Q345q系列特厚桥梁钢板及其生产方法

摘要

本发明公开了一种Q345q系列特厚保性能、保探伤桥梁钢板，包含如下质量量百分比的化学成分：C：0.08～0.16、Si：0.20～0.50、Mn：1.15～1.60、P：≤0.020、S：≤0.010、微合金化元素(V+Nb+Ti+Ni)：≤0.12、AlS：0.010～0.050、其它为Fe和残留元素；碳当量：≤0.43。本发明还公开了该钢板的生产方法，包括轧制、冷却、矫直、堆冷、热处理，在所述轧制、冷却、矫直中，通过进行合理的成分设计、模铸浇注、TMCP轧制及热处理，成功地在转炉-模铸浇注-轧机轧制-正火热处理生产线开发出了130mm特厚Q345qD(E)钢板，二级探伤合格率达到90％，性能初验合格率达到100％，其实物Z向性能可达Z15水平，该特厚桥梁板的开发满足了对桥梁行业较高要求。

说明书

技术领域

本发明涉及到钢材，具体涉及到一种Q345q系列特厚桥梁钢板及其生产方法。

背景技术

随着我国国民经济的迅速发展，桥梁钢的发展也向着特厚、特宽、高性能方向发展。桥梁结构用钢广泛应用于各种大跨度桥梁的主体，要求能免承受较大的静、动载荷，有较长的服役时间，因此桥梁钢行业对钢板强韧性、焊接性能、屈强比、抗层状撕裂能力提出了较高的要求，高强度、优良的低温韧性经及良好焊接性能的桥梁钢的需求不断增加。目前厚度100m以上的桥梁板国内能生产的钢厂还不多，但关于厚度在100111m以上的Q345q系列(包括：Q345qC钢、Q345qD钢和Q345qE钢)特厚桥梁钢板以其生产难度大、工艺装备要求特殊等原因无法生产。

发明内容

针对上述问题，本发明人经过摸索，获得了一种厚度在100m以上的Q345q系列特厚桥梁钢板，从而完成了本发明。

因此，本发明的目的在于提供一种厚度在100mm以上的Q345q系列特厚桥梁钢板。本发明的另一目的在于提供这种该钢板的生产方法。

为达到上述第一个目的，本发明采取的技术方案是该Q345q系列特厚桥梁钢板包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.08～0.16、Si：0.20～0.50、Mn：1.15～1.60、P：≤0.020、S：≤0.010、微合金化元素(V+Nb+Ti+Ni)：≤0.12、AlS：0.010～0.050、其它为Fe和残留元素；

碳当量[Ceq＝C+Mn/5+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]：≤0.43。

以上各个化学成分的作用分析如下：

C：是钢中最基础的强化元素，提高强度，但C影响钢的焊接性能和影响韧性。综合考虑，碳的含量尽量控制的低一些。

Si：是固溶强化元素，对提高钢板的强度有利。

Mn：是固溶强化元素，对提高钢板的强度和韧性均有利。

P：对焊接不利，且具有一定的冷脆性，在本钢种中属于有害元素，应控制的尽量低。

S：易形成MnS类夹杂物，具有一定的热脆性，在本钢种中属于有害元素，应控制的尽量低。

V、Nb、Ti：在钢中能够与C、N结合，形成微细碳化物或碳氮化物，能起细化晶粒和弥散强化作用，从而达到有效提高钢材的强韧性的综合效果。

Ni：适量的加入可以有效提高钢板的低温冲击韧性。

Al：可以起到细化晶粒强化作用。

所述特厚桥梁钢板的厚度在100mm以上。

为达到上述目的，本发明采取的生产方法包括：转炉冶炼、LF精炼、真空精炼、浇注、加热、控冷、缓冷、热处理；其特征在于第一阶段开轧温度控制在1000～1200℃之间，采用高温低速大压下轧制，道次压下量不小于40mm；当温度不低于1000℃时，停轧晾钢，晾钢厚度为成品厚度的2-3倍；当轧件温度为860～920℃时，开始第二阶段轧制，道次压下量不小于30mm，最后三道次压下率≥15％，逐道递增；终轧温度控制在800～860℃；轧制完毕后采用ACC控冷，终冷温度控制在650～750℃之间，然后送往矫直机矫直。

