趙樹(shù)棟

（天津天鐵冶金集團(tuán)煉鋼廠，河北涉縣056404）

天鐵Q460D低合金高強(qiáng)度鋼中板的研制開(kāi)發(fā)

趙樹(shù)棟

（天津天鐵冶金集團(tuán)煉鋼廠，河北涉縣056404）

介紹了天鐵Q460D低合金高強(qiáng)度鋼中板的開(kāi)發(fā)過(guò)程，對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生產(chǎn)出的Q460D中板具有良好的沖擊韌性和焊接性能。在采用控軋控冷工藝后，產(chǎn)品具有比較理想的金相組織和力學(xué)性能，質(zhì)量穩(wěn)定，能夠滿足用戶的要求，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

Q460D；沖擊韌性；金相組織；焊接性能

1 引言

隨著工程機(jī)械行業(yè)大量使用高強(qiáng)度低合金鋼，許多鋼鐵企業(yè)也相繼開(kāi)始研發(fā)高級(jí)別低合金結(jié)構(gòu)鋼。為了企業(yè)的發(fā)展和低成本的實(shí)施，對(duì)于開(kāi)發(fā)高級(jí)別低合金鋼有著重要的意義。高級(jí)別低合金鋼的批量生產(chǎn)使得企業(yè)生產(chǎn)成本進(jìn)一步地降低，增強(qiáng)了企業(yè)在市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，目前已建成的天鐵中板生產(chǎn)線為2 500 mm軋機(jī)，年產(chǎn)量50萬(wàn)t。為促進(jìn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)以及品種鋼的結(jié)構(gòu)調(diào)整，我公司決定開(kāi)發(fā)生產(chǎn)Q460D低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

在研發(fā)Q460D的過(guò)程中，針對(duì)產(chǎn)品的特點(diǎn)和性能、通過(guò)控制控冷的工藝措施，得到的晶體組織間的晶粒細(xì)化結(jié)果明顯，顯著提高了鋼板的沖擊韌性和焊接性能。對(duì)于Q460D軋制過(guò)程成分、軋制工藝參數(shù)的優(yōu)化確定，實(shí)現(xiàn)了Q460D的批量生產(chǎn)，產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)符合國(guó)標(biāo)要求，經(jīng)濟(jì)效果顯著。低合金結(jié)構(gòu)鋼的大量應(yīng)用替代碳素結(jié)構(gòu)鋼，可大大減輕鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)省鋼材。在2008年北京奧運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)的“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)總重量為4.6萬(wàn)t，最大跨度34 m，所用的鋼材就是Q460D。這是我國(guó)在國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)上首次使用Q460D鋼材，使得鋼結(jié)構(gòu)重量大大減輕，使得“鳥(niǎo)巢”生產(chǎn)成本大幅降低。

2 低合金結(jié)構(gòu)鋼的成分及生產(chǎn)工藝控制

2.1 低合金結(jié)構(gòu)鋼的成分控制

低合金結(jié)構(gòu)鋼是在普碳鋼中加入微量的合金元素，而具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的冷成型和焊接性能、低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度和良好的耐蝕性等綜合力學(xué)性能。使用Q460D強(qiáng)度比使Q235D高約30% 40%、耐大氣腐蝕能提高25%～42%、用它制造的工程結(jié)構(gòu)重量可減輕25%～35%，使企業(yè)的生產(chǎn)成本大幅降低。

生產(chǎn)低合金結(jié)構(gòu)鋼碳含量是逐步降低的過(guò)程對(duì)于需要更高韌性與焊接性能的鋼板，通常采用C≤0.10%設(shè)計(jì)。

加入微量鉻、鎳合金后增加了奧氏體的過(guò)冷度，降低了馬氏體與貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度，促進(jìn)了馬氏體的形成。鋼板在出軋機(jī)后經(jīng)過(guò)控冷水的快速冷卻，基本能夠消除鐵素體及珠光體的形成。鈮能夠起到細(xì)化晶粒，能夠在軋制過(guò)程中提高在結(jié)晶溫度，提高軋制溫度。錳的作用固溶強(qiáng)化，高M(jìn) n/C提高屈服強(qiáng)度和沖擊韌性，降低析出碳化物、促進(jìn)沉淀強(qiáng)化。釩具有較強(qiáng)的析出強(qiáng)化能力，用來(lái)提高鋼的強(qiáng)度。鈦是很強(qiáng)烈的固氮元素，細(xì)小的TiN晶體能有效地阻礙加熱過(guò)程奧氏體的晶粒的長(zhǎng)大。鈦能明顯改善焊接性能。

