國內(nèi)某鋼廠橋梁鋼Q420qD的生產(chǎn)淺析

周 妮

（南京鋼鐵股份有限公司中板廠，江蘇 南京 210000）

近年來，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和國內(nèi)需求的拉動，基礎(chǔ)設(shè)施投資大幅增加。特別是“一帶一路”和高鐵戰(zhàn)略沿線，鐵路、公路建設(shè)里程逐年增加?？缍却?、多車道、重載橋梁工程也在明顯增加。而且，鋼橋正越來越多地取代鋼筋混凝土橋，橋梁用鋼板的需求量將大大增加。由于橋梁鋼板是專門用作公路橋梁或鐵路橋梁的鋼板框架，因此具有很高的性能要求，包括一定的強度、韌性、耐大氣腐蝕性、承載力、良好的抗震性、抗疲勞性、低溫韌性和良好的焊接性[1]。高強度鋼減少鋼板厚度，減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)約材料和能源，減少對環(huán)境的危害。遵循可持續(xù)發(fā)展的理念，橋梁工程的應(yīng)用已成為世界性的發(fā)展趨勢[2]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，許多國家在橋梁用鋼的生產(chǎn)中發(fā)展了新的鋼板軋制技術(shù)，如純凈鋼制造、TMCP軋制技術(shù)、微合金化技術(shù)等，其中TMCP軋制技術(shù)不僅需要控制加熱溫度，同時還需要控制軋制溫度和軋制后的冷卻速度[3]。由于它可以獲得高性能的細(xì)晶鋼，從而達(dá)到強韌性的最佳結(jié)合，因此受到了廣泛的關(guān)注。

1 國內(nèi)橋梁鋼的發(fā)展概況

中華人民共和國成立以來，我國橋梁建設(shè)取得了長足的進(jìn)步。新材料、新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使我國橋梁的施工能力不斷提高。我國橋梁鋼材的發(fā)展起步較晚，鐵路建設(shè)的發(fā)展帶動了鋼材的進(jìn)步[4]。我國橋梁發(fā)展經(jīng)歷了四個里程碑式的階段：第一階段是武漢長江大橋使用的CT.3，第二階段的南京長江大橋使用的16Mnq（Q345q）、第三階段的九江長江大橋使用的15MnVNq（Q420q）和第四階段的蕪湖長江大橋14MnNbq（Q370q）。至此已經(jīng)能夠滿足橋梁鋼建設(shè)的需求。2009年后，Q420q已應(yīng)用于南京大勝關(guān)長江大橋、安慶長江鐵路大橋斜拉橋、廣東東荊東江大橋等橋梁。它的設(shè)計大大提高了橋梁的跨度。我國典型橋梁鋼見表1。

表1 典型橋梁鋼的發(fā)展[5]

2 技術(shù)要求與成分設(shè)計

橋梁鋼具有高強度、高韌性、良好的抗震性能等特點。根據(jù)GB/T 714-2015的標(biāo)準(zhǔn)，Q420qD的力學(xué)性能要求如表2。高性能橋梁用鋼采用低碳成分控制可降低鋼中硫、磷的含量。通常通過添加Nb、V、Ti等元素進(jìn)行沉淀強化和晶粒細(xì)化，加入適量的Nb、Ti、Al元素和C、N元素，形成均勻分布在機體上碳氮化合物可以使晶粒變細(xì)。通過合理的控制工藝，固溶強化、析出強化，提高鋼板的強度。當(dāng)Ti元素在高溫下溶解析出時，可防止原始加熱晶粒的擴散和長大，并通過Nb和Ti元素的共同作用防止鋼板表面裂紋的產(chǎn)生。Nb能在高溫變形過程中誘導(dǎo)碳氮化物析出，有效地控制晶粒長大，并具有顯著的析出強化效果。Cr、Cu、Ni在橋梁鋼中的主要作用是提高銹層的致密性和抗大氣腐蝕能力。因此Q420qD鋼的化學(xué)成分設(shè)計如表3所示。

表2 Q420qD的力學(xué)性能要求

表3 Q420qD的設(shè)計成分（Wt/%）

Ceq≤0.435%及Pcm≤0.22%。

碳當(dāng)量（Ceq）計算公式為：

Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

焊接裂紋敏感型指數(shù)（Pcm）代替碳當(dāng)量評估鋼材的可焊性，計算公式為：

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

3 生產(chǎn)工藝

為了獲得更好的性能，根據(jù)Nb的碳化物、氮化物的析出溶解特性，并且一職奧氏體再結(jié)晶的作用，采用了步進(jìn)加熱爐、兩段控制軋制和超快速冷卻。為保證加熱和心部溫度均勻，盡可能減少碳、錳偏析，爐內(nèi)加熱時間應(yīng)大于3.5H，出爐溫度應(yīng)控制在1200℃以內(nèi)。

鈮作為微合金化元素加入鋼中并不改變鐵的結(jié)構(gòu)，而是與鋼中的碳氮硫結(jié)合，改變鋼的顯微結(jié)構(gòu)。鈮對鋼的強化作用主要是的是細(xì)晶強化和彌散強化，鈮能和鋼中的碳氮生成穩(wěn)定的碳化物和碳氮化物。而且還可以使碳化物分散并形成具有細(xì)晶化的鋼。鈮還可以通過誘導(dǎo)析出和控制冷卻速度，實現(xiàn)析出物彌散分布。在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整鋼的韌性水平。

因此，加入鈮不僅可以提高鋼的強度，還可以提高鋼的韌性、抗高溫氧化性和耐蝕性，降低鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度，獲得好的焊接性能和成型性能。將鈮溶解到奧氏體中是加熱工藝的關(guān)鍵。Nb的固溶溫度為1110℃～1150℃，超過1200℃時會使奧氏體晶粒變大，不利于性能改善。所以設(shè)計為1100℃～1200℃為Q420qD的加熱溫度工藝[6]。

粗軋的開軋溫度為1000℃～1100℃，在粗軋階段，道次壓下率超過20%，細(xì)化奧氏體晶粒。在精軋階段，將累積變形控制在60%～65%之間，增大晶粒間變形區(qū)總面積，促進(jìn)鐵素體形核，最終軋制溫度控制在780℃～820℃，控制晶化后鐵素體的生長，從而細(xì)化鐵素體晶粒。最終冷卻溫度控制在450℃～650℃之間，在適當(dāng)?shù)睦鋮s速度下，可獲得含量合理的貝氏體組織。Q420qD的TMCP工藝如圖1。

圖1 Q420qD的TMCP工藝示意圖

4 實驗結(jié)果

屈服強度如圖3、抗拉強度如圖4、延伸性能如圖5、低溫沖擊性能分布如圖6、所示。試驗鋼屈服強度460MPa～520MPa，抗拉強度570MPa～640MPa，延伸率22%～26%，-20℃沖擊功為230J～ 290J。

5 結(jié)論

通過添加合理的合金元素，采用兩階段軋制+新一代控冷的TMCP工藝，使橋梁用鋼Q420qD的各項性能達(dá)到國標(biāo)GB/T 714-2015的要求，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)交貨。

圖2 30mm屈服強度分布

圖3 30mm抗拉強度分布

圖4 30mm試樣延伸率分布

圖5 30mm試樣低溫沖擊功分布