橋梁結(jié)構(gòu)用厚規(guī)格S355NL-Z35鋼板的開發(fā)

郝春霞

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210035）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，橋梁建設(shè)對鋼板需求量將越來越多。目前橋梁建設(shè)正在向高速、重載、大跨度、全焊節(jié)點、安全性高的方向發(fā)展，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性和使用壽命的要求越來越嚴(yán)格，由此對鋼板提出了更高的要求，即不僅要求具有高強(qiáng)度以滿足結(jié)構(gòu)輕量化要求，還應(yīng)具有優(yōu)良的低溫韌性和焊接性能，以滿足鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠、長壽等要求。為適應(yīng)橋梁技術(shù)進(jìn)步的要求，新一代高性能橋梁結(jié)構(gòu)鋼集高強(qiáng)度、高韌性、易焊接和抗層狀撕裂等多項性能為一體，成為高性能橋梁用鋼研發(fā)生產(chǎn)的主要發(fā)展方向［1］。

近來歐洲某橋梁工程項目設(shè)計需求厚規(guī)格S355NL-Z35鋼板，最大厚度達(dá)120 mm，且對產(chǎn)品高強(qiáng)度、低溫韌性、厚度方向（Z向）性能、內(nèi)部質(zhì)量、外形尺寸等要求很高，同時還提出了正火交貨鋼板碳當(dāng)量（CEV）不超過0.41%，以及鋼板屈強(qiáng)比≤0.80，-40℃低溫沖擊值≥120 J等特殊技術(shù)要求，以便具備優(yōu)異的成型性、焊接性能等，生產(chǎn)技術(shù)難度非常大［2］。

本文結(jié)合橋梁項目用鋼板特殊技術(shù)要求及用戶使用要求，以國內(nèi)某5 000 mm寬厚板廠生產(chǎn)的厚規(guī)格S355NL-Z35為例，借助于大厚度連板鑄坯，成分設(shè)計采用低碳當(dāng)量CEV≤0.41%、包晶鋼、Nb+V+Ti微合金化設(shè)計，通過兩相區(qū)控制軋制工藝、正火熱處理工藝，成功試制了橋梁結(jié)構(gòu)用120 mm厚S355NL-Z35鋼板，鋼板的力學(xué)性能優(yōu)良，內(nèi)部質(zhì)量良好，為開發(fā)高性能厚規(guī)格正火橋梁鋼提供理論性指導(dǎo)。

1 S355NL-Z35鋼板技術(shù)要求

試制鋼板是歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10025-3標(biāo)準(zhǔn)中的產(chǎn)品，要求正火或正火軋制交貨，需滿足EN10025-3：2004標(biāo)準(zhǔn)中S355NL牌號的化學(xué)成分及力學(xué)指標(biāo)，同時滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10164中Z35級別要求，120 mm厚S355NL-Z35鋼板的化學(xué)成分要求如表1所示。

考慮到橋梁結(jié)構(gòu)用厚規(guī)格S355NL-Z35鋼板的焊接性能，用戶還提出了CEV≤0.41%的特殊技術(shù)要求。

120 mm厚S355NL-Z35鋼板力學(xué)性能要求，如表2所示。

針對項目鋼板使用及服役要求，用戶特殊技術(shù)要求鋼板屈強(qiáng)比≤0.80，-40℃低溫沖擊功平均值大于120 J。

表1 S355NL-Z35鋼的熔煉化學(xué)成分 （單位：wt/%）

表2 S355NL-Z35鋼板的力學(xué)性能

2 成分設(shè)計及工藝設(shè)計

2.1 成分設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)用厚規(guī)格S355NL-Z35鋼板要求高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、-40℃低溫沖擊性能和抗層狀撕裂性能，以及優(yōu)異的焊接性能。具體成分設(shè)計：C含量為0.10%～0.14%的包晶鋼成分設(shè)計，保證鋼的低溫韌性和焊接性能；微量Alt，Nb，V等合金元素，通過控軋過程的細(xì)晶強(qiáng)化、冷卻過程的析出強(qiáng)化等作用來提高鋼的強(qiáng)度、低溫韌性；適量的Si，Mn元素提高鋼板正火后的強(qiáng)度，同時避免鋼板低溫韌性的惡化；另外添加適量Ni合金元素，降低鋼的沖擊韌脆性，轉(zhuǎn)變溫度點。

