。

本发明选择Ti 0.005％～0.040％，Ti是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，在钢重新加热中阻止奥氏体晶粒长大，及在高温奥氏体区粗轧时Ti(C、N)析出，抑制奥氏体晶粒长大，另钢板在焊接过程中，钢中TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，改善焊接性能。本发明Ni是0.05％～0.80％，Ni为确保钢的韧性和耐蚀性及改善因钢含Cu带来热加工敏感性而添加的。本发明Nb 0.005％～0.080％，极微量的Nb能显著细化晶粒并提高钢的常温抗拉强度，Nb在控轧过程中，通过抑制再结晶和阻止晶粒长大，细化奥氏体晶粒尺寸。在轧后冷却过程中，Nb(C、N)微小质点析出，起沉淀强化作用。

本发明选择V 0.005％～0.080％，V是一种相当强烈的碳化物元素，主要调整沉淀强化，但过高的V对钢的塑、韧性及裂纹敏感性都有害。选择Cu0.10％～0.50％，主要起提高钢的耐大气腐蚀性和提高强度的作用。选择Mo 0.10％～0.50％，为降低钢在轧制过程中的奥氏体→铁素体转变温度，并提高Nb(C、N)在奥氏体中的溶度积，使大量Nb保持在固溶体中，以便在低温转变的铁素体中弥散析出，以达到较好的沉淀强化效果。本发明属微合金化钢制造领域，除含有上述化学成分外，余量为Fe及不可避免的夹杂。

同时钢化学成分还需满足焊接冷裂纹敏感系数Pcm(％)≤0.20，公式为：

Pcm(％)＝C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+Ni/60+5B，

其碳当量Ceq(％)≤0.50，公式为：

Ceq(％)＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

本发明冶炼的钢水采用稀土处理或钙处理工艺后，将其浇注为200～300mm厚的板坯，再采用控制轧制的中厚板生产工艺轧制成中厚板或控轧控冷的热连轧生产工艺轧制成热轧板。

本发明冶炼的钢水采用稀土处理工艺时在结晶器中喂入混合稀土丝，喂丝速度V≥0.6m/min，喂入量为吨钢120～180克，控制RE/S为2～3，可使钢中的硫化物和氧化物夹杂物球化，钢的纵、横向性能差异缩小，并大大改善耐蚀性；

本发明冶炼的钢水采用钙处理是在钢包炉工位进行，在盛钢桶半径的1/2处喂入硅钙包芯线，喂线速度的计算是从硅钙线熔化角度考虑；喂线量为吨钢500～800克，控制Ca/S在1.5～5.0，同样可使钢中的硫化物和氧化物夹杂物球化，钢的纵、横向性能差异缩小，改善耐蚀性。喂线时在钢包底吹氩气搅拌，喂线完成后再吹氩3～5分钟；

本发明的生产方法中采用控制轧制中厚板生产工艺时，粗轧在再结晶区进行多道次轧制时，每道次压下率不少于10％，累计压下率不小于70％，可使奥氏体晶粒细化到20μm，粗轧结束后采用冲1～2道次高压水急冷到960～940℃，然后空冷15～30秒，使板坯内外温度均匀化，接着进入精轧阶段，轧制成板厚为10～50mm中厚板。

本发明的生产方法中采用热连轧生产时为充分发挥微合金元素在钢中的作用，若采用大功率轧机的设备能力，可减少轧制道次，提高道次压下率，粗轧每道次压下率≥20％，累计压下率≥80％，使之奥氏体晶粒细化到15μm以下，粗轧结束温度≤1000℃；粗轧后进行精轧、冷却、卷取，制得板厚为3～25mm的热轧板。

本发明的生产方法具有如下优点：

1.本发明提供的生产方法，采用的微合金元素少、大生产操作方便，能适应大生产要求。

2.本发明的生产方法，因在生产过程中进行了稀土处理或钙处理，使钢中的硫化物和氧化物夹杂物球化，钢的纵、横向性能差异缩小，特别是改善了钢的横向韧性，使横向韧性优良，并大大改善钢的耐蚀性和抗疲劳性能，从而使钢具有优良的综合机械性能。其抗拉强度可达590MPa以上，横向-40℃冲击达47J以上，适合于用于制造铁路提速后的货车转向架，能满足时速在140公里以上铁路货车转向架材质性能的要求。

