高層建筑用鋼Q420GJCZ25的生產(chǎn)實踐

劉 勇 吳紅廣

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 引言

高層建筑用鋼板簡稱高建鋼，它具有易焊接、抗震、抗低溫沖擊等性能，主要應用于高層建筑、超高層建筑、大跨度體育場館、機場、會展中心以及鋼結(jié)構(gòu)廠房等大型建筑工程。我國高建鋼執(zhí)行的國家標準為GB/T19879 －2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》，高建鋼的牌號按屈服強度分為345 Mpa、390 Mpa、420 Mpa和460 Mpa 等四個強度級別，各強度級別分為Z 向和非Z 向鋼，Z 向鋼有Z15、Z25、Z35 三個等級，各牌號又按不同沖擊試驗要求分為C、D、E 三個質(zhì)量等級，上述高建鋼都是隨著我國高層建筑建設的技術(shù)進步和發(fā)展要求而逐步開發(fā)出來。目前，國內(nèi)大量使用的材質(zhì)為Q345GJB/C/D。

高建鋼板與低合金鋼板相比，厚度16 mm 以上規(guī)格屈服強度設定了上限，并且屈服強度下限有所提高，對碳當量、屈強比指標有要求。2013年，安鋼按照用戶要求采用國內(nèi)先進的爐卷軋機生產(chǎn)線開發(fā)生產(chǎn)了帶有符合GB/T 2970 －2004 探傷標準Ⅱ級及抗層狀撕裂性能達到Z25 要求的50 mm 厚規(guī)格及其以下規(guī)格高層建筑用鋼Q420GJCZ25，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，得到用戶好評。

1 技術(shù)要求及設計原則

1．1 技術(shù)要求

1)Q420GJCZ25 力學性能執(zhí)行GB/T19879 －2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》中的Q420GJ 力學性能部分，厚度方向性能要求執(zhí)行GB/T5313 －2010《厚度方向性能鋼板》中關(guān)于Z25 的技術(shù)要求，探傷執(zhí)行GB/T 2970 －2004 標準中Ⅱ級探傷要求，具體分別見表1、表2。

2)鋼板表面質(zhì)量應無裂紋、氣泡、折疊、夾雜等缺陷，表面光滑。

表1 力學性能

表2 厚度方向性能及探傷要求

3)Q420GJCZ25 交貨狀態(tài)為熱軋狀態(tài)交貨。

1．2 成分設計及要求

依據(jù)訂貨技術(shù)要求，在滿足強度達到標準要求的同時，需保證鋼板內(nèi)部質(zhì)量。首先，為滿足Ⅱ級探傷要求及厚度方向性能Z25，降低鋼中C、P、S、Mn等易偏析元素含量及氣體［H］含量［1－2］;其次，通過Nb、V 復合微合金化實現(xiàn)晶粒的細化、強度的提高。

1)降低P、S 雜質(zhì)元素:P、S 為鋼中易偏析元素，盡可能去除鋼中P、S 含量，強化轉(zhuǎn)爐脫磷效果及防止出鋼過程回磷，保證出鋼P 含量小于0．012%;采用鐵水預處理+LF 精煉爐深度脫硫，將鋼中硫含量脫到0．005%以下。

2)碳、錳元素控制:碳、錳元素為偏析主導元素，為減輕中心偏析及滿足焊接要求，需降低容易偏析且對碳當量影響較大的C、Mn 元素含量;結(jié)合板坯連鑄特點，碳的設計還要避開鑄坯凝固包晶區(qū)范圍0．09% ～0．12%［3］，防止板坯縱裂發(fā)生，錳元素滿足性能要求前提下，盡量降低。

3)微合金Nb、V 元素加入:從滿足力學性能角度，碳及錳含量的降低會帶來強度的降低，需采用微合金化方式彌補強度不足，綜合各方面性能要求，該鋼種采用SiMn +適量Nb，V 復合微合金化的中碳成分體系設計。

4)氮元素控制:從成本角度，根據(jù)鈮釩等碳氮化物軋制過程析出的特點，為有效地利用鈮釩等微合金，促使鈮釩碳氮化物生成，充分發(fā)揮鈮釩的析出強化效果，細化晶粒，采取向鋼中吹入氮氣進行氮合金化的經(jīng)濟有效方式。從增氮及控氮的優(yōu)勢方面，選擇LF +VD 雙精煉全程吹氮進行增氮［4］，為保證板坯表面質(zhì)量，將連鑄上鋼前鋼水熔煉成分氮含量控制在70 ppm ～100ppm。

