安钢高强高韧Q420qD桥梁结构钢板的研制开发

王立群　宋立伟　李娜　徐博　陈尹泽

(安阳钢铁股份有限公司)



安钢高强高韧Q420qD桥梁结构钢板的研制开发

王立群宋立伟李娜徐博陈尹泽

(安阳钢铁股份有限公司)

阐述了安钢Q420qD高强高韧桥梁结构钢板的研制过程，以低碳贝氏体钢为设计主线，通过采取合理的多元化成分体系，精准的冶炼、连铸及控轧控冷工艺，获得了良好的微观金相组织，力学性能优良，焊接性能良好。试验结果表明，安钢研制的Q420qD具有高强、高韧、低屈强比等特点，产品满足了标准及用户要求，并具备批量生产能力。

高强高韧低碳贝氏体钢Q420qD

0　前言

随着我国交通运输行业的迅猛发展，高速公路网和跨海、江、河通道的建设，迫切需要修建大跨度钢结构桥梁。大跨度钢结构桥具有“大跨、重载、高速”等特点，要求钢材具有优良的高强、高韧和低的屈强比、结构减重等，以提高桥梁的使用寿命和安全性[1]。采用低碳贝氏体和TMCP工艺路线生产Q420q级别的桥梁钢成为近年来发展趋势。为顺应桥梁行业的发展要求，安钢依托先进的工艺装备及研发实力，结合GB/T 714标准和用户使用要求，研制了高强高韧Q420qD桥梁结构钢板，进一步拓展了桥梁板品种系列，提高了高附加值产品生产比例，增强了市场竞争力。

1　Q420qD桥梁结构钢板技术要求

1.1化学成分

按照GB/T 714-2008标准要求，Q420qD桥梁结构钢板的化学成分见表1。

1.2力学性能

产品标准及用户特殊技术要求的Q420qD力学性能见表2。

表1　Q420qD化学成分

表2　Q420qD力学性能

1.3产品特点

1)高强度、高的低温韧性能；

2)组织以多边形铁素体+粒状贝氏体组成；

3)极佳的焊接性能；

4)由于各部分电位差小，具有较强的耐蚀能力[2]。

2　开发方案及关键技术措施

2.1工艺路线

铁水预处理—150 t转炉—LF精炼炉—VD真空精炼—连铸机—3500 mm炉卷轧机—层流冷却。

2.2成分体系设计

安钢高强高韧Q420q以低碳贝氏体钢为主线，采用低碳设计，通过降碳、添加适量的Nb、V、Ti微合金化元素及Cr、Mo淬透性元素，最终通过控制组织相变行为，达到合理的铁素体和贝氏体比例，提高钢板强度和低温韧性，改善焊接性能目的。安钢高强高韧Q420qD成份体系设计见表3。

表3　安钢高强高韧Q420q化学成分设计　 / %

2.3冶炼和连铸工艺

为保证钢水纯净度的稳定，缩短精炼时间，采用铁水预处理高效脱硫。转炉以深脱磷为目标，强化滑板挡渣技术，防止回磷；LF以脱硫和微合金化为目标，保证目标成分控制稳定；VD采用深脱气工艺，在保证连铸上钢温度稳定的同时，大幅降低钢水中有害[H]、[N]等气体含量；连铸工艺对铸坯质量至关重要，钢水经过3250 mm宽板坯连铸机连铸，通过采用动态轻压下、液面自动控制系统等先进技术，减少中心偏析和疏松，采用全程无氧化保护浇注、合理过热度，稳定控制板坯拉速等措施，确保板坯内外部质量稳定，使得铸坯低倍质量中心偏析为C类1.5～B类1.0，中心疏松为0.5～1.0级，无中间裂纹。

2.4轧制工艺

2.4.1加热工艺

制订加热工艺应考虑微合金钢的粗化温度、固溶温度及加热后的变形抗力、炉况条件等，设计加热时间不少于2 h，加热温度控制在1150 ℃～1260 ℃，保证微合金充分固溶到奥氏体中。另外，炉膛压力控制为微正压，以避免炉头钢坯吸冷风，保证钢坯加热均匀。

2.4.2轧制工艺控制

考虑控轧控冷后钢板的组织的相变，轧制工艺选用再结晶和未再结晶型轧制工艺[3]，最后一道终轧前停留少许时间，完成部分铁素体相变，之后进行终轧及层流冷却，终冷温度应以组织的相变温度为设计依据，同时，兼顾强塑性指标匹配的合理，终冷温度400 ℃～580 ℃。