天鐵開(kāi)發(fā)的Q460D鋼板添加鉻、鎳、鈮、錳、釩、鈦這微量的元素，通過(guò)復(fù)合微量合金元素的方案、細(xì)化晶粒，達(dá)到提高鋼板的強(qiáng)度、韌性和焊接性能的要求。特別是加入微量鈮后能顯著提高鋼的韌性，降低了硫、磷的含量。

提高鋼板的低溫沖擊韌性，降低夾雜含量，提高鋼水的純凈度，D類夾雜物為2.5~4級(jí)。由于D類夾雜含量較高，這是由于鋼中較高的Al含量使夾雜物球化，降低了夾雜的有害物質(zhì)。Q460D鋼種中碳、錳含量的降低，使得鋼固溶強(qiáng)化增量降低，加入微量合金釩元素后，形成強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化?？剀埞に嚨膽?yīng)用能夠形成較小的鐵素體晶粒，使得細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化增量增多，彌補(bǔ)固溶強(qiáng)化增量降低，使鋼板具有較高的強(qiáng)度。

2.2 生產(chǎn)工藝控制

天鐵中板在現(xiàn)有裝備技術(shù)條件下，成功試軋了Q460D該鋼種。軋制后經(jīng)檢驗(yàn)各項(xiàng)力學(xué)性能滿足要求，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效果明顯。生產(chǎn)過(guò)程中控制軋制工藝是生產(chǎn)Q460D生產(chǎn)的關(guān)鍵，此次實(shí)驗(yàn)鋼板規(guī)格20 mm，鋼坯加熱溫度1 200℃，加熱爐的保溫時(shí)間30 min、在初軋時(shí)溫度控制在1 050~1 100℃，軋5道次壓下率控制在25%~35%；精軋階段總的壓下率60%~70%，精軋溫度控制在900~950℃。軋后進(jìn)入快速冷卻，終冷溫度在500~650℃，冷卻速度12 25℃/s。在軋后快速冷卻的目的：獲得針狀的珠光體和鐵素體，以提高鋼板的強(qiáng)度和韌度。這一控軋控冷工藝所得到的金相組織見(jiàn)圖1。Q460D的金相組織統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1?？刂瓶乩涔に囋嚇観460D鋼板的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

圖1 Q 460D的典型金相組織

表1 Q460D的金相組織統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 控制控冷工藝試樣Q460D鋼板的力學(xué)性能

通過(guò)對(duì)檢驗(yàn)試樣各項(xiàng)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、冷彎均達(dá)到低合金結(jié)構(gòu)鋼的要求，且性能指標(biāo)良好，試樣金相顯示鐵素體和珠光體組織，試樣中金相組織晶粒度比較細(xì)小，晶粒度級(jí)別9~11級(jí)。

2.3 焊接性能分析

為保證鋼板的焊接性能，當(dāng)鋼中成分滿足Ceq0.48、Pcm=0.22這兩個(gè)條件后，這樣低的碳含量能保證鋼板的焊接性能。

Q460D的成分見(jiàn)表3。

表3 Q460D的成分

焊接通常是通過(guò)焊劑將兩塊板材焊接到一起，焊接性能是低合金結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，應(yīng)該具有低的碳當(dāng)量和焊接裂紋敏感系數(shù)，硫、磷含量較低，才能保證Q460D的焊接性能，焊接性能的好壞直接影響著低合金結(jié)構(gòu)鋼的安全。

影響焊接因素是多方面的，如化學(xué)成分、組織形態(tài)、厚度等。這里主要考慮化學(xué)成分對(duì)焊接性能的影響。

碳對(duì)焊接性能是不利的：當(dāng)C≥0.7時(shí)，裂紋傾向增大；Mn≥1.4時(shí)，Mn會(huì)提高焊接接頭的韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度，所以在成分上限制了錳碳的加入量。碳含量的過(guò)高對(duì)焊接是不利的，應(yīng)該將碳含量限制在0.4以下。

