桥梁结构用S460ML-Z35高强度钢板的开发

潘中德

（南京钢铁股份有限公司板材事业部，江苏 南京210035）

1 前 言

钢结构设计向高强度、高韧性和优良焊接性能方向发展，近来国际某著名桥梁工程项目，业主设计采用屈服强度460 MPa高强度结构钢板，且钢板最大厚度达120 mm。考虑460 MPa 高强钢的成型性能、低温韧性、焊接性能等，用户提出了按欧洲BS EN10025—4《热轧结构钢产品—第四部分：热机械轧制焊接细晶粒技术交货条件》标准中S460ML牌号进行生产供货，同时还需满足成分设计CEV≤0.43%，钢板-40 ℃低温冲击值≥100 J、钢板屈强比≤0.85、厚度方向Z35性能等特殊技术要求，生产技术难度非常大［1-2］。

结合该国际桥梁项目设计采用的欧洲标准及项目特殊技术要求，南钢采用低碳、低CEV、Nb+Ti微合金化等成分设计和热机械轧制工艺，借助于大厚度连板铸坯，在5 000 mm 宽厚板厂生产线进行工业试制，成功开发了120 mm S460ML-Z35 高强度钢板，钢板的各项性能指标超过标准及项目技术要求。

2 S460ML-Z35高强度钢板的开发生产

2.1 技术要求

根据欧洲标准BS EN10025—4规定，和欧洲标准EN10164 中厚度方向性能要求，S460ML-Z35 高

试制钢板的制造工艺路线包括炼钢、轧钢等两个工序。其中炼钢工序包括铁水预处理、转炉冶强度钢板的熔炼化学成分要求见表1，拉伸、冲击、Z向等机械性能要求见表2。

表1 S460ML-Z35钢板的熔炼化学成分（质量分数）%

表2 S460ML-Z35钢板的机械性能

考虑到S460ML-Z35 钢板的高强度级别、120 mm特厚规格，为保证钢板具备良好的焊接性能，项目技术协议中增加了CEV≤0.43%的特殊要求。

针对桥梁项目钢板的下料使用及服役要求，项目技术协议中增加了钢板-40 ℃低温冲击功平均值＞100 J、钢板屈强比≤0.85等特殊技术要求。

2.2 化学成分及制造工艺

综合考虑S460ML-Z35高强度钢板的各项力学性能要求，采用低碳、低CEV、Nb+Ti 微合金化等成分设计，为提高特厚钢板的低温冲击韧性，成分设计还添加适量Ni 合金元素；同时尽量降低钢中有害元素含量，主要通过低P、低S 含量的控制，来提高钢的低温韧性和焊接性能［3］。120 mm 热机械轧制S460ML-Z35高强度钢板的成分设计及各元素含量要求见表3。炼、LF精炼、RH真空精炼、板坯连铸等。轧钢工序包括铸坯加热、除鳞、控制轧制、控制冷却、切割、探伤、检验、标识、合格品入库等。

表3 S460ML-Z35钢板的成分设计（质量分数） %

炼钢工序中，为了得到高纯净度的钢水和优良的铸坯质量，炼钢采用铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼、板坯连铸等先进炼钢技术。其中钢水冶炼过程执行低P、低S控制，最大限度降低残余有害元素含量，连铸过程采用结晶器电磁搅拌、动态轻压下技术等先进控制技术，提高铸坯的中心偏析、中心疏松等内部质量。

轧钢工序中，首先坯料设计需保证具备一定的轧制压缩比，试验采用320 mm 大厚度连铸板坯进行轧制，以便保证热机械轧制工艺的更好实现。S460ML-Z35高强度钢板采用粗轧阶段的奥氏体再结晶轧制、精轧阶段的奥氏体未再结晶轧制等两阶段轧制工艺，其中粗轧阶段采用高温、最后2 道次的压下率不低于18%的大压下轧制工艺，轧制变形更多渗透至钢板心部，提高厚度方向性能的均匀性；精轧阶段充分避开混晶区轧制，累计轧制形变和位错；轧后钢板使用超快冷系统进行快速冷却，以便获得均匀、细小的相变组织［4］。