3.本发明的生产方法是通过控制轧制或控轧控冷的轧钢工艺生产方法进行生产的，不需要对钢板进行调质处理，故其生产成本较低。

具体实施方式

实施例1：采用本发明方法生产冷成型高强度焊接结构钢中厚板，在炼钢厂80吨转炉上进行顶底复合吹炼，采用铁水脱硫技术，使铁水中S含量≤0.005％，钢水经吹氩气后，再经真空处理，使钢的化学成分按重量百分数计含有C：0.09、Si：0.24、Mn：1.22、P：0.012、S：0.007、Nb：0.055、V：0.039、Mo：0.15、Ni：0.15、Ti：0.007、Cu：0.10，余量为Fe及不可避免的夹杂；钢水在结晶器内每吨钢喂入稀土丝160克，并浇注为210×1050mm断面的板坯；然后将板坯送至中板厂进行轧制，板坯加热速度11min/cm，均热温度1240℃；在2800mm轧机上进行轧制，开轧温度1080℃，采用两阶段控制轧制：粗轧是在1000℃～1100℃高温奥氏体再结晶区进行6道次轧制的，每道次压下率均在13％以上，累计压下率80％；粗轧结束后采用高压水急冷到950℃，然后空冷20秒，使板坯内外温度均匀化；精轧阶段是在780～950℃高温奥氏体未再结晶区内进行8道次轧制的，每道次压下率均匀在12％，终轧温度800℃，轧制成8mm厚度的中厚板。其轧态横向力学性能：屈服强度ReL为520MPa，抗拉强度Rm为650MPa，延伸率A₅为28％，-40℃横向冲击功A_kv为120J。

实施例2：采用本发明的方法生产冷成型高强度焊接结构钢热连轧板，在炼钢厂250吨转炉上进行顶底复合吹炼，采用铁水脱硫技术，使铁水中S含量≤0.005％，钢水经吹Ar后，再经RH真空处理，使钢的化学成分按重量百分数计含有C：0.04、Si：0.10、Mn：1.60、P：0.014、S：0.001、Nb：0.025、V：0.008、Mo：0.25、Ni：0.50、Ti：0.015、Cu：0.40，余量为Fe及不可避免的夹杂。然后在钢包炉中进行硅钙处理工艺，开始前先吹氩气2分钟以使钢液循环流动起来，后喂硅钙包芯线，喂入位置在盛钢桶的半径1/2处，喂入深度为1.2m处，喂线量是每吨钢喂线700克，喂线速度是250m/min；喂线时在钢包底吹氩气搅拌，喂线完成后再吹氩5分钟，使夹杂物上浮；然后将其浇注成断面为230×1550mm的板坯；进入热轧厂的2250mm热连轧机上进行的轧制，板坯经加热达1220℃，粗轧每道次压下率22％，累计压下率86％，粗轧结束温度980℃；精轧是在七机架连轧机上，开轧温度930℃，中间道次压下率25％，最后2道次压下率12％，终轧温度790℃，经7道次轧制成14mm厚的钢板，轧后采用层流冷却，冷却速度20℃/s，卷取温度：550℃。其横向力学性能：屈服强度ReL为510MPa，抗拉强度Rm为630MPa，延伸率A₅为25％，-40℃横向冲击功A_kv为250J。

表1是本发明钢生产方法与传统高强度钢生产方法对比表，表2是本发明钢生产方法与传统高强度钢生产方法生产的钢板性能对比表，表中A1和A2分别为实施例1和实施例2。从中可看出，用本发明生产方法生产出的钢板，成本低，其性能水平远远高出对比钢性能。