2.4 焊接接頭的性能

在鋼板上取試樣做拉伸和彎曲檢驗(yàn)，拉伸和彎曲試樣的焊接試樣見(jiàn)圖2、圖3及表4。

圖2 焊接接頭的拉伸試樣

圖3 焊接接頭的冷彎試樣

表4 Q460D的橫向和縱向拉伸冷彎試樣結(jié)果

通過(guò)對(duì)板材的焊接接頭的縱向和橫向?qū)嶒?yàn)結(jié)果表明，該鋼板的實(shí)物試樣焊接質(zhì)量達(dá)到了Q460D的焊接質(zhì)量要求。對(duì)上述鋼板焊接試樣現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，要嚴(yán)格執(zhí)行操作焊接的操作規(guī)程以及安全注意事項(xiàng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼板試樣的標(biāo)號(hào)清晰。焊接方面應(yīng)采用小電流，快速不擺動(dòng)焊件，要提高鋼板的耐蝕性，就必須保證鋼板焊縫的耐蝕性。

在采用控軋控冷技術(shù)后對(duì)提高Q460D的強(qiáng)度是非常有效的，細(xì)化晶粒、帶狀組織減弱是保證強(qiáng)度提高的根本原因。

3 Q 460D低合金結(jié)構(gòu)鋼的使用效果

經(jīng)過(guò)對(duì)鋼板的力學(xué)性能指標(biāo)和焊接性能的實(shí)際鋼板試樣的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明低合金結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)勢(shì)明顯，各項(xiàng)性能均優(yōu)于普碳鋼。低合金高強(qiáng)度鋼與普碳鋼相比，更加廣泛應(yīng)用于各類船舶、橋梁、工程機(jī)械等生產(chǎn)中。在成功應(yīng)用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼以后，使得各類工程機(jī)械及船舶、橋梁的重量大幅度減輕，節(jié)省了大量的鋼材。北京奧運(yùn)會(huì)“鳥(niǎo)巢”的成功應(yīng)用低合金鋼就是典型的例子。而且低合金高強(qiáng)度鋼的耐蝕性能也比普碳鋼要高出25%～42%，使其使用壽命大大提高。在海水中大量使用這種鋼材使得生產(chǎn)成本大幅降低。經(jīng)過(guò)實(shí)踐得出：成功開(kāi)發(fā)Q460D低合金高強(qiáng)度鋼對(duì)節(jié)約資源、降低生產(chǎn)成本、保護(hù)環(huán)境具有顯著效果。

4 結(jié)論

天鐵中板開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的Q460D低合金高強(qiáng)度合金鋼，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析，表明該鋼種具有良好的沖擊韌性和優(yōu)異的焊接性能在采用控軋控冷工藝后使軋制后的產(chǎn)品得到比較理想的晶相組織和力學(xué)性能。質(zhì)量穩(wěn)定、已具備批量生產(chǎn)的條件，產(chǎn)品性能完全能夠滿足下游用戶的需要。Q460D的成功生產(chǎn)也使企業(yè)的生產(chǎn)成本大幅降低，對(duì)今后企業(yè)開(kāi)發(fā)新鋼種鋼積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

[1]沈其文.材料成型工藝[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000.

[2]朱鴻宜.焊接結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]李梅廣.調(diào)質(zhì)工藝在中厚板產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面的應(yīng)用探討[J].山東冶金，2007（6）：29-31.

[4]呂德林.焊接技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

Research and Development of Q460D Low Alloy High Strength Steel Heavy Plate in Tiantie

ZHAO Shu-dong
(Steel-making Plant,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She Country,Hebei Province 056404,China)

The paper exp lains the developing process of Q460D low alloy high strength steel heavy p late in Tiantie.Process parameters were tested and analyzed.Test results showed the produced Q460D p late possessed good impact toughness and welding performance.With controlled rolling and controlled cooling process,the product,with ideal metallographic structure and mechanical property,showed stable quality,meeting the demand by the customer and realizing scale production.

Q460D;impact toughness;metallographic structure;welding performance

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.004

2016-05-25

2016-06-18

趙樹(shù)棟（1985—），男，本科，主要從事于軋鋼方面的研究工作。