針對用戶提出的CEV≤0.41%的特殊技術(shù)要求，結(jié)合CEV計算公式中各元素所起的作用，為保證低CEV設(shè)計鋼種的正火后強(qiáng)度，成分設(shè)計適當(dāng)降低C，Mn含量，增加不影響CEV的Si，Nb含量。

Si元素作用機(jī)理：煉鋼過程中主要的脫氧劑和還原劑，在鋼種加入Si元素能顯著提高鋼的彈性極限、屈服點和抗拉強(qiáng)度。

Nb元素作用機(jī)理：在控軋過程中通過抑制奧氏體再結(jié)晶，促進(jìn)鋼顯微組織的晶粒細(xì)化，提高正火后的強(qiáng)度和韌性，降低韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，同時不影響鋼的塑性，有益于改善鋼的焊接性能。

120 mm橋梁結(jié)構(gòu)用厚規(guī)格S355NL-Z35鋼板，其具體化學(xué)成分設(shè)計如表3所示。

2.2 工藝設(shè)計

為保證鋼板正火后的高強(qiáng)度、低溫韌性、抗層狀撕裂等性能要求，基于軋制壓縮比需求，設(shè)計采用大厚度連鑄板坯進(jìn)行軋制，通過純凈鋼冶煉技術(shù)、兩階段控制軋制工藝及正火熱處理工藝設(shè)計，進(jìn)而改善橋梁結(jié)構(gòu)用厚規(guī)格S355NL-Z35鋼板的各項性能。試制鋼板的生產(chǎn)工藝流程包括：經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉、LF+RH精煉、連鑄工藝生產(chǎn)獲得大厚度連鑄板坯，鑄坯經(jīng)加熱、軋制、冷卻后得到鋼板，鋼板再經(jīng)正火熱處理后得到成品鋼板，即橋梁結(jié)構(gòu)用厚規(guī)格S355NL-Z35鋼板。

2.2.1 煉鋼工藝

為保證高強(qiáng)度、低溫韌性、抗層狀撕裂性能和優(yōu)良的焊接性，必須保證鋼水的純凈度和優(yōu)良的鑄坯質(zhì)量；轉(zhuǎn)爐冶煉保證冶煉終點鋼水溫度和碳含量同時命中，減少后續(xù)拉碳次數(shù)，以降低鋼水含氧、氮含量；LF精煉深脫硫處理，降低鋼水的S含量；RH精煉保證高真空度和足夠的保持時間，真空結(jié)束后對鋼水喂入純鈣線進(jìn)行夾雜物球化處理；連鑄全過程保護(hù)澆鑄，嚴(yán)格控制連鑄中包過熱度在較低范圍，采用鑄坯動態(tài)二冷及動態(tài)輕壓下技術(shù)、電磁攪拌技術(shù)，改善鑄坯中心偏析及中心疏松，抑制鑄坯中間裂紋發(fā)生，有效控制鑄坯內(nèi)部及表面質(zhì)量，保證鋼板滿足EN10160 S2E3探傷要求。

2.2.2 軋制工藝

軋制工藝采用兩階段控制軋制，即第一階段再結(jié)晶軋制、第二階段非再結(jié)晶軋制，其中第一階段軋制采用大壓下軋制制度，工藝要求最后2道次的軋制壓下率≥18%；第二階段采用低溫軋制、避開混晶區(qū)，工藝要求開軋溫度≤830℃，最后一道次低壓下率控制以便提升軋制板形。軋后鋼板采用ACC弱冷，鋼板下線后堆垛緩冷時間≥48小時。

2.2.3 熱處理工藝

軋后鋼板采取正火熱處理工藝生產(chǎn)，進(jìn)一步提高鋼板的力學(xué)性能。結(jié)合試制鋼種冶煉實績成分，通過公式計算出該鋼種的Ac3溫度為845℃，根據(jù)經(jīng)驗正火溫度設(shè)置在Ac3溫度基礎(chǔ)上增加30～50℃，因此正火熱處理工藝溫度設(shè)定為885±10℃，爐內(nèi)熱處理時間1.5～1.8 min/mm，鋼板出爐后在空氣中冷卻至室溫。通過鋼板正火熱處理，進(jìn)一步細(xì)化組織晶粒，提升鋼板各向性能的均勻性，獲得高強(qiáng)度、低溫韌性、抗層狀撕裂等綜合力學(xué)性能優(yōu)良的鋼板。