3 实物质量检测结果

对S460ML-Z35 高强度钢板进行超声波探伤，并在钢板上取样进行拉伸、Z 向、冲击等力学性能的测试，以及焊接性能的研究。

3.1 内部质量

对于试制S460ML-Z35 高强度钢板，采用EN10160 标准进行100%超声波自动探伤，探伤结果显示，120 mm厚钢板内部未见明显缺陷，按照欧洲标准EN10160 评级可达S2E3 级别要求，说明本次采用低压缩比、热机械轧制工艺生产的120 mm S460ML-Z35 高强度钢板内部质量较好，符合项目技术要求。

3.2 拉伸性能

在试制120 mm 厚S460ML-Z35 高强度钢板的宽度1/4 处取样，加工钢板厚度1/4 处横向拉伸、厚度方向Z 向拉伸性能等试样，拉伸检测结果如表4所示。

表4 S460ML-Z35钢板的力学性能

从表4 可以看出，钢板的拉伸性能符合BS EN10025-4标准要求，其中屈服强度高于标准下限值30 MPa 以上，抗拉强度高于标准下限值40 MPa以上，屈强比满足不超过0.85的项目技术要求；Z向断面收缩率符合EN10164标准中Z35指标要求，平均断面收缩率≥50%，钢板抗层状撕裂性能优异。

3.3 冲击性能

在试制120 mm 厚S460ML-Z35 高强度钢板的宽度1/4处取样，加工钢板厚度1/4处纵向冲击性能试样，分别检测项目技术要求的-40 ℃冲击试验，和更低温的-50℃冲击试验，检验结果见表5。

表5 S460ML-Z35钢板的冲击性能

从表5 可以看出，S460ML-Z35 钢板冲击性能满足-40 ℃低温冲击值不低于100 J 的项目技术要求，加做更低温-50 ℃低温冲击值≥100 J，钢板低温韧性较好。

3.4 显微组织

对120 mm厚S460ML-Z35钢板取样，加工钢板厚度1/4 处试样，在光学显微镜下观察钢板微观组织特点，试制钢板金相组织照片见图1。

图1 S460ML-Z35钢板的金相组织-1/4厚度处

由图1 可以看出，在500 倍光学显微镜下，钢板试样的显微组织类型主要为铁素体、珠光体组织，金相组织总体较为均匀及细小，晶粒度评级为8.5～9.5级。

3.5 焊接性能

按照BS EN10025-4 标准要求，开展钢板的焊接冷裂纹敏感性评价试验，在120 mm S460ML-Z35钢板上取样，进行Y 形坡口焊接试验，为后续钢板的合理使用提供焊接工艺指导依据［5］。S460MLZ35 高强度钢板试件的形状及尺寸见图2，采用气体保护焊进行了不预热（室温19 ℃）条件下、预热50 ℃条件下的Y形坡口焊接裂纹试验。

试件焊接完成后放置48 h，进行表面裂纹率和断面裂纹检查，检验结果见表6（表面裂纹率为0）。

从表6可以看出，将钢板预热到50 ℃条件下进行焊接时，表面裂纹和断面裂纹发生率均为0%，试样断面的焊缝硬度≤270 HV10，热影响区硬度≤320 HV10，可防止焊接冷裂纹现象的产生。

图2 焊接试件形状及尺寸

表6 焊接试验结果

4 结 论

4.1 南钢通过低碳、低CEV、Nb+Ti 微合金化等成分设计和热机械轧制工艺，成功开发了120 mm 厚S460ML-Z35 高强度钢板，经检测钢板具有良好的综合性能，钢板屈强比≤0.85，低温冲击优异，其中-40 ℃低温冲击值≥200 J、-50 ℃低温冲击值≥100 J，厚度方向性能满足EN10164 标准Z35级别，内部质量按EN10160 标准探伤满足S2E3 级要求，各项性能指标满足欧洲标准及项目技术要求。

4.2 对120 mm S460ML-Z35高强度钢板进行了焊接冷裂纹敏感试验，Y 形坡口焊接性试验结果显示，在预热50 ℃条件下焊接即可防止焊接冷裂纹的产生，焊缝硬度≤270 HV10，热影响区硬度≤320 HV10。