桥梁结构钢对强度和焊接性能要求较高，使得碳当量的使用受到限制，对于特厚桥梁板来说，成分设计更为慎重和关键。GB/T714-2008国标中的最大厚度仅为100mm，要想得到130mm的特厚桥梁板，应合理选用微合金化元素，利用Nb、V、Ti的最佳配比复合加入，充分发挥析出强化与细晶强化双重效果，在不降低韧性的前提下，确保桥梁板的各项性能指标达到国标50-100mm的要求。

为获得较好的内部质量，确保探伤要求，洁净钢的冶炼是基础，主要从两个方面来确保，一是钢水中非金属夹杂物(A、B、C、D四大类)的总级别控制在4.0以内，二是严格钢水中五大有害元素的含量，具体措施是：脱硫采取两步走，一方面采取铁水预脱硫工艺确保入炉铁水S含量；另一方面在LF精炼炉强化造白渣进行二次脱硫。脱氧同样采取两步走，一方面严格控制转炉终点C％含量(防止过氧化)、强化挡渣出钢，加强脱氧操作，提高钢水纯净度；另一方面充分利用LF精炼炉，采用高温、高碱度、高渣量低氧化铁造渣工艺充分脱氧；再者需在VD真空条件下延长保压时间充分脱气。严格按照洁净钢生产工艺路线，确保S、P、N、H、O五大有害元素控制在160ppm以内。采用合适的烧钢温度，烧钢时间为13min/cm+60min，确保微合金化元素在奥氏体区的充分固熔，粗轧阶段采取高温低速大压下工艺，二阶段采取＞2.5H的晾钢厚度轧制，ACC采用合适的辊速和5～15℃/S的冷速，以保证控制轧制细化晶粒的效果。

为进一步均匀组织，消除带状组织，细化晶粒，改善钢板综合力学性能，对轧后钢板采用正火热处理工艺，正火温度选择在Ar3+(30-50℃)区间，采用2.2min/mm+30min的保温时间。为了保证强韧性和焊接性能要求，成分设计采取低碳高锰方案，同时严控钢种[P]、[S]、[N]、[H]、[O]五大有害元素含量。

通过进行合理的成分设计、模铸浇注、TMCP轧制及热处理，成功地在转炉-模铸浇注-轧制-正火热处理生产线开发出了130mm特厚Q345qD(E)钢板，二级探伤合格率达到90％，性能初验合格率达到100％，其实物冲击功可达E级、Z向性能达Z15水平。该特厚桥梁板的开发满足了对桥梁行业较高要求。

附图说明

下面结合附图，对本发明做进一步阐述。

图1是本发明工艺流程图。

图2是本发明TMCP轧制后的金相组织图。

图3是本发明热处理后的金相组织图。

具体实施方式

本发明所述Q345qD特厚桥梁钢板包含如下质量百分比的化学成分：C％：0.08～0.16、Si％：0.20～0.45、Mn％：1.15～1.60、P％：≤0.020、S：≤0.010、微合金化元素(V+Nb+Ti+Ni)％：≤0.12、AlS％：0.010～0.050、其它为Fe和残留元素；碳当量[Ceq＝C+Mn/5+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]：≤0.43。

本发明采取的生产方法，包括轧制、冷却、矫直、堆冷、热处理，在所述轧制、冷却、矫直，其特征在于第一阶段开轧温度控制在1000～1200℃之间，采用高温低速大压下轧制，道次压下量不小于40mm；当温度不低于1000℃时，停轧晾钢，晾钢厚度为成品厚度的2-3倍；当轧件温度为860～920℃时，开始第二阶段轧制，道次压下量不小于30mm，最后三道次压下率≥15％，逐道递增；终轧温度控制在800～860℃；轧制完毕后采用ACC控冷，终冷温度控制在650～750℃之间，然后送往矫直机矫直。