表1：本发明钢生产方法与传统高强度钢生产方法对比表

区分	钢号	吹氩和真空	加稀土	加硅钙	板坯厚度mm	加热温度℃	轧制		冷却		终轧温度℃	板厚mm	轧后处理
														未再结晶区轧制	再结晶区轧制	未再结晶区冷却	再结晶区冷却
							本发明	A1	有	有								无	210	1240	有	有	无	无	800	8	空冷
A2	有	无	有	230	1220	有					有	无	无	790	12	控冷
								比较例	B1	有							无	无	220	1180	有	有	有	有	810	18	正火+回火
B2	有	无	无	280	1140	有	有				无	有	790	25	间断式加速冷却

表2：本发明钢生产方法与传统高强度钢生产方法生产钢板性能对比表

区分	钢号	ReLMPa	RmMPa	A5％	冲击功			抗疲劳性	抗腐蚀性	冷成型性
											方向	温度℃	J
					本发明例	A1	520							650	28	横向	-40	120	好	好	好
A2	510	630	25	横向				-40	250	好	好	好
						比较例	B1						460	560	19	纵向	-20	60	差	差	一般
B2	430	560	20	纵向	-20			80	一般	差	一般

本发明的方法可广泛应用于生产各类工程机械所需的高强度焊接结构钢，生产的钢抗拉强度为590MPa级，同时具有高韧性、较强的耐大气腐蚀性、抗疲劳性及优良的冷成型性能，特别适合于用于制造铁路提速后的货车转向架。

Claims (1)

1.一种冷成型高强度焊接结构钢的生产方法，按超纯净钢工艺进行冶炼，采用铁水脱硫技术、转炉顶底复合吹炼、真空处理，其特征在于钢的生产步骤为：

①冶炼并经成分微调后钢的化学成分按重量百分数计含有C：0.01～0.12、Si：0.05～0.40、Mn：0.70～1.80、P≤0.025、S≤0.010、Nb：0.005～0.080、V：0.005～0.080、Mo：0.10～0.50、Ni：0.05～0.80、Ti：0.005～0.040、Cu：0.10～0.50，余量为Fe及不可避免的夹杂；

②将上述钢水进行稀土处理，在结晶器中喂入混合稀土丝，喂丝速度≥0.6m/min，喂入量每吨钢120～180克，控制RE/S为2～3；

或将上述钢水进行钙处理，在钢包炉工位进行，首先吹氩气使钢水循环流动后喂硅钙包芯线，喂入位置在钢包炉半径的1/2处，喂入深度为0.8×钢包炉高度处，最浅深度0.8m；喂线量为吨钢500～800克，控制Ca/S为1.5～5.0；喂线速度：按Vc_a＝0.58h/[δ(1-δ/Dc_a)]×10^-3，Vc_a单位为m/s；式中h为吹氩深度，m；δ为包芯线铁皮厚度，m；Dc_a为硅钙线直径，m；喂线时在钢包底吹氩气搅拌，喂线完成后再吹氩3～5分钟；

③将稀土处理或钙处理后的钢水浇注成板坯；

④将上述板坯采用a.控制轧制的中厚板生产工艺轧制成中厚板或采用b.控轧控冷的热连轧生产工艺轧制成热轧板：

a.控制轧制中厚板生产工艺是将板坯加热，加热速度8～12min/cm，均热温度1210～1260℃；先粗轧，开轧温度≥1050℃，在1000～1100℃进行5～9道次轧制，每道次压下率不少于10％，累计压下率不小于70％，粗轧结束后冲高压水急冷到960～940℃，然后空冷15～30秒；再在780～950℃进行6～10道次精轧，每道次压下率≥12％，终轧温度≤830℃，轧制成中厚板；

b.热连轧生产工艺为：将板坯加热至1210～1260℃；粗轧时每道次压下率≥20％，累计压下率≥80％，粗轧结束温度≤1000℃，精轧开轧温度≤950℃，中间道次压下率≥20％，最后2道次压下率≥10％，终轧温度≤800℃，轧后采用层流冷却，冷却速度≥18℃/s，卷取温度500～600℃，制得热轧板。