3 產(chǎn)品性能

3.1 拉伸性能

經(jīng)過正火處理后120 mm厚S355NL-Z35鋼板，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行厚度1/4處橫向拉伸檢驗，包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、屈強(qiáng)比等，檢驗結(jié)果如表4所示。

表3 S355NL-Z35鋼的化學(xué)成分設(shè)計 （單位：wt/%）

表4 S355NL-Z35鋼板的力學(xué)性能

從表4可以看出，鋼板的屈服強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)下限高50 MPa以上，抗拉強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)下限高40 MPa以上，屈強(qiáng)比控制較低，完全滿足EN10025-3：2004的各項指標(biāo)要求和用戶技術(shù)要求。

3.2 厚度方向性能

厚度方向斷面收縮率是體現(xiàn)抗層狀撕裂性能的重要指標(biāo)，斷面收縮率數(shù)值越高，鋼板抗層狀撕裂的能力越強(qiáng)。本試驗檢驗結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，120 mm厚S355NL-Z35鋼板的斷面收縮率較標(biāo)準(zhǔn)下限高20%以上，完全滿足EN10164標(biāo)準(zhǔn)中Z35鋼板要求，鋼板厚度方向性能優(yōu)異。

3.3 沖擊性能

按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鋼板厚度1/4處縱向沖擊性能檢驗，包括技術(shù)要求的-40℃和額外的-50℃沖擊，檢驗結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出，鋼板的低溫-40℃沖擊試驗在200J以上，更低溫的-50℃沖擊試驗在150 J以上，完全滿足EN10025-3：2004的各項指標(biāo)要求和用戶技術(shù)要求。

3.4 探傷質(zhì)量

對試制的120 mm厚S355NL-Z35鋼板，采用EN10160標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行超聲波無損探傷檢測，探傷結(jié)果顯示，試制鋼板的探傷結(jié)果全部滿足EN10160標(biāo)準(zhǔn)S2E3級要求，表明連鑄坯低壓縮比軋制工藝生產(chǎn)的特厚鋼板內(nèi)部質(zhì)量良好，鋼板全厚度方向沒有影響用戶使用的缺陷。

3.5 金相組織

對正火后120 mm厚S355NL-Z35鋼板，通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了全厚度金相組織分析，重點觀察鋼板微觀組織特點，圖1為鋼板金相組織形貌。

從圖1可以看出，試制的2塊120 mm厚S355NLZ35鋼板，厚度1/4處金相組織均為鐵素體和少量的珠光體組織，整體上組織分布較為均勻及細(xì)小，晶粒度評級8.5～9.5級。

4 結(jié)語

通過低碳當(dāng)量CEV≤0.41%、包晶鋼和Nb+V+Ti微合金化成分設(shè)計，采用兩相區(qū)控制軋制、正火熱處理等工藝技術(shù)，南鋼成功開發(fā)了橋梁結(jié)構(gòu)用120 mm S355NL-Z35特厚鋼板，鋼板化學(xué)成分、各項力學(xué)性能滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10025-3及用戶特殊技術(shù)要求，厚度方向性能要求滿足EN10164標(biāo)準(zhǔn)Z35級別，探傷質(zhì)量滿足EN10160標(biāo)準(zhǔn)S2E3級要求。鋼板各項性能指標(biāo)優(yōu)良，特別是鋼板屈強(qiáng)比不超過0.80，在-40℃，-50℃低溫條件下的沖擊功試驗值分別大于200 J，150 J，厚度方向斷面收縮率高于Z35級別要求，極大地滿足橋梁設(shè)計用鋼材的技術(shù)需求，適用于實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

表5 S355NL-Z35鋼板的斷面收縮率

表6 S355NL-Z35鋼板的沖擊性能

圖1 S355NL-Z35鋼板的金相組織-1/4厚度處(a)93000953301(b)93000953501