宝钢供深中通道桥隧用钢板的开发

2022-07-09钟武波

宝钢技术 2022年2期

钟武波

(宝山钢铁股份有限公司制造管理部,上海 201900)

深中通道位于珠三角核心区域,是粤港澳大湾区继港珠澳大桥之后又一世界级超大“隧、岛、桥”集群工程。该项目主体工程全长约24 km,其中海底沉管隧道全长6.845 km,宽度为46.0～55.5 m,是国内首创、国际上首次大规模应用的超大、超宽、超重的隧道结构,工程规模和技术难度前所未有;桥梁总长约16.9 km,是世界上最大跨悬索桥之一,且位于强台风频发区,技术难度高[1]。该项目所需Q390C-T、Q420C-T、Q345qD和Q420qD等牌号钢板的力学性能、工艺性能、焊接性能及板形要求高,开发具有较高难度。宝钢在现有技术装备和实验室研究基础上,研制开发了6～70 mm厚该项目用钢板,并成功中标、供货31.6万t,成为深中通道项目最大钢材供应商,取得了显著的社会经济效益。本文将从成分和工艺匹配设计、综合性能评价等方面对钢板的研制开发进行论述。

1 深中通道桥隧用钢板技术要求

深中通道沉管隧道用Q390C-T、Q420C-T和桥梁用Q345qD、Q420qD化学成分要求见表1,力学性能及焊接性能要求见表2。要求Q390C-T、Q420C-T和厚度<30 mm的Q345qD、Q420qD采用TMCP态交货,Q345qD、Q420qD厚度≥30 mm时采用TMCP+回火态交货,钢板不平度≤3 mm/m。

表1 深中通道桥隧用钢板化学成分要求(最大值)Table 1 Chemical composition requirements of steel plate for bridge and tunnel (max) %

表2 深中通道桥隧用钢板力学和焊接性能要求Table 2 Mechanical and welding property requirements of steel plate for bridge and tunnel

2 成分设计

为满足大规模冶炼生产,对化学成分、抗拉强度及焊接性能要求相近的Q390C-T、Q345qD和Q420C-T、Q420qD分别采用相同成分设计,充分挖掘宝钢装备制造优势,合理匹配化学成分及制造工艺设计,避免或减少合金的添加,实现钢板的低碳制造。以此为设计思路,从各元素在钢板力学性能、工艺性能实现过程中所发挥作用及经济性考量[2],为使钢板具备低Ceq、低Pcm以获得对大线能量焊接的适应性,Q390C-T、Q345qD采用低C,中Mn,低P、S的成分体系,适量加入Al、Nb、Ti微合金元素,辅以Ca处理,以细化晶粒尺寸并改性夹杂物,而Q420C-T、Q420qD在此基础上,适量增加Nb元素并添加Cr元素以提升钢板的强度,开发的钢板的成分设计如表3所示。

表3 深中通道桥隧用钢板成分设计Table 3 Chemical composition design of steel plate for bridge and tunnel %

3 制造工艺设计

开发钢板制造工艺流程为:铁水KR脱硫→转炉冶炼→RH脱气→喂Ca丝→板坯连铸→板坯热送→板坯定尺→加热→轧制→冷却→探伤→(热处理)→取样检验→切割定尺→出厂。

3.1 炼钢工艺

为使钢中非金属夹杂物和有害气体含量控制在合理水平,以保证板坯获得良好的内部与表面质量,需对钢水冶炼及板坯连铸过程严格管控。

(1) 高炉铁水KR脱硫后,要求w[S]≤10×10-4%、铁水比≥78%,根据铁水实际加入量,合理匹配低硫废钢加入量,保证成品[S]满足设计要求。

(2) 转炉停吹终点w[C]控制在0.04%～0.06%范围内,且停吹w[O]≤800×10-4%。

(3) RH真空度<300 Pa,高真空处理时间≥15 min,钙处理后吹氩弱搅拌时间>5 min。

(4) 连铸过程全氩气保护浇注,中间包过热度控制在5～40 K,拉速≤1.8 m/min。

(5) 中间包取样检测,要求w[H]≤2×10-4%、w[O]≤50×10-4%、w[N]≤60×10-4%。板坯中心偏析、内裂、三角区裂纹、角裂、夹杂满足曼标2级要求。

3.2 TMCP工艺

深中通道桥隧用钢板要求保证不平度≤3 mm/m,70%以上订货宽度>3 500 mm,且厚度<18 mm,钢板宽厚比达到300,工艺设计要实现板形和综合力学性能的最佳匹配。为合理设计TMCP工艺参数,利用热模拟试验测定了开发钢板的相变点温度Ac1=710～720 ℃,Ac3=869～882 ℃,Ar3=766～782 ℃。

