港口機械用低合金高強度鋼板Q345E-Z35的研制

鄭香增

(濟南鋼鐵集團公司,山東濟南 250101)

港口機械用低合金高強度鋼板Q345E-Z35的研制

鄭香增

(濟南鋼鐵集團公司,山東濟南 250101)

總結(jié)了濟鋼生產(chǎn)港口機械用低合金厚鋼板Q345E-Z35的試制過程。通過分析鋼的化學(xué)成分、夾雜物情況等對性能的影響,采取優(yōu)化冶煉工藝及軋制工藝的措施,合理控制了碳當(dāng)量及夾雜物的形態(tài)、分布,在鋼的強度不降低的情況下,提高了鋼的抗層狀撕裂性能,鋼板質(zhì)量、各項性能均滿足技術(shù)條件的要求。

抗層狀撕裂性能;碳當(dāng)量;工藝優(yōu)化

1 引言

近年來,由于港口建設(shè)的蓬勃發(fā)展,港口機械用低合金鋼板市場需求旺盛。隨著現(xiàn)代港口工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,港口裝卸機械作用越來越大,功能逐漸增強。在港口機械中,門式抓斗裝卸橋是在復(fù)雜工況下作業(yè)的大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng),門式裝卸橋的跨度通常大于35 m,整個門架結(jié)構(gòu)均采用焊接的封閉箱型金屬結(jié)構(gòu),其動態(tài)性能受多種因素的影響。港口起重機是一種經(jīng)常起動、制動和反復(fù)運動的機械,機構(gòu)和結(jié)構(gòu)承受著強烈的沖擊振動,這種沖擊振動產(chǎn)生的動載荷在起重機的運行過程中是必須加以考慮的。鋼材的選用決定港口起重機金屬結(jié)構(gòu)的可靠性。為了港口機械金屬結(jié)構(gòu)的安全度,考慮到載荷、材料性質(zhì)、構(gòu)件實際尺寸等因素,必須使用性能級別高的鋼材,以減輕結(jié)構(gòu)重量,降低建造成本,提高其可靠性。

為滿足市場的需求,盡快開發(fā)出港口機械用低合金厚鋼板Q345E-Z35有十分重要的意義。港口機械用含鈮低合金高強度鋼有較高的技術(shù)要求,要求高精度尺寸、良好的表面質(zhì)量、優(yōu)良的力學(xué)性能,鋼板在具備高強度、高延伸率、塑性、低溫韌性的基礎(chǔ)上,需同時具備易焊接性及厚度方向性能。

2 產(chǎn)品設(shè)計思路

港口機械用低合金厚鋼板Q345E-Z35成分設(shè)計的重點放在純凈鋼質(zhì),降低碳當(dāng)量和微合金化,研究鋼中Nb微合金元素和有害元素在鋼板控軋過程中的行為和作用。碳和錳含量是低合金鋼的設(shè)計基礎(chǔ),根據(jù)國內(nèi)外發(fā)展的趨勢,多采用低碳高錳的成分設(shè)計,并采用Nb微合金化,這樣既能夠提高強度,又能通過控軋達(dá)到細(xì)化晶粒之目的。

(1)合理設(shè)計碳、硅、錳的成分范圍,降低碳當(dāng)量。另外,錳作為鐵素體固溶強化元素而存在,含量過高會形成貝氏體,使鋼的塑性和韌性受到損失,因此將錳控制在中下線。

(2)大型焊接結(jié)構(gòu)件由于拘束條件苛刻,在焊接熱影響區(qū)易產(chǎn)生層狀撕裂,它與鋼的硫含量有密切關(guān)系,嚴(yán)格控制磷、硫含量,硫含量控制在0.005%以下,同時對鋼液進行鈣處理,確保板厚方向的塑性,提高抗層狀撕裂能力。

(3)用Ti、Nb微處理技術(shù),向鋼中添加微量的Ti、Nb,細(xì)化晶粒,提高鋼的韌塑性,并改善厚規(guī)格鋼板的焊接性能。

(4)合理控制冶煉工藝,通過KR鐵水預(yù)處理、LF/VD/RH爐外精煉充分脫除鋼中雜質(zhì)和氣體,獲得純凈的鋼質(zhì);通過鋼包喂Ca線的方式,對夾雜物進行鈣處理。適當(dāng)降低拉速,減輕連鑄坯的偏析與疏松。

(5)為了獲得優(yōu)良的可焊接性,嚴(yán)格控制鋼的碳當(dāng)量,當(dāng)鋼板厚度小于40 mm時,Ceq應(yīng)小于0.40%,當(dāng)鋼板厚度大于40 mm時,Ceq應(yīng)小于0.42%。在港口機械用鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范中引入了焊接裂紋敏感系數(shù)(Pcm),Pcm應(yīng)小于0.29%。

Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+ V)/5

Pcm=C+Mn/20+Si/30+Cr/20+Ni/60+ Cu/20+Mo/15+V/10

3 生產(chǎn)工藝控制

3.1 冶煉工藝

港口機械用含鈮低合金高強度鋼冶煉工藝,KR鐵水脫硫預(yù)處理,入轉(zhuǎn)爐的鐵水硫含量小于0.005%,確保成品低硫含量的要求。為降低鋼中氫含量、氧含量及去除夾雜物而采用VD真空脫氣處理。采用鋼包喂SiCa線處理對夾雜物進行變性控制。在鋼中盡可能降低自由氧含量,從而保證鈣的收得率,提高鋼板厚度方向斷面收縮率。

3.2 軋制工藝

根據(jù)含鈮鋼的特點,粗軋在高溫區(qū)以大變形量軋制使奧氏體充分再結(jié)晶。鋼板在粗軋階段采用大壓下軋制,一是可以增大應(yīng)力應(yīng)變向鋼板內(nèi)部的滲透率,使得鋼板內(nèi)部缺陷更容易焊合;二是在粗軋階段采用大壓下軋制能夠使得奧氏體晶粒通過不斷地發(fā)生再結(jié)晶而細(xì)化晶粒,從而獲得優(yōu)良的鋼板性能。在900℃以下開始精軋,通過變形量的配合,使鋼中的Nb在奧氏體中部分誘導(dǎo)析出。

3.3 熱處理

正火熱處理后鋼板組織比較均勻,晶粒進一步細(xì)化,在鋼板強度稍有下降或基本不變的情況下,可大大提高鋼板的沖擊韌性,得到強度、塑性、韌性的最佳匹配。港口機械用高強鋼厚板均通過正火改善組織,獲得良好的綜合性能。40 mm以上的高強度港口機械用鋼板采取正火處理工藝。因成分設(shè)計含有Nb、Ti等碳化物形成元素,采用高于Ac3以上50℃溫度進行正火處理。

4 產(chǎn)品實物質(zhì)量

試制工藝流程為:KR鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD真空處理→連鑄→加熱→軋制→正火熱處理。

4.1 化學(xué)成分

潔凈鋼冶煉工藝保證了鋼的內(nèi)部質(zhì)量,鋼質(zhì)的純凈度高,P、S等雜質(zhì)元素含量低。熔煉成分見表1。

表1 熔煉成分(%)

4.2 力學(xué)性能

Nb、Ti微合金化成分設(shè)計及合理的控軋、正火工藝,保證了鋼板的各項力學(xué)性能,低溫韌性值超過標(biāo)準(zhǔn)要求,且富裕量較大。厚度方向性能鋼板良好,遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求。力學(xué)性能見表2～4,系列溫度沖擊折線圖見圖1。

4.3 金相檢驗

取樣做金相檢驗,金相檢驗項目及結(jié)果見表5。

表2 拉伸試驗性能

表3 Z向性能

表4 系列溫度沖擊功

圖1 V型系列溫度沖擊值折線圖

表5 金相檢驗

4.4 試樣斷口掃描

抗層狀撕裂拉伸試樣斷口掃描,見圖2、圖3所示。鋼板試樣斷口較好,拉伸斷口呈韌性斷裂,韌窩較多,斷面收縮率數(shù)值也較高。鋼板厚度方向性能試驗數(shù)值較高,均值達(dá)到60%以上,遠(yuǎn)大于GB/T 5313-2010厚度方向性能鋼板指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

(1)港口機械用低合金厚鋼板生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)在于提高鋼水的純凈度,盡量減少鋼中的夾雜物含量,減少鑄坯缺陷,特別是中心偏析與縮孔缺陷。潔凈鋼冶煉工藝保證了大厚度鋼板的內(nèi)部質(zhì)量,鋼質(zhì)的純凈度高,P、S等雜質(zhì)元素含量低。(2)Nb、Ti微合金化成分設(shè)計及合理的控軋、正火工藝,保證了港口機械用低合金厚鋼板的力學(xué)性能,低溫韌性值超過標(biāo)準(zhǔn)要求,且富裕量較大。厚度方向性能鋼板良好,遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 抗層狀撕裂試樣斷口

圖3 抗層狀撕裂試樣斷口

[1] 東 濤,傅俊巖.微鈮處理鋼的物理冶金[C]//.2002年全國低合金鋼非調(diào)質(zhì)鋼學(xué)術(shù)年會論文集,2002.

Research and Development of High Strength Low Alloy Structure Steel Plate Q345E-Z35 for Port Machinery

ZHENG Xiangzeng

(Jinan Iron and Steel Group Corp.,Jinan 250101,Shandong,China)

The development process of Q345E-Z35 low alloy structure thick steel plates for port machinery were summed up in this paper.By analyzing the effect of chemical contents and inclusion on property,the measures for optimizing smelting and rolling process were made.The carbon equivalent and form and distribution of inclusion were controlled reasonably.On the condition of retaining the steel’s strength,the steel’s lamellar tearing resistant was improved.Plate quality and various properties all meet product specification.

lamellar tearing resistant,carbon equivalent,process optimization

TG142.41

A

1001-5108(2017)02-0017-03

鄭香增,高級工程師,主要從事金屬材料方面的研究。