高强度Q370q桥梁钢TMCP生产工艺开发

2021-09-09任继银

山东冶金 2021年4期

任继银

（山东钢铁股份有限公司营销总公司，山东济南271104）

1 前言

随着大型钢结构桥梁向全焊接结构和高参数方向发展，对桥梁结构的安全可靠性要求越来越严格，从而对钢板质量提出了更高的水准，不仅要求钢板高强度以满足结构轻量化要求，还应具有优良的低温韧性、焊接性和耐蚀性等，以满足钢结构的安全可靠、长寿等要求。Q370q是较高质量等级桥梁结构用钢板，具有较高的强度、优良的低温冲击韧性和良好的焊接性能，并且具有一定的耐候性，综合性能表现良好，主要应用于建设铁路、公路、跨海及跨江桥梁等大型工程。通过采用低碳微合金＋TMCP（控轧控冷）生产设计，旨在提高Q370q钢板焊接、防腐和抗疲劳能力，相对目前正火生产工艺而言，减少一道热处理工序，进一步降低生产成本，使产品向低碳、低耗、低排、高质生产方式发展。

2 Q370q钢产品技术要求

Q370q钢产品执行国家标准GB/T 714—2015或技术协议要求，化学成分及力学性能要求如表1表2所示。

表1 Q370q钢化学成分要求（质量分数）%

表2 Q370q钢力学性能要求

3 Q370q钢生产工艺设计

3.1 工艺路线

Q370q钢所采用的生产工艺路线：KR脱硫→转炉冶炼→LF→RH→CCM→铸坯切割定尺→缓冷→板坯加热→高压水除鳞→轧制→（水冷）→矫直→探伤→切割→（回火）→检验、喷号→入库。

3.2 化学成分设计

采用微合金化中碳或中低碳成分设计，添加微量Nb或Nb、V合金元素，采用热机械轧制工艺生产，获得的组织为铁素体＋珠光体。作为低合金桥梁钢板，要求具有足够的强度，以及足够的韧性，使之体现出良好的机械性能，同时还应具有良好的焊接性能，以满足工艺要求。

Q370q钢化学成分设计的具体要求如下：

（1）降低碳的含量，可以极大地满足提高焊接性能的要求，并降低碳化物对韧性的影响。但碳的含量不宜太少，要足以与Nb、Ti发生反应，生成足够的碳氮化物，以保证取得理想的控轧控冷效果和较低的生产成本。

（2）随着碳含量的降低，必然导致钢材的强度下降，为此，对于固溶强化力强、能提高材料强度、同时对焊接性能影响较小的硅含量适当提高。

（3）锰是重要的强韧化元素，主要起固溶强化作用。在一定含量范围内，钢的强度随锰含量的增加而提高，同时脆性转变温度下降。锰还具有降低相变温度的作用，可以防止相变后晶粒的长大，有助于晶粒细化，因此，桥梁钢中锰含量为中偏上。

（4）钢中加入微量钛，作用是使钢中生成细小弥散的TiN沉淀，对高温下奥氏体晶粒的长大起阻碍作用，达到细化晶粒的目的，还起到析出强化的作用。

（5）铌是取得良好控轧控冷效果的最有利元素，它在加热和冷却过程中形成的碳氮化物可以阻止奥氏体晶粒长大，提高再结晶温度，有利于控冷后得到细小的贝氏体组织。加入Nb一方面使钢中Nb、C、N、B之间有相互作用，在应变诱导下形成弥散的颗粒，从而提高再结晶终止温度，实现控轧目的；另一方面Nb（CN）的析出也可使钢强化。

通过成分设计，希望获得细晶组织，并在Nb、V、Ti元素的析出强化作用下，使钢达到合适的强度、晶粒度，高的韧性和焊接性能要求［3］。成分控制如表3所示。

表3 Q370q钢热机械轧制态的化学成分（质量分数）%

4 Q370q钢生产控制要点

4.1 转炉冶炼控制

桥梁钢对钢水纯净度要求较高，生产时需要严格控制钢中S含量和P含量［4］。为此，在转炉冶炼过程中，入炉铁水全部采用镁粒进行预脱硫处理，尽可能降低硫的含量，铁水硫控制在0.004%以下。脱硫完毕铁水包扒渣裸露面积＞90%，直接兑入转炉。转炉采用顶底复吹冶炼技术，对冶炼过程各个阶段进行精细划分，确定各阶段的供氧强度和底吹（N2、Ar）强度的合理配比以及科学的造渣制度，通过枪位的精确控制，早化渣，化好渣，终渣碱度控制在3.5～4.0，有效地保证了出钢P≤0.010%，S≤0.010%，准确控制转炉出钢温度，确保一次拉碳，避免氧枪重复点吹，大大减轻钢水过氧化，降低了钢水中的夹杂物含量。

4.2 LF控制

利用LF进一步脱硫，脱氧、去夹杂，调整钢水成分和温度，获得良好的精炼效果。钢水进站预吹氩，渣面加铝粒，采用石灰、复脱、铝粒、萤石等渣料造还原渣。严格控制终渣成分，造高碱度，低氧化铁，熔点合适，具有强脱硫及吸附夹杂能力的还原渣。桥梁钢板韧性要求高，对钢的洁净度要求高，实际生产中充分利用LF精炼有利的热力学和动力学条件，将S含量控制在0.004%以下，同时充分去除夹杂和降低钢中的氧含量。部分合金加入情况见表4。