在所述转炉冶炼中，出钢碳≥0.06％，出钢P≤0.012％，S≤0.012％；点吹次数不得大于2次，避免出钢过程下渣。

在所述LF精炼中，采取大渣量进行造渣，确保白渣保持时间控制在15min以上。

在所述真空精炼中，在≤67Pa下的保压时间按≥10min进行控制。

在所述加热中，均热坑的保温温度控制在1200℃～1300℃。

在所述控冷中，返红温度＜740℃，冷速控制在5～15℃/s。

在所述缓冷中，入缓冷坑温度≥300℃；堆冷时间≥24小时。

在所述热处理中，保温温度：910±30℃；加热时间：1.5-2.5min/mm；冷却方式：空冷或风冷。

所述堆冷中，钢板堆垛缓冷前的温度应高于300℃，堆垛缓冷时间依据钢板中氢的含量、钢板初始温度及钢板厚度而定。

实施例1

通过转炉冶炼、LF精炼、真空精炼、浇注、加热、控冷、缓冷、热处理工艺，获得如下表2所述化学成分的Q345qD成品钢，其中各工艺参数及力学性能见如下表4、5、6。

表1  实施例1钢的化学成分

  C(％)  Si(％)  Mn(％)  P(％)  S(％)  Ni+V+Nb+Ti(％)  AlS(％)  N(％)  0.12  0.30  1.50  0.013  0.002  0.09-0.10  0.030  0.004

实施例2

通过转炉冶炼、LF精炼、真空精炼、浇注、加热、控冷、缓冷、热处理工艺，获得如下表2所述化学成分的Q345qD成品钢，其中各工艺参数及力学性能见如下表4、5、6。

表2  实施例2钢的化学成分

  C(％)  Si(％)  Mn(％)  P(％)  S(％)  Ni+V+Nb+Ti(％)  AlS(％)  N(％)  0.11  0.28  1.50  0.011  0.001  0.09  0.020  ≤0.006

实施例3

通过转炉冶炼、LF精炼、真空精炼、浇注、加热、控冷、缓冷、热处理工艺，获得如下表2所述化学成分的Q345qD成品钢，其中各工艺参数及力学性能见如下表4、5、6。

表3  实施例3钢的化学成分

  C(％)  Si(％)  Mn(％)  P(％)  S(％)  Ni+V+Nb+Ti(％)  AlS(％)  N(％)  0.13  0.35  1.45  0.012  0.002  0.10  0.032  ≤0.008

本发明的工艺路线

铁水KR脱硫-转炉冶炼-LF精练-VD真空脱气-模铸浇注-钢锭脱模缓冷-加热-除磷-轧机轧制-ACC冷却-矫直-钢板堆冷-表面检查-精整-正火热处理-探伤-性能检测一入库。

1.1炼钢部分

1.1.1成分设计

桥梁结构钢对强度和焊接性能要求较高，使得碳当量的使用受到限制，对于特厚桥梁板来说，成分设计更为慎重和关键。GB/T714-2008国标中的最大厚度仅为100mm，要想得到130mm的特厚桥梁板，应合理选用微合金化元素，利用Nb、V、Ti、Ni的最佳配比复合加入，充分发挥析出强化与细晶强化双重效果，在不降低韧性的前提下，确保桥梁板的各项性能指标达到国标50-100mm的要求。为了保证强韧性和焊接性能要求，成分设计采取低碳高锰方案，同时严控钢种[P]、[S]、[N]、[H]、[O]五大有害元素含量。

