高层建筑用钢Q420GJCZ25的生产实践

2015-12-22吴红广

河南冶金 2015年2期

刘勇吴红广

(安阳钢铁股份有限公司)

0 引言

高层建筑用钢板简称高建钢，它具有易焊接、抗震、抗低温冲击等性能，主要应用于高层建筑、超高层建筑、大跨度体育场馆、机场、会展中心以及钢结构厂房等大型建筑工程。我国高建钢执行的国家标准为GB/T19879 －2005《建筑结构用钢板》，高建钢的牌号按屈服强度分为345 Mpa、390 Mpa、420 Mpa和460 Mpa 等四个强度级别，各强度级别分为Z 向和非Z 向钢，Z 向钢有Z15、Z25、Z35 三个等级，各牌号又按不同冲击试验要求分为C、D、E 三个质量等级，上述高建钢都是随着我国高层建筑建设的技术进步和发展要求而逐步开发出来。目前，国内大量使用的材质为Q345GJB/C/D。

高建钢板与低合金钢板相比，厚度16 mm 以上规格屈服强度设定了上限，并且屈服强度下限有所提高，对碳当量、屈强比指标有要求。2013年，安钢按照用户要求采用国内先进的炉卷轧机生产线开发生产了带有符合GB/T 2970 －2004 探伤标准Ⅱ级及抗层状撕裂性能达到Z25 要求的50 mm 厚规格及其以下规格高层建筑用钢Q420GJCZ25，产品质量稳定，得到用户好评。

1 技术要求及设计原则

1．1 技术要求

1)Q420GJCZ25 力学性能执行GB/T19879 －2005《建筑结构用钢板》中的Q420GJ 力学性能部分，厚度方向性能要求执行GB/T5313 －2010《厚度方向性能钢板》中关于Z25 的技术要求，探伤执行GB/T 2970 －2004 标准中Ⅱ级探伤要求，具体分别见表1、表2。

2)钢板表面质量应无裂纹、气泡、折叠、夹杂等缺陷，表面光滑。

表1 力学性能

表2 厚度方向性能及探伤要求

3)Q420GJCZ25 交货状态为热轧状态交货。

1．2 成分设计及要求

依据订货技术要求，在满足强度达到标准要求的同时，需保证钢板内部质量。首先，为满足Ⅱ级探伤要求及厚度方向性能Z25，降低钢中C、P、S、Mn等易偏析元素含量及气体［H］含量［1－2］;其次，通过Nb、V 复合微合金化实现晶粒的细化、强度的提高。

1)降低P、S 杂质元素:P、S 为钢中易偏析元素，尽可能去除钢中P、S 含量，强化转炉脱磷效果及防止出钢过程回磷，保证出钢P 含量小于0．012%;采用铁水预处理+LF 精炼炉深度脱硫，将钢中硫含量脱到0．005%以下。

2)碳、锰元素控制:碳、锰元素为偏析主导元素，为减轻中心偏析及满足焊接要求，需降低容易偏析且对碳当量影响较大的C、Mn 元素含量;结合板坯连铸特点，碳的设计还要避开铸坯凝固包晶区范围0．09% ～0．12%［3］，防止板坯纵裂发生，锰元素满足性能要求前提下，尽量降低。

3)微合金Nb、V 元素加入:从满足力学性能角度，碳及锰含量的降低会带来强度的降低，需采用微合金化方式弥补强度不足，综合各方面性能要求，该钢种采用SiMn +适量Nb，V 复合微合金化的中碳成分体系设计。

4)氮元素控制:从成本角度，根据铌钒等碳氮化物轧制过程析出的特点，为有效地利用铌钒等微合金，促使铌钒碳氮化物生成，充分发挥铌钒的析出强化效果，细化晶粒，采取向钢中吹入氮气进行氮合金化的经济有效方式。从增氮及控氮的优势方面，选择LF +VD 双精炼全程吹氮进行增氮［4］，为保证板坯表面质量，将连铸上钢前钢水熔炼成分氮含量控制在70 ppm ～100ppm。

2 研制及生产过程

2．1 工艺流程

根据安钢的工艺设备特点、产品的技术要求及设计原则，选择如下工艺流程:铁水预脱硫—复吹转炉—LF 精炼—VD 真空处理一板坯连铸—铸坯堆冷检查—加热—高压水除鳞—控轧控冷—矫直一钢板堆垛缓冷—表面检查—取样检验、定尺—标识—探伤—终判入库。