3　试制结果分析与讨论

3.1成分控制

安钢高强高韧Q420qD化学成分控制见表4。

表4　安钢高强高韧Q420qD化学成分控制

通过合理的控制冶炼、连铸工序，确保了整体成分控制稳定，满足高强高韧的Q420qD成分设计要求。

3.2力学性能

安钢高强高韧Q420qD的力学性能见表5。

表5　安钢高强高韧Q420qD性能实物水平

3.3焊接性能

针对40 mm安钢高强高韧Q420qD进行了气体保护焊性能检测，焊剂采用SJ101q型号，热输入功率为20 kJ/cm，焊接坡口采用X形式，先焊面的接头强度和厚度1/4、熔合线外2 mm处系列冲击检验结果见表6。

表6　40 mm安钢高强高韧Q420qD气体保护焊接性能

3.4金相组织

安钢高强高韧Q420qD组织为针状铁素体、粒状贝氏体和少量铁素体，40mm钢板表层和厚度1/4处金相组织照片如图1所示。

(a) 表层金相组织

(b) 钢板1/4处金相组织

3.5分析讨论

TMCP工艺的低碳贝氏体钢主要设计思路是通过降低碳含量来提高钢的韧性(通常C≤0.08%),这种钢在经过高温奥氏体化及热变形后的冷却过程中，不再发生奥氏体向铁素体与渗碳体的两相分解，过冷奥氏体直接转变成各种形态的铁素体并留下少量富碳的残留奥氏体, 由于贫碳无法生成渗碳体，因此得到的贝氏体一般无法区分上、下贝氏体，实验证明，由于针状(或板条状)铁素体内及板条间均没有连续的渗碳体，这种形态贝氏体的韧性极佳，冷裂纹敏感性很低,具有良好的焊接性能[2]。与此同时，通过采用微合金化技术，控制Nb、V、Ti固溶和析出行为，控制其碳化物、氮化物及碳氮化物二相粒子的析出，阻碍晶粒长大；采用TMCP工艺，通过Cr、Mo、Cu、Ni等淬透性作用，控制好组织相变，使高温奥氏体转变为针状铁素体、贝氏体和少量的铁素体，得到合理的软硬相比例，达到高强高韧和低屈强比目的[3]。

从表4、表5可以看出，安钢研制的高强高韧Q420qD性能优良，焊接性能良好，产品实物水平较高。20 mm～50 mm Q420qD平均屈服强度、抗拉强度分别达到500 MPa、600 MPa，较标准富裕80 MPa、60 MPa，平均延伸22.5%，平均-20 ℃冲击功达到290 J，较标准富裕170 J，平均屈强比达到0.83，产品具备高强、高韧、低屈强比特点，达到产品标准和用户特殊技术要求。

4　结语

1)安钢开发的低碳Q420qD成份设计合理，工艺路线选择正确，各工序控制准确稳定，产品性能优良，满足了标准和用户使用要求。

2)由于采用低碳设计，利用淬透元素及TMCP工艺组织强化，焊后性能良好，产品热影响区强度和低温韧性冲击较高，满足桥梁钢结构焊接的要求。

3) 该产品的研发为其它高强高韧品种钢板的研制进行了技术储备。

[1]邹德辉,郭爱民. 我国铁路桥梁用钢的现状与发展[J].钢结构,2009,24(9):53-56.

[2]贺信莱,尚成嘉,杨善武,等. 高性能低碳贝氏体钢[M].北京:冶金工业出版社,2008:245.

[3]王有铭,李曼云,韦光.钢材的控制轧制和控制冷却. [M].北京:冶金工业出版社.1995:108-120.

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF Q420qD BRIDGE STRUCTURE STEEL PLATE WITH HIGH STRENGTH AND HIGH TOUGHNESS IN ANYANG STEEL

Wang LiqunSong LiweiLi NaXu BoChen Yinze

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

This paper expounds the research and development process of Q420qD bridge structure steel plate with high strength and high toughness in Anyang Steel. Taking low carbon bainitic steel as the main line of design, it is ensured reasonable structure and excellent performance of the plate by adopting the diversity of reasonable composition system and precision of smelting, continuous casting, controlled rolling and controlled cooling process. Test results show that the developed Q420qD of angang has many characteristics, such as high strength, high toughness, low yield strength ratio and so on.The product not only meet the requirements of the standard and the user but also is provided with massing production capacity.

high strength and high toughnesslow carbon bainitic steelQ420qD

联系人：王立群，高级工程师，河南.安阳(455004),安阳钢铁股份有限公司技术中心；2016—2—20