1.1.2压缩比设计

由于要求保探伤，同时对性能指标要求严格，结合以往实践经验，本次压缩比至少≥4，结合钢锭特点，选择33t锭型比较合理，该钢锭小头厚820mm，大头厚960mm，平均厚度890mm，平均压缩比6.85，完全达到设计要求。

1.1.3钢水洁净度

为获得较好的内部质量，确保二级探伤要求，洁净钢的冶炼是基础，主要从两个方面来确保，一是钢水中非金属夹杂物(A、B、C、D四大类)的总级别控制在4.0以内，二是严格钢水中五大有害元素的含量，具体措施是：脱硫采取两步走，一方面采取铁水预脱硫工艺确保入炉铁水S含量≤0.005％；另一方面在LF精炼炉强化造白渣进行二次脱硫。脱氧同样采取两步走，一方面严格控制转炉终点C％含量(防止过氧化)、强化挡渣出钢，加强脱氧操作，提高钢水纯净度；另一方面充分利用LF精炼炉，采用高温、高碱度、高渣量低氧化铁造渣工艺充分脱氧；再者需在VD真空条件下延长保压时间充分脱气。严格按照洁净钢生产工艺路线，确保S、P、N、H、O五大有害元素控制在160ppm以内。

1.1.4TMCP轧制

采用合适的烧钢温度，烧钢时间为13min/cm+60min，确保微合金化元素在奥氏体区的充分固熔，粗轧阶段采取高温低速大压下工艺，二阶段采取＞2.5H的晾钢厚度轧制，ACC采用合适的辊速和5～15℃/S的冷速，以保证控制轧制细化晶粒的效果。

1.1.5热处理

为进一步均匀组织，消除带状组织，细化晶粒，改善钢板综合力学性能，对轧后钢板采用正火热处理工艺，正火温度选择在Ar3+(30-50℃)区间，采用2.2min/mm+30min的保温时间。

2.2锭型选择

常规模铸锭有24T、26T、32T、33T、43T和48T，水冷模锭有50T和60T，选择较为合适的33T常规模铸锭型。

2.3加热

不同的加热制度影响奥氏体原始晶粒度，而奥氏体原始晶粒度又影响再结晶后的晶粒大小。Q345qD(E)钢中含有含量较高的Nb，此类钢温度达到900℃以上铌的碳氮化合物才开始分解固溶，使奥氏体晶粒开始长大，至1150℃晶粒长大比较均匀，温度提高到1200℃时晶粒进一步长大，即所谓二次再结晶发生。因此，为了轧制后的钢材具有均匀细小的晶粒，加热温度一般以1150℃左右为宜。若加热至1050℃，则奥氏体晶粒大小不均，使轧后钢材易产生混晶，若加热至1200℃或更高，则晶粒过份长大，使轧后钢材晶粒难以细化，因此，加热温度设定为1100～1200℃，保温时间为13cm/min+60min。

2.4控轧控冷

采用Ⅱ阶段(奥氏体再结晶区、奥氏体未再结晶区)控制轧制。在第一阶段的轧制中，主要是静态再结晶，此阶段尽量使道次压下率大于静态再结晶的临界压下率(同时总变形量大于50％)，另此规格钢板用钢锭进行轧制，为改善内部缺陷，采用高温低速大压下工艺。为避免在部分奥氏体再结晶区轧制，二阶段开轧温度应小于950℃，同时给以较大的累计压下率(总变形量60％～80％)，即有一个适当的待温厚度，使奥氏体充分变形，形成比较多的变形带，增加变形核，达到细化铁素体和珠光体晶粒的目的。按上述变形分配原则，轧制后钢材其强度提高，脆性转变温度降低，低温韧性得到明显改善。

为充分细化相变前的奥氏体组织，阻止或延迟碳化物在冷却过程中过早析出，使其在铁素体中弥散析出，提高强度，同时减小珠光体团的尺寸，细化珠光体片层间距，改善钢材包括塑性、韧性等在内的综合力学性能，控轧完成后，根据成品厚度，合理控制ACC工艺进行控制冷却，保证钢板返红温度低于Ar1。