2 研制及生產(chǎn)過程

2．1 工藝流程

根據(jù)安鋼的工藝設備特點、產(chǎn)品的技術(shù)要求及設計原則，選擇如下工藝流程:鐵水預脫硫—復吹轉(zhuǎn)爐—LF 精煉—VD 真空處理一板坯連鑄—鑄坯堆冷檢查—加熱—高壓水除鱗—控軋控冷—矯直一鋼板堆垛緩冷—表面檢查—取樣檢驗、定尺—標識—探傷—終判入庫。

2．2 化學成分

為保證產(chǎn)品Q420GJCZ25 綜合性能，采用SiMn+Nb，V 復合微合金化及控氮的成分體系，熔煉化學成分具體見表3。

表3 鋼的化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)) %

2．3 轉(zhuǎn)爐復吹冶煉

冶煉時使用鐵水、優(yōu)質(zhì)廢鋼，脫磷控制主要依托轉(zhuǎn)爐的氧化性氣氛進行脫磷，合理利用動態(tài)副槍模型，避免后期渣中TFe 降低后鋼水回磷。終點控制［P］≤0．012%、［C］≥0．08% ～0．12%，出鋼溫度滿足LF 到站鋼水溫度不低于1560 ℃，采用滑板擋渣方式，脫氧合金化使用硅錳合金和硅鐵合金，終脫氧依據(jù)終點氧含量加入適量鋁鐵合金保證脫氧效果，鋼包吹氬嚴禁翻鋼。

2．4 LF 精煉

LF 精煉脫氧、快速造白渣，要求精煉渣量不低于12 kg/t 鋼，白渣保持時間不低于20 min，快速達到脫硫的熱力學條件;合理選擇鋼包底吹流量，掌握脫硫時機，脫硫時期底吹流量大小按6 NL/min·t鋼～10 NL/min·t 鋼控制，保證快速脫硫的動力學條件，要求將硫脫至0．005%以下，以保證成品硫的控制。硅錳合金微調(diào)后，加入鈮鐵及釩氮合金，采用全程吹氮的增氮方式，為利于鋼水快速增氮，LF 一次升溫至1600 ℃以上，確保LF 出鋼鋼水氮含量介于90 ppm ～110 ppm，出鋼溫度要滿足VD 真空處理周期及連鑄澆注溫度要求，一般情況下出鋼溫度介于1625 ℃～1635 ℃。

2．5 VD 真空處理

為保證進一步脫氧、脫氫及控氮的目的，VD 真空處理采用兩個階段進行:一階段，為了脫氫，真空度達到70 Pa 以下進行，真空保持時間不低于5 min，［H］可穩(wěn)定控制0．9 ×10－6～1．5 ×10－6;二階段，真空度控制在5 kpa ～15 kpa，單磚流量不低于2 NL/min，能夠滿足鋼水氮含量對真空度的控制要求。VD 真空處理時要全程底吹氮操作，保證過程平穩(wěn)，氮含量目標控制在80 ppm ～95 ppm，VD 處理結(jié)束后視氮分析結(jié)果決定底吹介質(zhì)選擇，并喂入鋁線及鈣鐵線，軟攪拌不低于5 min。真空達到時間、保持時間、最終的真空度、渣量控制及氣體攪拌強度是保證真空處理效果的關(guān)鍵。

2．6 板坯連鑄

生產(chǎn)前連鑄必須將所有二冷噴嘴清理干凈，并確認輥縫及輕壓下參數(shù)。采用全保護澆注，主要采用大包長水口、浸入式水口、中包覆蓋劑及惰性氣體密封等措施，在穩(wěn)定結(jié)晶器內(nèi)流場的前提下進行自動換渣線操作，調(diào)整范圍控制在0 ～±50 mm 之內(nèi)。浸入式水口在結(jié)晶器內(nèi)對中，保護渣采用中碳鋼保護渣。降低鋼水過熱度及穩(wěn)定拉速，要求過熱度10 ℃～25 ℃，工作拉速穩(wěn)定在1．25 m/min，嚴格控制連鑄非穩(wěn)態(tài)澆注時間，塞棒位置單包波動值穩(wěn)定在0 ～±2 mm 之內(nèi)，控制結(jié)晶器液面波動在±3 mm以內(nèi)。采用動態(tài)輕壓下技術(shù)，減輕鑄坯中心偏析［5－6］，二次冷卻采用專用弱冷模式，動態(tài)配水，保證鑄坯內(nèi)外部質(zhì)量。