2．2 化学成分

为保证产品Q420GJCZ25 综合性能，采用SiMn+Nb，V 复合微合金化及控氮的成分体系，熔炼化学成分具体见表3。

表3 钢的化学成分要求(质量分数) %

2．3 转炉复吹冶炼

冶炼时使用铁水、优质废钢，脱磷控制主要依托转炉的氧化性气氛进行脱磷，合理利用动态副枪模型，避免后期渣中TFe 降低后钢水回磷。终点控制［P］≤0．012%、［C］≥0．08% ～0．12%，出钢温度满足LF 到站钢水温度不低于1560 ℃，采用滑板挡渣方式，脱氧合金化使用硅锰合金和硅铁合金，终脱氧依据终点氧含量加入适量铝铁合金保证脱氧效果，钢包吹氩严禁翻钢。

2．4 LF 精炼

LF 精炼脱氧、快速造白渣，要求精炼渣量不低于12 kg/t 钢，白渣保持时间不低于20 min，快速达到脱硫的热力学条件;合理选择钢包底吹流量，掌握脱硫时机，脱硫时期底吹流量大小按6 NL/min·t钢～10 NL/min·t 钢控制，保证快速脱硫的动力学条件，要求将硫脱至0．005%以下，以保证成品硫的控制。硅锰合金微调后，加入铌铁及钒氮合金，采用全程吹氮的增氮方式，为利于钢水快速增氮，LF 一次升温至1600 ℃以上，确保LF 出钢钢水氮含量介于90 ppm ～110 ppm，出钢温度要满足VD 真空处理周期及连铸浇注温度要求，一般情况下出钢温度介于1625 ℃～1635 ℃。

2．5 VD 真空处理

为保证进一步脱氧、脱氢及控氮的目的，VD 真空处理采用两个阶段进行:一阶段，为了脱氢，真空度达到70 Pa 以下进行，真空保持时间不低于5 min，［H］可稳定控制0．9 ×10－6～1．5 ×10－6;二阶段，真空度控制在5 kpa ～15 kpa，单砖流量不低于2 NL/min，能够满足钢水氮含量对真空度的控制要求。VD 真空处理时要全程底吹氮操作，保证过程平稳，氮含量目标控制在80 ppm ～95 ppm，VD 处理结束后视氮分析结果决定底吹介质选择，并喂入铝线及钙铁线，软搅拌不低于5 min。真空达到时间、保持时间、最终的真空度、渣量控制及气体搅拌强度是保证真空处理效果的关键。

2．6 板坯连铸

生产前连铸必须将所有二冷喷嘴清理干净，并确认辊缝及轻压下参数。采用全保护浇注，主要采用大包长水口、浸入式水口、中包覆盖剂及惰性气体密封等措施，在稳定结晶器内流场的前提下进行自动换渣线操作，调整范围控制在0 ～±50 mm 之内。浸入式水口在结晶器内对中，保护渣采用中碳钢保护渣。降低钢水过热度及稳定拉速，要求过热度10 ℃～25 ℃，工作拉速稳定在1．25 m/min，严格控制连铸非稳态浇注时间，塞棒位置单包波动值稳定在0 ～±2 mm 之内，控制结晶器液面波动在±3 mm以内。采用动态轻压下技术，减轻铸坯中心偏析［5－6］，二次冷却采用专用弱冷模式，动态配水，保证铸坯内外部质量。

2．7 板坯堆冷

为保证产品探伤性能，对钢中气体及板坯内部质量要求严格。采取坯料堆冷可有效缓解氢致裂纹的产生，同时可减轻微合金钢种板坯的内部应力。安钢选择坯库堆冷，堆垛高度大于1．5 m，加热炉采取坯料冷装轧制。

2．8 加热及轧制

为保证材料组织和力学性能，严格制定了加热及轧制工艺，加热采用步进梁式加热炉加热，确保加热温度均匀;为保证未再结晶区的轧制效果，轧制采用再结晶及未再结晶区两阶段轧制，降低第二阶段开轧温度，增大道次变形率和总压下率以及合适的终轧温度，使奥氏体晶粒压扁、拉长，奥氏体晶粒被拉长，将阻碍铁素体晶粒的长大，随着变形量的加大，变形带的数量也增加，铁素体形核增加，相变后铁素体的晶粒更加细小，未再结晶区轧制导致钢的强度提高和韧性改善［7］。其主要工艺参数控制范围见表4。