执行工艺如下：第一阶段开轧温度控制在1000～1200℃之间，采用高温低速大压下轧制，道次压下量不小于40mm；当温度不低于1000℃时，停轧晾钢，晾钢厚度为成品厚度的2-3倍；当轧件温度为860～920℃时，开始第二阶段轧制，道次压下量不小于30mm，最后三道次压下率≥15％，逐道递增；终轧温度控制在800～860℃；轧制完毕后采用ACC控冷，终冷温度控制在650～750℃之间，然后送往矫直机矫直。

2.5堆冷工艺

采用高温堆冷工艺可有效避免因快速冷却产生的残余应力，同时可大大降低钢板中氢的含量，改善钢板探伤缺陷。钢板堆垛缓冷前的温度应高于300℃，堆垛缓冷时间依据钢板中氢的含量、钢板初始温度及钢板厚度等而定。

2.6热处理工艺

执行工艺为保温温度：保温温度：910±30℃；加热时间：1.5-2.5min/mm；冷却方式：空冷或风冷。

试制结果分析

3.1成分控制分析

为保证良好的焊接性能，应控制碳当量Ceq在0.38左右，碳作为强化元素之一，在成分设计内控范围内采用中限控制，保证强度性能的同时，对焊接性能不造成恶化；Mn是细化晶粒元素之一，用以提高强度，降低钢材脆性转变温度，改善低温冲击韧性，但Mn含量不易过高，否则对韧性和焊接性能不利，所以Mn含量控制在1.5％左右。Nb元素具有显著的细化晶粒作用，改善钢的综合性能比较明显，但Nb含量高时，容易使铸坯冷却过程中产生表面裂纹，最好与V、Ti合金复合加入有利于控制连铸坯的表面质量。所以Nb、V、Ti的控制。P、S含量控制在一个较低的范围内。总之，整体成分控制稳定，满足Q345qD(E)成分设计要求。

3.2机械力学性能分析

本次共试生产130mm厚Q345Qd(E)20批，由于Q345qD(E)采用了Ni+V+Nb+Ti复合微合金化成分体系，在轧制过程中将微合金化技术和TMCP工艺有效结合，充分发挥微合金元素的细晶强化作用，有效地改善了钢板强韧性指标，其中：屈服强度控制在315～350MPa，平均达到了335MPa，比标准富裕40MPa；抗拉强度控制在490～515MPa，平均达到了500MPa，比标准富裕30MPa；伸长率控制在29％-32％，平均达到28％，比标准富裕8％；-20℃纵向冲击功控制在144～256J，平均达到了178J，性能指标满足了Q345Qd(E)开发要求，表4为Q345qD(E)性能实物水平。同时为了进一步了解该次实验的实物真正性能水平，对该次实验的钢板进行了厚度Z向拉伸、-40℃冲击等指标进行了检测，检测结果见表5。结果表明，本次开发的特厚Q345qD桥梁板达到了E级、Z15的水平。

表4  本发明试产130mm厚桥梁结构用钢性能

表5  本发明试产130mm厚桥梁结构用钢附加性能水平检测

3.3高倍组织分析

图2为TMCP轧制后钢板的板厚1/4处高倍金相组织图，结果显示组织为铁素体和珠光体，带状组织1.5级，晶粒度6-7级。图3为热处理后钢板的板厚1/4处高倍金相组织图，结果显示，带状组织消失，晶粒度9级。根据资料显示，随着桥梁钢碳含量的不断降低，基本组织也由铁素体和珠光体向针状铁素体和贝氏体及全贝氏体方向发展，这种低碳微合金钢在连续冷却时通常会得到一系列组织：多边形铁素体、准多边形铁素体、针状铁素体、粒状贝氏体、板条贝氏体及M/A组织等，本次试验的碳含量基本在0.10％以上，TMCP轧制后得到的是常规铁素体和珠光体组织。