(1) 加热工艺。为提升加热效率,避免两相区加热产生混晶组织,装炉温度控制在400～650 ℃间。为获得细小均匀奥氏体晶粒及确保Nb元素的充分固溶,板坯出炉温度控制在1 080～1 180 ℃间,且保证板坯除鳞后温度≥960 ℃。

(2) 轧制及冷却工艺。采用两阶段轧制,粗轧阶段在奥氏体完全再结晶区域进行低速、大轧制力、大压下率连续轧制,为尽量减少板坯展宽阶段的压下量,板坯宽度规格设计尽可能按最大宽度设计;精轧阶段在奥氏体未再结晶区进行,中间坯厚度设计按累计压下率>60%进行,同时兼顾粗、精轧阶段的效率匹配;精轧阶段要求末道次抛钢速度大于6 m/s,开轧温度要依据不同轧制规格轧后温降幅度差异动态设定,保证钢板入水温度在780±20 ℃范围内;采用两阶段冷却工艺,快冷阶段冷却速度目标设定范围为16～20 K/s,终冷温度为600±30 ℃,慢冷阶段冷却速度目标设定范围为10～16 K/s,终冷温度为480±30 ℃。

(3) 回火工艺。回火温度设定为600 ℃,保温时间为2 min/mm。

4 钢板的性能和微观组织

通过实施上述成分工艺,成功开发出厚度6～70 mm 深中通道桥隧用钢板,实物质量优良。

4.1 常规力学性能

钢板拉伸、冲击及Z向性能优异,强韧性匹配良好,具体见表4。

表4 钢板力学性能Table 4 Mechanical properties of steel plate

4.2 低温冲击韧性

通过夏比冲击试验,对各牌号最大供货厚度进行低温韧性评价,图1为40 mm厚Q390C-T、Q420C-T和70 mm厚Q345qD、Q420qD钢板韧脆转变曲线。由图1可知,钢板韧脆转变温度均在-80 ℃以下,具有优良的低温冲击韧性。

图1 钢板冲击韧性转变曲线Fig.1 Impact toughness transition curves of steel plate

4.3 无塑性转变温度(TNDT)

对40 mm厚Q390C-T、Q420C-T和70 mm厚Q345qD、Q420qD钢板进行无塑性转变温度落锤试验,结果如表5所示。结果显示:开发的深中通道桥隧用钢板的NDT温度均低于-55 ℃,具有良好的抗脆断性能。

表5 钢板无塑性转变温度Table 5 Nil-ductility transition temperature of steel plate

4.4 CTOD性能

对40 mm厚Q390C-T、Q420C-T和70 mm厚Q345qD、Q420qD钢板进行裂纹尖端张开位移(CTOD)试验,结果如表6所示。结果显示:开发的深中通道桥隧用钢板的-10 ℃横向CTOD值都在2.40 mm以上,具有良好的抗断裂性能。

表6 钢板-10 ℃下的CTOD性能Table 6 CTOD performance of steel plate at -10 ℃

4.5 显微组织

40 mm厚Q390C-T、Q420C-T和70 mm厚Q345qD、Q420qD钢板在1/4厚度位置的显微组织如图2所示。钢板组织构成为贝氏体、多边形铁素体为主加少量珠光体组织,铁素体、贝氏体两相组织均匀分布、尺寸细小,晶粒度水平为10～12级。

图2 钢板显微组织Fig.2 Microstructure of steel plate

5 钢板焊接性能评价

5.1 焊接方法及工艺

结合深中通道工程应用实际,对40 mm厚Q420C-T钢板采用三丝埋弧焊FCB工艺进行焊接性能评价,焊接热输入276 kJ/cm;对70 mm厚Q345qD采用埋弧焊(SAW)工艺进行焊接性能评价,焊接热输入50 kJ/cm。焊接工艺参数如表7所示。

表7 焊接工艺参数Table 7 Detailed process parameters of welding

5.2 焊接接头性能

钢板焊接接头性能如表8所示。Q420C-T和Q345qD接头拉伸试验断裂位置位于母材,抗拉强度值高于标准25～40 MPa,焊接接头侧弯试验合格。Q420C-T熔合线及热影响区-20 ℃冲击功在140 J以上,较标准有3倍富裕量,但较Q345qD略低,这与两者焊接热输入有较大差异有关。钢板焊后热影响区硬度(HV10)在210以下,具有低的淬硬性能。