表4 合金添加实绩 kg

4.3 RH控制

RH精炼过程中，钢水受氩气泡的驱动，经过上升管进入真空槽中进行长时间、高真空度、强制脱气，有效地降低钢水中氮、氢、氧气体和夹杂物含量。经过长时间的真空循环脱气，可使［N］≤0.004%，［H］≤0.00015%，T［O］≤0.002%。钢水在经过真空槽循环脱气的同时，钢水中的夹杂物也不断碰撞，持续长大，加快了夹杂的上浮速度，极大地减少了钢水中夹杂物的含量。钢水真空脱气完毕，为改善钢水质量，向钢水喂入钙铁线对氧化物和硫化物等非金属夹杂物进行变性处理，使簇状Al2O3变性为钙铝酸盐，其在炼钢温度下呈液态，易于上浮去除或以球形夹杂形式均匀地分布在钢中，条状MnS夹杂在转变为球状CaS类复合夹杂，可明显改善桥梁钢板的低温冲击韧性。

4.4 连铸工艺控制

中间包加低碳覆盖剂、加盖保护，使钢水与空气隔绝，避免二次氧化，控制好中间包液面，开浇时液面高度≮300 mm，严禁低液面浇注，防止卷渣。

中间包至结晶器采用浸入式水口并采用氩封保护。结晶器液面控制平稳，选择合适的保护渣，做到少加、勤加、均匀加入，保证保护渣良好覆盖液面，使钢液面不暴露于空气中，避免钢中化学元素与空气发生二次氧化而导致钢中夹杂物增加，并吸附钢水中上浮的夹杂。

二冷设备保证不漏水，辊子转动自由，扇形段对中良好，二冷喷嘴雾化效果良好，无堵塞现象。在生产操作中，水口严格对中，开浇缓慢、均匀地提高拉速。提至目标拉速后，实行自动控制，同时密切观察结晶器液面波动情况，逐步稳定拉速，从而减少铸坯中的夹杂，并避免卷渣和铸坯出现裂纹，保证铸坯质量。

4.5 加热工艺控制

钢坯的最高加热温度决定着奥氏体的原始晶粒度和合金元素的固溶程度，并直接影响钢板的最终性能。加热要使钢坯受热均匀，而且微合金元素完全溶解，为了防止奥氏体晶粒过度长大以及过烧等情况发生，加热温度不能过高，保温时间不能过长。当奥氏体中固溶Nb增加时，可以观察到奥氏体再结晶终止温度显著提高，所以在较高的温度区间就可以获得控轧效果。加热温度对Nb（C，N）和Ti（C，N）的固溶量有很大影响，在Nb（C，N）和Ti（C，N）能够固溶的范围内尽量采用低温加热。大量资料表明，Nb（C，N）完全固溶的温度为1150～1200℃。但加热温度过低，将存在部分未固溶微合金碳氮化物，它们不可能产生阻止奥氏体再结晶的作用。加热温度过高，则使奥氏体晶粒显著粗化，由于形变晶粒细化效果与初始晶粒尺寸有密切关系，因此粗大的奥氏体晶粒将削弱形变晶粒细化效果。根据钢种特点，结合产品厚度规格，对加热温度进行严格控制，为获得良好性能的产品提供前提条件，具体温度设定和控制见表5。度、韧性和焊接性能的目的。从图1和图2可以看出，控轧控冷工艺控制较好且稳定。

图1 Q370q 36～40 mm轧制控制实绩

图2 Q370q 36～40 mm水冷实绩

表5 Q370q钢加热温度控制

4.6 控轧控冷

采用两阶段控制轧制（γ再结晶区＋γ未再结晶区）。为了细化铁素体晶粒，在奥氏体再结晶区粗轧时进行多道次大变形量轧制，保证大的压下率，使奥氏体晶粒充分破碎，同时保证粗轧的结束温度处于完全再结晶区，不能进入部分再结晶区，以避免产生混晶组织。当累积压下率＞80%时，奥氏体晶粒尺寸收敛于20μm。精轧阶段在奥氏体未再结晶区进行，增加精轧累积压下率，可使奥氏体晶粒充分压扁，在晶粒内部形成滑移带，提供更多的形核位置。控制精轧压下率将显著提高钢的强度尤其是屈服强度，细化晶粒，改善韧性。轧后快速冷却可提高钢的强度，并且是得到细小晶粒的关键，铌固溶体是促使低温相变的成功要素，较高的冷却速率可以细化显微组织，提高钢的强度。具体控制要点如下。

1）粗轧。粗轧阶段处在奥氏体再结晶区域，为了使奥氏体晶粒能够充分细化，粗轧采用尽量少的道次，尽量保证至少有2个道次压下率不低于15%。

2）控轧控冷。钢板采用控轧控冷工艺，通过对金属变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形以获得细小奥氏体晶粒，从而达到提高钢的强

5 产品性能分析

5.1 力学性能

对生产的Q370q钢板进行拉伸和冲击力学性能进行检测，结果表明：钢板屈服强度集中在490～560 MPa，平均527 MPa；抗拉强度630～660 MPa，平均647 MPa；断后伸长率21.5%～23.5%，平均值22.4%；冲击功值集中在250～290 J，平均值270 J。从以上力学性能结果可以看出，钢板的性能波动小，综合性能优良。