2．7 板坯堆冷

為保證產(chǎn)品探傷性能，對鋼中氣體及板坯內(nèi)部質(zhì)量要求嚴格。采取坯料堆冷可有效緩解氫致裂紋的產(chǎn)生，同時可減輕微合金鋼種板坯的內(nèi)部應力。安鋼選擇坯庫堆冷，堆垛高度大于1．5 m，加熱爐采取坯料冷裝軋制。

2．8 加熱及軋制

為保證材料組織和力學性能，嚴格制定了加熱及軋制工藝，加熱采用步進梁式加熱爐加熱，確保加熱溫度均勻;為保證未再結(jié)晶區(qū)的軋制效果，軋制采用再結(jié)晶及未再結(jié)晶區(qū)兩階段軋制，降低第二階段開軋溫度，增大道次變形率和總壓下率以及合適的終軋溫度，使奧氏體晶粒壓扁、拉長，奧氏體晶粒被拉長，將阻礙鐵素體晶粒的長大，隨著變形量的加大，變形帶的數(shù)量也增加，鐵素體形核增加，相變后鐵素體的晶粒更加細小，未再結(jié)晶區(qū)軋制導致鋼的強度提高和韌性改善［7］。其主要工藝參數(shù)控制范圍見表4。

表4 加熱與軋制參數(shù)

2．9 鋼板軋后堆冷

為保證探傷及厚度方向性能，除坯料要求堆冷外，軋制后的鋼板要進行堆冷，達到進一步釋氫及應力釋放。

3 產(chǎn)品實物質(zhì)量控制分析

3．1 化學成分

安鋼生產(chǎn)的高建鋼Q420GJCZ25 熔煉化學成分符合表3 的要求。

3．2 力學性能

安鋼生產(chǎn)的高建鋼Q420GJCZ25 產(chǎn)品，每個規(guī)格20 批次力學性能及彎曲檢驗，結(jié)果見表5。

3．3 鋼板全橫斷面低倍檢驗及探傷結(jié)果

表5 產(chǎn)品力學性能及彎曲試驗檢驗結(jié)果

將36 mm 成品鋼板端部一側(cè)截取全橫斷面并均勻切成五段進行酸煮低倍檢驗，如圖1 所示。

從圖1 可以看出，評級結(jié)果中心偏析B1．5，中心疏松0．5，無裂紋及縮孔，鋼板內(nèi)部質(zhì)量較好。探傷檢驗結(jié)果符合探傷標準GB/T 2970 －2004，Ⅱ級探傷要求。

3．4 金相組織

該產(chǎn)品金相組織檢驗如圖2、圖3 所示。

圖1 鋼板全橫斷面低倍

圖2 邊部P+F 晶粒度11．6 級

圖3 1/2 板厚P+F 晶粒度9 級

從圖2 和圖3 可以看出，Q420GJCZ25 邊部和1/2半徑處金相組織主要為珠光體+鐵素體組織，未發(fā)現(xiàn)其他異常組織;邊部晶粒度11．6 級，1/4 晶粒度9 級。

4 結(jié)論

生產(chǎn)實踐表明，安鋼研制生產(chǎn)的Q420GJCZ25 化學成分、工藝路線設計及工藝參數(shù)制定合理可行，綜合性能達到相關(guān)標準的技術(shù)要求，實物質(zhì)量穩(wěn)定，該產(chǎn)品已經(jīng)用于長沙“小天空低碳城”項目建設使用，達到用戶使用標準，滿足了我國高層建筑建設發(fā)展要求。

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［3］任迅．連鑄坯縱裂的成因與對策［J］．連鑄，2002(3):24 ～26．

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［7］王有銘，李曼云，韋光．鋼材的控制軋制及控制冷卻［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1995:38 ～39．